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5G信号通过卫星实现全球覆盖?

2022/12/01
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人们最近正在大力建设近地轨道(LEO — low-earth orbit)卫星作为5G基站,直接与5G手机通信。这个方案在技术上可行吗?如果可行,企业和政府能否解决由此带来的复杂的商业和监管问题?

想象一下,5G手机现在已经可以覆盖全球所有区域。在城市、农村、荒原、在飞机、海上……这一愿景其实包含在国际无线标准机构3GPP最近发布的第16版中。这也是5G技术供应商和卫星通信供应商之间加速研究和竞争的主题。

这是一个关于两个世界融合的故事。一个是规模庞大、仍在发展的5G电信世界;另一个是精英化的、与世隔绝的卫星通信世界。每个世界都有自己独立而复杂的技术,也都有自己的商业模式和监管环境。如果一切顺利,标准的5G手机将与LEO卫星上的5G基站直接交互,3GPP称之为非地面网络(NTN — nonterrestrial networks)。

如果一切不顺利,两种世界的融合将会变成一场灾难。

永远连接

对于用户来说,NTN的好处是显而易见的,即永远不会超出手机服务范围,永远不必支付漫游费,永远不必购买卫星电话套餐。你将永远处于数百或数千颗LEO卫星的庇护之下,每颗卫星都充当着5G基站的飞行集群。对于工业或IoT用户来说,也很有用处。例如,无论你的设备安装或使用在地球上的任何地方,都不必担心联网问题。

对于服务商来说,他们可以进入服务不足的地区,如农场、偏远村庄或荒野,这些地方没什么基站。服务商可以反击那些采用飞机、气球或私有LEO卫星的新互联网服务商。5G运营商还可以使用NTN作为因灾难事件而中断的地面服务的紧急替代方案。

他们甚至可以直接从卫星向大片地区播放内容。

运行原理

NTN基本的想法很简单。你的手机会像现在一样与5G基站交互。但部分或所有基站不是在附近的发射塔上,而是在LEO卫星上。这并不是什么概念上的飞跃。现在,如果你打开手机定位服务,手机就会不断地从另一个LEO卫星群接收数据(GPS或其他GNSS)。

不同的是,手机不会向GPS卫星发送数据,它只接收数据。所以卫星不需要探测你的手机。与固定的基站不同,卫星上的基站会以每小时17000英里的速度快速移动,所以你会不断地从一个卫星转移到另一个卫星。这里面就有一些问题值得研究了。

技术挑战

第一个问题是,如果不把手机天线的尺寸做大是否可行。

最大的问题是,手机里的那块非常迷你的5G NR(5G New Radio)能否将信号传输到LEO卫星。毕竟,手机的5G NR在设计时就考虑到了能效,与埋在超薄外壳中的天线工作,并与5km外的基站连接,而不是500km外的卫星。

因此,我们有理由怀疑天线尺寸的问题。

令人惊讶的是,在这一点上,答案似乎是肯定的,它可以通信。爱立信技术战略总监Per Synnergren解释说,理论上,目前的手机应该与卫星基站兼容。“我们相信,我们应该能够创造出与第一代3G系统相当的数据服务。也就是说,上行速率约为1mbps,下行速率为10-15mbps。现在我们正在进行的测试将确切地告诉我们这是否可能。到目前为止,我们还没有看到任何与此完全相反的情况。”

要获得最好的连接可能需要对现有的手机天线设计进行一些调整,Synnergren补充道。电池的耗电量会比大多数地面5G连接略高。但值得注意的是,考虑到涉及的物理规模,这种连接似乎是可以实现的。

许多实际因素有助于这项工作的可行性。其中之一是,5G NR的设计已经可以处理非常困难的条件,包括在大型、拥挤的地面基站中,信号强度差和多路径。另一个假设是,NTN可以拥有自己的一段频谱,不受地面5G网络或外部信号源的干扰。

没有太多的噪声裕度,所以任何干扰都是一个问题。

第三个因素与卫星天线技术有关。Synnergren解释说:“开发的一个重要部分是卫星天线。使用的基本技术并不新鲜,但应用是新的。在这种情况下,我们讨论的是太空中真正大型的相控阵天线,它有数千个天线元件,每颗卫星可以产生数百个波束。在我们的案例中,这种天线应该能够在两个不同的频段工作。这种天线是卫星行业的专长,我们看到一些不同的公司正在开发类似的解决方案。值得注意的是SpaceX与T-Mobile的合作。”

移动的问题

除了从卫星接收信号外,还有其他挑战。Synnergren提出的一系列关键问题与卫星的运动有关。

首先,卫星总是在天空中运动。因此,如果手机需要使用波束成形将其传输能量集中到卫星上(这几乎是肯定的),它需要知道相关卫星在任何特定时间的大致位置。也就是说,手机需要一个星历表,或卫星轨迹图,以便计算位置和路线。GPS接收器已经在使用星历表数据,但目的略有不同,所以这对手持设备来说没有什么革命性意义。

