5G信號通過衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋？

人們最近正在大力建設(shè)近地軌道（LEO — low-earth orbit）衛(wèi)星作為5G基站，直接與5G手機通信。這個方案在技術(shù)上可行嗎？如果可行，企業(yè)和政府能否解決由此帶來的復雜的商業(yè)和監(jiān)管問題？

想象一下，5G手機現(xiàn)在已經(jīng)可以覆蓋全球所有區(qū)域。在城市、農(nóng)村、荒原、在飛機、海上……這一愿景其實包含在國際無線標準機構(gòu)3GPP最近發(fā)布的第16版中。這也是5G技術(shù)供應商和衛(wèi)星通信供應商之間加速研究和競爭的主題。

這是一個關(guān)于兩個世界融合的故事。一個是規(guī)模龐大、仍在發(fā)展的5G電信世界；另一個是精英化的、與世隔絕的衛(wèi)星通信世界。每個世界都有自己獨立而復雜的技術(shù)，也都有自己的商業(yè)模式和監(jiān)管環(huán)境。如果一切順利，標準的5G手機將與LEO衛(wèi)星上的5G基站直接交互，3GPP稱之為非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN — nonterrestrial networks）。

如果一切不順利，兩種世界的融合將會變成一場災難。

永遠連接

對于用戶來說，NTN的好處是顯而易見的，即永遠不會超出手機服務(wù)范圍，永遠不必支付漫游費，永遠不必購買衛(wèi)星電話套餐。你將永遠處于數(shù)百或數(shù)千顆LEO衛(wèi)星的庇護之下，每顆衛(wèi)星都充當著5G基站的飛行集群。對于工業(yè)或IoT用戶來說，也很有用處。例如，無論你的設(shè)備安裝或使用在地球上的任何地方，都不必擔心聯(lián)網(wǎng)問題。

對于服務(wù)商來說，他們可以進入服務(wù)不足的地區(qū)，如農(nóng)場、偏遠村莊或荒野，這些地方?jīng)]什么基站。服務(wù)商可以反擊那些采用飛機、氣球或私有LEO衛(wèi)星的新互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商。5G運營商還可以使用NTN作為因災難事件而中斷的地面服務(wù)的緊急替代方案。

他們甚至可以直接從衛(wèi)星向大片地區(qū)播放內(nèi)容。

運行原理

NTN基本的想法很簡單。你的手機會像現(xiàn)在一樣與5G基站交互。但部分或所有基站不是在附近的發(fā)射塔上，而是在LEO衛(wèi)星上。這并不是什么概念上的飛躍?，F(xiàn)在，如果你打開手機定位服務(wù)，手機就會不斷地從另一個LEO衛(wèi)星群接收數(shù)據(jù)（GPS或其他GNSS）。

不同的是，手機不會向GPS衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，它只接收數(shù)據(jù)。所以衛(wèi)星不需要探測你的手機。與固定的基站不同，衛(wèi)星上的基站會以每小時17000英里的速度快速移動，所以你會不斷地從一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到另一個衛(wèi)星。這里面就有一些問題值得研究了。

技術(shù)挑戰(zhàn)

第一個問題是，如果不把手機天線的尺寸做大是否可行。

最大的問題是，手機里的那塊非常迷你的5G NR（5G New Radio）能否將信號傳輸?shù)絃EO衛(wèi)星。畢竟，手機的5G NR在設(shè)計時就考慮到了能效，與埋在超薄外殼中的天線工作，并與5km外的基站連接，而不是500km外的衛(wèi)星。

因此，我們有理由懷疑天線尺寸的問題。

令人驚訝的是，在這一點上，答案似乎是肯定的，它可以通信。愛立信技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)Per Synnergren解釋說，理論上，目前的手機應該與衛(wèi)星基站兼容?！拔覀兿嘈牛覀儜撃軌騽?chuàng)造出與第一代3G系統(tǒng)相當?shù)臄?shù)據(jù)服務(wù)。也就是說，上行速率約為1mbps，下行速率為10-15mbps?，F(xiàn)在我們正在進行的測試將確切地告訴我們這是否可能。到目前為止，我們還沒有看到任何與此完全相反的情況?！?/p>

