大家好，我是無線深海，我們好久不見。

本期我們來聊聊衛(wèi)星通信，以及衛(wèi)星通信和地面通信的融合：非地面網(wǎng)絡(luò)的故事。

對于5G來說，這可能只是后半場的錦上添花；但對仍處于暢想中的6G來說，空天地海一體化通信則是待征服的星辰大海。

那么，這就開始咯。

為什么需要衛(wèi)星通信？

手機(jī)，已經(jīng)串聯(lián)起了我們生活中的一切環(huán)節(jié)。我們隨時隨地拿出手機(jī)，都能暢快地上網(wǎng)。

這一切是如此地理所當(dāng)然，以至于我們甚至想不到這樣不可思議的問題：

移動通信網(wǎng)絡(luò)真的無處不在嗎？

我們都知道，地球雖叫“地”球，但實際上是一個不折不扣的水球，陸地面積只占29%，海洋面積占到了71%。

就這么點陸地面積，移動通信網(wǎng)絡(luò)也僅僅覆蓋了20%；相比之下海洋的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率就更低了，只有5%。

總體算下來，移動通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了全球不到10%的面積！

海洋里住不了人沒有覆蓋很好理解，陸地上的覆蓋率為什么這么低呢？看下面這張圖就明白了。

原來，陸地上適合人居住的地方本就不多。移動通信網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋到的地方，大多都是沙漠，叢林，冰原等人跡罕至的地方。

在這種地方建地面基站純屬虧本買賣，自然就成了信號的盲區(qū)。

可是，海洋上有各種各樣的船只要上網(wǎng)，陸地上人跡罕至的地區(qū)也不是完全沒人去。這些被遺忘的邊緣地帶的通信需求該如何滿足？

此外，在大自然面前，人類的力量是渺小的。洪水、地震、海嘯等自然災(zāi)害往往導(dǎo)致大面積的地面基礎(chǔ)設(shè)施破壞，導(dǎo)致斷電、斷網(wǎng)、斷路，使救援工作困難重重。

在此等危急時刻，如何打通救援的生命線？

上述問題的本質(zhì)是：怎樣建設(shè)一張覆蓋全球，不受地面環(huán)境限制的通信網(wǎng)絡(luò)？

于是，人們把目光投向了天空，期望通信基站像星光和月光一樣，不管底下的大地是繁華還是貧瘠，是平原還是戈壁，都能把信號毫無偏見地灑滿大地。

這樣的方案還真有，就是“衛(wèi)星通信”。

衛(wèi)星通信如何實現(xiàn)？

一般情況下，我們所說的“衛(wèi)星”的全稱是“人造地球衛(wèi)星”。它們和地球的天然衛(wèi)星——月球一樣，也在天空中圍繞著地球高速旋轉(zhuǎn)。

那么，衛(wèi)星運行的高度到底是多少呢？

回想起我之前介紹5G ATG（鏈接：如何在萬米高空暢享5G？）時，用到了“5G，可以上天了！”這樣的摘要，現(xiàn)在想來是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

雖然我們口頭上經(jīng)常把仰頭所能看到的外部世界叫作“天空”，但實際上，“天”和“空”的概念，是截然不同的。

“空”指的是地球表面到大氣層之內(nèi)的高度范圍，通過氣球、飛機(jī)、飛艇等航空器可達(dá)；而大氣層之外的空間，才可以稱之為“天”，一般需要通過火箭才可到達(dá)。

“空”和“天”一般以海拔100千米為界，也被稱作“卡門線”。這是由美國工程師和物理學(xué)家西奧多·馮·卡門通過研究航空器的極限飛行高度得出的。也就是說，地球大氣層的極限為100千米，再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。

能實現(xiàn)“上天”的通信載體，就是各式各樣的通信衛(wèi)星。它們無時無刻不在我們頭上游弋，既熟悉又陌生。

衛(wèi)星軌道的高低，一般分為低軌、中軌、地球靜止軌道和高軌。

低軌（Low Earth Orbit，LEO）：距地面高度低于2000千米的衛(wèi)星系統(tǒng)。由于低軌道衛(wèi)星離地球近，有著路徑損耗小，傳輸時延低（一般小于10毫秒）的特點。

隨著發(fā)射成本的逐年降低，多顆LEO衛(wèi)星可組成星座來實現(xiàn)真正的全球覆蓋，頻率復(fù)用更有效。因此，LEO 系統(tǒng)被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

