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5G NTN新动向:手机和卫星直接通信,外国企业已经行动起来了

 太空与网络 2022-08-03 发表于北京

5G NTN新动向:手机和卫星直接通信,外国企业已经行动起来了

文 | 魏兴

2022年6月中旬,制定全球移动通信标准的国际组织3GPP正式冻结了5G协议的Release17版本。在这个版本里,支持手机与卫星直接通信的所谓“非地面网络(Non-terrestrial Network,NTN)”功能被正式定义。人类向着手机随时随地上网迈进了一大步。想想看,不论你在高山上、沙漠里还是在大洋中,在那些没有地面移动网络覆盖的地方,拿出手机,就能像在城市中心一样,随时刷抖音,聊微信,这是多么美好的时代啊!这个时代就在眼前!

不过,饭要一口一口吃,事情要一步一步地做。在3GPP Release17版的标准中,我们能够得到的服务,只是通过手机直接通过卫星来发文字短信,同时也支持一些IoT设备通过卫星发送少量数据。在3GPP标准以后的版本中,才有可能逐步添加手机直接通过卫星进行语音通话和宽带上网的功能。

也许有些朋友会问,早在二三十年前,海事卫星电话和铱星电话不就可以发文字短信吗?还能进行语音通话,那3GPP定义的这些技术有啥新鲜的?还是有本质区别的!

对于消费者来说,卫星电话并不是时刻必须,在绝大多数时间内我们都生活在有地面移动通信网络覆盖的区域,时刻都能享受到廉价、方便的网络连接,为什么还要购买卫星电话,承受昂贵的卫星通信费用?对于手机厂家来说,在传统的卫星通信技术下,它们的手机产品是不可能实现与卫星直接联通的,但是在新技术下就是可能的。为了保证广大消费者不受电磁波辐射的威胁,世界上大部分国家规定,手机和Wi-Fi设备的最大发射功率在频分复用FDD模式下不超过200毫瓦,在时分复用TDD模式下不超过400毫瓦。这一下子就把功率降到传统卫星电话的十分之一了,只有依靠最新的卫星技术,高灵敏度的接收机才能实现。

此外,普通手机直接连接卫星通信还有很多技术难点:例如,为了与我们现有的移动通信网络保持兼容,卫星也要使用现有移动通信网络的空中接口技术。但是由于卫星在以第一宇宙速度飞行,比我们地面移动通信网络支持的最高速度快太多了,产生的多普勒频移会导致无线电信号的频率和相位发生重大变化,接收机无法正常接收,这就需要在手机的物理层进行额外的补偿;又如,低地球轨道卫星距离地面的高度在500公里以上,而地面基站的覆盖范围通常不超过35公里,这并不是因为基站和手机的发射功率不够,而主要是受到移动通信协议的高精度时间帧所限制,因此,如果想实现手机与卫星直接通信,需要对定时提前(TA)机制进行修改。此外,还有其他一些技术问题。值得欣慰的是,这些技术问题在3GPP Release17版本中全部得到了解决。这些解决方案主要应用在卫星上,也有部分需要修改手机底层通信协议。未来的手机芯片将会普遍支持5GNTN功能,而对于现有的手机,也有可能通过升级固件来进行支持,具体要看手机厂家的计划。

在3GPP Release17标准冻结之前,通信业和卫星业对手机与卫星直接通信谈得多、做得少。但是当标准冻结之后,许多公司都行动起来了。预计用不了多久,人们就能享受手机与卫星直接通信的方便。

目前,一些公司已经在这个方向布局及开展工作,争取早日提供手机与卫星的直接通信的服务。

7月12日,瑞典爱立信公司发布公告称,将携手法国泰雷兹公司美国高通公司,共同研制支持5G NTN服务的新型卫星。目前它们还没有公布发射卫星的具体时间表,但是这几家巨头联手,相信必然能够将这一服务迅速推进。这三家企业在3GPP组织的标准制定工作中都非常活跃,泰雷兹公司还是NTN功能工作组的领头企业。因此它们的技术必然符合3GPP的5G NTN标准,但初期只能提供短信息服务。

