大容量、低延遲LEO衛(wèi)星的用戶和地面終端中的RFIC進展

本文介紹了推動近地軌道(LEO)衛(wèi)星部署的主要市場趨勢。本文將討論LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的基本運行情況，并展示半導體RFIC技術取得的一些進展，這些進展推動實現下一代Ku和Ka頻段LEO用戶終端和地面終端。

LEO連接——通向成功之路

衛(wèi)星通信(satcom)是一種成熟的語音、視頻和數據傳輸方式，在所有主要軌道（包括地球同步赤道軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)和LEO）上廣泛使用。衛(wèi)星通信被認為是傳輸GPS導航信號、天氣信息、電視廣播、語音、數據的有效手段，同時也用于成像和科學應用。承諾提供高速互聯網連接的新一波計劃已經圍繞LEO衛(wèi)星星座展開，它將為下一代互聯網通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。

在持續(xù)部署5G蜂窩網絡方面，LEO衛(wèi)星發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星網絡越來越多地參與到3GPP標準化中，其在未來網絡中的預期作用早就在研發(fā)當中。2017年，3GPP標準機構啟動相關活動，以了解衛(wèi)星通信網絡在5G連接中的可行性。通過3GPP標準第15、16、17和18版的發(fā)布，已有多種活動來支持衛(wèi)星網絡的集成。LEO衛(wèi)星可以為服務欠缺的地區(qū)提供大范圍覆蓋，可以為移動中的人們提供連續(xù)服務，可以連接到機器到機器(M2M)/物聯網(IoT)設備，而且是一條值得關注的具有成本效益的5G升級途徑。

下一代LEO系統(tǒng)將在距離地球表面500公里到2000公里的軌道上運行，實現比過去的衛(wèi)星網絡更具技術優(yōu)勢的解決方案。如此接近地球意味著它們將能提供更低延遲的連接，這對于消費類或商業(yè)使用場景（如互聯網游戲或實時控制工業(yè)/醫(yī)療設備）非常重要。LEO衛(wèi)星的延遲約為50 ms（下一代技術會將此延遲改善到20 ms以下），而GEO則為700 ms。

LEO衛(wèi)星的一個關鍵推動因素是，由于軌道較低，其輻射暴露量要低得多。這很重要，因為這意味著可以放寬昂貴且有時令人望而卻步的抗輻射測試要求。由此將產生規(guī)模經濟性，現在建造LEO衛(wèi)星的成本已大大降低。更少的輻射意味著有更廣泛的半導體工藝和更多的元器件可供使用。

鑒于軌道較低，預計部署的衛(wèi)星數量會多很多。此類衛(wèi)星的平均壽命將比以前的類似衛(wèi)星短得多。也許經過5到8年，這些衛(wèi)星就會脫離軌道并需要替換。LEO衛(wèi)星必須具有成本效益才能支撐衛(wèi)星和替代衛(wèi)星的發(fā)射。

隨著LEO寬帶連接業(yè)務開始變得強大，所有這些趨勢引起了行業(yè)監(jiān)管機構的注意。回憶1990年代，這種互聯網業(yè)務是多家公司的目標，但遺憾的是，由于部署成本高且需求有限，它以失敗告終?？爝M到今天，我們看到半導體技術有了長足進步，能夠提供不同以往的性能和集成度。再加上相對偏遠或服務欠缺的地方對高速、低延遲互聯網連接的需求急劇增長，以及衛(wèi)星通信與5G標準的整合，使得未來的LEO星座處在一個好得多的基礎之上，取得成功的可能性更大。

在撰寫本文時，預計用戶可以實現100 Mbps的最大下行數據速度，未來可能會提高到150 Mbps，從而很好地滿足多用戶全時視頻流傳輸需求。

LEO面臨的一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星始終在不斷移動，星座只有完全部署好才能提供最低可行的服務。這意味著初始支出會很高，因為LEO衛(wèi)星的軌道較低，因而數量巨大。但即便如此，這似乎也并未阻擋其現在的成功，而且投資者對無處不在的覆蓋的商業(yè)前景十分看好。

LEO衛(wèi)星系統(tǒng)如何工作？

LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成，如圖1所示。

圖1.LEO衛(wèi)星通信的地空場景示例

用戶終端/用戶設備(UE)

