华为和Starlink手机直连卫星技术差异分析

admin 2024年2月23日04:27:26评论43 views字数 14652阅读48分50秒阅读模式

手机直连卫星,从字面意思理解其实就是手机可以跟卫星直接连接,从专业角度来阐述的话,其实可以定义为“空间卫星通信系统可以跟地面的通用手持终端进行连接通信,不同于传统卫星移动通信使用的专用的手机,该系统是直接能跟地面通信系统用的普通商用手机进行通信的网络,并且普通手机可以通过信号自动切换在天地网络之间漫游的场景”。其实从这个概念延申出一个更大的场景,就是与卫星通信的不一定只有手机,还有其他的终端,比如物联网终端等,所以,GSMA在2022年5月的一份报告里将这种场景定义为D2D(Direct to Device)

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FCC 作为移动卫星服务(MSS)监管机构,面对美国本土公司对该服务汹涌的需求和监管申请,正在改变一事一议的方式,考虑从规则角度一揽子解决。该机构在2023年3 月 17 日就手机移动卫星服务许可事宜提出了《单一网络的未来:太空补充覆盖(Single Network Future: Supplemental Coverage from Space)FCC23-22》的规则制定草案,该规则正在征求各方意见,预计将在近期正式发布。

华为和Starlink手机直连卫星技术差异分析FCC发布的《单一网络的未来:太空补充覆盖(Single Network Future: Supplemental Coverage from Space)FCC23-22》的规则制定草案


规则草案指出,“我们通过提出一个全新的太空补充覆盖(Supplemental Coverage from Space,SCS)监管框架,以发挥美国卫星和地面网络一体化方面的全球领导作用。通过这种新颖的方法,卫星运营商与地面服务提供商的合作将能够获得委员会的授权。在获得许可的情况下,灵活使用分配给地面服务的频谱,运行于天基系统,从而扩大地面服务服务商许可用户的手机信号覆盖范围,特别是在偏远、未得到服务和服务不足的地区。


这个框架可以在新兴的卫星和地面互操作技术和跨行业利益相关者伙伴关系方面的创新和投资方面实现在美国的蓬勃发展,并在实现其他目标方面发挥关键作用。委员会的目标包括:

  1. 促进全国范围内无处不在的无线覆盖;

  2. 扩大紧急通信服务对消费者和提供该服务急救人员的地理覆盖范围;

  3. 及促进向消费者提供无线服务等。”

手机直连卫星不是让消费者在手机或卫星电话之间做出选择而是将他们的手机变成卫星终端。这可以通过将支持卫星的硬件纳入现代手机来实现,例如苹果和华为,或者通过将蜂窝硬件设计到卫星中来实现,这就是Starlink、AST和Lynk正在做的事情。无论哪种方式,移动通信运营商和通信卫星运营商之间肯定是伙伴关系,而不是竞争,意味着智能手机将逐步集成卫星连接的功能。发展趋势很明确,以至于从卫星制造及运营侧、地面移动运营商侧、终端侧、体制协议侧、操作系统侧等各方面开始发力。

3GPP从R15开始定义NTN网络,卫星网络是其中重要的场景,R17标准化了5G与包括卫星在内的非地面网络(NTN)之间的独特合作,以提供两者之间的无缝过渡,R18将持续定义及优化以卫星通信网络为主的NTN通信的体制协议。 

2023年2月23日,FCC主席Jussica公布了3月份的会议安排。其中值得关注的是FCC将基于“频率共享政策优化”来支持SCS(Supplemental Coverage from Space)场景的发展,并将其作为首个议题来讨论。提案“首次提出地面移动运营商与卫星服务商合作的框架”,重点对“卫星运营商复用地面频率带来的政策及技术问题”进行意见征询。

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此提案代表了欧美国家对于“卫星+地面网络融合”场景的重视,这也是继沙特拍卖“2.2GHz NTN频谱”使用权之后,全球对于天地共享频谱政策推进的又一重大事件。

此提案最大的受益方是手机直连卫星的应用场景这里的手机不仅仅是传统意义的手机,还包括物联网终端等能在地面网络接入的标准终端,基于通用的频率,在天地网络中漫游,通过天基网络的部署,来提升地面网络服务的范围和性能。这将是FCC推动手机直连卫星场景落地的最有力的推动力,如果政策文件能落地的话,将大大推进ASTLYNKSpaceX等手机直连卫星服务公司商业落地的进程。

