在本系列文章的推动通信通信第1篇《 现代低轨卫星技术如何改写太空竞赛格局 》中,我们探讨了卫星通信市场的发展诸多方面,并初步讨论了其对5G新空口(NR)蜂窝网络和物联网(IoT)网络的低轨影响。在本文中,卫星无线我们将更深入地探索卫星网状网络与非地面网络(NTN)的全球融合,以及它们如何改变未来的扩展一针一线通信格局。
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NTN卫星作为中继站,角色扩展了地面网络的推动通信通信无线覆盖范围和容量 。这些网络为紧急情况、发展灾难及物联网网络设备等其它服务提供通信手段。低轨此外,卫星无线一些公司正推出协议,全球将卫星通信功能集成到最新的扩展高端智能手机中。借助低地球轨道(LEO)卫星网络,角色互为因果可实现全球双向紧急信息传递、推动通信通信面向偏远地区的低成本互联网服务、远程文本通信,以及其它基于手机的通信功能。
此外,3GPP第17版标准增加了新的5G卫星网络应用,涵盖 地球静止轨道(GEO) 、 中地球轨道(MEO) 和 LEO卫星技术 。5G NTN NR卫星网络包括两个通信链路——一个 在卫星与用户之间 ,另一个 在卫星与连接至地球数据网络的地面站间 。它将提供NTN-IoT及5G NR通信服务,将智能手机和其它支持5G的设备连接到NTN服务网络。
5G NR NTN与卫星技术的风雨如晦进步
融合卫星技术的5G NR NTN架构有望实现全球蜂窝无线连接。3GPP第17版标准侧重于增强全球5G-NTN和IoT-NTN服务,并引入低延迟的直通蜂窝服务,将sub-6GHz频段的速度提升至数十Mbps。
此外,第18版标准旨在通过使用10GHz以上的频率——特别是 Ka和Ku频段 ,来改善覆盖范围及移动性。由此,将使速度达到数百Mbps,有利于部署较小尺寸的有源电子扫描阵列(AESA)天线;如SpaceX的Starlink所使用的天线。这些技术进步提升了速度,可支持灾后恢复工作,不择手段还将覆盖范围扩展至传统网络无法触及的偏远地区。
如表1所示,3GPP标准下的5G NTN演进包括频谱的扩展,以涵盖L、S、K和Ka频段,从而增强上行链路覆盖,并支持移动服务。第18版标准还特别针对新引入的三个10GHz以上NTN频段(n510、n511和n512),以进一步完善5G NTN设计,实现更佳的性能和更广泛的接入。
表1,浩如烟海SATCOM NTN频率频段
NTN网络的另一个关键目标是 提高有限无线电频谱资源的效率 。该频谱经常处于拥塞状态;最近的技术研究正在寻找更好的方法来管理这种拥塞;例如在空间网络中采用 时分双工(TDD)模式 ,改变了为发送和接收信号分配不同路径的传统方法。如表2所示,使用TDD频段有助于移动运营商在繁忙的sub-6GHz频谱上腾出更多空间。这些改进正在推动卫星技术向前发展,使其更为智能,更加符合地面网络的要求。
表2,TDD NTN频段
单向与双向卫星通信的对比
如图所示,单向通信(左图)——如直播卫星(DBS)服务等,传统上依赖GEO卫星。GEO卫星与地球自转同步,不可名状仅环绕地球赤道运行。从地面视角看,GEO卫星在天空中处于固定位置。 GEO卫星是地球同步轨道(GSO)卫星的一种 ,两者都用于电信及地球观测。
非地球静止轨道(NGSO)是指卫星相对于地球表面的非静止轨道类型 。NGSO卫星的轨道高度低于GEO卫星,且完成一圈轨道所需时间更短。NGSO卫星在天空中不断移动,能够为移动卫星服务提供更好的覆盖,并改善全球连接。NGSO轨道有多种类型,包括 LEO 、与日俱增 MEO 和 高椭圆轨道(HEO) ,其中LEO距离地球最近。
双向LEO卫星架构进一步提升了整体卫星通信能力。此类双向卫星通信超越了过去的单向“弯管”式设置,融入了诸如AESA天线等技术。“弯管”架构的运作方式类似于中继器,而双向架构则超越了这种单向通信方式。这些先进的系统对于增强地面与卫星间的通信至关重要。
NTN的透明与再生架构
如图3(左)所示,在 透明有效载荷架构 中,3GPP 5G NR基站(gNB)位于地球上,而卫星则扮演“弯管”中继器的尖酸刻薄角色。在透明有效载荷通信中,RF滤波、变频和放大等操作均在卫星上进行。
在图3(右)所示的 再生有效载荷架构 中,全部或部分gNB功能在卫星上实现。因此,在再生有效载荷通信中,RF滤波、变频和放大、解调、编码/解码、切换或路由,以及调制等操作均在卫星上完成。归根到底 这就如同在卫星上搭载了全部或部分gNB传统地面蜂窝基站的功能。此类用于LEO卫星的再生系统架构相较于传统“弯管”转发器具有诸多优势;且由于当前的LEO星座拥有自己专有的波形和机载处理系统,其已成为未来架构的方向。
AESA和波束成形技术的引入
如图4所示, 用户CPE终端是用户与卫星间的直接连接 。这些设备成本低廉、易于设置,可固定或移动(如移动卫星通信、海事应用等)。其利用AESA天线将各种技术集成到更紧凑、更轻巧的比比皆是设计中。这包括用于灵活跟踪和导向的波束成形技术,同时采用商用现成品(COTS)组件;此外,它们还支持更快的数据传输方式。
结语
在本系列的第三部分,我们将更深入地探讨AESA波束成形技术,以及它如何改变并推动空间卫星网络进入蜂窝市场领域。
(责任编辑:一网)
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