其次是多普勒效应。在连接过程中,卫星沿着轨道以约8km/s的速度狂奔尖叫。这一运动将导致手机和卫星之间信号的频率上下波动,就像消防车疾驰而过时警报器的音调变化一样。但今天的5G NR被设计成锁定一个频率并保持在那里,而不是跟踪移动的频率。所以,这也许就需要进行一些重新设计。

最后一个与速度相关的问题是,手机在基站之间的切换速度。在地面网络中,通常只有当你跨越区域边界,或当某些障碍导致信号质量严重下降时,你才会从一个基站转移到另一个基站。由于手机发射塔之间可能相隔数公里,即使你在行驶中的车辆,也不会经常发生信号交换。

但对于NTN,卫星上那些巨大的天线阵列所定义的单元相对较小,而且它们不断地扫过地球表面。一个固定的手机可能只在一个特定的单元里停留6-7秒。这意味着,手机、基站和核心网络连接到新基站所必须相当频繁,每隔几秒钟就必须完成一次(而且不能打断你看的流媒体视频)。

除了卫星的运动之外,还有传播延迟的问题。地面5G网络的目标是在向基站发送信息和接收回复之间的往返延迟为1ms。两端无线电控制部分的关键定时器的数量取决于这个数字。但是无线电波从地面传播到LEO卫星需要30-50毫秒。

这样的延迟至少需要重写一些控制固件,或许还需要对协议进行更深入的反思,而且它们可能会让网络游戏等服务完全无法启动。对于5G为IoT设备提供的最小延迟服务来说,这个问题将最为严重。某些类型的控制系统可能根本无法容忍这些长时间的延迟,可能必须重新设计,使用更多的本地处理。

这是真的吗?能否在对目前5G手机设计无需进行大修改的情况下,解决这些问题?

爱立信的Synnergren谨慎地表示,目前正在进行的测试正是为了回答这个问题。但他说,到目前为止,无论是建模还是测试都没有发现任何令人头疼的问题。

商业与监管

如果说技术挑战看起来是可控的,那么商业和监管问题就不那么清晰了。商业模式就是一个典型例子。真的有足够多的人希望全球5G覆盖形成一个庞大的用户池吗?除了少数环球旅行的高收入人群、军事人员和富有的冒险家,它的定价能吸引普通用户吗?

那些真正需要这项服务却得不到良好服务的人负担得起吗?卫星的发射和维护费用都需要用户来分摊,而且目前还不清楚这些卫星在5G订阅之外是否会有任何额外的收入来源。

此外,有能力支付优质服务的潜在用户会满足于早期的3G服务水平吗?我们这里说的可不是高清电影或联网游戏,而是基本的数据服务。这是另一个尚未确定的问题,这个问题可能需要大量的市场调查,就像技术问题需要大量的工程研究一样。

然后是法律。从监管层面来说,究竟谁有权管理某个特定的基站?某个国际管理机构吗?服务商或卫星供应商的备案所在地?该基站目前正在哪个国家移动?这个问题包含了很多问题,而且都很重要。

今天,每个国家都可以控制自己的频谱分配。因此,当基站产生的区域跨越国界时,就必须切换频率。在国家之间不规则的边界上进行干净的切换可能相当困难,这导致卫星在该国家未经授权使用的频段内进行一些传输。有些国家可能不愿意或无法提供卫星服务所需的清晰频谱,无法从噪音中提取那些微小的手机信号。

除了物理上的考虑,许多国家正在对其边界内的数据通信进行越来越多的控制(特别是像互联网接入、VPN的使用和数据隐私)。当标准5G手机和另一个国家控制的卫星直接连接时,一个国家将如何监管互联网接入?

为此,一些国家以国家安全为由,禁止某些供应商在本国境内供应设备。这会如何影响卫星服务?数据隐私又会如何呢?如果一个用户将个人数据从手机发送到另一个国家的云数据中心,这些数据将至少短暂地驻留在一个超出本国管辖范围的卫星上。

NTN提出了一个诱人的想法,即扩大5G服务的覆盖范围,并让地面通信服务商分一杯羹。爱立信等技术开发商、通信和卫星设备制造商以及T-Mobile和SpaceX等服务商正在进行的研究,应该很快就能让我们了解技术可行性和相应的成本。

但这可能只是打开了一个潘多拉盒子,里面有非常复杂的商业和监管问题,可能需要更长的时间来解决,同时也会增加对NTN任何重大投资的风险。在这个机会中,成为先行者和承担无法量化的风险之间的平衡是非常微妙的。

5G NTN的前景是诱人的。尽管技术上的挑战非常大,似乎是可控的。但商业模式、监管和安全方面的问题可能会非常棘手。

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