5G信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星實(shí)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(jī)通信。這個(gè)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(lái)的復(fù)雜的商業(yè)和監(jiān)管問(wèn)題？

想象一下，5G手機(jī)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(jī)、海上……這一愿景其實(shí)包含在國(guó)際無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)3GPP最近發(fā)布的第16版中。這也是5G技術(shù)供應(yīng)商和衛(wèi)星通信供應(yīng)商之間加速研究和競(jìng)爭(zhēng)的主題。

這是一個(gè)關(guān)于兩個(gè)世界融合的故事。一個(gè)是規(guī)模龐大、仍在發(fā)展的5G電信世界；另一個(gè)是精英化的、與世隔絕的衛(wèi)星通信世界。每個(gè)世界都有自己獨(dú)立而復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的5G手機(jī)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(huì)變成一場(chǎng)災(zāi)難。

永遠(yuǎn)連接

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，NTN的好處是顯而易見(jiàn)的，即永遠(yuǎn)不會(huì)超出手機(jī)服務(wù)范圍，永遠(yuǎn)不必支付漫游費(fèi)，永遠(yuǎn)不必購(gòu)買衛(wèi)星電話套餐。你將永遠(yuǎn)處于數(shù)百或數(shù)千顆LEO衛(wèi)星的庇護(hù)之下，每顆衛(wèi)星都充當(dāng)著5G基站的飛行集群。對(duì)于工業(yè)或IoT用戶來(lái)說(shuō)，也很有用處。例如，無(wú)論你的設(shè)備安裝或使用在地球上的任何地方，都不必?fù)?dān)心聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題。

對(duì)于服務(wù)商來(lái)說(shuō)，他們可以進(jìn)入服務(wù)不足的地區(qū)，如農(nóng)場(chǎng)、偏遠(yuǎn)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(jī)、氣球或私有LEO衛(wèi)星的新互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商。5G運(yùn)營(yíng)商還可以使用NTN作為因?yàn)?zāi)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(yùn)行原理

NTN基本的想法很簡(jiǎn)單。你的手機(jī)會(huì)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(kāi)手機(jī)定位服務(wù)，手機(jī)就會(huì)不斷地從另一個(gè)LEO衛(wèi)星群接收數(shù)據(jù)（GPS或其他GNSS）。

不同的是，手機(jī)不會(huì)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(cè)你的手機(jī)。與固定的基站不同，衛(wèi)星上的基站會(huì)以每小時(shí)17000英里的速度快速移動(dòng)，所以你會(huì)不斷地從一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移到另一個(gè)衛(wèi)星。這里面就有一些問(wèn)題值得研究了。

技術(shù)挑戰(zhàn)

第一個(gè)問(wèn)題是，如果不把手機(jī)天線的尺寸做大是否可行。

最大的問(wèn)題是，手機(jī)里的那塊非常迷你的5G NR（5G New Radio）能否將信號(hào)傳輸到LEO衛(wèi)星。畢竟，手機(jī)的5G NR在設(shè)計(jì)時(shí)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(wèn)題。

令人驚訝的是，在這一點(diǎn)上，答案似乎是肯定的，它可以通信。愛(ài)立信技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)Per Synnergren解釋說(shuō)，理論上，目前的手機(jī)應(yīng)該與衛(wèi)星基站兼容?！拔覀兿嘈?，我們應(yīng)該能夠創(chuàng)造出與第一代3G系統(tǒng)相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)服務(wù)。也就是說(shuō)，上行速率約為1mbps，下行速率為10-15mbps?，F(xiàn)在我們正在進(jìn)行的測(cè)試將確切地告訴我們這是否可能。到目前為止，我們還沒(méi)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(duì)現(xiàn)有的手機(jī)天線設(shè)計(jì)進(jìn)行一些調(diào)整，Synnergren補(bǔ)充道。電池的耗電量會(huì)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(shí)現(xiàn)的。

許多實(shí)際因素有助于這項(xiàng)工作的可行性。其中之一是，5G NR的設(shè)計(jì)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(hào)強(qiáng)度差和多路徑。另一個(gè)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(hào)源的干擾。

沒(méi)有太多的噪聲裕度，所以任何干擾都是一個(gè)問(wèn)題。

第三個(gè)因素與衛(wèi)星天線技術(shù)有關(guān)。Synnergren解釋說(shuō)：“開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要部分是衛(wèi)星天線。使用的基本技術(shù)并不新鮮，但應(yīng)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(gè)天線元件，每顆衛(wèi)星可以產(chǎn)生數(shù)百個(gè)波束。在我們的案例中，這種天線應(yīng)該能夠在兩個(gè)不同的頻段工作。這種天線是衛(wèi)星行業(yè)的專長(zhǎng)，我們看到一些不同的公司正在開(kāi)發(fā)類似的解決方案。值得注意的是SpaceX與T-Mobile的合作。”

移動(dòng)的問(wèn)題

除了從衛(wèi)星接收信號(hào)外，還有其他挑戰(zhàn)。Synnergren提出的一系列關(guān)鍵問(wèn)題與衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

首先，衛(wèi)星總是在天空中運(yùn)動(dòng)。因此，如果手機(jī)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(shí)間的大致位置。也就是說(shuō)，手機(jī)需要一個(gè)星歷表，或衛(wèi)星軌跡圖，以便計(jì)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(duì)手持設(shè)備來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么革命性意義。