中軌（Medium Earth orbit，MEO）：距地面高度2000km~35786Km，傳輸時延一般小于50毫秒，要大于低軌道衛(wèi)星，但覆蓋范圍也更大。當(dāng)軌道高度為10000Km時，每顆衛(wèi)星可以覆蓋地球表面的23.5%，因而只要少量衛(wèi)星就可以覆蓋全球。

地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）：距地面高度35786km，即同步靜止軌道。也就是說，GEO衛(wèi)星運動的角速度和地球自轉(zhuǎn)相同，因此從地球上看這些衛(wèi)星是相對靜止的。

理論上，用三顆地球靜止軌道衛(wèi)星即可以實現(xiàn)全球覆蓋。但是，同步衛(wèi)星有一個不可避免的缺點，就是軌道離地球太遠(yuǎn)，鏈路損耗嚴(yán)重，信號傳播時延一般為250毫秒以上，遠(yuǎn)大于LEO和MEO。

高軌（High Earth Orbits，HEO）：距地面高度大于35786km。此外還有橢圓軌道等，相比于前面幾種，這些技術(shù)的應(yīng)用較少，在此不再贅述。

這些不同軌道的距離尺度以數(shù)字的形式來看感受不明顯，從下圖可以看出，中軌和高軌以地球同步靜止軌道為分界線，它們高度范圍是非常寬廣的。相比之下，低軌則離地面非常近，可容納的衛(wèi)星自然就少得多。

根據(jù)賽迪顧問研究報告數(shù)據(jù)，地球近地軌道可容納約6萬顆衛(wèi)星。據(jù)預(yù)測，到2029年，地球近地軌道將部署總計5.7萬顆低軌衛(wèi)星。

目前，單單一個SpaceX的星鏈，就已經(jīng)規(guī)劃了4.2萬顆衛(wèi)星。這么稀缺的資源，你不搶，有的是人搶。因此，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，低軌衛(wèi)星的建設(shè)已炙手可熱。

要采用衛(wèi)星來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，頻譜資源也是至關(guān)重要的。

隨著容量的需求，衛(wèi)星通信使用的頻段從中頻L、S波段到Ku、Ka，再到毫米波一路向上，頻率越來越高，帶寬也越來越大。

衛(wèi)星通信頻段和空間軌道資源一樣都屬于“不可再生資源”，國際原則是“先登先占”的使用模式。目前低軌衛(wèi)星的主要通信頻段（Ku 和 Ka）已趨于飽和。

衛(wèi)星通信的架構(gòu)和終端

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成可以分為三部分：空間段、地面段和用戶段。

衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)（來源：Starlink）

空間段指的主要就是天上的由多顆通信衛(wèi)星組成的星座，以及衛(wèi)星之間的通信鏈路（ISL，Inter-satellite Link，也叫星間鏈路）。

地面段主要包含地球站（也可稱作網(wǎng)關(guān)），以及業(yè)務(wù)控制、監(jiān)控管理、時間注入等輔助部分。地面網(wǎng)絡(luò)的傳輸、核心網(wǎng)等網(wǎng)元也可以看作地面段的一部分。

用戶段指的是接入衛(wèi)星的終端，主要包含天線（我們常說的“鍋”）、信號處理并提供網(wǎng)絡(luò)接入能力的設(shè)備（如路由器等）、接入網(wǎng)絡(luò)的終端（手機(jī)、電腦等）。

從上圖可以看出，在有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)均沒有覆蓋的地方，要實現(xiàn)低成本的上網(wǎng)，只需在房頂上安裝衛(wèi)星天線，連接室內(nèi)的路由器即可實現(xiàn)電腦、筆記本、手機(jī)等終端共同上網(wǎng)。

如果想在野外隨時隨地上網(wǎng)，Starlink的方案依然是攜帶小尺寸的電子相控陣天線和路由器。

標(biāo)準(zhǔn)尺寸的天線功耗為50~75瓦，路由器也需供電，因此，車載電源是必不可少的。看上圖，一人在靜謐的星空下獨享衛(wèi)星高速網(wǎng)絡(luò)，好不愜意。

如果你僅僅是在緊急情況下有語音通信需求，想要甩掉笨重的天線輕裝上陣，那么你就需要一部專用的便攜式衛(wèi)星電話。

衛(wèi)星電話長什么樣呢？

下圖是美國2022年銷量最好的三款衛(wèi)星電話，支持Inmarsat（國際海事衛(wèi)星）或者Iridium（銥星）這兩種主流的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

