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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

作者:來源網(wǎng)絡(luò)(侵權(quán)刪)
日期:2023-12-06 17:03:29
摘要: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
關(guān)鍵詞:5G

我們大多數(shù)人在考慮廣泛普及技術(shù)時(shí),都會(huì)有明顯的城市偏見。宣傳5G技術(shù)發(fā)展程度時(shí),在西方城市會(huì)宣傳新興應(yīng)用,而在發(fā)展中國(guó)家則會(huì)宣傳進(jìn)階普及應(yīng)用(即使是在城市地區(qū))。除此以外,大多數(shù)宣傳都有點(diǎn)模糊。地面物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是顯而易見的,比如測(cè)量土壤濕度和溫度時(shí),但這些應(yīng)用如何與數(shù)據(jù)中心通信就不那么清楚了。


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。


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衛(wèi)星選項(xiàng)


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。


市場(chǎng)機(jī)會(huì)


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。


技術(shù)挑戰(zhàn)


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。


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網(wǎng)絡(luò)實(shí)施


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。


硬件和軟件開發(fā)需求


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。

  • 在基站中,支持宏DU、虛擬DU以及小基站功能。

  • 在無線電中,支持Open RAN低PHY、大規(guī)模多輸入多輸出和波束成形。


?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)。

  • 此嵌入式IP還應(yīng)提供支持高端使用案例(如V2X汽車應(yīng)用)以及低利潤(rùn)、超低功耗使用案例(如農(nóng)業(yè)監(jiān)控設(shè)備)的配置。


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。


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