其次是多普勒效應(yīng)。在連接過(guò)程中，衛(wèi)星沿著軌道以約8km/s的速度狂奔尖叫。這一運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致手機(jī)和衛(wèi)星之間信號(hào)的頻率上下波動(dòng)，就像消防車疾馳而過(guò)時(shí)警報(bào)器的音調(diào)變化一樣。但今天的5G NR被設(shè)計(jì)成鎖定一個(gè)頻率并保持在那里，而不是跟蹤移動(dòng)的頻率。所以，這也許就需要進(jìn)行一些重新設(shè)計(jì)。

最后一個(gè)與速度相關(guān)的問(wèn)題是，手機(jī)在基站之間的切換速度。在地面網(wǎng)絡(luò)中，通常只有當(dāng)你跨越區(qū)域邊界，或當(dāng)某些障礙導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降時(shí)，你才會(huì)從一個(gè)基站轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基站。由于手機(jī)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(huì)經(jīng)常發(fā)生信號(hào)交換。

但對(duì)于NTN，衛(wèi)星上那些巨大的天線陣列所定義的單元相對(duì)較小，而且它們不斷地掃過(guò)地球表面。一個(gè)固定的手機(jī)可能只在一個(gè)特定的單元里停留6-7秒。這意味著，手機(jī)、基站和核心網(wǎng)絡(luò)連接到新基站所必須相當(dāng)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(yùn)動(dòng)之外，還有傳播延遲的問(wèn)題。地面5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是在向基站發(fā)送信息和接收回復(fù)之間的往返延遲為1ms。兩端無(wú)線電控制部分的關(guān)鍵定時(shí)器的數(shù)量取決于這個(gè)數(shù)字。但是無(wú)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(duì)協(xié)議進(jìn)行更深入的反思，而且它們可能會(huì)讓網(wǎng)絡(luò)游戲等服務(wù)完全無(wú)法啟動(dòng)。對(duì)于5G為IoT設(shè)備提供的最小延遲服務(wù)來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題將最為嚴(yán)重。某些類型的控制系統(tǒng)可能根本無(wú)法容忍這些長(zhǎng)時(shí)間的延遲，可能必須重新設(shè)計(jì)，使用更多的本地處理。

這是真的嗎？能否在對(duì)目前5G手機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)需進(jìn)行大修改的情況下，解決這些問(wèn)題？

愛(ài)立信的Synnergren謹(jǐn)慎地表示，目前正在進(jìn)行的測(cè)試正是為了回答這個(gè)問(wèn)題。但他說(shuō)，到目前為止，無(wú)論是建模還是測(cè)試都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何令人頭疼的問(wèn)題。

商業(yè)與監(jiān)管

如果說(shuō)技術(shù)挑戰(zhàn)看起來(lái)是可控的，那么商業(yè)和監(jiān)管問(wèn)題就不那么清晰了。商業(yè)模式就是一個(gè)典型例子。真的有足夠多的人希望全球5G覆蓋形成一個(gè)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(xiǎn)家，它的定價(jià)能吸引普通用戶嗎？

那些真正需要這項(xiàng)服務(wù)卻得不到良好服務(wù)的人負(fù)擔(dān)得起嗎？衛(wèi)星的發(fā)射和維護(hù)費(fèi)用都需要用戶來(lái)分?jǐn)?，而且目前還不清楚這些衛(wèi)星在5G訂閱之外是否會(huì)有任何額外的收入來(lái)源。

此外，有能力支付優(yōu)質(zhì)服務(wù)的潛在用戶會(huì)滿足于早期的3G服務(wù)水平嗎？我們這里說(shuō)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(gè)尚未確定的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題可能需要大量的市場(chǎng)調(diào)查，就像技術(shù)問(wèn)題需要大量的工程研究一樣。

然后是法律。從監(jiān)管層面來(lái)說(shuō)，究竟誰(shuí)有權(quán)管理某個(gè)特定的基站？某個(gè)國(guó)際管理機(jī)構(gòu)嗎？服務(wù)商或衛(wèi)星供應(yīng)商的備案所在地？該基站目前正在哪個(gè)國(guó)家移動(dòng)？這個(gè)問(wèn)題包含了很多問(wèn)題，而且都很重要。

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

除了物理上的考慮，許多國(guó)家正在對(duì)其邊界內(nèi)的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行越來(lái)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(dāng)標(biāo)準(zhǔn)5G手機(jī)和另一個(gè)國(guó)家控制的衛(wèi)星直接連接時(shí)，一個(gè)國(guó)家將如何監(jiān)管互聯(lián)網(wǎng)接入？

為此，一些國(guó)家以國(guó)家安全為由，禁止某些供應(yīng)商在本國(guó)境內(nèi)供應(yīng)設(shè)備。這會(huì)如何影響衛(wèi)星服務(wù)？數(shù)據(jù)隱私又會(huì)如何呢？如果一個(gè)用戶將個(gè)人數(shù)據(jù)從手機(jī)發(fā)送到另一個(gè)國(guó)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(gè)超出本國(guó)管轄范圍的衛(wèi)星上。

NTN提出了一個(gè)誘人的想法，即擴(kuò)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(ài)立信等技術(shù)開(kāi)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(jìn)行的研究，應(yīng)該很快就能讓我們了解技術(shù)可行性和相應(yīng)的成本。

但這可能只是打開(kāi)了一個(gè)潘多拉盒子，里面有非常復(fù)雜的商業(yè)和監(jiān)管問(wèn)題，可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)解決，同時(shí)也會(huì)增加對(duì)NTN任何重大投資的風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)機(jī)會(huì)中，成為先行者和承擔(dān)無(wú)法量化的風(fēng)險(xiǎn)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(wèn)題可能會(huì)非常棘手。