基于5G的LEO衛(wèi)星將真正促進(jìn)全球物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

只有需求足夠多，能收回基站成本的地方（一般是附近的城鎮(zhèn)）才會(huì)建立存在可視路徑的5G基站。即便如此，也只能在相對(duì)空曠的區(qū)域部署基站；森林或山區(qū)、海洋或沙漠都不適合部署。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和固定無線接入可以將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的覆蓋范圍稍稍擴(kuò)大到基站周圍，但仍然會(huì)受到同樣的限制。相比之下，Starlink之類的近地軌道(LEO)衛(wèi)星選項(xiàng)在任何部署位置都能看到，但受專有協(xié)議和硬件鏈接支持限制。有鑒于此，越來越多的人希望依靠基于標(biāo)準(zhǔn)的5G LEO衛(wèi)星蜂窩技術(shù)真正打開這一市場(chǎng)就不足為奇了。

通過衛(wèi)星支持電話通信并不是一個(gè)新想法。20世紀(jì)90年代，摩托羅拉公司推出了銥星系統(tǒng)。可能由于衛(wèi)星設(shè)計(jì)跟不上覆蓋范圍要求，第一代銥星系統(tǒng)并不成功；新興的蜂窩解決方案則更有效且重量更輕。我在這里要客觀指出一點(diǎn)，更新版本的銥星系統(tǒng)如今仍在有效使用?，F(xiàn)在，蜂窩無處不在，準(zhǔn)確的說，至少在可覆蓋的范圍內(nèi)可用，許多人認(rèn)為是時(shí)候重新審視衛(wèi)星選項(xiàng)了。

衛(wèi)星是支持蜂窩技術(shù)的核心，因此應(yīng)該成為我們的出發(fā)點(diǎn)。現(xiàn)有軌道選項(xiàng)有三種：地球靜止軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)及近地軌道(LEO)。GEO軌道距離地球約35,000千米，優(yōu)勢(shì)在于天空中任何特定衛(wèi)星到地球的距離都是相同的。這種軌道適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)電視和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的高帶寬家庭通信。在這種情況下，只需將天線與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)一次，無需跟蹤支持。HughesNet是提供這一選項(xiàng)的服務(wù)商之一。

MEO衛(wèi)星軌道距離地球2,000千米到35,000千米，主要用于GPS和GNSS等定位系統(tǒng)，也在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供中等帶寬支持。LEO衛(wèi)星軌道距離地球160千米到2000千米，是5G（以及更遠(yuǎn)）通信的熱門選擇。不過，MEO 和LEO衛(wèi)星相對(duì)用戶來說是移動(dòng)的，需要更多支持來維持鏈接。

GEO衛(wèi)星規(guī)模大、成本高、耗電多（就遠(yuǎn)距離通信而言），且發(fā)射成本高。MEO和LEO衛(wèi)星則相對(duì)更小、更便宜、耗電更少、發(fā)射成本更低，特別是小型衛(wèi)星 (SmallSats)出現(xiàn)以后，更是如此。此外，MEO和LEO衛(wèi)星在高緯度地區(qū)的覆蓋能力更強(qiáng)。每種衛(wèi)星都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，進(jìn)而也表明，混合使用多種選擇可能是衛(wèi)星通信的理想選擇。

盡管這一市場(chǎng)還處于早期階段，但得到了一些大公司的支持。Starlink的出現(xiàn)令相關(guān)技術(shù)開始嶄露頭角，亞馬遜有自己的Kuiper項(xiàng)目，T-Mobile正在與Starlink和OneWeb合作，還有傳言稱谷歌將與Verizon合作。市場(chǎng)預(yù)測(cè)也非常鼓舞人心，到2030年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到290億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)29%。這是有意義的。否則，我們?nèi)绾握嬲⑷蛲ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施，而不僅僅是“只有你在城市/城市附近，而不是山里、森林里、遠(yuǎn)離港口的海上等時(shí)才能覆蓋”？

在我們這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)更高的現(xiàn)代世界，我們已不再能接受野火、颶風(fēng)、洪水及農(nóng)作物歉收帶來的風(fēng)險(xiǎn)；廣泛部署基于5G衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將有助于緩解這些風(fēng)險(xiǎn)。個(gè)人應(yīng)急通信或緊急服務(wù)之類的關(guān)鍵服務(wù)在斷電時(shí)也應(yīng)繼續(xù)工作。這一點(diǎn)可在到天線/饋電站的用戶設(shè)備(UE)應(yīng)急通信能夠直接連接到衛(wèi)星時(shí)成為可能。

當(dāng)然，我們希望通過各方競(jìng)爭(zhēng)來降低價(jià)格，提高可及性、質(zhì)量和功能。如果我們僅限使用Starlink或類似的專有服務(wù)，那上述就不可能實(shí)現(xiàn)。因此，我們需要一個(gè)經(jīng)3GPP批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，令所有基礎(chǔ)設(shè)施和UE都能根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)很好地發(fā)揮作用。

LEO衛(wèi)星為商業(yè)和整個(gè)社會(huì)帶來了巨大的新通信機(jī)遇。同時(shí)，這些衛(wèi)星系統(tǒng)也帶來了新的挑戰(zhàn)。

