5G，上天了！卫星和基站擦出了火花？

大家好，我是蜉蝣君。

本期我们来聊聊卫星通信以及卫星通信与地面通信的融合:非地面网络的故事。

对于5G来说，这可能只是下半年的锦上添花，但对于还在想象中的6G来说，空，天，海一体化通信才是有待征服的星海。

所以，我们开始吧。

为什么需要卫星通讯。

手机已经连接了我们生活中的一切我们可以随时随地拿出手机，轻松上网

这一切都是如此理所当然，以至于我们甚至想不到这样一个不可思议的问题:

移动通信网络真的无处不在吗。

众所周知，地球虽然叫地球球，但其实是一个水球，陆地面积只占29%，海洋面积占71%。

这么小的国土面积，移动通信网络覆盖率只有20%，相比之下，海洋的网络覆盖率更低，只有5%。

总的来说，移动通信网络只覆盖了全球不到10%的区域！

全球GSM网络覆盖

很容易理解，不能在海洋中生活的人没有医保为什么陆地上的覆盖率这么低看下图

全球人口密度

原来陆地上适合人居住的地方并不多移动通信网络覆盖不到的地方，大多是沙漠，丛林，冰原等人迹罕至的地方

在这种地方建地面基站纯粹是赔本买卖，自然成了信号盲区。

但是，海洋上有各种各样的船，只要上网，陆地上无法到达的地区也不是完全没有人烟如何满足这些被遗忘的边缘地区的交流需求

况且在大自然面前，人类的力量是渺小的洪水，地震，海啸等自然灾害往往导致大规模的地面基础设施遭到破坏，导致停电，断网，断路，给救援工作带来困难

在这样的危急时刻，如何打通救援的生命线。

上述问题的本质是:如何构建一个不受地面环境限制的全球通信网络。

于是，人们把目光投向天空，期望通信基站能像星光和月光一样，不偏不倚地把信号传遍地面，不管下面的地面是繁华还是贫瘠，是平原还是戈壁。

有这样一个方案，就是卫星通信。

卫星通信是如何实现的。

一般来说，卫星的全称是人造地球卫星就像地球的天然卫星月球一样，它们在天空中绕着地球高速旋转

那么，卫星的高度是多少。

我回想起之前介绍5G ATG的时候，我用5G，简直可以上天了！这样的总结现在想想还不够严谨。

虽然我们常常口头上把抬头所见的外部世界称为天，但实际上天和空的概念是完全不同的。

空是指从地球表面到大气层的高度范围，气球，飞机，飞艇等飞行器都可以到达，大气层外的空间可以称为天空，通常需要乘坐火箭才能到达。

天和天一般以100公里的高度为界，也称卡门线这是美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门通过研究飞机的极限飞行高度获得的也就是说，地球大气层的极限是100公里，再往上就是地球之外的浩瀚宇宙

能够实现上天的通信载体是各种通信卫星它们一直在我们头顶游过，既熟悉又陌生

卫星轨道的高度一般分为低轨道，中轨道，地球静止轨道和高轨道。

低轨道:离地面高度小于2000千米的卫星系统由于低轨道卫星距离地球较近，具有低路径损耗，低传输时延的特点

伴随着发射成本的逐年降低，多颗LEO卫星可以组成星座实现真正的全球覆盖，频率复用更加有效因此，LEO系统被认为是最有前途的卫星互联网技术

中轨:距地面2000km~35786Km，传输时延一般小于50毫秒，比低轨卫星大，但覆盖范围也更大当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因此只有少数几颗卫星可以覆盖全球

地球静止轨道:距地面35786公里，即地球静止轨道也就是说，GEO卫星的角速度和地球自转的角速度是一样的，所以这些卫星离地球是相对静止的

理论上，使用三颗地球静止轨道卫星可以实现全球覆盖但是同步卫星有一个不可避免的缺点，就是轨道离地球太远，链路损耗严重，信号传播延迟一般在250毫秒以上，比LEO和MEO大很多