乍一看，這初號機(jī)的造型、9 宮格按鍵、又粗又大又長的天線，莫非是穿越到了20年前？

再看價格，好家伙，就支持些打電話、發(fā)短信、GPS、緊急呼叫等我們看來2G手機(jī)自誕生起就支持的功能，竟然賣到了接近1600美元，約等于人民幣一萬多。

我們再來看看國內(nèi)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星電話是什么樣的。

2020年1月10日，我國自主建設(shè)的第一個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)——天通系統(tǒng)，正式面向全社會提供服務(wù)，由中國電信運營。

天通一號01衛(wèi)星可以提供速率為1.2 kbps的語音業(yè)務(wù)和最大384 kbps的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。雖然容量比較低，但提供應(yīng)急通信服務(wù)還是可以的。

2022年5月17日，電信推出“天地翼卡”，宣稱用戶不用換SIM卡，也不用換手機(jī)號就能打衛(wèi)星電話，永不失聯(lián)！如果能收到地面基站的信號，4G和5G網(wǎng)絡(luò)也能正常使用。

雖說不用換卡換號，但手機(jī)卻是必須要換的。蜉蝣君在某購物平臺搜了下，支持天通系統(tǒng)的手機(jī)型號還是不少的，價格從幾千到上萬的都有，旗艦機(jī)確實可以支持5G。

下圖是電信2020年主推的一款可支持4G和天通衛(wèi)星的手機(jī)。看起來顏值是比傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話高了些，但價格也確實是貴，也要一萬多。

這其中的原因，一是衛(wèi)星電話的定位并不是給普通人用的消費品，而是專門給野外、遠(yuǎn)洋工作者使用的工業(yè)品，需要在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作，成本確實也比較高；二是衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的用戶比較少，系統(tǒng)和終端成本都難以攤薄。

我們從下面的產(chǎn)品介紹中就可以窺見其中端倪。

至于資費，那就更能看出衛(wèi)星電話的定位了：100元60分鐘通話，短信0.4元一條，300元20M流量。

這價格，也確實只能在十萬火急的時候滿足最關(guān)鍵的通信需求。

由此看來，衛(wèi)星通信，和我們的日常生活之間的鴻溝，無疑是巨大的：使用場景少，手機(jī)不好用，資費還很貴。

5G和衛(wèi)星通信的融合

那么衛(wèi)星手機(jī)，是否有走進(jìn)消費領(lǐng)域的希望呢？

今年，華為推出了支持北斗衛(wèi)星短報文的Mate 50旗艦機(jī)，蘋果也跟Globalstar（全球星）合作推出了支持衛(wèi)星求救的iPhone14。這兩款產(chǎn)品揭開了衛(wèi)星通信探索消費領(lǐng)域的序幕。

據(jù)悉，華為Mate 50可以通過北斗衛(wèi)星給個人定向發(fā)送文字、位置、軌跡圖等信息，但內(nèi)容會被審核，只有跟救援相關(guān)的信息才能被發(fā)送，而且收不到回復(fù)。

iPhone14可以發(fā)布的內(nèi)容也是預(yù)設(shè)的求救信號，且自帶定位坐標(biāo)，但不能定向發(fā)給個人，消息會統(tǒng)一發(fā)送至公立或付費的救援機(jī)構(gòu)，但能收到救援機(jī)構(gòu)的回復(fù)。

由此可見，目前在消費領(lǐng)域，手機(jī)上的衛(wèi)星通信和地面的4G、5G網(wǎng)絡(luò)還是兩套獨立的系統(tǒng)，技術(shù)上并沒有進(jìn)行融合，且衛(wèi)星僅定位于應(yīng)急通信，這一點跟傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話并沒有本質(zhì)的差別。

甚至，由于技術(shù)上的限制，華為和蘋果的這兩款手機(jī)連衛(wèi)星電話都還打不了。

那么，我們能否更進(jìn)一步，讓這兩套系統(tǒng)融合起來，衛(wèi)星直接發(fā)送5G信號？ 這樣一來，我們可能連手機(jī)都不用換，在荒郊野嶺就直接能通過衛(wèi)星來連上5G了！

答案是肯定的。且Starlink在這方面已經(jīng)走出了第一步。

今年8月25日，SpaceX宣布和T-Mobile將達(dá)成頻譜共享，新一代的Starlink V2衛(wèi)星將通過1.9GHz來向現(xiàn)網(wǎng)的手機(jī)提供服務(wù)。

