非地面網(wǎng)絡(luò)對當(dāng)前和未來全球連接的影響

本文探討了非地面網(wǎng)絡(luò)（NTNs）的現(xiàn)狀及其可能的發(fā)展方向，重點(diǎn)關(guān)注早期采用這種新技術(shù)的實(shí)用考慮因素。非地面網(wǎng)絡(luò)（NTNs）是全球電信領(lǐng)域的一項(xiàng)令人興奮的發(fā)展，有潛力改變?nèi)蜻B接并彌合數(shù)字鴻溝。在本文中，我們將討論物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)人員如何開始利用其功能以實(shí)現(xiàn)無縫全球覆蓋。

什么是NTNs？

非地面網(wǎng)絡(luò)（NTNs）是一種利用地球表面以上的高空平臺（HAPS）或衛(wèi)星以及地面資產(chǎn)運(yùn)行的無線通信網(wǎng)絡(luò)。圖1展示了NTNs可以基于的平臺。

圖1. NTNs可以基于多種空中和空間平臺。圖片由高通公司提供

NTNs的多種應(yīng)用

3GPP（一個全球移動通信標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織）在2022年發(fā)布的第17版中定義了NTNs的要求。自那以后，NTNs已成為不斷發(fā)展的5G生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。它們支持多種應(yīng)用，包括：

• 全球互聯(lián)網(wǎng)接入

• 全球移動寬帶服務(wù)

• 災(zāi)難響應(yīng)的關(guān)鍵通信

• 環(huán)境監(jiān)測

NTNs還具有許多軍事和私人航空航天應(yīng)用?；谛l(wèi)星的NTNs通過整合地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信技術(shù)，在擴(kuò)展全球通信方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們填補(bǔ)了地面基礎(chǔ)設(shè)施在偏遠(yuǎn)或服務(wù)不足地區(qū)留下的空白，為蜂窩和物聯(lián)網(wǎng)終端用戶設(shè)備提供了直接衛(wèi)星接入的可能性。盡管仍需重大技術(shù)發(fā)展以充分應(yīng)對衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)，但NTNs已經(jīng)出現(xiàn)，其市場正在增長。盡管仍處于起步階段，但NTNs在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的采用有望推動其發(fā)展，使其成為6G的完全集成組件。

NTNs增長的驅(qū)動因素

全球5G NTN市場在2023年估值為42億美元，預(yù)計到2032年將增長到798億美元，復(fù)合年增長率超過35%。這種強(qiáng)勁的市場增長是由對全球帶寬的快速增長需求、對偏遠(yuǎn)和孤立地區(qū)連接需求的增加以及衛(wèi)星生產(chǎn)和發(fā)射成本的快速下降所驅(qū)動的。與此同時，將NTNs整合到3GPP 5G生態(tài)系統(tǒng)以及NTN標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，為這一快速發(fā)展的市場中的開發(fā)人員和制造商提供了穩(wěn)定性和確定性。NTNs在農(nóng)業(yè)、物流、能源和交通等行業(yè)中啟用應(yīng)用。它們?yōu)楦髌髽I(yè)提供了顯著的機(jī)遇，使企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全球運(yùn)營，在以前無法到達(dá)的地點(diǎn)收集數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的和新興的用例包括：

• 公共安全行動

• 災(zāi)難響應(yīng)和恢復(fù)管理

• 自動駕駛車輛和V2X通信

• 海事和航空通信

• 高級遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)

• 5G網(wǎng)絡(luò)的回傳支持

• 簡化的5G漫游

這些用例和應(yīng)用的需求刺激了空間技術(shù)的重大創(chuàng)新，導(dǎo)致衛(wèi)星生產(chǎn)和發(fā)射成本大幅下降。隨著每年發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量增加，設(shè)計、生產(chǎn)和維護(hù)成本分布在更高的產(chǎn)量上。由此產(chǎn)生的規(guī)模經(jīng)濟(jì)導(dǎo)致單位成本降低。與此同時，芯片組和半導(dǎo)體變得更小、更強(qiáng)大。這使得更多功能可以被集成到衛(wèi)星中，增加了空間市場的商業(yè)可行性。因此，像OneWeb、SpaceX、Project Kuiper和Telesat這樣的大量運(yùn)營商已經(jīng)出現(xiàn)，通過低軌道衛(wèi)星群提供全球通信服務(wù)。