要獲得最好的連接可能需要對現(xiàn)有的手機天線設(shè)計進行一些調(diào)整，Synnergren補充道。電池的耗電量會比大多數(shù)地面5G連接略高。但值得注意的是，考慮到涉及的物理規(guī)模，這種連接似乎是可以實現(xiàn)的。

許多實際因素有助于這項工作的可行性。其中之一是，5G NR的設(shè)計已經(jīng)可以處理非常困難的條件，包括在大型、擁擠的地面基站中，信號強度差和多路徑。另一個假設(shè)是，NTN可以擁有自己的一段頻譜，不受地面5G網(wǎng)絡(luò)或外部信號源的干擾。

沒有太多的噪聲裕度，所以任何干擾都是一個問題。

第三個因素與衛(wèi)星天線技術(shù)有關(guān)。Synnergren解釋說：“開發(fā)的一個重要部分是衛(wèi)星天線。使用的基本技術(shù)并不新鮮，但應用是新的。在這種情況下，我們討論的是太空中真正大型的相控陣天線，它有數(shù)千個天線元件，每顆衛(wèi)星可以產(chǎn)生數(shù)百個波束。在我們的案例中，這種天線應該能夠在兩個不同的頻段工作。這種天線是衛(wèi)星行業(yè)的專長，我們看到一些不同的公司正在開發(fā)類似的解決方案。值得注意的是SpaceX與T-Mobile的合作。”

移動的問題

除了從衛(wèi)星接收信號外，還有其他挑戰(zhàn)。Synnergren提出的一系列關(guān)鍵問題與衛(wèi)星的運動有關(guān)。

首先，衛(wèi)星總是在天空中運動。因此，如果手機需要使用波束成形將其傳輸能量集中到衛(wèi)星上（這幾乎是肯定的），它需要知道相關(guān)衛(wèi)星在任何特定時間的大致位置。也就是說，手機需要一個星歷表，或衛(wèi)星軌跡圖，以便計算位置和路線。GPS接收器已經(jīng)在使用星歷表數(shù)據(jù)，但目的略有不同，所以這對手持設(shè)備來說沒有什么革命性意義。

其次是多普勒效應。在連接過程中，衛(wèi)星沿著軌道以約8km/s的速度狂奔尖叫。這一運動將導致手機和衛(wèi)星之間信號的頻率上下波動，就像消防車疾馳而過時警報器的音調(diào)變化一樣。但今天的5G NR被設(shè)計成鎖定一個頻率并保持在那里，而不是跟蹤移動的頻率。所以，這也許就需要進行一些重新設(shè)計。

最后一個與速度相關(guān)的問題是，手機在基站之間的切換速度。在地面網(wǎng)絡(luò)中，通常只有當你跨越區(qū)域邊界，或當某些障礙導致信號質(zhì)量嚴重下降時，你才會從一個基站轉(zhuǎn)移到另一個基站。由于手機發(fā)射塔之間可能相隔數(shù)公里，即使你在行駛中的車輛，也不會經(jīng)常發(fā)生信號交換。

但對于NTN，衛(wèi)星上那些巨大的天線陣列所定義的單元相對較小，而且它們不斷地掃過地球表面。一個固定的手機可能只在一個特定的單元里停留6-7秒。這意味著，手機、基站和核心網(wǎng)絡(luò)連接到新基站所必須相當頻繁，每隔幾秒鐘就必須完成一次（而且不能打斷你看的流媒體視頻）。

除了衛(wèi)星的運動之外，還有傳播延遲的問題。地面5G網(wǎng)絡(luò)的目標是在向基站發(fā)送信息和接收回復之間的往返延遲為1ms。兩端無線電控制部分的關(guān)鍵定時器的數(shù)量取決于這個數(shù)字。但是無線電波從地面?zhèn)鞑サ絃EO衛(wèi)星需要30-50毫秒。

這樣的延遲至少需要重寫一些控制固件，或許還需要對協(xié)議進行更深入的反思，而且它們可能會讓網(wǎng)絡(luò)游戲等服務(wù)完全無法啟動。對于5G為IoT設(shè)備提供的最小延遲服務(wù)來說，這個問題將最為嚴重。某些類型的控制系統(tǒng)可能根本無法容忍這些長時間的延遲，可能必須重新設(shè)計，使用更多的本地處理。