高轨:离地高度超过35786km此外，还有椭圆轨道等和前面的相比，这些技术用的很少，这里就不赘述了

这些不同轨道的距离尺度在数字形式上并不明显从下图可以看出，中轨和高轨以地球静止轨道为界，高度范围很广相比之下，低轨道离地面很近，能容纳的卫星自然少很多

根据赛迪顾问的研究报告数据，地球近地轨道大约可以容纳6万颗卫星据预测，到2029年，共将有57，000颗LEO卫星部署在近地轨道

目前仅SpaceX一家星链就规划了42000颗卫星这么稀缺的资源，你不抢，有人抢因此，伴随着卫星互联网的发展，低轨卫星的建设成为热点

要实现卫星远距离无线通信，频谱资源也很重要。

伴随着容量的需求，卫星通信使用的频段正从中频L，S频段增加到Ku，Ka，再到毫米波，频率更高，带宽更宽。

卫星通信频段和空间轨道资源属于不可再生资源，国际上的原则是先来先占的使用模式目前，低轨卫星的主要通信频段已经趋于饱和

卫星通信的体系结构和终端

卫星通信系统的组成可分为三部分:空间段，地面段和用户段。

卫星系统体系结构

空间主要是指天空中由若干颗通信卫星组成的星座，以及卫星之间的通信链路。

地面部分主要包括地球站，以及业务控制，监控管理，时间注入等辅助部分地面传输，核心网等网元也可视为地面段的一部分

用户段是指接入卫星的终端，主要包括天线，信号处理和提供网络接入能力的设备)，以及接入网络的终端(手机，电脑等)

农村数字连接中心

从上图可以看出，在有线网络和无线网络都没有覆盖的地方，要实现低成本上网，只需要在楼顶安装一个卫星天线，连接室内路由器，就可以实现电脑，笔记本，手机等终端的共同上网。

通过现场卫星接入互联网

如果想在野外随时随地上网，Starlink的计划仍然是携带一个小尺寸的电子相控阵天线和路由器。

标准天线的功耗是50~75瓦，路由器也需要电源，所以车载电源必不可少图中一个人在静谧的星空下享受卫星高速网络，十分惬意

Starlink用户终端

乍一看，这款一模机的外形，9个方键，又粗又大又长的天线，穿越到了20年前。

日前，我国自主建设的第一个卫星移动通信系统——天通系统正式向全社会提供服务，由中国电信运营。

TY01卫星可提供速率为1.2 kbps的语音服务和最高384 kbps的数据通信服务虽然容量相对较低，但仍然可以提供应急通信服务

虽然不用换卡号，但是手机必须换蜉蝣君搜索某购物平台，发现支持天通系统的手机型号依然很多，价格从几千到几万不等旗舰机确实可以支持5G

我们可以从下面的产品介绍中看出端倪。

这个价格，的确，只能满足最关键的通信需求，在紧急的时候。

由此看来，卫星通信与我们日常生活的差距无疑是巨大的:使用场景少，手机不好用，资费还很贵。

以及5G卫星通信的融合。

那么，卫星手机进入消费领域还有希望吗。

今年华为推出Mate 50旗舰机，支持北斗卫星短消息，苹果与Globalstar合作推出iPhone14，支持卫星遇险这两款产品拉开了卫星通信探索消费领域的序幕

根据消息显示，华为Mate 50可以通过北斗卫星向个人发送文字，位置，轨迹图等信息，但内容会被审核只能发救援相关的信息，收不到回复

iPhone14可以发布的内容也是预设的求救信号，自带定位坐标，但不能针对个人消息会统一发送给公共或付费的救援机构，但可以收到救援机构的回复

那么，能不能更进一步，让这两个系统合并，卫星直接发5G信号。这样一来，我们可能连手机都不用换了，在荒郊野外也能通过卫星直接连上5G！

答案是肯定的而星联在这方面已经迈出了第一步

日前，SpaceX宣布与T—Mobile共享频谱，新一代Starlink V2卫星将通过1.9GHz为现有网络中的手机提供服务

Starlink V2卫星增强了信号接收能力，卫星天线延长至7米，面板增加至25平方米，通信性能是上一代V1的10倍。

这样，现网现有手机最终可以直接连接到卫星上的5G，吞吐率有望达到2~4Mbps。

与地面上的5G网络相比，这种浮动的5G网络自然被称为非地面网络，简称NTN。

广义的NTN涵盖的范围很广，包括无人机，地空通信，高空基站，卫星网络等等基于卫星的NTN自然是最受关注的焦点，所以总的来说，我们所说的NTN是基于卫星的

下图显示了3GPP在NTN技术标准化方面的进展和计划可以看出，在R15和R16，5G NTN还在研究阶段，从R17开始，5G通过NTN的接入技术已经标准化，并将在后续版本中继续推进

NTN的想法是:卫星发射5G信号，直接接入用户手机，然后在地面架设网关站作为网关，最后接入5G核心网。

其中，卫星与用户之间的链路称为业务链路，卫星和网关站之间的链路称为馈线链路，卫星之间的链路称为星间链路(ISL)。

在当前的NTN相关协议中，定义了两种实现架构，即透明有效载荷和可更新有效载荷。

所谓透明有效载荷，也就是所谓的透明转发，实际上只是把卫星当成了一个信号中继的链路5G基站部署在网关站后面，作为地面网络的一部分卫星不关注基站发什么，不做任何信号处理，只要手机顺利连接到网关站就行