納入3GPP標(biāo)準(zhǔn)

衛(wèi)星通信日益受到關(guān)注，這體現(xiàn)在非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）被納入3GPP標(biāo)準(zhǔn)中。3GPP標(biāo)準(zhǔn)的第17版定義了兩類NTN，每種都有其特定的用例和市場：

• NTN-IoT（物聯(lián)網(wǎng)）

• NTN-NR（新無線）

后續(xù)版本提升了性能、可靠性和效率。第18版于2023年第三季度凍結(jié)，涵蓋了對NTN-IoT和NTN-NR的增強(qiáng)功能。它增加了新的服務(wù)和流量模型，以及NTN-NR的頻段。預(yù)計將于2025年第四季度最終確定的第19版，增加了一種新的再生NTN架構(gòu)（見圖2），該架構(gòu)可以替代最初的“彎管”配置。新配置通過在衛(wèi)星上放置分布式單元處理來支持星間鏈路。

透明與非透明NTN架構(gòu)

圖2. 彎管（左側(cè)）和再生（右側(cè)）有效載荷及橢圓形波束模式。圖片由3GPP提供

3GPP的工作為確保NTN作為未來6G網(wǎng)絡(luò)的完全集成組件奠定了基礎(chǔ)。與當(dāng)前的5G NTN相比，預(yù)計這將更好地滿足垂直行業(yè)的需求和消費(fèi)者市場的期望，在廣闊的地理區(qū)域內(nèi)提供增強(qiáng)的連接性和低延遲。開發(fā)人員利用NTN的實(shí)用考慮因素如今，NTN市場正在迅速發(fā)展，多個工作組和組織正在解決整合地面網(wǎng)絡(luò)（TN）和非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的挑戰(zhàn)。NTN-IoT目前是發(fā)展最為成熟的市場，多家制造商提供的芯片組支持開發(fā)具有真正全球覆蓋（陸地、海洋和空中）的物聯(lián)網(wǎng)用例。開發(fā)NTN-IoT項(xiàng)目的開發(fā)人員需要考慮以下因素：

• 衛(wèi)星軌道

• 硬件，包括天線

• 測試和認(rèn)證

NTN-NR目前還不夠成熟，但隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，其重要性將逐漸增加。目前，讓我們先專注于NTN-IoT。

