卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

admin 2024年5月19日22:33:18评论12 views字数 27624阅读92分4秒阅读模式
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卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

通信行业有一句众人皆知的流行语:三流的企业做产品,二流的企业做品牌,一流的企业做标准。专利,作为无形资产中一个重要的组成部分,早已成为企业间知识产权竞争的核心、国家间竞争的关键。据统计美国500上市公司市值构成中,无形资产的比例已经由1975年的17%上升到现在的80%,其高价值性不言而喻。中国的通信企业近年来也高度重视专利的研发和布局,虽然美国高通公司凭借CDMA技术的专利,成为了3/4G时代的绝对霸主,但经过数年的积累,华为的5G专利数已经逆转位居全球第一。
卫星直连手机作为近来通信界和科技界讨论的热点,此前我们系列文章已经对其技术概况、标准进程、典型厂家方案分别进行了详细介绍。

一、卫星直连手机技术

从人口的角度,2022年全球智能手机用户数量已有60亿(数据来源于爱立信移动报告),而尚未接入互联网的人数接近20亿,从面积的角度,目前陆地移动通信网络尚有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域没有覆盖为了解决这一问题,目前业界有一个大胆的想法来帮助解决这数字鸿沟:使用卫星将普通移动终端直接连接到蜂窝宽带络。最近美国一些太空初创公司,如AST/Lynk等已经开展了相关的关键技术验证工作。

显而易见,卫星直连手机有着广阔的应用场景,首先,这几乎是应急通信的最佳解决方案,理论上可以构建全球覆盖、全天候、全天时的基于手机直连的公众应急通信网;其次,能够构建运营商打底网络,提供无处不在的通信网络服务;从产业的角度,可以复用蜂窝产业链,降低卫星产业成本,实现卫星产业和地面蜂窝通信强强融合;另外,卫星直连手机模式下,基站可以集中部署,用户稀疏的偏远地区就不用建站了,可显著降低运营商的建设和运维成本,对类似星链的低轨卫星网络而言,节省了大量的用户端设备成本。

从技术角度,卫星直连手机主要有三个技术路线:

一是本文将重点介绍的美国初创公司AST/Lynk的技术路线,手机不做任何改动,技术难度全部交由卫星处理。首要问题就是要克服手机发射功率和天线增益不够的问题,把卫星的轨道要建得低一些、把卫星的天线建得大一些(超大规模MIMO,天线增益足够大)、卫星的发射功率高一些、通信频率低一些。带来的优势则是如AST公司Wibergh所说:“AST SpaceMobile 的创新在于,你的手机会自动发现卫星,自动连接到卫星,获得互联网接入。唯一可以实际使用现有设备的技术解决方案。其他基于卫星的连接都基于新型设备、新型电话”。Lynk公司创办人之一米勒:我们开发的技术不需要在地面架设任何卫星天线,使用我们卫星的手机也不用安装任何特别的软件,使用的体验就像出国漫游选择当地网络一样。

二是采用专用的通信协议和频段,即传统的卫星电话的模式,如铱星、Globalstar、Inmarsat等属于此类。这种方案手机需要定制,比如常见的带鹅颈天线的卫星手机,一般速率很低。马斯克的星链,采用的是的私有通信协议,私有的协议必然导致无法迅速做大生态链。

三是依赖3GPP等标准化组织的标准进展。20223月3GPP完成了全球5G标准的第三个版本——Release-17的功能性冻结。在Rel-17标准中,就引入了卫星通信的新特性。即面向非地面网络(NTN)的5G NR支持。面向非地面通信的5G NR主要支持两种类型的终端:一种是基于CPE的卫星回传通信,比如在房屋外接收卫星电视信号的卫星接收器;另一种是与手持设备的直接通信,比如智能手机、支持eMTC和NB-IoT功能的物联网设备。卫星通信的重要价值在于可以覆盖地球上几乎所有的位置近期,中国移动等运营商也表示基于统一空口的终端直连模式,正成为空天地一体网的重要发展趋势,需要开展协同组网、协议增强和设备兼容三大能力的技术攻关。

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“国内版星链”,如火如荼的“中国星网”其实也存在这个通信体制选择的问题,传统高轨卫星通信体制主要遵循欧洲制定的DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X标准,地面移动通信主要采用5G的标准。DVB、5G哪种通信体制更适用于低轨卫星网络尚有争议,马斯克的星链模式,从通信体制而言,也不见得是最优方案。从行业规划的角度,卫星互联网和地面蜂窝网络可以分为“两网分离”和 “两网一体”两种方式。目前常用的两网分离方式采用卫星专用频段、协议及硬件,与地面蜂窝及系统不兼容,卫星专用方案无法复用地面蜂窝产业链,终端成本较高。现在产业正在积极探索两网一体这种方式,在这种方式下,空口技术统一,网络一体化。需要区分面向存量终端和增量终端两种场景,终端直连模式的空天地一体化需要开展三大技术攻关:协同组网、协议增强和设备兼容。在协同组网方面,需要网络架构、网络侧和业务侧协同组网,包括交叠带覆盖设计、星地网络负荷分担、业务连续性、业务分流等研究。特别是蜂窝网和卫星网部分网元接口需要开放,传递星历、频率、负荷等信息,实现用户网间的业务保障。在协议增强方面,面向增量场景进行端到端协议演进,针对3GPP NTN协议和NTN终端进行时频同步、移动性、多场景兼容等研究;面向存量场景进行网络侧的协议改进,针对4G/5G协议进行接入、切换流程、HARQ调度、定时提前等研究。

二、激烈战场,众多玩家蜂拥而至

1、美国初创公司AST SpaceMobile

目前,卫星直连手机仍然要解决很多关键问题,如果不能有效应对,卫星直连手机还很难立即进入普通用户的视野。让我们以AST SpaceMobile为例,解剖一只麻雀,一窥的手机卫星直连方案细节。

ASTSpaceMobile的愿景是:“第一个直接使用手机的基于空间的蜂窝宽带网络”一位高管表示该公司将在2023年开始部署运行直接兼容手机的宽带星座卫星,目前,该公司一直在推进在其原型卫星BlueWalker 3上进行多项地面测试,并计划将通过SpaceX Falcon 9进行发射。AST SpaceMobile表示对于在LEO轨道上展示技术十分重要。重达1500公斤的BlueWalker 3原型机比其进阶形态的BlueBird小得多,前者拥有一个64平方米的相控阵天线在太空中展开,通过3GPP标准频率直接与蜂窝设备通信。最终,AST SpaceMobile的目标是部署大约100颗卫星,以实现大量的全球移动覆盖。

目前,AST SpaceMobile公司已经获得了沃达丰、乐天移动和American Tower等公司的战略投资,已经与Vodafone、Rakuten Mobile、Orange等运营商达成合作意向。在BlueWalker-3完成测试后,将在全球五大洲开展全球测试。

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卫星基站方面,根据AST官网2022年7月28日的报道,已经与诺基亚签署了一项为期五年的5G协议。诺基亚的 AirScale Single RAN 设备旨在使 AST SpaceMobile 能够为目前没有地面通信网络服务的地区的新用户和现有用户提供移动服务。这包括在全球范围内连接陆地、海上或飞行中的设备。诺基亚将提供其全面、节能的 AirScale 产品组合中的设备,包括由最新一代诺基亚 ReefShark 片上系统 (SoC) 芯片组提供支持的 AirScale 基站。AST SpaceMobile 将受益于诺基亚的模块化基带插卡,该插卡可在需要时增加容量,从而提供灵活性和效率。诺基亚还将为网络管理和无缝日常网络运营以及优化和技术支持服务提供其 NetAct 解决方案。

AST SpaceMobile于近期美国联邦通信委员会获得了一项实验许可证,在夏威夷及其家乡得克萨斯州测试基于BlueWalker 3服务。根据联邦通信委员会批复的实验申请信息,BlueWalker 3是一种非对地静止卫星(“NGSO”),将用于测试一种新型相控阵卫星技术,以提供与现有蜂窝移动手机直接连接。在测试过程中,卫星前向链路将发生V波段频率上,然后每个载波将通过空间站点波束将业务链路频率传送到用户设备。测试也将反向进行(返回链路),其中用户设备将根据业务链路频率传输到卫星, 然后将其V波段频率传输回到地面卫星将在51至55度的倾角下运行,高度在375至425公里之间。

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在服务链路频段上的测试将使用现有的设备(如智能手机)与进行通信。所有用户设备都将在已经授权给各方的频率上运行。