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从FCC发布的提案文件来看,该提案希望“为SCS提供新的合规框架,来提升地面网络与卫星网络的融合”,主要通过“灵活配置地面运营商与卫星厂家的频率使用权”。提案提出,希望通过为地面增加卫星专用频谱为指定区域提供服务,以及通过卫星互联网使用地面运营商频谱来为指定GIA区域提供移动通信服务;

GIA:Geographically independent area,主要包括六个:(1)美国大陆;(2)阿拉斯加州;(3)夏威夷;(4)美属萨摩亚;(5) 波多黎各/维尔京群岛;(6)关岛/北马里亚纳群岛。

该提案对融合场景设计、政策优化等方面征询意见,重点提出复杂场景下对运营商技术能力考核和频率干扰规避考核等方面的问题。

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从频率来看,主要此次拟放宽600MHz、700MHz、800MHz以及宽带的PCS和WCS等频段的使用。Starlink通过与T-Mobile的合作拥有了PCS频段的频谱使用权,AST在巴布亚新几内亚申请的频率包括了上述频段,并在向FCC申请在美国的落地运营权,并通过与AT&T的合作,获得了在800MHz频谱上的试验的权力。可见如果该提案的落地,将直接加速相关企业的运营牌照的申请。

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AST申请美国落地运营的频率

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AST首颗BW3宽带试验卫星申请的频段

此外,还有一条信息需要关注的是除了美国运营商外,此次提议允许非美国卫星运营商通过与地面移动运营商的合作进入美国市场。

具体的提案落地情况,将在3月中旬的公开会议中讨论。此提案可能将受到一些没有布局卫星通信业务的运营商的反对,但是从总体来看,主流运营商都在布局相关的技术和市场,所以提案获得通过的可能性很大,该提案的通过将直接加速美国手机直连卫星产业的发展。

卫星网络能支持什么样的手机我们又可以把这个场景分为三类:

第一,支持现有的2G3G4G5G的普通手机,就是手机端不用硬件的修改,也不用配“什么手机壳”等外挂来跟卫星通信,这是我们说的存量手机直连卫星的场景,Lynk、AST和SpaceX是这种模式。很多人对这个场景表示担忧,后续我们展开分析;


第二,就是基于5G NTN的场景定义,下一代手机可以支持这种通信服务,这是大势所趋,Omni等从IoT NTN做起的公司是走这条路,因为体制协议还没完全定义,所以需要时间;


第三种,就是苹果和华为以及三星将要推出的,把卫星通信的硬件集成到商业终端手机里,能跟现有卫星网络融合通信,目前苹果和华为都是短信通信,让我们期待电信用天通来实现的语音手机直连卫星的通信吧,我们分析认为国内大概率还是华为支持电信来完成。

  从上面的三种场景分析,NTN是最顺的一条路,因为有标准组织牵头,终端组织参与论证,产业链慢慢拉起来会比较顺利,但是存在两个问题,一个是需要时间,另一个对原来终端不兼容,(很简单的例子就是多普勒的补偿,现有手机不会补偿,NTN协议里定义的终端需要补偿多普勒,详细的这里不展开了。)很多人需要换手机才能使用,这对用户不友好。苹果和华为那种模式呢,其实现在来看终究要淘汰的,因为效率低下,标准化的网络起来之后会对其产生很大的冲击,苹果是因为市场占有率高,可以拉动市场的走向,但是毕竟用户不是都用苹果,世界也不止只有美国。所以,视线转回存量手机直连,这条路最有意义,当然也很难,因为手机不改,给卫星带来很大的系统设计难度。

   外媒分析认为,随着卫星到蜂窝(可以理解为D2D)服务将成为一项可行的服务,这一现实即将到来。发展来看,首先是初创的卫星通信公司,然后很快延申到主要的电信和手机等终端公司。将卫星直接连接到未经改装的手机(所说的存量手机)的效率优势是显而易见的——人们将不再失去联系或也不需要专门的昂贵或者笨重设备来保持连接。虽然手机直连卫星的初创公司Lynk和AST SpaceMobile已经享有早期的市场优势,Lynk刚刚获得FCC的批准,可以在国际上提供服务,但在T-Mobile和SpaceX以及苹果和Globalstar、华为和北斗之间的一波合作协议之后,市场可能会更快地扩大规模。


