低轨卫星在无线通信行业的应用

在本系列文章的第1篇《现代低轨卫星技术如何改写太空竞赛格局》中，我们探讨了卫星通信市场的诸多方面，并初步讨论了其对5G新空口（NR）蜂窝网络和物联网（IoT）网络的影响。在本文中，我们将更深入地探索卫星网状网络与非地面网络（NTN）的融合，以及它们如何改变未来的通信格局。

NTN卫星作为中继站，扩展了地面网络的无线覆盖范围和容量。这些网络为紧急情况、灾难及物联网网络设备等其它服务提供通信手段。此外，一些公司正推出协议，将卫星通信功能集成到最新的高端智能手机中。借助低地球轨道（LEO）卫星网络，可实现全球双向紧急信息传递、面向偏远地区的低成本互联网服务、远程文本通信，以及其它基于手机的通信功能。

此外，3GPP第17版标准增加了新的5G卫星网络应用，涵盖地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）和LEO卫星技术。5G NTN NR卫星网络包括两个通信链路——一个在卫星与用户之间，另一个在卫星与连接至地球数据网络的地面站间。它将提供NTN-IoT及5G NR通信服务，将智能手机和其它支持5G的设备连接到NTN服务网络。

5G NR NTN与卫星技术的进步   

如图1所示，位于地球上空35,000公里的GEO卫星延迟为280毫秒（ms），而运行在500至1,200公里高度的LEO卫星则可将延迟降低至仅6至30毫秒。因此，从用户设备（UE）到LEO卫星的最大单向传播延迟远低于MEO和GEO。

图1，3GPP TS 22.261标准下，从UE到卫星的最大单向传播延迟对比

融合卫星技术的5G NR NTN架构有望实现全球蜂窝无线连接。3GPP第17版标准侧重于增强全球5G-NTN和IoT-NTN服务，并引入低延迟的直通蜂窝服务，将sub-6GHz频段的速度提升至数十Mbps。

此外，第18版标准旨在通过使用10GHz以上的频率——特别是Ka和Ku频段，来改善覆盖范围及移动性。由此，将使速度达到数百Mbps，有利于部署较小尺寸的有源电子扫描阵列（AESA）天线；如SpaceX的Starlink所使用的天线。这些技术进步提升了速度，可支持灾后恢复工作，还将覆盖范围扩展至传统网络无法触及的偏远地区。

如表1所示，3GPP标准下的5G NTN演进包括频谱的扩展，以涵盖L、S、K和Ka频段，从而增强上行链路覆盖，并支持移动服务。第18版标准还特别针对新引入的三个10GHz以上NTN频段（n510、n511和n512），以进一步完善5G NTN设计，实现更佳的性能和更广泛的接入。

表1，SATCOM NTN频率频段

NTN网络的另一个关键目标是提高有限无线电频谱资源的效率。该频谱经常处于拥塞状态；最近的技术研究正在寻找更好的方法来管理这种拥塞；例如在空间网络中采用时分双工（TDD）模式，改变了为发送和接收信号分配不同路径的传统方法。如表2所示，使用TDD频段有助于移动运营商在繁忙的sub-6GHz频谱上腾出更多空间。这些改进正在推动卫星技术向前发展，使其更为智能，更加符合地面网络的要求。

表2，TDD NTN频段

单向与双向卫星通信的对比   

卫星通信分为单向和双向系统。单向通信涉及从卫星到地面的信号传输，应用于GPS、卫星电视和广播等服务。相比之下，双向通信能够实现卫星与地面站之间的交互式信号交换，支持互联网服务和电话通话。图2展示了涉及地球站和卫星单、双向通信间的差异。

如图所示，单向通信（左图）——如直播卫星（DBS）服务等，传统上依赖GEO卫星。GEO卫星与地球自转同步，仅环绕地球赤道运行。从地面视角看，GEO卫星在天空中处于固定位置。GEO卫星是地球同步轨道（GSO）卫星的一种，两者都用于电信及地球观测。

非地球静止轨道（NGSO）是指卫星相对于地球表面的非静止轨道类型。NGSO卫星的轨道高度低于GEO卫星，且完成一圈轨道所需时间更短。NGSO卫星在天空中不断移动，能够为移动卫星服务提供更好的覆盖，并改善全球连接。NGSO轨道有多种类型，包括LEO、MEO和高椭圆轨道（HEO），其中LEO距离地球最近。

图2，单向和双向卫星通信应用场景示例

双向LEO卫星架构进一步提升了整体卫星通信能力。此类双向卫星通信超越了过去的单向“弯管”式设置，融入了诸如AESA天线等技术。“弯管”架构的运作方式类似于中继器，而双向架构则超越了这种单向通信方式。这些先进的系统对于增强地面与卫星间的通信至关重要。

NTN的透明与再生架构   

新一代地面站系统基础设施正朝着灵活且互联的方向发展，配备了更小的平板用户终端，类似于蜂窝网络。为了将卫星接入网络融入5G，3GPP TR38.821引入了两种基于卫星的下一代无线接入网（NG-RAN）架构：透明架构和再生架构。

如图3（左）所示，在透明有效载荷架构中，3GPP 5G NR基站（gNB）位于地球上，而卫星则扮演“弯管”中继器的角色。在透明有效载荷通信中，RF滤波、变频和放大等操作均在卫星上进行。

在图3（右）所示的再生有效载荷架构中，全部或部分gNB功能在卫星上实现。因此，在再生有效载荷通信中，RF滤波、变频和放大、解调、编码/解码、切换或路由，以及调制等操作均在卫星上完成。这就如同在卫星上搭载了全部或部分gNB传统地面蜂窝基站的功能。此类用于LEO卫星的再生系统架构相较于传统“弯管”转发器具有诸多优势；且由于当前的LEO星座拥有自己专有的波形和机载处理系统，其已成为未来架构的方向。

图3，卫星有效载荷透明网络和再生网络

AESA和波束成形技术的引入   

传统抛物面（碟形）天线的局限性已使其难以满足当前的需求，由此推动了向AESA或相控阵天线等电子扫描天线的过渡。AESA天线可以电子方式改变信号方向，而无需物理移动，这在灵活性上大大优于机械扫描天线。此外，AESA可以利用波束成形技术创建和发送信号，实现快速且准确的波束方向调整。这使得与任何轨道上的卫星建立连接成为可能，并能在卫星间实现快速切换。

，用户CPE终端是用户与卫星间的直接连接。这些设备成本低廉、易于设置，可固定或移动（如移动卫星通信、海事应用等）。其利用AESA天线将各种技术集成到更紧凑、更轻巧的设计中。这包括用于灵活跟踪和导向的波束成形技术，同时采用商用现成品（COTS）组件；此外，它们还支持更快的数据传输方式。

结语   

本文重点探讨了卫星网络与5G NR NTN的集成，特别强调了LEO卫星的应用。这种部署扩大了地面5G网络覆盖范围，并支持从应急通信到物联网应用等的各类服务。同时，我们着重介绍了3GPP第17版中的最新进展，特别是将卫星连接扩展到智能手机，从而获得全球范围的信息传递与宽带增强功能。我们还探索了从传统“弯管”模型向先进双向通信系统的转变，其中采用了商用技术以提高效率。借助AESA和波束成形技术，数据传输速度及可用频率利用效率均得到显著提升。这一进步正在推动全球通信向前发展，使互联网连接更快、覆盖范围更广，并为偏远地区提供更可靠的服务。

在本系列的第三部分，我们将更深入地探讨AESA波束成形技术，以及它如何改变并推动空间卫星网络进入蜂窝市场领域。