V频段中的网关上行链路载波上传BlueWalker 3卫星的每个活动小区无线下行链路信号。卫星有效载荷处理器将V波段上行链路信号解复用,并将它们映射到在指定的无线网络信道中从相控阵天线发射的小区下行链路波束。在返回链路,来自指定无线网络信道中不同小区用户设备上行链路信号,BlueWalker 3卫星上的相控阵天线接收。接收到的信号在频域中进行复用,上转换至V波段下行链路频率,并传输到网关站。

V波段网关地面站将使用2.4米天线。多个网关可以并置在每个网关站点上。下面的图显示了系统的架构:

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BlueWalker 3与手机之间通信的天线是一个 64 平方米(693 平方英尺)的相控阵天线,工作在700-900MHz的LTE频段。巨大的相控阵天线可以生成很多独立的、电扫描的波束,波束最大增益为36dBi,旁瓣水平符合ITU-R标准(优于20 dB)。天线的每个波束可以跟踪地面上一个固定的小区,而无需转动天线阵面。也可以使用多个波束覆盖同一个小区从而提升容量,所有的波束都可以在天线的覆盖范围内灵活分布。

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巨大的相控阵天线由上百个独立的小阵列天线面板组成,而每个小阵列天线面板又由16个天线单元组成。在BlueWalker 3搭载火箭升空的时候,小阵列天线面板非常适合折叠起来以缩小整体体积,到了预定高度再将小阵列面板展开,拼接起来形成巨大的相控阵天线。下图是单个小阵列天线面板及其折叠状态卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

下图是相控阵天线折叠状态与展开状态

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整个相控阵天线包含了上千个天线单元,这些天线单元的工作频段为上行:846.5-849 MHz,845-846.5 MHz,788-798 MHz;下行:891.5-894 MHz,890-891.5 MHz,758-768 MHz。由于工作频段相对较低,因此天线单元尺寸较大。大尺寸的天线单元使其背面可以直接集成各种射频器件与芯片,这不仅有助于降低射频能量损耗,也有利于各个器件散热。

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值得一提的是,组成相控阵天线的每个天线单元都是完全相同的,包括其设计、制造、测试等,这就获得了数量上的优势,使得AST可以通过批量生产相同的天线单元从而降低整个相控阵天线的成本。这与传统的卫星不同,传统的卫星上边往往有很多定制化的部件,造成其整体成本很高。AST相控阵低成本的优势,为其后续建造覆盖全球的卫星通信网络奠定了基础。

AST SpaceMobileBlueWalker 3在以下频段运行

a)用于地球到空间方向的服务链路

846.5-849 MHz

845-846.5 MHz

788-798 MHz

b)用于空间到地球方向的服务链路

891.5-894 MHz

890-891.5 MHz

758-768 MHz

c)对于地球到太空方向的网关/回传链路

47.2-50.2和50.4-51.4GHz

d)对于空间到地球方向的网关/回传链路

37.5-42.0和42.0-42.5GHz

每个用户波束都有一个专用信道,使用10MHz、5MHz、3MHz或1.4MHz的信道带宽的任意组合。卫星将以相同或不同频率传输其所有活动用户波束。每个活动用户波束将跟踪视场角内地面上的固定小区,而无需操纵平面相控阵天线的视轴。所有活动波束都可以灵活地分布视场角内。地面上的同一小区可以通过卫星的单个波束或多个波束进行测试。波束对波束的切换使用与地面系统类似的方法,网关切换基于预先计划,并使用“break-then-make”的方法。

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另外,有点值得商榷的是,如果AST试验是基于2G和3G技术,不对手机做任何修改是有可能做到的,但如果使用TDD模式的4G和5G技术实现卫星直连手机的宽带通信,由于卫星系统传播延迟大,理论上需要修改现有4G和5G技术标准。因为TDD组网,存在上下行时隙切换问题。超远覆盖,就会造成严重时隙交叉干扰。如,5G的最大小区半径整体上由PRACH/GP二者共同决定。下表说明5G PRACH Preamble格式及对应最大覆盖距离。

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2、Lynk公司

Lynk是一家总部位于弗吉尼亚州的太空初创公司,该公司报道说已经成功地证明了使用未经技术提升的普通移动电话连接到卫星互联网服务的能力。“我们建造了世界上第一个‘太空蜂窝通信塔’,并证明了将卫星连接到地面上未修改标准电话的基本技术。”Lynk联合创始人兼首席执行官查尔斯·米勒在其官网上这样说道。该公司宣称已成功将 Lynk Tower 1 部署到太空,这是其第一艘获得 FCC 许可的航天器,可运营卫星直拨电话服务。Lynk Tower 1 是该公司的第六颗卫星,这是该公司上一次迭代的升级,去年推出并连接了“数以千计的未经修改设备”——包括手机、物联网设备平板电脑和车辆连接。Lynk 声称,在最近的测试中,在巴哈马、加拿大、新西兰、英国和美国的卫星和用户设备之间提供了直接双向连接。测试还展示了在全球十大移动网络中的八个上与智能手机的连接。

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3、SpaceX

在卫星通信领域永远不缺少SpaceX的身影,该公司的卫星互联网服务在过去几年中显著扩展今年的卫星数量也获得猛增SpaceX现在在轨运行着2500多颗卫星,拥有近50万用户,采用的是特制地面终端站的方式。但是事情正在起变化,该公司于2022年7月25日向美国联邦通信委员会请求允许使用2GHz 频段来“增强”其移动卫星服务 (MSS)。该公司表示,在收购物联网设备提供互联网连接的小型卫星公司Swarm后,它将推动实现这一目标。在SpaceX向FCC提交文件中该公司表示,“无论他们身在何处,无论何时何地,无论他们在做什么,(都能得到服务)……,特别是,他们已经习惯于使用可以随身携带或固定在移动平台上的小型手持设备进行连接”SpaceX表示将使用小型手持设备代替需要墙上插座供电的大型特制地面终端站。FCC文件并未详细披露该设备的外观尺寸具体细节。不过,这难免被视为SpaceX未来向苹果或安卓手机用户直接提供服务的信号。

从SpaceX于2022年7月25日向FCC请求允许使用 2 GHz 频段来“增强”其移动卫星服务 (MSS)的申请来看,该公司正在与卫星广播公司 Dish Network 争夺2GHz频率资源,且计划未来在其卫星增加一个2GHz的有效载荷模组。SpaceX和Dish也一直在争夺12GHz频段的频谱,这是 Starlink和其他非地球静止卫星运营商用来连接用户终端的Ku频段的一部分。

4、Globalstar/Apple

2021年,有关iPhone 13将具备卫星直连的传言开始出现后来尽管这款iPhone没有功能,但今年又有传言即将推出iPhone 14可能会在紧急情况下使用它,或者在超出蜂窝服务范围时向紧急联系人发送短文本。根据彭博社的一份新报告,下一代Apple Watch也可能采用这种技术。报告表示苹果及其明显的卫星合作伙伴Globalstar可能越来越接近推出这样的功能。今年2月,Globalstar表示已达成协议购买17颗新卫星,以帮助为“潜在”且未具名的客户提供“连续卫星服务”,该客户已向其支付了数亿美元。报告还提到,苹果设想最终部署自己的卫星阵列将数据传输到设备,但该计划可能距离实现还有数年时间。

Globalstar的官网上,可以看到该公司宣称其系统就像天空中的“弯管”或镜子一样,能从地球表面 80% 以上的地方接收信号。通过 CDMA 技术将客户信号传输到相应地面网关的天线,然后信号再传输到本地网络,能提供最短的连接延迟。由于3GPP R17中一个关键性的应用项目卫星/非地面网络(NTN),正式引入了面向NTN的5G NR支持,其中就有面向CPE的卫星回传通信和面向手持设备的直接低数据速率服务。GlobalStar所拥有的n53频段2.4835 - 2.495GHz)则适合用来拓展卫星手机直连通信业务

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5、Omnispace

2022年5月26日Omnispace公司的 Spark-2成功入轨,该卫星将用于推进和验证 Omnispace 全球非陆地网络 NTN ) 的开发和实施。该公司表示将通过卫星部署第一个全球 5G 网络,该网络可从太空卫星直接连接到用户设备,其新一代低地球轨道 (LEO) NGSO 卫星星座将在 3GPP 频段 n256中运行,该频段已针对 NTN 运行进行了标准化,可实现在全球范围内直接面向企业和政府的物联网以及消费设备连接。