衛(wèi)星軌道

不同的用例需求可以通過不同的衛(wèi)星軌道來優(yōu)化。每種軌道都具有特定的技術(shù)挑戰(zhàn)，并且在性能和能力方面涉及權(quán)衡。例如，地球靜止軌道（GEO）和地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星覆蓋范圍非常廣闊，能夠?yàn)樽钇h(yuǎn)的地區(qū)提供覆蓋。它們采用簡單的“彎管”架構(gòu)，直接將信號反射回地面節(jié)點(diǎn)。然而，這些軌道距離地球約35,000到36,000公里，對任何系統(tǒng)的鏈路預(yù)算都是一個挑戰(zhàn)。延遲較高，數(shù)據(jù)速率限制在大約1 Kbps，由于傳輸時間更長，導(dǎo)致功耗增加。對于需要多個連接、持續(xù)上行和下行流量的大量NB-IoT節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，容量也可能成為一個問題。另一方面，低地球軌道（LEO）衛(wèi)星每90到100分鐘繞地球運(yùn)行一次，軌道高度為500到700公里。它們支持更簡單的鏈路預(yù)算和更高的數(shù)據(jù)速率（30到40 kbps），因此功耗更低。然而，由于軌道較低，需要一個LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來提供覆蓋。在部署的早期階段，間歇性覆蓋（即在某一時刻沒有衛(wèi)星經(jīng)過）可能是一個問題。與快速移動的LEO衛(wèi)星通信也面臨挑戰(zhàn)。例如，多普勒頻移必須在設(shè)備的NTN軟件堆棧中處理。從開發(fā)人員的角度來看，衛(wèi)星可能僅在頭頂上方停留兩到三分鐘。這個短暫的傳輸窗口需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舻脑浦?。由于上行鏈路和下行鏈路是兩個獨(dú)立的事件，端到端延遲可能會有所不同。這在當(dāng)前的部署階段尤其明顯，當(dāng)時地面站和衛(wèi)星可能數(shù)量有限。綜合以上因素，GSO/GEO衛(wèi)星通常更適合關(guān)鍵數(shù)據(jù)——例如警報和緊急通信——這些數(shù)據(jù)的傳輸頻率較低，且功耗不是問題。為了合理化與GSO/GEO衛(wèi)星相關(guān)的較高成本，這些數(shù)據(jù)對終端用戶的價值應(yīng)該是顯著的。LEO衛(wèi)星支持更低的功耗和更短的連接時間，并且數(shù)據(jù)速率更高。但缺點(diǎn)是延遲可能非常高——在最壞的情況下，甚至可能達(dá)到數(shù)小時。至少在部署的早期階段，LEO衛(wèi)星更適合涉及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報告的用例，這些用例對延遲的要求不高。隨著更多LEO衛(wèi)星的發(fā)射以及未來的3GPP版本解決與快速移動的非地面平臺通信的挑戰(zhàn)，這些指導(dǎo)原則無疑會有所變化。

硬件和天線考量

通常，現(xiàn)有的蜂窩模塊可以成功地與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信。因此，升級現(xiàn)有應(yīng)用以利用NTN可能只需要新的固件版本。在某些情況下，也有可能重用現(xiàn)有的天線。某些NTN頻段與蜂窩頻段相鄰，這意味著可以使用相同的天線進(jìn)行蜂窩和NTN通信。這將取決于以下所有因素：

• 應(yīng)用的部署區(qū)域。

• 選擇的頻段。

• 系統(tǒng)的整體性能。

由于衛(wèi)星比蜂窩基站遠(yuǎn)得多，鏈路預(yù)算對于確保穩(wěn)定可靠的連接至關(guān)重要。表1提供了一些關(guān)于系統(tǒng)要求的指導(dǎo)。

表1. NTN衛(wèi)星通信鏈路的典型性能要求

無論重新利用現(xiàn)有解決方案還是從頭設(shè)計，天線的選擇和定位都是關(guān)鍵活動，應(yīng)在設(shè)計周期的早期階段盡可能考慮。

測試與認(rèn)證

天線測試與認(rèn)證是一項(xiàng)復(fù)雜、成本高昂且耗時的任務(wù)，涉及專業(yè)技能和昂貴的設(shè)備。認(rèn)證過程通常需要數(shù)月才能完成。然而，對于任何非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的推出來說，這是必不可少的環(huán)節(jié)。這給開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兠媾R著縮短開發(fā)周期和快速推向市場的壓力。像Taoglas這樣的專業(yè)天線制造商擁有內(nèi)部資源和技能，能夠支持客戶完成這一過程，幫助他們降低開發(fā)成本并加快上市時間。

利用NTN生態(tài)系統(tǒng)確保市場成功

盡管仍在不斷發(fā)展，但非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）已經(jīng)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)人員提供了增強(qiáng)的覆蓋能力，只要他們愿意應(yīng)對這一快速變化的法規(guī)和技術(shù)環(huán)境。市場成功取決于對NTN的現(xiàn)狀和未來展望的深刻理解，確保產(chǎn)品具有未來適應(yīng)性并延長其生命周期。然而，衛(wèi)星通信是一個復(fù)雜的領(lǐng)域。獲得像Taoglas這樣的強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)中專家的支持至關(guān)重要，這有助于在不犧牲開發(fā)周期和成本的情況下克服挑戰(zhàn)。