透明有效载荷架构可以利用现有卫星，技术上容易实现，成本低但是卫星和基站之间的路径长，时延大，不支持星间协作，需要部署大量的网关站

可再生有效载荷，也叫卫星上的基站，相当于在卫星上部署5G基站卫星与卫星之间的星间链路就像地面基站之间的Xn接口，并且基站和网关站之间的馈线链路实际上是基站和核心网络之间的回程网络的一部分

必须改革这种可再生有效载荷的结构，并发射新的卫星，这在技术上很复杂，成本很高优点是手机和卫星基站之间的时延短，并且由于星间链路的存在，可以少部署网关站

在这两种架构的基础上，实现5G NTN，本质上是融合卫星通信和地面蜂窝通信这两个截然不同的系统。

可是，蜂窝通信协议已经从2G，3G，4G发展到5G，目标是地面网络场景与卫星通信集成的挑战是巨大的，需要对协议进行大量更新

1.高传输延迟GEO卫星的传输时延可以达到250毫秒以上，如此高的时延会极大地影响基站与手机交互的及时性，尤其是需要接入，切换等多次信令交互的过程

在如此高的延迟下，很可能系统的定时器已经全部超时并重启，并且信令还没有被传递因此，有必要改进或重新设计相关的协议流程

2.多普勒频移由于非地球同步轨道卫星相对于地球高速运动，会导致严重的多普勒频移

5G地面系统要处理的频偏在一般场景下非常小，甚至在高铁等特殊场景下，只需要考虑几千赫兹的频偏补偿。

可是，对于LEO卫星系统，需要处理几十千赫兹甚至几兆赫兹的多普勒频移，以及几十微秒的定时漂移这些5G NTN系统的设计是一个巨大的挑战

3.超大小区半径一般地面蜂窝网小区几百米到几公里，超长覆盖一百多公里但是，NTN蜂窝的覆盖范围要大得多，LEO波束达到1000公里，GEO波束达到3500公里

所以卫星小区中心和边缘的时延差异会更明显，对系统的定时同步也会有一定的影响是5G同步通信系统，需要加强同步机制，避免用户之间的干扰

4.移动管理由于非地球同步轨道卫星相对于用户高速移动，这将导致频繁的小区切换和重选以及其他移动性问题

一方面，在移动性管理决策中，需要考虑小区的移动状态信息，以避免不必要的切换或重选，另一方面，可以进一步利用小区的移动状态信息提前进行小区或波束切换，从而减少信令交互开销。

这些技术挑战很艰难，但没关系只要有需求，只要有市场，在各路专家的不懈努力下，技术总会找到出路

对未来之路的期望

2022年，我们已经看到了行业坚实的脚步。

日前，紫光展锐宣布，联合北京澎湖物语，完成全球首颗基于R17 IoT—NTN标准的5G卫星物联网测量。

日前，爱立信，高通和法航泰雷兹公司共同完成了5G手机直连低轨卫星的研究，并将在低轨卫星网络上部署5G进行测试。

日前，诺基亚和AST SpaceMobile达成了一项为期五年的协议，建立一个4G和5G手机可以访问的天基移动宽带网络预计将采用透明有效载荷结构，诺基亚主要提供地面基站

日前，联发科宣布与Rhodes Schwartz公司合作，完成全球首个基于3GPP R17标准的卫星与手机直连测试实验室模拟的LEO卫星高度600公里，移动速度27000公里/小时

日前，中国移动，中兴通讯，交通通信信息集团等单位合作，共同发布了基于3GPP R17的全球首个运营商5G NTN技术的外场验证结果本次测试基于GEO卫星，ping 64字节延迟约4s，实现短消息和语音对讲业务

可以看出，这些计划和测试还处于比较初级的阶段，但已经真正验证了NTN技术架构是可行的，这是从0到1的突破。

回顾卫星通信的发展历史，一般认为可以分为三个阶段:

第一阶段，二十多年前，卫星通信和地面通信经过对抗和竞争，最终落败。

第二阶段是2000年到2014年的十年左右，卫星通信处于休眠状态，只是作为地面通信的补充和备份，在夹缝中生存。

第三阶段，2014年至今，以O3b的运营开始，以Starklink的崛起达到高潮基于低轨的宽带卫星互联网发展迅速，与地面通信融合加快

5GN是卫星通信和地面通信融合的产物，是一颗希望的种子。

预计在不久的将来，在荒芜的沙漠荒地，在波涛汹涌的大海，在遭受自然灾害蹂躏的破败家园，我们的每一部手机都将能够接收到卫星发出的完整信号。

—结束—

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