這些終端是用戶和衛(wèi)星之間的直接聯系手段，往往成本低、易于設置且位于家中，但也可以是移動終端，如海事衛(wèi)星通信、移動中的衛(wèi)星通信、戰(zhàn)術單人無線電等。用戶終端利用高水平的IC集成來簡化物料清單(BOM)，降低成本，并保持較小的外形尺寸。

地面站/網關

這些是連接到服務器（用于互聯網連接的數據中心）的地面連接，通常通過光纖連接。它們將衛(wèi)星連接到地面，部署于地球上的固定位置。

衛(wèi)星

衛(wèi)星群被稱為星座，在軌道上繞著地球運轉，提供同時連接終端和網關的鏈路。

LEO衛(wèi)星在太空中移動，通常一顆衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈的時間在90分鐘到110分鐘之間，這稱為軌道周期。因此，連接到衛(wèi)星的用戶處于該衛(wèi)星的范圍內的時間很短（最多20分鐘）。普通用戶在正常運行期間會連接到多顆衛(wèi)星。經過一定時間后，系統(tǒng)必須將用戶移交給進入范圍內的其他衛(wèi)星，此方式類似于在行駛的汽車中使用手機的人，蜂窩網絡中的一個基站將用戶移交給另一個基站。這對如何控制波束以保持與最合適衛(wèi)星的最佳鏈接提出了嚴格要求。

另一個有趣的演變是衛(wèi)星系統(tǒng)在超出地面站的范圍時如何維持運行。圖1展示了一些可能影響通向地面站的鏈路速度的不利天氣狀況。傳統(tǒng)上，衛(wèi)星使用彎管技術，也就是衛(wèi)星必須始終找到一條通往地球或其他物體（如飛機）的鏈路，將其作為跳板來連接太空中的另一顆衛(wèi)星，后者當時可能處在地面站的范圍內。一項新技術是通過衛(wèi)星間鏈路，在太空中使用光學或V/E頻段連接來鏈接衛(wèi)星。

用戶終端上/下變頻器的進展

用戶終端對IC集成度提出了很高要求，ADI公司利用硅工藝技術的性能和集成能力來響應這一需求。這些解決方案需要非常高的IC集成度，以實現尺寸非常小的無線電終端，同時保持非常低的功耗，并嚴格遵守優(yōu)化的無線電成本要求。

上/下變頻器(UDC)是用戶終端中的基礎產品，它們將調制解調器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。

RFIC UDC的頻率覆蓋目標是：

Ku頻段：~10.7 GHz至~14.5 GHz

下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：10.7 GHz至12.7 GHz

上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：14 GHz至14.5 GHz

Ka頻段：~18 GHz至~31 GHz

下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：17.7 GHz至21 GHz

上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：27 GHz至31 GHz

下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開的，故從衛(wèi)星到用戶終端的通信使用兩個單獨的頻段。因此，RFIC公司必須針對不同頻段設計每個用戶終端的上下變頻器。

用戶終端鏈路通常覆蓋125 MHz至250 MHz的通道帶寬(BW)，網關覆蓋250 MHz至500 MHz的帶寬，具體帶寬取決于是上行鏈路還是下行鏈路。不過，一些部署具有在用戶和網關鏈路之間共享帶寬的能力，因此通道帶寬可以在其工作的頻率中重新配置。

LEO衛(wèi)星在不斷移動，如圖1所示。因此，終端內上/下變頻器的頻率合成器必須實現快速鎖定以提供不間斷連接。頻率合成器用于輔助上變頻和下變頻。它們在賦能終端在運行期間連接和重新連接不同衛(wèi)星方面發(fā)揮著至關重要的作用，因為從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星，空中頻率在工作頻段（即Ka和Ku頻段）內不斷變化。

ADI公司開發(fā)了一系列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量、面積、功耗和成本(SWaP-C)問題。這些UDC包含眾多RF和IF信號調理功能，例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC的設計都考慮到了用戶終端的信號鏈性能。 ADMV4630/ADMV4640 是Ku頻段UDC，支持衛(wèi)星調制解調器的IF接口，如圖2和圖3所示，表中顯示了IC性能的亮點。

圖2.高度集成的Ku頻段上變頻器，IF接口直接來自衛(wèi)星通信調制解調器

圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，IF接口直接通向衛(wèi)星通信調制解調器

針對更高頻率的Ka頻段，ADI公司開發(fā)了 ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），它們支持需要I/Q基帶接口的衛(wèi)星通信調制解調器。請注意，ADMV4530上變頻器是雙模器件，它還能支持IF接口。這些解決方案采用硅工藝設計，集成度非常高，可應對大批量終端應用中常見的集成壓力。