這是真的嗎？能否在對目前5G手機設(shè)計無需進行大修改的情況下，解決這些問題？

愛立信的Synnergren謹慎地表示，目前正在進行的測試正是為了回答這個問題。但他說，到目前為止，無論是建模還是測試都沒有發(fā)現(xiàn)任何令人頭疼的問題。

商業(yè)與監(jiān)管

如果說技術(shù)挑戰(zhàn)看起來是可控的，那么商業(yè)和監(jiān)管問題就不那么清晰了。商業(yè)模式就是一個典型例子。真的有足夠多的人希望全球5G覆蓋形成一個龐大的用戶池嗎？除了少數(shù)環(huán)球旅行的高收入人群、軍事人員和富有的冒險家，它的定價能吸引普通用戶嗎？

那些真正需要這項服務(wù)卻得不到良好服務(wù)的人負擔得起嗎？衛(wèi)星的發(fā)射和維護費用都需要用戶來分攤，而且目前還不清楚這些衛(wèi)星在5G訂閱之外是否會有任何額外的收入來源。

此外，有能力支付優(yōu)質(zhì)服務(wù)的潛在用戶會滿足于早期的3G服務(wù)水平嗎？我們這里說的可不是高清電影或聯(lián)網(wǎng)游戲，而是基本的數(shù)據(jù)服務(wù)。這是另一個尚未確定的問題，這個問題可能需要大量的市場調(diào)查，就像技術(shù)問題需要大量的工程研究一樣。

然后是法律。從監(jiān)管層面來說，究竟誰有權(quán)管理某個特定的基站？某個國際管理機構(gòu)嗎？服務(wù)商或衛(wèi)星供應商的備案所在地？該基站目前正在哪個國家移動？這個問題包含了很多問題，而且都很重要。

今天，每個國家都可以控制自己的頻譜分配。因此，當基站產(chǎn)生的區(qū)域跨越國界時，就必須切換頻率。在國家之間不規(guī)則的邊界上進行干凈的切換可能相當困難，這導致衛(wèi)星在該國家未經(jīng)授權(quán)使用的頻段內(nèi)進行一些傳輸。有些國家可能不愿意或無法提供衛(wèi)星服務(wù)所需的清晰頻譜，無法從噪音中提取那些微小的手機信號。

除了物理上的考慮，許多國家正在對其邊界內(nèi)的數(shù)據(jù)通信進行越來越多的控制（特別是像互聯(lián)網(wǎng)接入、VPN的使用和數(shù)據(jù)隱私）。當標準5G手機和另一個國家控制的衛(wèi)星直接連接時，一個國家將如何監(jiān)管互聯(lián)網(wǎng)接入？

為此，一些國家以國家安全為由，禁止某些供應商在本國境內(nèi)供應設(shè)備。這會如何影響衛(wèi)星服務(wù)？數(shù)據(jù)隱私又會如何呢？如果一個用戶將個人數(shù)據(jù)從手機發(fā)送到另一個國家的云數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)將至少短暫地駐留在一個超出本國管轄范圍的衛(wèi)星上。

NTN提出了一個誘人的想法，即擴大5G服務(wù)的覆蓋范圍，并讓地面通信服務(wù)商分一杯羹。愛立信等技術(shù)開發(fā)商、通信和衛(wèi)星設(shè)備制造商以及T-Mobile和SpaceX等服務(wù)商正在進行的研究，應該很快就能讓我們了解技術(shù)可行性和相應的成本。

但這可能只是打開了一個潘多拉盒子，里面有非常復雜的商業(yè)和監(jiān)管問題，可能需要更長的時間來解決，同時也會增加對NTN任何重大投資的風險。在這個機會中，成為先行者和承擔無法量化的風險之間的平衡是非常微妙的。

5G NTN的前景是誘人的。盡管技術(shù)上的挑戰(zhàn)非常大，似乎是可控的。但商業(yè)模式、監(jiān)管和安全方面的問題可能會非常棘手。

審核編輯 ：李倩