华为和Starlink手机直连卫星技术差异

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手机直连卫星工作

1.    优化星载基带:实现星载基带的协议自适应适配与业务功能的自动分割。

2.    研发星载相控阵天线:研发星载超大规模阵列天线技术,优化全数字/模数混合赋型架构,以实现地面移动终端的小型化。

3.    优化卫星终端天线:使用小阵面相控阵天线与通用基带芯片设计,追求体积小成本低。

4.    星地回传:高效利用空口,实现大带宽、大容量、远距离的星地传输。

5.    星间路由:研发激光星间链路,这是实现天地一体化的关键突破点。

6.    系统软件研发:实现波束协同与无线资源调度与立体星座多波束管理

第一种是基于目前技术的延伸,是最快可以做的技术,但受限于终端的市场占有率和现有卫星的容量等能力,

第二种,则是目前可以快速建立市场的方式,为存量手机增加卫星通信功能,收取少量费用以备不时之需,尤其是NTN标准体制还未完全明确,产业发展还不足以支撑业务发展的情况下,这种模式是立竿见影的,问题就在于频率的问题,政策的问题,以及性能回退的问题等;

第三种,对于NTN标准的体制协议及下一代终端兼容卫星通信技术,这是目前可以确定会发生的,提前布局技术等待未来的到来是对的。

华为mate60pro卫星直连手机技术分析

华为使用的是天通卫星,其体制协议并非现网手机通用体制协议,且终端也需要配置专用处理器,类似于将原来的双模卫星电话做的更小巧,更接近消费级普通商用终端,属于第一种专用体制+专用终端(华为mate60pro)。系统从网络侧、终端侧、业务侧齐头并进,先后突破高性能内置天线、基带射频芯片一体化小型化、卫星核心网与移动核心网拉通以及信令协议转换等关键技术,终于推出手机直连卫星功能。系统还有一个先天优势,因为它处于LSC这样的低频段上,天线具备适合手机终端尺寸的条件。


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华为全球首发推出卫星直连通话服务,星地一体化的大趋势充分显现。为了满足卫星通信的便捷使用,近年来厂商开始在消费级的手机上集成卫星通信功能。智能手机要实现卫星通信要求天线射频技术和基带芯片技术有较大的发展。目前看,华为、苹果与高通的解决方案通过基带芯片升级实现了卫星通信,其中华为全球首次实现话音通信。展望未来6G时代,卫星网络将与地面蜂窝网络深度融合,突破4G、5G受到地形限制的缺陷,实现全球无缝覆盖,手机直连卫星将是星地融合通信的一种主流方式。


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手机直连卫星技术难点之一:天线

从卫星通信的原理看,卫星、手机是信号收发的设备,其中天线负责射频载波信号的接收和发射,是无线通信系统必不可少的组成部分。


1) 卫星上的天线:为了实现手机直连,提升卫星天线能力是一个重要的技术方向。例如AST Spacemobile、Lynk、Starlink等公司的技术路径,需要将新发射上天的通信卫星的相控阵天线尺寸和规模做大,根据AST官网Bluewalker 3拥有64平方米的相控阵天线,根据Space X官网,二代星链则预计采用一个边长5-6米、面积25平方米的相阵控天线。


2) 手机上的天线:在手机直连卫星中,手机向卫星的传输是一大难点。由于卫星与地面通信传输距离长、对卫星的指向要求高,传统的卫星电话往往搭载一根体积大、长度长、高增益的卫星天线。但对于一部大众智能手机,天线受制于终端体积和功耗的限制,通常采用的是低增益全向天线,因此一般无法做到连接卫星进行通话。若需要在大众手机上实现卫星通话,则需要突破卫星通信天线与手机共形设计。


3) 展望未来Ku、Ka频段连接,手机终端天线设计仍需要技术突破。目前可实现的手机直连卫星系统仍然工作在低频段,例如天通工作的S波段。未来我国低轨星座将采用Ku和Ka频段,若要实现手机直连卫星,需要终端天线技术持续升级。


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手机直连卫星技术难点之二:功放

功率放大器的作用是对发射通道的射频信号进行放大,是无线通信设备射频的核心组成部分,影响整个无线通信设备发射性能、系统功耗等重要指标。


为了实现手机和卫星的连接,一方面,要满足卫星通信链路预算不变,由于通信距离变得更长,空间衰减会更多,因此手机功放需要能够提供足够的功率来确保信号能够成功传输到卫星。另一方面,功率放大器需要提升转换效率,由于发送到卫星的信号需要更高的功率,因此需要功放的效率变得更高,更高的效率意味着功放产生的热量更少,电池消耗也更少;如果仅提升功放的功率,会造成手机待机的时间变短。采用第三代半导体能提供更高的功率密度和效率,允许功放在更小的尺寸和更低的功耗下提供更高的输出功率。