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三、卫星直连手机的关键问题

1、有限的频率资源

受限于终端天线和链路预算以及ITU的限制规则,Ku、Ka和Q/V这些频段现在还很难用于卫星直连手机。2GHz及以下频段卫星直连手机热点频段

目前,L和S频段只有少量频谱资源可用于卫星系统,大部分频率为地面移动通信使用。从历史上看,卫星移动通信和地面移动通信的频段是以独占方式分配的,基本上是完全独立使用。要实现卫星直连手机宽带通信,需要突破现有规则,即准许在卫星频段部署地面网络,也准许在地面移动通信频段部署卫星系统。

2、低成本宽带卫星

无论采用哪一种技术路线,卫星直连手机的第一大挑战就是如何实现低成本的卫星对手机的宽带通信。以Starlink为代表的卫星互联网系统,技术难度在卫星和终端之间进行平衡设计,目前宽带卫星已经实现低成本,虽然终端仍比较贵,但总体上具备了进入大众市场的能力。而卫星直连手机,技术难度全在卫星上,要实现宽带通信,卫星天线巨大,卫星功耗、重量也非常大,传统卫星移动通信系统没有很好地解决这个问题,未来的系统也未必能够解决这个难题。Lynk的试验通信速率非常低,还不能说明问题;AST提出的宽带通信方案尚未经过试验验证,能否工程实现还是个未知数。没有低成本宽带卫星解决方案,卫星直连手机将很难进入大众市场。

3、超大规模天线技术

超大规模天线是在大规模天线(Massive MIMO)基础上的进一步演进,通过部署超大规模的天线阵列,应用新材料,引入新的工具,超大规模天线技术可以获得更高的频谱效率、更广更灵活的网络覆盖、更高的定位精度、更高的能量效率等。随着天线和芯片集成度的不断提升,在尺寸、重量和功耗可控的条件下天线阵列的规模将持续增大。天线规模的进一步扩展将提供具有极高空间分辨率和处理增益的空间波束,提高网络的多用户复用能力和干扰抑制能力,从而提高频谱效率。

随着新材料技术的发展(如智能超表面),超大规模天线将与环境更好地融合,网络的覆盖、多用户容量和信号强度等都可以大幅度提高。6G 系统向超高频段扩展所面临的一个关键挑战是超高频段的路径损耗。超大规模天线技术超高的处理增益能够在不增加发射功率的条件下增加超高载频通信的通信距离和覆盖范围,成为保障超高频段的通信性能的关键技术。超大规模天线也面临诸多挑战,包括成本高、信道测量与建模难度大、信号处理运算量大、参考信号开销大、前传容量压力大等。天线规模的进一步扩展将提供具有极高空间分辨率和处理增益的空间波束,提高网络的多用户复用能力和干扰抑制能力,从而提高频谱效率。超大规模天线具备在三维空间内进行波束调整的能力,从而在提供地面覆盖之外,还可以提供非地面覆盖,如覆盖无人机、民航客机甚至低轨卫星等。

四、展望

手机卫星直连是顺应未来网络演进趋势的必然选择,既可带动手机和卫星通信产业上下游全产业链的快速发展,也有望在手机红海市场开启新的发展方向。但目前还有诸多的关键核心技术有待进一步突破,另外,产业的市场准入限制较为严格,配套监管法律法规和产业政策体系有待进一步健全。面对复杂的行业发展环境和激烈的外部竞争,必须瞄准前瞻性、革命性的创新技术,加快推动手机产业与低轨卫星通信产业的融合发展。

美国一些公司的进展报道让人鼓舞,如今年的iPhone 14系列卫星连接功能似乎呼之欲出,SpaceX 也已申请更多频谱来升级移动用户的 Starlink 卫星宽带服务。Omnispace以及AST SpaceMobile和Lynk公司在开发5G卫星,为智能手机和消费设备提供连接。

“Fake it till you make it”——成功,从假装开始,直到你真的成功,这是科技公司创业圈子里,为了更多的融资,一直秘而不宣的创业潜规则。卫星直连手机,仍然有诸多核心关键技术没有解决,真正落地实用,特别是针对存量手机市场,任重道远,希望不是创业圈的另外一个“假装成功”的版本。

(注:本文主要内容及图片来自互联网)

Reference:

[1] FCC BLUEWALKER 3 NON-GEOSTATIONARY SATELLITE Updated Technical/ Annex https://apps.fcc.gov/els/GetAtt.html?id=281537&x=.

[2]https://ast-science.com/spacemobile/

[3]https://www.scribd.com/document/584239849/SpaceX-Starlink-mobile#download

[4]https://omnispace.com/

[5]https://lynk.world/our-technology

[6] 中国移动研究院邓伟:基于统一空口的终端直连模式,正成为空天地一体网重要发展趋势 http://finance.sina.com.cn/tech/2022-06-22/doc-imizmscu8187350.shtml

[7] 手机与卫星直接通信的时代到来了吗?https://xw.qq.com/cmsid/20220517A0ABCS00

一、低轨卫星直连手机技术介绍

手机直连卫星指使用非专用的移动终端,与卫星直接进行通信,目的是解决大众个人移动通信的泛在问题,手机直连卫星系统属于卫星互联网,但又与Starlink、OneWeb等典型的卫星互联网系统不同,手机直连卫星重点是解决个人移动通信问题,而后者是解决“团组”通信问题,对标地面固定宽带业务,配置较大的地面接收设备。手机直连卫星是希望基于非专用的移动终端(不改或少量修改),解决传统专用卫星移动通信资费昂贵、终端外形笨重、通信速率低、功能有限的问题,从而突破应急和VIP市场,走向大众市场。

Viasat首席执行官 Dankberg:“卫星行业将需要改变其整个生态系统,包括政策,法规和运营商之间的协调协议,以便为移动设备提供服务。我们看到的是新进者的加入,不关心那些旧规则,将以颠覆的方式行事”。

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要实现真正意义上的低轨宽带卫星直连手机,技术上要解决的问题还很多,要走的路还很长。下面是目前美国几家主流的技术方案和其宣称的参数目标:

1)StarLink:定位于提供基于文本和消息应急服务,采用T-Mobile的PCS频段(1910-1915Mhz UP,1900-1995Mhz Down),速率小于1Mbps,时延小于30ms,计划发射二代星链30000颗,2023年测试,商用未知;

2)苹果+GlobalStar:定位于提供文本SOS服务,采用L频段(1610-1618.7Mhz UP,2483.5-2500Mhz Down),速率9.6Kbps(二代则速率为256Kbps),时延10秒-分钟级别(iphone14),已有40颗星,计划再发17颗,已于2022年4季度商用;

3)AST SpaceMobile:定位于提供完整功能的天基蜂窝互联网,采用频段(700-950Mhz,1700-2200Mhz,3700-4200Mhz),速率大于35Mbps,时延小于30ms,针对存量和未来符合3GPP规范的手机,计划发星168颗,全球覆盖,2022年测试,2023年商用;

对比来看,AST SpaceMobile宣称的方案最为激进“速率大于35Mbps,时延小于30ms,针对存量和未来符合3GPP规范的手机”。下面我们了解一下其最新进展。

二、AST Spacemobile的BlueWalker 3 发射以及其宽带卫星星座计划访谈

2022年9月10日,AST SpaceMobile 的 BlueWalker 3 通信卫星由SpaceX从卡纳维拉尔角用猎鹰9号 Block 5火箭成功发射,并部署在近地轨道,目前正在开展各项星上测试,并计划于10月的下半月展开其约64平方米标志性的阵列天线开展进一步测试。

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这家在纳斯达克上市的美国公司一直希望能建设第一个直接使用手机的基于卫星的蜂窝宽带网络,AST SpaceMobile打算在 2021 年发射 BlueWalker 3在2021年底,将再次推迟到 2022 年夏季,目前总算是成功发射入轨。

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日前,AST SpaceMobile 的首席战略官 Scott WisniewskiParabolic Arc网站就 BlueWalker 3 以及该公司的宽带卫星星座计划进行了交谈,以下是部分访谈实录(有节选)。

1)BlueWalker3 (BW3) 的意义何在?

这项任务将促进我们公司的战略,即通过蜂窝宽带将普通电话直接连接到低地球轨道上的卫星。即未经修改的 4G/5G 手机,全球有 50 亿部,我们的目标是连接到它们。

更广泛地说,我认为这项任务非常重要且具有历史意义,因为一旦我们展开星上阵列天线,它将成为有史以来商业部署到近地轨道的最大通信阵列天线。一个693平方英尺 (64.3 平方米)的大型通信阵列天线、一个阵列天线对于直接连接到地面使用低功率的电话很重要。所以,这是一个非常重要的空间发展的里程碑。

2)截止到 9 月 13 日,BW3 任务的状态如何?