圖4.高度集成的Ka頻段上變頻器，I/Q和IF接口直接來自衛(wèi)星通信調制解調器

圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，I/Q接口直接通向衛(wèi)星通信調制解調器

更高性能的終端UDC

終端市場中的一些應用是由性能驅動的，對尺寸和最低成本設計目標的限制較少。這些應用可以選用分立RFIC解決方案。由于元器件位于不同封裝中，因此可以混合使用多種工藝技術——包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來優(yōu)化設計要求。分立設計允許對性能與尺寸進行多方面權衡，設計過程的靈活性非常大。設計人員可以創(chuàng)建更高性能、提供更高輸出功率并支持更寬帶寬的無線電。此外，設計人員可以提高接收器靈敏度以改善動態(tài)范圍和雜散性能。應當注意的是，地面站/網關也屬于此類解決方案。網關的尺寸更大，其集成度要求當然不能與終端同日而語。網關利用不同的工藝技術來為市場提供性能優(yōu)化的解決方案。ADI公司將繼續(xù)擴大分立解決方案產品系列以應對這種使用場景。圖6展示了一種分立式高性能解決方案。

圖6.分立式HMC798A Ka頻段用戶終端的功能框圖

使用電子可控天線降低用戶終端成本

傳統(tǒng)上需要專業(yè)承包商來安裝設備和定位衛(wèi)星位置，與此相關的安裝成本很昂貴，故多家公司致力于消除這種安裝成本以降低用戶終端的部署成本。為實現這一目標，須將天線與處理通信鏈路所需的所有電子設備（如移相元件、RFIC UDC）結合在一個室外單元(ODU)中。ODU是位于室外并瞄準天空的天線陣列。室內單元(IDU)連接到ODU，用作傳統(tǒng)路由器（有線或無線），為用戶（如PC或電話）提供互聯網連接。

如前所述，LEO星座會有許多衛(wèi)星進出地面終端的視野，而電子可控天線(ESA)可以通過電子方式控制衛(wèi)星方向上的發(fā)射和接收能量束，從而實現高指向性，故使用ESA的效率要高得多。因此，當衛(wèi)星進出用戶終端的視野時，從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的切換幾乎瞬時完成，最佳鏈路得以保持。事實上，考慮到軌道周期和正常運行過程中需要連接的衛(wèi)星數量，那么ESA幾乎是一項必不可少的要求。

為了應對這一挑戰(zhàn)，ADI公司開發(fā)了Ku頻段波束成形集成電路(BFIC)技術。ADMV4680是一款針對用戶終端設計的硅解決方案，允許通過半雙工通道獨立控制信號的增益和相位。令人驚異的是，該IC的尺寸只有8.2 mm2，如圖7所示。

為了開發(fā)BFIC技術以使整體無線電成本最小化，最重要的是系統(tǒng)和陣列專業(yè)知識。機械組裝和PCB設計（包括堆疊和層數）是無線電成本驅動因素的一部分。在開發(fā)BFIC的時候顧及到機械和PCB設計，就能盡量降低整體無線電成本。ADI公司與客戶密切合作，并有內部PCB專家來幫助解決這個問題。事實上，IC設計和最終配置是系統(tǒng)權衡研究的一部分。

圖7.高度集成的半雙工Ku頻段4通道波束成形IC

采用ESA來跟蹤LEO衛(wèi)星并優(yōu)化鏈路速度，可以實現低成本設置，這些設備通常是即插即用的。ESA和向集成度更高的ODU的遷移，從根本上簡化了系統(tǒng)的部署并降低了成本。ESA還有利于實現更扁平的面板和賞心悅目的設計。

值得注意的是，最高性能的終端應用會使用雙拋物面操縱的天線。在這種情況下，成本和美觀不是主要驅動因素，整體性能才是重點。對于消費類和注重成本的小型企業(yè)解決方案，ESA是實現低無線電成本并且達成系統(tǒng)設計目標的有效方式。

結語

LEO互聯網連接是一個令人激動的新領域，如今大多數政府和互聯網提供商都在思考這場太空競賽。隨著世界的互聯程度不斷提高，LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區(qū)的連接能力，從而在5G中發(fā)揮重要作用。用戶終端的RFIC集成要求變得越來越有挑戰(zhàn)性，ADI公司將繼續(xù)在這一領域開發(fā)解決方案并按規(guī)劃推出IC新產品。

審核編輯：郭婷