第三代氮化镓微波半导体电路优势明显,能够提升射频器件的性能。对于集成电路材料的选择,最新发展的第三代半导体氮化镓(GaN)材料可以让微波功率管的输出功率成倍提高,其击穿电场/电压更高,能够制成固态大功率器件,同时,氮化镓还具有比砷化镓更优异的高频段工作性能以及更好的热稳定性,可以在更高的温度下持续正常工作。GaN 器件的功率密度是砷化镓(GaAs)器件的十倍。GaN 器件的更高功率密度使其能够提供更宽的带宽、更高的放大器增益和更高的效率。GaN射频器件大带宽、高功效和高功率密度的特点使得其卫星通信和太空领域也有良好的应用空间。


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据其分析,卫星产业链主要包括卫星研制、卫星发射、地面设备、卫星运营等环节。从产业链上下游划分,卫星制造环节作为前端将率先发展。

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从通讯基站到数字终端到 5G 时代,华为在科技领域始终坚持创新,相关华为产业链标的同样有望在我国高水平科技自立自强、关键核心技术攻坚战中受益,持续做强。

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具体到华为手机产业链上看,华为上调手机出货量目标以及高端机型的顺利发布有望对上游产业起到拉动作用,可关注华为手机产业链和国产替代核心环节(射频、天线、滤波器)供应商投资机遇。

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华为Mate60系列采用了我国自研的“天通一号”卫星系统。2008年汶川地震,让我们意识到了建设自有卫星通讯系统的重要性。2011年我国正式启动了“天通一号”卫星项目。

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天通一号的三颗卫星都是基于东方红四号平台研制,设计寿命12年到15年。

01星:2016年8月6日0时22分,中国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭成功发射天通一号01星。

02星:2020年11月12日23时59分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功将天通一号02星送入预定轨道,发射任务获得圆满成功。

03星:2021年1月20日0时25分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功将天通一号03星发射升空。

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天通一号卫星拥有109个国土点波束,实现了我国领土、领海、中东、非洲,以及太平洋、印度洋大部分海域区域覆盖。可提供语音、短信、物联网服务、加密通讯等服务,系统的用户容量可达250万户以上,基本满足目前的用户用量。未来不排除会进一步扩容。

天通一号卫星覆盖区域主要为中国及周边、中东、非洲等相关地区,以及太平洋、印度洋大部分海域。覆盖地形没有限制,海洋、山区、平原、森林、戈壁、沙漠都可实现无缝覆盖。

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华为和Starlink手机直连卫星技术差异分析

以下是天通一号卫星的一些基本参数:

工作频段:用户链路为S频段、馈电链路为C频段。

用户链路和馈电链路的上下行传输均为FDD/TDMA/FDMA方式。

发送频段:S波段:1980MHz-2010MHz

接收频段:S波段:2170MHz-2200MHz

手持设备支持信息速率分为两挡

1.2kbps-9.6kbps(可用于传真);

9.6-384kbps (数据传输/互联网接入/视频回传)。

天线的发射功率<2W。

支持语音、数据、短信业务和定位功能,互联网接入服务目前暂未开通。


Starlink卫星直连手机技术分析

Starlink这次推出的服务也很明显,基于4G LTE的体制+现存的普通手机,属于第二种;而移动联合合作伙伴做的星上处理的手机直连卫星技术,则是第三种。星链在内的宽带卫星/高通量卫星所用频段集中在Ka、Ku、V这些高频的频段上,空间传播损耗太大,终端天线必须做到20-30厘米口径,这根本不适合手机终端。SpaceX需要发射新的星链卫星V2.0并进行组网。相比上一代,V2.0在原先Ku、Ka天线和星间激光链路的基础上,增加一个面积达到25平方米的天线,以实现与地面手机的直接通信。卫星将使用频段较低的移动通信频率,据称是在1.9GHz上。Starlink是想把蜂窝基站放置在天空中,为大众提供移动通信服务。