一個(gè)挑戰(zhàn)是延遲。地球靜止衛(wèi)星的延遲為600毫秒，而電纜信號(hào)的延遲僅為30毫秒。這個(gè)時(shí)間看似很長(zhǎng)，但并不只是簡(jiǎn)單的往返時(shí)間。還需要進(jìn)行很多其他處理。LEO衛(wèi)星的延遲時(shí)間在180毫秒左右，比地球靜止衛(wèi)星要短一些，但仍比地面通信衛(wèi)星要長(zhǎng)一些。對(duì)于超低延遲應(yīng)用來說，延遲時(shí)間這樣長(zhǎng)的衛(wèi)星目前并不適合；但對(duì)許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，這樣的延遲時(shí)間可能不成問題。

盡管LEO衛(wèi)星改善了延遲現(xiàn)象，但它在任一時(shí)刻的覆蓋區(qū)域均較??；而且即使地面UE設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，此衛(wèi)星也是每天多軌道移動(dòng)，需要頻繁切換各衛(wèi)星之間的通信。這種切換會(huì)導(dǎo)致部分通信延遲時(shí)間增加。鏈路控制人員可能會(huì)選擇切換到另一顆LEO衛(wèi)星或附近的MEO衛(wèi)星，以便在下一次切換之前工作時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)然，這一領(lǐng)域的算法仍在不斷發(fā)展。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是多普勒效應(yīng)。LEO和MEO衛(wèi)星要想留在軌道上，就必須迅速移動(dòng)；MEO衛(wèi)星必須以每秒3.1公里或更快的速度移動(dòng)，LEO衛(wèi)星則須以每秒7.8公里的速度移動(dòng)。這些速度下的多普勒頻移效應(yīng)可能非常嚴(yán)重，尤其是對(duì)LEO衛(wèi)星而言，并可能會(huì)大大降低鏈路的可靠性。只有在地面終端靜止或至少有可預(yù)測(cè)的移動(dòng)時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星的已知星歷表進(jìn)行校正才有效，但通常情況并非如此。針對(duì)這種情況，現(xiàn)已提出可減輕多普勒效應(yīng)的替代調(diào)制方案，如OTFS（正交時(shí)頻空間），而不是更傳統(tǒng)的OFDM（正交頻分復(fù)用）。還有一些方法提出將深度學(xué)習(xí)作為一種減輕方法（我們猜測(cè)是在連接到天線而不是可移動(dòng)的UE時(shí)運(yùn)用）。這也算是一個(gè)算法快速發(fā)展的領(lǐng)域。

我們首先來看看5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。目前針對(duì)不同的用例提出了不同的架構(gòu)。一種架構(gòu)是在服務(wù)鏈路中直接連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與5G LEO衛(wèi)星，而衛(wèi)星則通過衛(wèi)星天線提供的饋電鏈路與核心（地面）網(wǎng)絡(luò)連接。另一種架構(gòu)的饋電鏈路有相同的設(shè)置，衛(wèi)星的服務(wù)鏈路也通過天線連接，天線又連接到邊緣網(wǎng)絡(luò)，例如5G固定無線接入的邊緣網(wǎng)絡(luò)。

3GPP的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在進(jìn)行中，不過他們已經(jīng)提出了使用天線時(shí)，下行鏈路達(dá)到幾十到幾百M(fèi)bps帶寬，往返延遲達(dá)幾十毫秒的可能性，當(dāng)然以上種種均受多種因素影響。

顯然，要實(shí)現(xiàn)切換管理、緩解多普勒效應(yīng)以及針對(duì)不同服務(wù)等級(jí)最大程度的降低延遲的方法，就需要新的硬件和軟件。支持直接衛(wèi)星鏈路的UE需要改進(jìn)，必須提供服務(wù)和饋電鏈路硬件，衛(wèi)星本身必須支持協(xié)議，所有這些都將隨著協(xié)議的發(fā)展而發(fā)展。

隨著Open RAN的發(fā)展，現(xiàn)有的CPU、FPGA和DSP正在加速被淘汰?；A(chǔ)設(shè)施和用戶設(shè)備制造商希望最大程度地提高差異化優(yōu)勢(shì)，降低資本和運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)而言，這一趨勢(shì)將進(jìn)一步得到鞏固。

現(xiàn)有產(chǎn)品成本過高、能耗過高、差異化選擇有限，對(duì)原始設(shè)備制造商沒有吸引力。在這一領(lǐng)域，原始設(shè)備制造商更愿意轉(zhuǎn)為采用含軟件定義的無線電架構(gòu)的ASIC解決方案。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)前面討論的面向未來的算法升級(jí)預(yù)測(cè)，以及支持現(xiàn)有和未來的各種服務(wù)機(jī)會(huì)以進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)品差異化優(yōu)勢(shì)而言至關(guān)重要。

從我的角度來看，這些要求表明任何富有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案都必須具備以下特點(diǎn)，在作為可嵌入的IP時(shí)，具有強(qiáng)大的硬件加速選項(xiàng)和重要的軟件可配置性：

?對(duì)于Open RAN的實(shí)施，提供全方位Open RAN支持。

?對(duì)于UE來說，基帶平臺(tái)含調(diào)制解調(diào)器，支持全系列 5G eMBB、URLLC、Sidelink及RedCap使用案例，適用于毫米波和6 GHz以下頻率，以及傳統(tǒng)的LTE和 Cat 1技術(shù)。

除了這些使用案例外，隨著3GPP定義逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，解決方案還必須具備顯著的軟件靈活性，以便能夠發(fā)展軟件定義的無線電算法。