推動通信發展：低軌衛星在全球無線通信擴展中的角色

此外，3GPP第17版標準增加了新的5G衛星網絡應用，涵蓋地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）和LEO衛星技術。5G NTN NR衛星網絡包括兩個通信鏈路——一個在衛星與用戶之間，另一個在衛星與連接至地球數據網絡的地面站間。它將提供NTN-IoT及5G NR通信服務，將智能手機和其它支持5G的設備連接到NTN服務網絡。

如圖1所示，位于地球上空35,000公里的GEO衛星延遲為280毫秒（ms），而運行在500至1,200公里高度的LEO衛星則可將延遲降低至僅6至30毫秒。因此，從用戶設備（UE）到LEO衛星的最大單向傳播延遲遠低于MEO和GEO。

圖1，3GPP TS 22.261標準下，從UE到衛星的最大單向傳播延遲對比

融合衛星技術的5G NR NTN架構有望實現全球蜂窩無線連接。3GPP第17版標準側重于增強全球5G-NTN和IoT-NTN服務，并引入低延遲的直通蜂窩服務，將sub-6GHz頻段的速度提升至數十Mbps。

此外，第18版標準旨在通過使用10GHz以上的頻率——特別是Ka和Ku頻段，來改善覆蓋范圍及移動性。由此，將使速度達到數百Mbps，有利于部署較小尺寸的有源電子掃描陣列（AESA）天線；如SpaceX的Starlink所使用的天線。這些技術進步提升了速度，可支持災后恢復工作，還將覆蓋范圍擴展至傳統網絡無法觸及的偏遠地區。

如表1所示，3GPP標準下的5G NTN演進包括頻譜的擴展，以涵蓋L、S、K和Ka頻段，從而增強上行鏈路覆蓋，并支持移動服務。第18版標準還特別針對新引入的三個10GHz以上NTN頻段（n510、n511和n512），以進一步完善5G NTN設計，實現更佳的性能和更廣泛的接入。

表1，SATCOM NTN頻率頻段

NTN網絡的另一個關鍵目標是提高有限無線電頻譜資源的效率。該頻譜經常處于擁塞狀態；最近的技術研究正在尋找更好的方法來管理這種擁塞；例如在空間網絡中采用時分雙工（TDD）模式，改變了為發送和接收信號分配不同路徑的傳統方法。如表2所示，使用TDD頻段有助于移動運營商在繁忙的sub-6GHz頻譜上騰出更多空間。這些改進正在推動衛星技術向前發展，使其更為智能，更加符合地面網絡的要求。

表2，TDD NTN頻段

衛星通信分為單向和雙向系統。單向通信涉及從衛星到地面的信號傳輸，應用于GPS、衛星電視和廣播等服務。相比之下，雙向通信能夠實現衛星與地面站之間的交互式信號交換，支持互聯網服務和電話通話。圖2展示了涉及地球站和衛星單、雙向通信間的差異。

如圖所示，單向通信（左圖）——如直播衛星（DBS）服務等，傳統上依賴GEO衛星。GEO衛星與地球自轉同步，僅環繞地球赤道運行。從地面視角看，GEO衛星在天空中處于固定位置。GEO衛星是地球同步軌道（GSO）衛星的一種，兩者都用于電信及地球觀測。

非地球靜止軌道（NGSO）是指衛星相對于地球表面的非靜止軌道類型。NGSO衛星的軌道高度低于GEO衛星，且完成一圈軌道所需時間更短。NGSO衛星在天空中不斷移動，能夠為移動衛星服務提供更好的覆蓋，并改善全球連接。NGSO軌道有多種類型，包括LEO、MEO和高橢圓軌道（HEO），其中LEO距離地球最近。

圖2，單向和雙向衛星通信應用場景示例

雙向LEO衛星架構進一步提升了整體衛星通信能力。此類雙向衛星通信超越了過去的單向“彎管”式設置，融入了諸如AESA天線等技術。“彎管”架構的運作方式類似于中繼器，而雙向架構則超越了這種單向通信方式。這些先進的系統對于增強地面與衛星間的通信至關重要。

新一代地面站系統基礎設施正朝著靈活且互聯的方向發展，配備了更小的平板用戶終端，類似于蜂窩網絡。為了將衛星接入網絡融入5G，3GPP TR38.821引入了兩種基于衛星的下一代無線接入網（NG-RAN）架構：透明架構和再生架構。

如圖3（左）所示，在透明有效載荷架構中，3GPP 5G NR基站（gNB）位于地球上，而衛星則扮演“彎管”中繼器的角色。在透明有效載荷通信中，RF濾波、變頻和放大等操作均在衛星上進行。

在圖3（右）所示的再生有效載荷架構中，全部或部分gNB功能在衛星上實現。因此，在再生有效載荷通信中，RF濾波、變頻和放大、解調、編碼/解碼、切換或路由，以及調制等操作均在衛星上完成。這就如同在衛星上搭載了全部或部分gNB傳統地面蜂窩基站的功能。此類用于LEO衛星的再生系統架構相較于傳統“彎管”轉發器具有諸多優勢；且由于當前的LEO星座擁有自己專有的波形和機載處理系統，其已成為未來架構的方向。

圖3，衛星有效載荷透明網絡和再生網絡

傳統拋物面（碟形）天線的局限性已使其難以滿足當前的需求，由此推動了向AESA或相控陣天線等電子掃描天線的過渡。AESA天線可以電子方式改變信號方向，而無需物理移動，這在靈活性上大大優于機械掃描天線。此外，AESA可以利用波束成形技術創建和發送信號，實現快速且準確的波束方向調整。這使得與任何軌道上的衛星建立連接成為可能，并能在衛星間實現快速切換。

圖4，家用AESA波束成形終端

如圖4所示，用戶CPE終端是用戶與衛星間的直接連接。這些設備成本低廉、易于設置，可固定或移動（如移動衛星通信、海事應用等）。其利用AESA天線將各種技術集成到更緊湊、更輕巧的設計中。這包括用于靈活跟蹤和導向的波束成形技術，同時采用商用現成品（COTS）組件；此外，它們還支持更快的數據傳輸方式。

本文重點探討了衛星網絡與5G NR NTN的集成，特別強調了LEO衛星的應用。這種部署擴大了地面5G網絡覆蓋范圍，并支持從應急通信到物聯網應用等的各類服務。同時，我們著重介紹了3GPP第17版中的最新進展，特別是將衛星連接擴展到智能手機，從而獲得全球范圍的信息傳遞與寬帶增強功能。我們還探索了從傳統“彎管”模型向先進雙向通信系統的轉變，其中采用了商用技術以提高效率。借助AESA和波束成形技術，數據傳輸速度及可用頻率利用效率均得到顯著提升。這一進步正在推動全球通信向前發展，使互聯網連接更快、覆蓋范圍更廣，并為偏遠地區提供更可靠的服務。

在本系列的第三部分，我們將更深入地探討AESA波束成形技術，以及它如何改變并推動空間衛星網絡進入蜂窩市場領域。

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