拥有1.1亿客户的美国第二大无线运营商T-Mobile正在与SpaceX合作,以便第二代Starlink卫星可以直接免费连接到运营商的手机。“现实情况是,地面蜂窝技术有局限性。由于土地使用限制、地形或技术限制,它无法覆盖所有地方。这使我们能够将这些偏远地区的覆盖范围更进一步,“T-Mobile无线网络技术与战略高级副总裁Karri 说。该公司计划明年年底开始一个测试计划,最初提供文本,图片消息传递和参与的消息传递应用程序,“目标是在未来几年通过语音和数据覆盖范围丰富服务,”Kuoppamaki说,并补充说,该网络不需要额外的设备,因为T-Mobile网络上已经存在的绝大多数智能手机能兼容该卫星通信网络。

2023年10月11日,SpaceX星链官方网站全新推出星链直连手机业务Direct to Cell)。根据SpaceX官网信息,其适用于现有的LTE手机。无需更改硬件、固件或特殊应用程序,即可通过星链发送文本、语音和数据。

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下图值得关注,明确将携带4G基站(eNodeB)入轨,从图示可以卫星使用星间链路,比透明转发系统更加灵活,属于星上再生处理模式的卫星通信网络建设。

发射手机直连卫星将先基于猎鹰9号,后续将使用星舰发射。华为和Starlink手机直连卫星技术差异分析

       预计2024年实现短信发送,2025年实现语音通话,2025年实现上网(Data),同年分阶段实现IOT(物联网)。
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初期支持的运营商包括:T-MOBILE (美国)、OPTUS (澳大利亚)、ROGERS (加拿大)、ONE NZ (新西兰)、KDDI (日本)、SALT (瑞士)。
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这一服务可以直接通过消费者的现有手机进行连接,无需更换新机。最初阶段,直连卫星的服务将仅限于短息和消息类App服务,但将覆盖全国的每个角落,甚至是无手机基站信号覆盖的地区。这将终结移动盲区,避免出现在野外无信号区域无法进行呼救的悲剧。

2022年7月28日国外媒体发布了一则“SpaceX向FCC请求允许使用2GHz频段来‘增强’其卫星移动服务”的消息。

2022年8月26日上午,马斯克发了一条推特(Twitter),官宣明年即将推出的第二代“星链”(Starlink)卫星可以直连手机。此外,他还表示,“星链”与手机的连接将处理文本、图像,可能还有视频。2022年新闻,星链将和T-Mobile合作使用1.9GHz频段提供直连手机服务。该服务将基于LTE,而不是5G等更新技术。
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据外媒报道,SpaceX与美国电信运营商T-Mobile达成战略合作,双方将共同探索地面通信和卫星通信的融合。T-mobile CEO表示,将与SpaceX建立技术联盟,合作将结束移动领域的僵局。马斯克在活动现场介绍称,即使所有的手机信号塔都瘫痪了,SpaceX旗下“星链”卫星的新服务也能正常工作。
2022年12月6日,SpaceX公司向美国联邦通信委员会(FCC)提交了“移动卫星服务(Mobile Satellite Service, MSS)”申请。

频谱资源申请,要求FCC授权其在美国市场开放直接对蜂窝网(direct-to-celluar)的卫星有效载荷许可。基于1910-1915 MHz和1990-1995 MHz频段分别开通地球到卫星(E-s)上行链路和卫星到地球(s-E)下行链路,从而实现无保护、无干扰的普通手机蜂窝网PCS G Block移动通信服务。
2022年8月,SpaceX和T-Mobile的合作SpaceX所申请频谱资源的地基移动通信使用权隶属于T-Mobile移动通信公司。SpaceX创始人埃隆·马斯克(ElonMusk)和T-Mobile首席执行官兼总裁迈克·西弗特(Mike Sievert)在得州星舰基地(Starbase, TX)宣布了双方就移动卫星服务(MSS)开展合作,计划在2023年底前实现基于星链(Starlink)卫星的MSS服务,并在全球范围内逐步实现普通手机无盲点蜂窝网连接。


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本次SpaceX申请的MSS服务频段与陆基手机蜂窝网同频段,MSS服务将以手机蜂窝网的形式提供接入服务,将适用于普通手机。

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配置MSS服务载荷的星链V2.0卫星

据消息SpaceX公司将在星链V2.0卫星上实现MSS服务,提供此类服务的星链卫星将携带一个面积达到25平米的中频PCS频谱(mid-band PCS spectrum)天线,以实现与地面手机的直接通信。每个中频PCS频谱天线将在地面形成一个通信单元格,通信带宽为2-4Mbits,单元格中的手机将可以通过直连卫星实现通信。