我们周六将它直接发射到 513 公里的近地轨道,倾角为 53 度。我们在卫星发射后不久就与它进行了通信,从那时起就一直在使用遥测技术进行跟踪。我们还能够稳定航天器并将其置于thermal roll中,这意味着它在我们的控制范围内,可以不断地将它指向太阳,以便它为电池充电,可以开始使系统上线运行。在接下来的几周内,我们希望展开天线阵列。它目前被压缩成一个立方体,在展开它之后,将开始在地面端进行测试和配置,并对卫星进行第一次呼叫。

最终,我们的任务是与移动网络运营商合作伙伴进行测试。我们的市场战略是向全球移动网络运营商提供服务,如沃达丰、AT&T、Orange 和 MTN,这些都是在全球拥有数亿用户的大公司。所以,我们将用这颗卫星与很多这样的公司进行测试。并且该测试意味着将配置他们的网络设施以与我们的设施互连,因此当我们推出完整的星座时,他们将能够获得商业级服务。我们将在六大洲进行这项测试。

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3)您的 BW3客户群在哪里?

这是一颗测试卫星,所以目标是为了配置相关的地面基础设施。但是一旦我们开始发射我们的商业卫星,市场战略就非常简单,针对的是两种目标人群。一是一群工作和旅行,每天进出地面网络覆盖区域的人。这可能发生在世界各地,今天人们在没有地面覆盖的任何地方都会遇到这种麻烦。

另一群人是今天无法使用蜂窝宽带的人。全球有 37 亿人无法使用蜂窝宽带(3G网络及以上)。还有另外 4.5 亿人无法使用任何蜂窝基础设施。因此,这就是我们认为能够服务的两大人群,使他们成为50亿部手机用户的一员。

进入市场的策略因国家而异。我们的技术非常灵活,基本上可以通过我们的移动网络运营商的基础设施向他们的用户提供数据服务。并允许他们的用户直接无缝连接到我们的卫星,当他们不在地面网络覆盖范围内时,他们会收到一条短信。如果他们选择“是”,他们将出现在我们的网络上,并且服务套餐会发生变化,他们将从那时起向他们的运营商付款,然后他们的运营商将与我们分享。这就是我们服务的市场。

4)告诉我一些关于为这项任务所做的投资。

我们直接向 BlueWalker 3 卫星投资了 8500 万美元。其中大部分是一次性研发费用。我们已经用了大约两年来设计和制造 BlueWalker 3 卫星。在公司到现在的生命周期中,已经筹集了 6 亿美元,并且我们对自己的员工和公司的发展进行了大量投资。

在我们的合作关系中,与全球超过 25 家移动网络运营商建立了合作关系,这些运营商共同覆盖了超过 18 亿用户。我们在德克萨斯州还有两个制造基地,这将帮助我们实现未来每月制造六颗卫星的目标。

因此,我们在技术、人员、组织和制造方面进行了大量投资。我们对技术的投资产生了 2400 多项专利和正在申请的专利。最终,我们将发射这颗卫星并从中受益。

5)AST 的技术与其他潜在的卫星移动通信公司有何不同?

当你看太空时会有很多兴奋,对吧?但如果你看一下空间的收入和市场,则主要是集中在通信方面。虽然有相关发射、制造和地面基础设施的市场,但大部分资金会用于电信和电信服务。在其中有传统卫星电话,但这是一个非常小的市场。然后你还可以通过一个卫星天线获得宽带通信,这是一个大得多的市场。这些市场分别是 20 亿美元和 200 亿美元。而我们所涉足的市场是无线服务,它是全球 50 亿部手机支付的无线套餐计划的总和,超过一万亿美元。我们的目标是在蜂窝网络的无线服务市场上竞争。

6)天线尺寸是多少?

展开后,它是693平方英尺 (64.3 平方米)的相控阵天线。这使我们能够以高质量和良好的吞吐量直接长距离连接到完全未修改的普通手机。它将成为有史以来商业部署到近地轨道的最大的通信阵列。重要的是它将使用低功率频谱连接。

7)星座的大小是多少?

最终,我们将从全球 168 颗卫星开始。重要的是,我们已经对星座进行了分段,因此可以分段构建。最近,我们将在明年再发射五颗卫星,这将支持间歇性服务。但最终,我们希望拥有 20 颗卫星来覆盖赤道并提供持续服务。我们希望用大约 60 颗卫星覆盖美国、欧洲和西班牙,总共 90 颗卫星将使我们覆盖全球。之后,我们还可以发射另外 58 颗卫星,这将使我们覆盖高吞吐量的强劲市场,总共有 168 颗。各分段部分是连接的,因此我们可以将它们分段构建并在全网建成之前获得收入和现金流。

8)您如何看待来自 Apple 或 Lynk 的竞争?

好吧,我只知道我在媒体上看到的内容,但我们并没有真正与客户讨论过他们。我们有超过 25 个潜在客户通过谅解备忘录签署了协议。通过他们,我们可以接触到超过 18 亿的用户。我们真的在市场上看不到其他人。他们的服务往往是基于文本或基于紧急情况的。我们则坚定地瞄准 4G/5G 蜂窝宽带,我们已与诺基亚签约成为合作伙伴。我们与诺基亚签署了协议,为我们提供在蜂窝网络中更常用的基站基础设施。我们将使用他们的 4G/5G 硬件和修改后的软件与移动网络运营商互连。因此,我们可以为他们的客户、最终用户提供 4G/5G 服务,并让他们访问蜂窝宽带。

9)BW3 任务对航天意味着什么?

我认为它非常具有创新性,它代表了卫星应该是什么样子。从历史上看,卫星往往是一个大型中心单元,带有几个带有太阳能电池板和天线的臂。而BW3确实有一个非常优雅的设计,因为它的一侧完全是天线,另一侧完全是太阳能电池板。因此,这是一种非常有效的方式来收集大量电力并分配信号。同时,它的轮廓非常薄。因此,当它环绕地球时,它的轮廓非常纤细。这是一种非常创新的卫星设计,我认为它将催生一种从太空收集能量和传递信号的新方法。

10)这项任务如何转化为天基通信的未来?

好吧,在我上一个答案的基础上,我认为卫星设计本身非常具有创新性。我们管理延迟和多普勒的专利方法也非常创新,它首次允许卫星长距离连接到普通电话。一般使用 3GPP 标准的手机在 5、10、20 毫秒后就会超时。而低地球轨道有二十到四十毫秒的延迟。我们有一些创新来应对这一问题。

一是我们的延迟和多普勒修正技术专利,它使我们的手机等待足够长的时间让信号反馈。还有我们的卫星设计,它是一种宽而薄的太阳能瓦片模块化设计,用于收集太阳能。所以,我认为我们在卫星设计上做了一些创新。我们对这些信号传送到地球的方式进行了创新。我们还尽可能地镜像了传统蜂窝架构。如果你看看手机如何与地面基站通信,就是移动网络运营商的网络,我们已经非常精密地镜像了那种架构并抓住了所有关键功能,不管在卫星和地面上,移动网络运营商都使用了相同的用于传统地面通信的基础设施。

Reference:

1.http://parabolicarc.com/2022/09/14/ushering-a-new-design-for-comm-satellites-qa-with-ast-spacemobiles-scott-wisniewski/

9月6日,备受市场关注的华为“向上捅破天”技术亮相,华为正式发布全新一代Mate系列旗舰 华为Mate50,该系列是业界首款支持北斗卫星消息的大众智能手机。仅仅35个小时之后,苹果发布iPhone 14全系列,支持收发卫星SOS紧急短信。除了新推出的手机,针对海量的存量手机也有SpaceX联合T-Mobile公司以及美国初创公司AST SpaceMobile和Lynk等发布了卫星手机直连计划。一时间,手机直连卫星成为大众热议的话题,航天+通信强强联合,突破地面移动通信网络的边界限制大有呼之欲出之势。

实际上,华为和苹果发布的手机直连卫星功能不论是在使用场景、业务类型、传输速率还是用户操作上都有诸多限制,手机直连卫星通信和地面成熟的蜂窝通信网络相比还有许多困难需要克服,目前国内并没有广泛的卫星互联网通信网络,手机直连卫星也涉及芯片、基带、射频、软件等诸多部分的改造和技术挑战,运营上包括监管、频段等问题需要探索和解决,总体而言,手机直连卫星通信还需要较长的周期去实现。