現(xiàn)網(wǎng)的手機(jī)可不像專用的衛(wèi)星電話一樣有碩大的天線，發(fā)射功率也被協(xié)議定在了很低的水平（一般是0.2瓦）。因此要達(dá)成目標(biāo)只能在衛(wèi)星上下功夫。

Starlink V2衛(wèi)星對信號接收能力進(jìn)行了增強(qiáng)，將衛(wèi)星天線加長到7米，面板增加到25平米，通信性能達(dá)到上一代V1的10倍。

這樣一來，現(xiàn)網(wǎng)已有的手機(jī)終于可以直連衛(wèi)星上5G了，預(yù)計吞吐率可達(dá)2~4Mbps。

這速率，雖說跟通常意義上5G動輒幾百兆的速率不能相比，但支持打電話是不在話下的，流暢上網(wǎng)也是可以保證的。

跟地面上的5G網(wǎng)絡(luò)相比，這種飄在天上的5G網(wǎng)絡(luò)自然就叫做“非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network）”，簡稱作NTN。

廣義的NTN包含的范圍很廣，有無人機(jī)、地對空通信、高空基站、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等等。基于衛(wèi)星的NTN自然是最受關(guān)注的重點，因此在一般情況下，我們說的NTN都是基于衛(wèi)星的。

下圖是3GPP對于NTN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展及計劃。可以看出，在R15和R16，5G NTN還處于研究階段；從R17開始，5G通過NTN的接入技術(shù)已開始了標(biāo)準(zhǔn)化，并將在后續(xù)版本不斷向前推進(jìn)。

NTN的思路是：衛(wèi)星發(fā)射5G信號，直接和用戶的手機(jī)相連，地面上再架設(shè)信關(guān)站作為網(wǎng)關(guān)，最終連接到5G核心網(wǎng)。

其中，衛(wèi)星和用戶之間的鏈路叫做服務(wù)鏈路（Service Link）；衛(wèi)星和信關(guān)站之間的鏈路叫做饋電鏈路（Feeder Link）；衛(wèi)星之間的鏈路叫做星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL）。

在目前的NTN相關(guān)協(xié)議中，定義了兩種實現(xiàn)架構(gòu)，分別是“透明載荷”和“可再生載荷”。

所謂“透明載荷”，也稱作透明轉(zhuǎn)發(fā)，實際上把衛(wèi)星僅當(dāng)作信號中繼的鏈路。5G基站作為地面網(wǎng)絡(luò)的一部分部署在信關(guān)站的后面。衛(wèi)星不關(guān)注基站發(fā)了什么，對信號也不做任何處理，只要流暢地把手機(jī)和信關(guān)站連起來就好。

透明載荷架構(gòu)可以利用已有衛(wèi)星，技術(shù)上實現(xiàn)起來較為容易，成本也低，但衛(wèi)星和基站之間的路徑長，時延大，不支持星間協(xié)作，需部署大量信關(guān)站。

可再生載荷，又稱作基站上星，相當(dāng)于把5G基站部署在了衛(wèi)星上。衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的星間鏈路就跟地面基站之間的Xn接口一樣；衛(wèi)星和信關(guān)站之間的饋電鏈路，實際就是基站跟核心網(wǎng)之間回傳網(wǎng)絡(luò)的一部分。

可再生載荷這種架構(gòu)必須改造并新發(fā)射衛(wèi)星，技術(shù)復(fù)雜，成本高。優(yōu)點是手機(jī)和衛(wèi)星基站之間的時延短，且由于有星間鏈路的存在，信關(guān)站可以少部署一些。

在這兩種架構(gòu)的基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)5G NTN，本質(zhì)上是將衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信這兩種原本涇渭分明的系統(tǒng)進(jìn)行融合。

然而，蜂窩通信協(xié)議從2G、3G、4G，再到5G，針對地面網(wǎng)絡(luò)的場景這么一路演進(jìn)過來，要和衛(wèi)星通信相融合的挑戰(zhàn)是巨大的，協(xié)議上要進(jìn)行大量的更新。

1、高傳輸時延。GEO衛(wèi)星的傳輸時延可達(dá)250毫秒以上（針對透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星），如此高的時延將極大地影響基站和手機(jī)間交互的時效性，特別是接入和切換等需要多次信令交互的過程。

在這么高的時延下，很可能系統(tǒng)的定時器早都超時重啟了，信令還沒送達(dá)。因此，需要對相關(guān)協(xié)議流程進(jìn)行改進(jìn)或者重新設(shè)計。