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按照SpaceX最新发布的星盾(Starshield)计划,后续的星链V2.0卫星都将提供模块化载荷集成能力。MSS服务载荷也将以一种标准载荷形式发布,并方便地集成到需要提供此类服务的星链卫星上。未来的星链星座(Starlink Gen1)和星盾星座(Starlink Gen2/Starshield)的卫星都将基于星链V2.0卫星总线架构,根据所集成的载荷模块,分别服务于商业用户、政府,甚至可能提供混合应用的配置方案。


https://fcc.report/IBFS/SAT-AMD-20230207-00021:SpaceX请求授权操作其直接到蜂窝的有效负载,以便在 1910-1915 MHz 上行链路 Es 和 1990 中以无保护、无干扰的方式进行通信-1995 MHz 下行链路 sE 频段 PCS G Block 以及现成的蜂窝移动设备。

https://fcc.report/IBFS/SAT-AMD-20230207-00022:SpaceX 应用程序在 1610-1617.775 MHz 范围内提供移动卫星服务SpaceX Gen2 卫星上的上行链路 Es、2000-2020 MHz 上行链路 Es、2020-2025 MHz 上行链路 Es、2180-2200 MHz 下行链路 sE 和 2483.5-2500 MHz 下行链路 sE 频段。
2023年02月SpaceX 撤回了针对 T-Mobile 蜂窝服务和使用 GlobalStar 频率的 FCC 备案。
https://fcc.report/IBFS/SAT-STA-20230929-00240  SpaceX根据委员会规则第 25.120 条,特此请求特别临时当局(“STA”)自 2023 年 12 月 1 日起六十 (60) 天内发射和测试其非对地静止轨道(“NGSO”) 第二代 (“Gen2”) 卫星1,具有直接到蜂窝通信有效载荷,可将未经修改的蜂窝电话直接连接到 SpaceX Gen2 卫星,但须遵守授权 SpaceX 发射和运营 7,500 颗卫星的 Gen2 命令中规定的条件卫星。这项 STA 是必要的,因为委员会将继续处理 SpaceX 为消费者提供永久补充太空覆盖 (“SCS”) 的申请2,并将允许SpaceX 在 12 月及时发射第一批支持直接蜂窝网络的卫星2023年。

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还没有完整阅读,似乎对于 1.6GHZ-2.4GHz 和 2GHz 应用程序,他们只是从 Gen1 切换到 Gen2,对于 T-Mobile 应用程序,他们将有效载荷卫星数量从 2,016 颗增加到 7,500 颗。SpaceX 请求其德国许可的直接蜂窝有效负载进入美国市场,以便在 1910-1915 MHz 上行链路 Es 和 1990-1995 MHz 下行链路 sE 频段 PCS G Block 上以无保护、无干扰的方式进行通信,并具有关闭功能。

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星链直连手机主要技术指标如下:

上行(手机到卫星)频率:1910–1915 MHz ;数据率:3.0Mbps ~ 7.2Mbps

下行(卫星到手机)频率:1990–1995 MHz ;数据率:4.4Mbps ~ 18.3Mbps

数据率猜测可以参考3GPP TS 36.213。5MHz带宽下,配置25个RB,根据TBS表格(Transport block size table),精确的纯物理层速率应该是3.112M~7.224M,4.392M~18.336Mbps。


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2022年10月美国联邦通信委员会(FCC)授权 SpaceX 发射 7,500 颗第二代星链卫星( Starlink Gen2)后,近日又向 FCC 提交申请要求在其中的 2,016 颗卫星上放置有效载荷,用于与 T-Mobile 公司的直接通信系统(直连基站系统)。

根据分享的文件,SpaceX 请求美国市场准入德国许可的直连通讯系统托管有效载荷,并将其集成到 2,016 颗卫星上。并希望使用 T-Mobile 已经获得许可的 1910-1915 MHz 和 1990-1995 MHz LTE 频段中的频谱。因此,任何 T-Mobile LTE 智能手机都应该能够连接到卫星服务,而消费者无需执行任何特殊操作。

SpaceX 表示其与 T-Mobile 的 Starlink 服务将能够以高达 3.0 Mbps 或 7.2 Mbps 峰值上传(地对空)的理论峰值速度提供语音、消息传递和基本网络浏览下行链路(空对地)为 4.4 Mbps 或 18.3 Mbps。