临渊羡鱼,不如退而结网。

在通信领域,相关的研究和标准化其实早已展开,如,3GPP开展了NTN(non-terrestrial network非地面网络)和SAT_ARCH的标准化工作,致力于将5G网络与卫星结合。ITU-R开展了NGAT_SAT立项,提出了将卫星系统整合到下一代移动通信系统中;ITU-T开展了固定、移动、卫星融合标准研究,提出了核心网上星架构、多接入融合网络技术以及业务连续性技术。6G也提出将通过地面和NTN非地面网络融合建设未来网络,彻底改变无线生态系统,实现6G泛在智能立体覆盖的目标。

3GPP对NTN正式研究最早可追溯到2017年3月发布的R15中关于NTN的研究项目(SI)获得批准。此后,3GPP一直在识别关键挑战,试图将地面蜂窝网络的标准化空中接口波形和协议扩展到天空,并提出将NTN集成到5G NR系统的潜在解决方案。

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1 3GPP NTN标准化进程

3GPP R15完成TR 38.811“支持非地面网络的NR研究”,定义了NTN部署场景和相关系统参数,为NTN调整了3GPP信道模型并确定了可能需要进一步评估的关键领域。

3GPP R16完成TR 38.821“支持非地面网络(NTN)的NR解决方案”,研究并确定了NR支持NTN应用的基础功能,优先考虑卫星场景,对3GPP技术规范组(TSG)RAN1RAN2RAN3的研究内容均给出了具体建议。

3GPP R17聚焦LEO和GEO的透明转发场景,兼顾HAPS应用,进一步增强相关具体功能。同时,启动了NTN物联网场景研究。R17专门完成了一项关于物联网NTN的研究:TR 36.763“对非地面网络(NTN)的NB-IoT/eMTC支持研究”。此研究最初为TR 38.829,在进行过程中发现并不适用于NR,因此变更为TR 36.763。该研究的一个目标是确定适用于LTE-M和NB-IoT的场景,假设使用的波段在sub6G,卫星星座轨道可以是LTE或GEO,有效载荷是基于透明转发模式,标称最大设备输出功率可以是20dBm或23dBm。第二个目标是针对第一个目标中确定的场景,研究并建议必要的改变,以支持卫星上的LTE-M和NB-IoT。针对网络和UE所需的通用射频核心要求,以及相邻信道共存场景展开研究,输出 TR 38.863“NR支持NTN的解决方案:非地面网络(NTN)相关的射频和共存方面”。2022年6月,在3GPP全会第96次会议上,5G Rel-17 标准宣布冻结。

3GPP R18相关研究已经启动,将对NTN覆盖增强、移动性增强、10GHz以上频谱支持、物联网增强、UE位置服务规范进行进一步讨论。3GPP还在R18中设立了TR 28.841研究项目,继续对物联网NTN增强管理和适用于NR的NTN网络进行进一步研究。

本文将对3GPP NTN标准进行详细解读,从NTN基本概念、应用场景、地面5G标准在NTN应用的面临的问题,3GPP NTN标准化进程,NTN网络架构、关键技术几个方面分别进行介绍和说明。

一、NTN概述

NTN(Non Terrestrial Network,非地面网络)是所有涉及飞行物体网络的总称,包括卫星通信网络、高空平台系统(HAPS)和空对地网络,如图2所示。

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2 不同类型的NTN网络

卫星通信网络依托于星载平台,包括低轨卫星(LEO)、中轨卫星(MEO)和地球同步轨道卫星(GEO);HAPS承载于机载平台,包括飞机、气球和飞艇,将高空平台站作为移动通信基站,使用地面移动网络相同频段提供移动服务。

NTN网络既可以单独部署,又可以作为地面网络的补充。因其广泛的服务覆盖能力、应对物理攻击或自然灾害的健壮性和灵活性,可以广泛应用在交通、公共安全、电子健康、农业、金融、汽车等领域。被认为在以下场景存在优势:

在地面5G网络无法覆盖(偏远地区、飞机或船只)或服务不足(郊区)的地区部署5G服务,并以具成本效益的方式提升地面网络性能;

通过为M2M/IoT设备或移动平台上的乘客提供服务连续性,确保关键通信、未来铁路/海事/航通通信的服务可用性;

通过提供高效的组播/广播资源,将数据传输到网络边缘甚至用户终端,实现5G网络的可扩展性。

众所周知,5G的三大应用场景是增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信uRLLC和海量机器类通信mMTC),虽然NTN组网的传播延迟对于某些要求超低延迟的应用可能存在问题,但是凭借其可靠性和大覆盖区域,NTN在eMBB和mMTC两大场景上有着广泛的应用和地面网络无法替代的重要性。3GPP对NTN网络在5G应用的场景和用例进行了总结,如表1所示。

表1 NTN接入网络的5G用例

5G服务
5G用例
5G使用场景描述

NTN服务

eMBB

多连接

服务不足的地区家中或小型办公室,大型活动临时设施的用户通过多种网络技术连接到5G网络。延迟敏感流量可以在短延迟链路上转发,而延迟敏感流量可以在长延迟链路上转发

宽带连接到服务不足地区的小区或中继节点,补充用户吞吐量有限地面的无线或有线接入

eMBB

固定用户连接

偏远村庄或工业场所采矿、海上平台的用户可以接入5G服务。

建立核心网络与服务地区的宽带连接。

eMBB

移动用户连接

船上或飞机上的乘客可以接入5G服务。

建立核心网络和移动平台如飞机或船只上的宽带连接。

eMBB

网络弹性

一些关键的网络链路需要高可用性,这可以通过两个或几个网络连接并行聚合来实现防止完全的网络连接中断。

备份连接尽管与主网络连接相比,可能在能力上受到限制

eMBB

中继

网络运营商可能希望在一个孤立的地区部署或恢复5G服务互联各种未以其他方式连接的5G本地接入网孤岛

建立公共数据网络与一个移动网络锚点或两个移动网络锚点之间的宽带连接。

eMBB

边缘网络交付

媒体和娱乐内容,如直播、ad-hoc广播/组播流、组通信、移动边缘计算的虚拟网络功能更新,以组播方式传输到网络边缘的RAN设备,并存储在本地缓存中或进一步分发给用户设备

广播信道,支持组播传输到5G网络边缘。

eMBB

定向广播

-电视或多媒体服务传送到家庭场所或移动平台。
-公共安全部门希望能够在灾难事件发生时立即向公众发出警报,并在地面网络可能出现故障时为他们提供救灾指导。
-汽车行业希望为他们的客户提供即时固件/软件空中服务,如地图信息、实时交通、天气和早期预警广播停车位可用性等。
-媒体和娱乐业可以在车辆汽车、公共汽车、卡车上提供娱乐服务。

向家庭或移动平台上的接入点或用户设备提供广播/组播服务

eMBB

公共安全

紧急救援人员,如警察、消防队和医务人员,可以在任何地方的户外条件下交换消息和语音服务,并在任何机动情况下实现服务连续性。

访问用户设备手持设备或车载设备

mMTC

广域物联网服务

基于一组传感器(物联网设备)的远程通信应用,这些传感器分散在一个广阔的区域,向中央服务器报告信息或由中央服务器控制,可以应用在:

-汽车和道路运输高密度排队、高清地图更新、交通流量优化、车辆软件更新、汽车诊断报告、用户基础保险信息、安全状态报告

-能源对石油/天然气基础设施的关键监控

-交通车队管理、资产跟踪、数字标牌、远程道路警报

-农业牲畜管理、耕作

物联网设备与星载平台之间连接。需要实现星载平台和地面基站之间服务的连续性。

mMTC

本地物联网服务

一组收集本地信息的传感器,彼此连接并向一个中心点报告。中心点还可以命令一组执行器执行局部操作

移动核心网与为小区内物联网设备服务基站之间的连接

二、面临的问题

由于NTN网络承载平台的高度和移动性,造成NTN和地面蜂窝网络在传输时延、多普勒频移等方面存在显著差异,需要在5G协议基础上针对NTN修改设计,以满足NTN的场景应用需求。NTN网络需要面临的主要约束如下:

•传播延迟:卫星系统比地面系统具有更大的传播延迟,对于GSO系统,UE和RAN之间的单向延迟可能高达272.4ms,而对于NGSO(非地球同步轨道)系统,单向延迟可能大于14.2ms。在HAPS下,单向延迟小于1.6ms,但是仍远高于地面蜂窝网络的0.033ms。NTN中的许多方面,例如协议层,重传机制和资源调度中的响应时间,都受到此影响,特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程,以及HARQ(Hybridautomatic repeat request)重传过程等,需要进行针对性修改设计。