老牌卫星通信公司铱星通信在7月26日表示,它已经与一个未透露名称的客户公司签订了开发协议,将为该公司提供新型卫星,可以为全球数十亿部手机提供窄带通信服务(很显然,消费者不需要换手机)。铱星公司并未透露新型卫星的技术细节,但是行业分析人士认为,如果要与目前数十亿部手机兼容,那新卫星必然是支持3GPP 5G NTN标准的。

铱星下一代星座的艺术想象图

今年2月份,全球星(Globalstar)公司表示,已经与一家未透露名称的客户公司签订了协议,将研制和发射17颗卫星来提供“持续的卫星服务”,根据业内猜测,这家客户就是苹果公司。据业内爆料称,苹果公司将要在今年9月份发布的Iphone14手机,可能就将要支持通过卫星发送短消息的服务。目前尚不清楚这个服务是否符合3GPP 5G NTN标准,不过我们只要再等一个多月就知道了。

美国初创卫星公司AST SpaceMobile在今年初展示了能够直接向手机提供宽带服务的试验卫星。这家公司的主要创新之处在于,卫星使用了一个可折叠的巨型相控阵天线,能够提供更大的发射功率和更高的接收增益,使得卫星与手机通信的速率直接提升到了宽带的水平,能够真真正正地实现随时随地刷抖音、聊微信,语音通话更是不在话下。由于目前3GPP的5G NTN标准还未涉及宽带通信,可以肯定的是,AST SpaceMobile的卫星是不符合3GPP标准的,但是也许该公司未来会参与到3GPP的标准化工作中。

美国AST SpaceMobile公司的“蓝行者3号”原型卫星

另外一家美国初创企业Lynk Global也要提供手机宽带卫星服务。在2020年2月,在NASA和几家移动网络运营商共同支持的测试中,该公司的试验卫星就实现了“从在轨卫星向地面标准手机发送了世界上第一条短信”。该公司在2021年6月推出了新一代试验卫星,能够提供更大的发射功率和实现更高的通信速率。可以肯定,该公司早期试验卫星是支持5GNTN标准的,但是未来的宽带服务卫星就不一定了。目前尚不清楚该公司提供宽带服务的卫星使用了什么技术,但是从通信原理上来说,无非是使用更大孔径的天线,用更大的功率发射。实现更大孔径的天线,可以使用单一的巨型天线,也可以用多个卫星的小天线共同工作,形成合成孔径天线。

Lynk Global公司的未来卫星移动通信网络概念图

Lynk Global公司发送的世界上第一条从卫星到“未修改的手机”的短信息

新技术、新服务,SpaceX公司怎么会缺席?7月25日,SpaceX向美国联邦通信委员会申请使用2GHz频段来增强其移动卫星服务的许可。据SpaceX称,未来的星链卫星将增加一个模块化的有效载荷,使用2GHz频段,将利用“现有的地面设备和用户终端”,“还将添加新的地球站设备,以优化消费者的性能。”业内猜测,这个服务有可能兼容3GPP的NTN标准,为手机提供短信类服务,如果手机搭配使用“新的地面设备”则能提供宽带服务。

从这些消息可以看出,外国企业已经在手机直连卫星通信的领域全面行动起来了。那中国企业呢?实际上中国已经有数家公司发射和验证了IoT卫星及相关技术,部分卫星系统地面终端的能耗也降低到百毫瓦水平,在技术上实现与3GPP NTN标准兼容,并没有什么技术障碍。我们期待着,更多中国公司也能迅速反应,加入到这个新赛道的竞争中来。


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参考资料:

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https://mp.weixin.qq.com/s/CXMz0IGHzvxAnnnky7Fgrw

/iridium-agrees-development-deal-to-bring-its-network-to-smartphones/

/spacex-requests-spectrum-to-upgrade-starlink-mobile-services/

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