SpaceX 在其附带的一份文件中告诉FCC:“T-Mobile 基本上是作为太空中的蜂窝基站运营的,当地面基站无法连接或不可用时,直连蜂窝的有效载荷将使 T-Mobile 能够连接到为其自己和合作伙伴网络提供的移动设备。”

既除了消除移动盲区外,Starlink+T-Mobile 服务还将能够在紧急情况下充当通信备份。对于消费者来说,这项服务将在实时通信时至关重要,甚至可以挽救生命,如在偏远地区徒步旅行者遇到紧急情况时可以使用这项服务打电话或发短信寻求帮助。

2022年12月8日FCC授权 SpaceX 部署 7,500 颗 Gen2 Starlink 卫星后,该公司昨天提交了一份请求,要求在其中 2,016 颗卫星上为其与 T-Mobile 的直接到小区系统提供有效载荷,以便“到 2024 年中期”实现覆盖。

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2022年,SpaceX向美国联邦通信委员会(FCC)提交了一项申请,请求在最近获得授权的“星链”(Starlink)第二代星座中的2016颗卫星上,增设手机直连卫星的有效载荷,用于通过“星链”卫星提供真正的全球手机网络连接,与T-Mobile合作打造全球无死角的通信互联服务。

https://fcc.report/IBFS/SAT-PPL-20221206-00170

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图源:FCC.Report

根据公开信息显示,这2016颗卫星是“星链”第二代星座7500颗卫星中的一个子集,轨道高度为525公里和530公里,共28个轨道面,每轨72颗卫星,轨道倾角为53度和43度

SpaceX计划于2024年中完成全面部署,在南北纬58度范围内提供对地球的全面和连续覆盖,其中服务于美国及其领土的卫星总数在80到100颗之间。


在今年8月,SpaceX首席执行官兼首席技术官埃隆·马斯克(Elon Musk)就和T-Mobile首席执行官兼总裁迈克·西弗特(Mike Sievert)在星舰基地宣布了这项突破性计划,即实现普通手机基于“星链”卫星的通信。


在这项计划中,T-Mobile提供了地面频谱资源,SpaceX则通过“星链”第二代卫星的通信载荷在原先Ku、Ka天线和星间激光链路的基础上,增加一个面积达到25平方米的中频PCS频谱(mid-band PCS spectrum)天线,以实现与地面手机的直接通信。根据此次公开的文件,SpaceX希望使用T-Mobile已经获得许可的1910-1915 MHz和1990-1995MHz的PCS G Block的5MHz带宽频率



但在此次SpaceX向FCC提交的申请中,有两个参数仍未确定:

首先是,服务能力。SpaceX在申请文件中称,系统采用LTE体制,允许每用户调度低至一个资源块,每波束理论峰值速度:上行3.0Mbps或7.2Mbps,下行链路为4.4Mbps或18.3Mbps。



这些服务指标是在这样的前提下给出的:一是采用最大的天线增益;二是单波束信道带宽分别在1.4MHz和5MHz。

前文提到,T-Mobile的PCS G Block共5MHz带宽的频率资源,SpaceX在申请文件中提出两种可能的信道化频率计划:三色或四色复用、每波束1.4MHz;或同频复用、每波束 5MHz。

按照 LTE技术规范,邻近小区的信号/干扰比优于-4.8dB时,同步和控制信道才能正确解调,在这种情况下可以采用同频复用。对于地面网这个要求容易实现,但对于卫星天线实现起来有很大难度。

如果采用三色或者四色复用,每个波束频率带宽为1.4MHz,每波束理论峰值速率为:下行4.4Mbps、上行3.0Mbps。1.4MHz信道带宽的LTE有6个资源块,因此,每波束最多可支持6个用户同时在线,此时星下点的单用户下行速率为750kbps左右。


另一个未确定的参数是,天线大小及波束数量。天线增益的大小在很大程度上决定着手机直连卫星的通信能力,同时决定着工程难度。SpaceX在申请文件中给出了29dBi、32dBi、35dBi和38dBi四种天线增益。

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AST SpaceMobile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 Space Mobile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 华为和Starlink手机直连卫星技术差异分析

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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原文始发于微信公众号(太空安全):华为和Starlink手机直连卫星技术差异分析

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  • 本文由 发表于 2024年2月23日04:27:26
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