•链路预算:卫星通信存在较高的传播损耗,因此,链路预算极其有限,特别是UL链路。由于UE端发射功率受限,为了提高链路质量,可以考虑峰均功率比(PAPR)降低技术,如低PAPR调制/波形,以及重复覆盖增强解决方案。低PAPR调制/波形支持端口功率放大器在更高的输入功率范围内工作,从而改善链路预算或等效扩展覆盖范围。

•多普勒频移:对于LEO卫星,由于轨道的高速运动,通信链路会经历较大的多普勒频移。多普勒频移取决于发射器和接收器之间的相对速度以及载波频率,它在较低的卫星高度和较高的载波频率下增加。例如,在600公里高度以2GHz运行的低轨卫星的最大多普勒频移是±46kHz,而TN中最大频率偏移通常小于10kHz。大的多普勒频移会影响同步和测试等程序。

•设备移动性:由于低轨卫星的轨道速度很高,UE保持在小区(或点束)内的时间窗口非常短,因此快速移动的光束带来了频繁切换的挑战,当需要对大量UE进行切换时,挑战会进一步加剧。如果没有有效的设计会造成用户连接的频繁中断。但是,卫星移动性和UE移动性存在一定差别。卫星运动的方向和星历表是确定的,因此卫星的未来位置可以预测,程序可以预先进行相应的设计和处理来解决这个问题。

•小区半径:与地面蜂窝网络相比,NTN系统具有更大的小区半径。这些大型小区,在小区中心的UE和小区边缘的UE之间将产生显著的差分传播延迟,并且随着卫星和HAPS高度的降低,差分的比率会增加,也就是小区中心和小区边缘的传播延迟比率可能更高。当网络不知道UEs的位置时,这将影响基于竞争的接入信道。此外,小区半径的增大对系统定时同步也会带来一定影响,需要引入增强的同步机制保证用户间的同步从而避免干扰。

三、网络架构

NTN包括透明转发和再生转发两大场景透明载荷NTN可以看作是网络侧的中继节点,如图3所示,它改变上行射频信号的频率载波,在下行链路传输之前对其进行滤波和放大,但所负载的信号波形不发生变化。再生载荷是在上行射频信号在下行链路上传输之前对其进行转换和放大的有效载荷,如图4所示,包括解调/解码、编码/调制等,相当于在卫星(或UAS平台)上拥有全部或部分基站功能。

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3 基于透明载荷的NTN典型场景

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图4基于再生载荷的NTN典型场景

NTN网络由以下要素构成:

网关:用于连接非地面网络和公共数据网络;

馈线链路:网关和卫星(或UAS平台)之间的无线电链路;

服务链路:用户设备和卫星(或UAS平台)之间的业务链路或无线电链路;

载体平台:卫星(或UAS平台),可实现透明或再生有效载荷;

星间链路:卫星间连接(Inter-satellitelinks,ISL),在卫星星座下可选,这需要卫星支持再生有效载荷;ISL可以在射频频段或光学波段工作;

用户设备:由目标服务区内的卫星(或UAS平台)提供服务。

1.基于透明转发的NG-RAN架构

透明转发NTN网络架构如图5所示,卫星从馈线链路(NTN网关和卫星之间)到业务链路(卫星和UE之间)重复NR-Uu无线电接口,反之亦然。NTN GW支持转发NR-Uu接口的所有必要功能,不同的透明转发卫星可以在地面上连接到同一个gNB

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图5 采用透明转发的网络运行架构

2.基于再生转发的NG-RAN架构

在再生转发架构中,卫星起着整个或部分基站的作用。再生卫星可分为搭载gNB的再生卫星和搭载gNB-DU的再生卫星,搭载gNB的再生卫星又可以分为带ISL和不带ISL两种。

承载gNB无ISL的再生卫星网络架构如图6所示,UE与卫星之间业务链路上传输的是NR-Uu无线电接口,NTN网关与卫星之间的馈线链路上传输的是卫星无线电接口(SRI)。卫星有效载荷还提供卫星间的星间链路(ISL),如图7所示,ISL可以是无线电接口,如Xn接口。卫星上的gNB所服务的UE可以通过ISL接入5G核心网,不同卫星上的gNB可能会连接到地面上相同的5G核心网,如果卫星承载不止一个gNB,那么同一个SRI将传输所有对应的NG接口实例。

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6 无ISL的再生转发网络架构

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图7ISL的再生转发网络架构

对于搭载了gNB-DU的再生卫星,如图8所示,gNB-CU位于地面,SRI传输的是F1接口。不同卫星上的DU可能连接到地面上相同的CU,如果卫星承载不止一个DU,那么同一个SRI将传输所有对应的F1接口实例。

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图8 NG-RAN搭载基于gNB-DU的再生卫星

四、关键技术

1.时序关系增强

NTN中的传播延迟比地面移动系统的延迟要长的多,处理这种长时间的传播延迟需要对NR中从物理层到高层的许多定时设计进行修改,否则会造成时序混乱。一种方案是UE应用一个较大的TA,这将导致UE DL和UL帧定时出现较大偏移,但是gNB和DL和UL帧时序对齐,如图9所示。另一种方案是不需要gNB的DL和UL对齐,UE应用特定的差分TA,在gNB的DL和UL帧定时中存在共同的TA偏移,如图10所示。由于第二种解决方案需要在网络侧增加额外的复杂性来管理这种场景下的相对定时调度,因此需要增强各种NR物理层定时关系,以应对UE的DLUL帧定时中的大偏移。

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图9 NTN中TA导致UE的DL和UL帧时序出现偏移的示意图

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图10 NTN中TA导致gNB的DL和UL帧时序出现偏移的示意图

涉及到的定时关系包括PUSCH传输定时、PUCCH上的HARQ-ACK传输定时、MAC CE动作定时、CSI on PUSCH传输时间、CSI参考资源定时、非周期SRS传输定时等。定时增强设计引入一个偏移量Koffset,应用它来修改对应的定时关系,针对不同定时关系的具体值可以不同。

2.上行定时提前和频率同步

考虑到更大的小区覆盖、长往返时间(RTT)和高多普勒频移,需要增强UL时序和频率同步功能来保证传输的性能。上行链路定时同步依赖于TA值的概念,该值是相对于给定卫星波束中的单个参考点确定的。公共 TA 值可以选择包括馈线链路上的传播延迟。在R17中,假定 UE 具有全球导航卫星系统(GNSS)实现,该实现利用其位置知识和接收的卫星星历信息来计算特定于 UE 的差分 TA 值。处于 RRC 空闲/非活动模式的 UE 在发送物理随机访问通道(PRACH)前导码之前,会应用网络指示的通用TA值(除了其计算的特定于 UE 的差异 TA值之外)。RRC 连接模式下的UE还使用BS中的TA调整命令来更新它所应用的TA值。对于上行链路频率同步,为了克服较大的多普勒频移,具有GNSS实现的UE利用其位置信息和接收的卫星星历信息来确定并预补偿UE特定的频率偏移。

3.HARQ增强

即使在地面蜂窝网络中, FDD模式下HARQ重传也可能导致高达8 ms的额外延迟。在LTE中设计了上行链路上的传输定时间隔(TTI)捆绑机制,允许在多达四个连续子帧上重新传输相同信号,而无需等待HARQ确认(ACK)来降低抖动。对于上行链路和下行链路,可以在gNB和UE中的每个MAC实体中运行多个并发HARQ 进程。并发HARQ进程的最大数量可高达16。

在卫星网络中,传播延迟要长得多,以至于HARQ方案会产生显著且不可接受的抖动。应考虑进一步加强HARQ过程管理,以弥补长传播延迟造成的缺点。由于GEO往返延迟可能高达542ms;因此,网络可以选择在这种情况下禁用HARQ功能。对于往返延迟为几十毫秒的LEO卫星,HARQ仍然可以使用,对重传次数有一定的限制,以确保在一定限度内的延迟。此外,HARQ的使用还取决于服务的类型。有可能将HARQ用于尽最大努力的数据流量,例如网页浏览。

为了支持LEO卫星中的高数据速率,R17 已决定将 NTN 支持的 HARQ 进程数从 NR 中的旧版16个进程增加到32个。此更改可能需要在UE端使用更大的缓冲区,此外,还需要报告UEHARQ 进程数量处理能力。由于下行链路控制信息 (DCI)中的4位字段用作HARQ标识符(ID)以支持当前NR中的16个HARQ进程,因此需要适当的解决方案来支持现有DCI 结构中的32个 HARQ 进程 ID。

4.随机访问

通信网络可处理各种流量需求,同时支持极高速的 UE 移动性这需要无线电资源分配访问控制器具备尽可能短的响应时间。在蜂窝网络中,接入控制器位于gNB中,离UE相对较近,控制服务的gNB和UE之间的接口。但是,在NTN网络架构中,访问控制器不论是在卫星基站还是网关中,较长的传播延迟都会影响最佳响应时间。