2、多普勒頻移。由于非地球同步軌道衛(wèi)星是相對地球高速運動的，這會導(dǎo)致嚴(yán)重的多普勒頻移。

地面5G系統(tǒng)在一般場景下要處理的頻偏是非常小的，即使是在高鐵等特殊場景，也僅需考慮數(shù)千赫茲的頻偏補(bǔ)償。

然而對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，不但需要處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒偏移，還有數(shù)十微秒的定時漂移。這些對于5G NTN系統(tǒng)的設(shè)計是一個巨大的挑戰(zhàn)。

3、超大小區(qū)半徑。地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)小區(qū)一般就幾百米到幾千米，超遠(yuǎn)覆蓋也就到一百多千米，而NTN小區(qū)的覆蓋范圍要大得多，LEO波束可達(dá)1000千米，GEO波束可達(dá)3500千米。

因此，衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣的時延差異等將更加明顯，對系統(tǒng)定時同步也會帶來一定的影響。5G是同步通信系統(tǒng)，因此需要增強(qiáng)同步機(jī)制從而避免用戶間干擾。

4、移動性管理。由于非地球同步軌道衛(wèi)星相對用戶是高速運動的，這會導(dǎo)致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動性問題。

一方面，在移動性管理決策中，需要將小區(qū)的移動狀態(tài)信息等納入考量，避免不必要的切換或重選；另一方面，可進(jìn)一步利用小區(qū)的移動狀態(tài)信息，進(jìn)行預(yù)先的小區(qū)或波束切換，減少信令交互開銷。

這些技術(shù)上的挑戰(zhàn)固然棘手，但沒關(guān)系，只要有需求，只要市場在，隨著各路專家的不懈努力，技術(shù)總會找到出路。

未來之路的期許

就在2022年，我們已經(jīng)看到了業(yè)界一個個堅實的腳步。

6月21日，紫光展銳宣布，其已聯(lián)合北京鵬鵠物宇，完成全球首個基于 R17 IoT-NTN 標(biāo)準(zhǔn)的 5G衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)上星實測。

7月11日，愛立信、高通及法國航空航天公司泰雷茲聯(lián)合完成“5G手機(jī)直連LEO衛(wèi)星”的研究，并將在LEO軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上部署5G進(jìn)行測試。

7月28日，諾基亞和AST SpaceMobile達(dá)成五年協(xié)議，將建設(shè)一張4G、5G手機(jī)可訪問的天基移動寬帶網(wǎng)絡(luò)。預(yù)計將采用透明載荷架構(gòu)，諾基亞主要提供地面基站。

8月17日，聯(lián)發(fā)科宣布，其已經(jīng)和羅德施瓦茨公司合作，在實驗室完成全球首次基于3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)的5G NTN的衛(wèi)星和手機(jī)直連測試。實驗室模擬的LEO衛(wèi)星高度為600千米，移動速度高達(dá)每小時27000千米。

8月26日，中國移動、中興通訊和交通運輸通信信息集團(tuán)等單位合作，共同發(fā)布全球首個基于3GPP R17的運營商5G NTN技術(shù)外場驗證成果。本次測試基于GEO衛(wèi)星，ping 64字節(jié)時延約4s，實現(xiàn)了文字短消息、語音對講等業(yè)務(wù)。

可以看出，這些計劃和測試目前還都處于比較初級的階段，但是卻真實不虛地驗證了NTN技術(shù)架構(gòu)是可行的，這就是從“0”到“1”的突破。

回顧衛(wèi)星通信的發(fā)展史，一般認(rèn)為分為三個階段：

第一階段是在二十多年以前，衛(wèi)星通信和地面通信經(jīng)過正面交鋒和競爭最終落敗。

第二階段大概是2000年到2014年這十幾年時間，衛(wèi)星通信蟄伏起來，僅僅作為地面通信的補(bǔ)充和備份，在夾縫中生存。

第三階段自2014年起至今，以O(shè)3b的投入運營為肇端，以Starklink的崛起為高潮，基于LEO的寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛，并和地面通信加速融合。

5G NTN，正是衛(wèi)星通信和地面通信融合的產(chǎn)物，是一顆希望的種子。

期望在不久的未來，我們每一個人的手機(jī)，都可以在杳無人跡的沙漠荒原，在波濤洶涌的茫茫大海，在被自然災(zāi)害蹂躪下的殘破家園，都能接收到來自衛(wèi)星的滿格信號。