受长传播延迟影响较大的访问控制器主要功能之一是随机访问(RA)过程,它可用于建立UE和gNB连接,上行链路和下行链路时序同步以及波束管理等多种用途。由于多个 UE 可以执行该过程,因此将基于竞争的解决方案指定为迭代过程NTN的传播延迟较长,因此在RA多次迭代程序中问题会进一步加剧。

在3GPP R16中,指定了两种类型的RA过程:4步和2步 。2步过程是4步过程的替代方法,通过减少UE和gNB之间的连续下行链路和上行链路传输数量来缩短初始访问的持续时间。4步RA至少需要两次往返延迟才能完成,而2步RA只需要一次。这使得2步RA适用于gNB和UE之间的传播延迟远大于地面网络的NTN场景。

另外,在UE用于获取UL同步或请求UL资源的随机访问过程中,UE首先发送PRACH前导码,然后等待一定持续时间(RAR窗口)来获取BS的随机访问响应,在当前的NR系统中,从PRACH传输导RAR窗口开始的延迟最多为160ms,不满足GEO卫星的RTT时间,因此,在RAR窗口的开始引入偏移量来解决这个问题。

5.移动性增强

由于卫星机动性,小区切换也可能极具挑战性。除GEO外,所有NTN网络都可能具有四处移动的小区,这意味着即使对于不移动的静态UE,也经常会发生切换。因此必须制定解决办法,解决由于NGSO卫星移动而频繁切换的问题。另外NTN下达 RTT 会给移动信令带来较长的延迟,从而进一步影响服务中断时间。由于UE和卫星之间的距离很远,重叠波束之间的信号强度的差异可以忽略不计。因此,NR 引入了有条件切换 (CHO,conditionalhandover) 方案,即基于卫星移动的规律提前按照某种条件配置自主切换,UE在满足一个或多个切换执行条件时执行切换。除了 CHO 的基于RRM指标的条件外,还为NTN添加基于时间基于位置的触发条件,以解决重叠波束之间RRM指标中可忽略不计的差异。此外,关于3GPP中其他切换增强功能的讨论正在进行中,包括减少移动中断时间的方法,例如无随机访问通道(RACH)切换,支持基于位置的测量等等。

五、总结

NTN通信网络是地面蜂窝通信网络的强有力补充,是实现未来空天地海全球无缝覆盖、泛在连接的重要组成部分,3GPP R15到R17讨论解决了一些基本问题,但是聚焦在透明转发场景,且默认终端支持GNSS功能,实际应用场景有限。R18虽然会进一步就覆盖增强、频段扩展、移动性增强、物联网增强进行研究,但是仍然没有涉及再生转发架构场景。除此以外,NTN组网场景下,网络架构的灵活性&扩展性设计、星地频率资源的统一分配和干扰管理、星地联合组网场景下的移动性管理、卫星端的巨型相控阵天线设计等等也都是需要探索和解决的关键问题。相信随着产学研各界对非地面网络持续广泛的关注,“捅破天”技术的发展和应用未来值得期待。

(注:文中部分图片来源于参考文献)

Reference:

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[2] 3GPP. Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN): TR 38.821 v16.1.0[R]. 2021.

[3] 3GPP. Study on Narrow-Band Internet of Things (NB-IoT) / enhanced Machine Type Communication (eMTC) support for Non-Terrestrial Networks (NTN): TR 36.763 v17.0.0[R]. 2021.

[4] 3GPP.Solutionsfor NR tosupportnon-terrestrialnetworks(NTN): Non-terrestrial networks(NTN) related RF and co-existence aspects: TR 38.863 v17.0.0[R]. 2022.

[5] Lin X Q, Rommer S, Euler S, et al. 5G from Space: An Overviewof 3GPP Non-Terrestrial Networks[J]. IEEE Communications Standards Magazine, 2021, 5(4): 147-153.

[6] Hosseinian M, Choi J P, Chang S H, et al. Reviewof 5G NTN Standards Developmentand Technical Challengesfor Satellite Integrationwiththe 5G Network[J]. IEEE Aerospaceand Electronic Systems Magazine,2021, 36(8): 22-31.

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[8] 缪德山柴丽孙建成. 5G NTN关键技术研究与演进展望[J]. 电信科学 2022, 38(3): 10-21.

[9] IMT-2030(6G). 6G网络架构愿景与关键技术展望白皮书[S]. 2021.

作为续篇,本文检索了国内外500余篇该领域相关的专利,重点关注国外的spaceXLynk、AST SpaceMobile、Apple等公司,以专利布局作为切入点,对当前卫星直连手机技术的国内外专利申请态势、技术主题等进行分析,研判其发展趋势,为后续该领域的研究和创新提供参考与支撑。
一、专利检索范围
结合不完全统计全球典型通信卫星星座情况(如图1所示),我们对国内外专利检索进行了差异化区分。国内专利检索数据来源于国家知识产权局专利检索平台,针对“标题/摘要”中包括关键字“NTN、非地面网络、非陆地网络”等进行了检索,重点对申请人为华为、关键字为卫星通信相关内容进行了进一步分析;国外专利检索数据来源于世界知识产权检索平台,针对spaceX、AST SpaceMobile、Lynk、Apple四家有卫星直连手机产品研发和验证计划的重点企业进行了星地通信相关专利筛选。检索截止日期为20221030日。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

1全球典型通信卫星星座表

二、专利申请趋势分析
图1是国内NTN专利申请日&公开日趋势图,图2是国外4家典型企业专利公开趋势图。数据显示,不论国内还是国外,相关专利申请基本都从2017、2018左右开始,这和ITU、3GPP等国际标准组织启动星地融合、NTN标准研究等时间点基本一致。从申请趋势看,2021&2022年的数据略有下降,分析是受专利公开时滞性影响。从公开趋势来看,卫星直连手机专利呈明显上升趋势,整体专利数仍然较少,相关技术研究还处在起步阶段,未来具备较好的发展前景和潜力。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 2 国内NTN专利申请/公开趋势图

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 3 国外四家典型公司星地通信专利公开趋势图

三、国内专利来源分析
国内NTN专利申请来源地区分布如图4所示,其中中国占总申请量的63%,说明中国单位对卫星直连手机技术的占位已经提前启动,这也和我国通信事业的技术积累&蓬勃发展密不可分。但是不容忽视的是,美国、日韩两地的申请量也分别有14%和16%,整体竞争仍然十分激烈。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 4 国内NTN专利申请地区分布图

国内NTN专利申请人来源34家申请单位,包括运营商、设备商、终端厂商、芯片供应商、科研机构、高校等,分布广泛、来源众多,可见产学研、上下游均已启动对星地融合相关关键技术的研究与验证,图5Top 9申请单位,主要还是集中在几家传统通信厂商,其中华为作为当前5G领域的专利数排名第一的龙头企业仍以一定优势领先,显示出其在5G通信领域的强大实力。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 5 国内NTN专利Top 9 申请单位

四、国际专利布局分析

四家国外典型企业的专利布局分布如图6~9所示,从数据可见四家公司基本没有在中国进行专利布局,仅有Lynk在中国进行了专利申请,专利数也较少,可见中国不是海外卫星通信相关公司业务的目标市场。两家初创公司AST SpaceMobile和Lynk专利布局较广泛,在北美、欧洲、亚洲、大洋洲多个国家均进行了专利申请。而Apple和spaceX主要在美国和世界知识产权组织进行了专利卡位,分别重点在印度和德国进行了专利布局,可见这两家公司对这两个国家市场的重视。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 6 AST专利布局分布图

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 7 Lynk专利布局分布图

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 8 Apple专利布局分布图

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 9 spaceX专利布局分布图

五、专利技术热点分析

专利的主题分布在一定程度上能够反映出当前技术创新的热点&重点,为了研判当前卫星直连手机技术发展态势,对检索到的专利按照IPC(International Patent Classification,国际专利分类)分类代码涉及主题进行了统计。
国内NTN专利技术热点如图10所示,其中星地通信相关的整体系统、设备装置、网络设计(H04B 7/185、H04W 84/06、H04L 5/00)等专利占比最多,除此以外,在关键技术方面,相关专利主要围绕3GPP研究报告中提出的几个关键问题,包括:
1)因NTN传输距离、高速移动导致的定时调整、时间同步、频率同步问题(H04W 56/00);
2)因传输距离和时延导致的随机接入问题(H04W 74/08、H04W 74/00);
3)因传输距离和时延导致的消息重传问题(H04L 1/18);
4)因卫星高速移动导致的链路切换、移动性管理等问题(H04W 36/00、H04W 4/02)卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析
图 10 国内NTN专利技术热点图
以HARQ技术为例我们对当前专利详情进行了进一步分析,选择10篇典型专利如表1所示。分析可见:即使针对同一个具体技术问题,不同专利在技术解决方案上的切入点也并不相同,有的专利是针对NTN场景下设计HARQ功能及相关参数的具体配置方案,有的专利用于解决HARQ功能关闭后的消息可靠保证,有的专利则偏重资源和效率的提升,可见任何一个简单的技术问题在落地实现中都存在应用场景、设计方案、性能与效率平衡等许多问题需要考虑和权衡,星地通信的标准协议研究还有很多内容可以挖掘和深入。
1NTN HARQ技术典型专利总结

公开号

申请人

公布日

专利

内容

CN113632403A

高通

2021.11.09

可动态配置的确收规程

非地面网络可能在混合自动重复请求HARQ过程中由于通信延迟而导致通信中断。经由卫星进行通信的基站和用户终端可实现可动态配置(是否禁用、重传数量、并行数量、传输大小等)的HARQ过程以避免无线通信系统中的等待时间。

CN114557020A

爱立信

2022.05.27

用于可靠的MACCEACK/NACK确认的系统和方法

在一些实施例中,一种由无线设备执行的方法包括:配置有至少一个启用反馈的混合自动重传请求HARQ进程,而无线设备的其余HARQ进程禁用反馈;接收需要反馈的激活/去激活命令,其中该接收使用至少一个启用反馈的HARQ进程;和/或发送关于激活/去激活命令的反馈。以这种方式,无线设备能够在非陆地网络NTN中发送与关键的激活/去激活MAC CE命令有关的HARQACK/NACK反馈。

CN112205045A

诺基亚

2021.01.08

非地面网络中的混合自动重传请求

在用户设备处从网络实体接收下行链路控制信息。下行链路控制信息可以包括混合自动重传请求虚拟过程标识。另外,该方法可以包括在用户设备处接收另一下行链路控制信息。另一下行链路控制信息可以包括混合自动重传请求虚拟过程标识。此外,该方法可以包括在用户设备处确定由下行链路控制信息指示的传输的定时与由另一下行链路控制信息指示的另一传输的另一定时之间的差。

CN112313896A

联发科

2021.02.02

非地面网络通信中混合自动重传请求设计的方法及其装置

描述了多种关于移动通信中用户设备和网络装置用于非地面网络中混合自动重传请求设计的方法。一种装置可以确定所述装置能够支持的HARQ进程的最大数量。所述装置可以发送性能报告来指示HARQ进程的最大数量。所述装置可以基于HARQ进程的最大数量执行HARQ进程传输。

CN114006684A

三星

2022.02.01

非地面网络的HARQ进程识别和软缓冲器管理

一种用于非地面网络的混合自动重复请求HARQ处理方法。在一些实施例中,该方法包括由用户设备UE接收第一下行链路控制信息DCI),第一DCI包括第一混合自动重复请求HARQ进程标识符ID);基于第一HARQ进程ID和与第一DCI相关联的时隙号来计算第一HARQ进程号;和经由与第一HARQ进程号相关联的HARQ进程处理第一数据块。

CN112154621A

IDAC

2020.12.29

用于非地面网络的混合自动重复请求(HARQ)技术

无线发射/接收单元WTRU可以向卫星基站BS传送上行链路UL反馈,该反馈包括用于冗余版本RV和交叉冗余版本cRV的配置信息。WTRU可以接收与第一传输块TB相关联的一个或多个第一RV。WTRU可以接收与第二TB相关联的一个或多个第二RV以及与第一TB和第二TB相关联的至少一个交叉冗余版本cRV)。cRV可包括从第一TB和第二TB两者生成的奇偶校验位。如果所述第一TB或所述第二TB中的至少一个未被成功解码,则所述WTRU可以基于所述至少一个cRV来联合解码所述第一TB和所述第二TB。

CN114900271A

华为

2022.08.12

基于NTN的数据传输方法、装置和存储介质

该方法中,传输数据的第一HARQ进程不采用HARQ传输方式,将DCI中空余的比特进行复用,网络设备向终端设备发送DCI,包含了第一HARQ进程的进程号的第一部分比特,DCI的其他部分比特可以用来指示进程号或者其他的参数,在终端设备获取到DCI之后,网络设备和终端设备通过该DCI进行数据的处理并输出处理后的数据,本方案提供一种不采用HARQ方式的传输方案,通过DCI指示相关参数进行上行或者下行传输,发送端不需要等待接收端的反馈,有效减小通信时延,减轻接收端缓存压力。

CN112532356A

华为

2021.03.19

混合自动重传请求的指示方法、装置及存储介质

该方法包括:网络设备向终端发送无线资源控制RRC消息,所述RRC消息中包括指示信息,所述指示信息用于指示混合自动重传请求HARQ功能开启或关闭,所述指示信息通过如下至少一种资源来承载,所述资源包括:数据信道资源、广播信道资源、资源块。通过RRC消息来承载指示HARQ功能开启或关闭的指示信息,使得卫星通信系统中的HARQ功能可以根据实际需求进行开启或关闭,从而提高了HARQ功能的灵活性。

CN111490858A

华为

2020.08.04

一种卫星通信的自适应传输方法、装置及系统

本申请提出的卫星通信自适应传输方法无需HARQ重传,接收端反馈冗余版本索引,发送端根据接收端反馈的冗余版本索引对应的冗余版本组合,采用不同的分集方式传输,获得分集传输增益,一方面提高了传输的可靠性,另一方面降低了传输时延。

CN113728697A

OPPO

2021.11.30

无线通信方法和终端设备

本申请实施例提供了一种无线通信方法和终端设备,对于关闭了反馈功能的HARQ进程,终端设备在动态调度上行传输、动态调度下行传输、预配置资源上行传输、预配置资源上下行传输之后启动或者重启DRX非激活定时器,从而终端设备能够在执行这些操作之后继续监听PDCCH,便于在NTN网络中终端设备能够对网络设备持续调度重传或新传的连续接收。

华为和苹果的专利布局热点基本也与3GPP提出的NTN关键技术相吻合,详细情况如图11和图12所示。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 11 华为星地通信专利技术热点图

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 12 Apple星地通信专利技术热点图

国外方面,AST SpaceMobile和spaceX作为卫星通信公司,则和地面通信厂家在专利布局上完全不同,他们的专利技术热点分布分别如图13和14所示。从数据来看,这两家公司的重点技术主要围绕着星端的大规模相控阵,以及相控阵天线配套的机械、结构、电路、电源等设计问题。

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 13 AST SpaceMobile星地通信专利技术热点图

卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析

图 14 spaceX星地通信专利技术热点图

这样的专利分布其实和我们之前“卫星直连手机技术介绍”中提到的技术路线不谋而合:要么手机不做任何改动,将所有的技术难度交于卫星处理,卫星侧开展大规模相控阵技术研究,克服手机发射功率和天线增益不够的问题;要么推动基于统一空口的终端直连模式技术研究,开展协同组网、协议增强和设备兼容的技术攻关,实现从功能到架构、从接口到标准的空天地一体化网络;亦或是两条技术路线相互融合、取长补短,加速卫星直连手机的技术革新和实现落地。

六、总结

通过卫星互联网解决地球人口数字鸿沟问题,实现6G愿景下的空天地一体化网络已是通信界的普遍共识。根据罗兰贝格数据,全球卫星通信行业2018年收入高达1265亿美元,在消费通信中电视直播占比92%,而卫星互联网仅占2%,未来增长潜力巨大。在卫星轨位和频谱资源稀缺的情况下,美国spaceX、AST、Lynk等多家公司的卫星直连技术已经进入星上测试阶段。

因此,不论是从行业发展、场景需求、市场潜力还是外部竞争来看,中国都需要加快卫星直连手机的研发和推进。当前,卫星直连手机在运营监管、频段划分、体制架构、协议融合等诸多方面还存在技术挑战,我们可以继续发挥中国卫星通信事业国家队的优势,借助龙头企业在5G通信上多年的积累,卫星通信和地面通信优势单位强强联合,产学研上下游一起加速催熟相关关键技术,缩短产品验证周期,通过弯道超车早日实现空天地一体化网络的部署落地。

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admin
  • 本文由 发表于 2024年5月19日22:33:18
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                   卫星直连手机标准演进过程及技术发展趋势分析https://cn-sec.com/archives/2021134.html

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