手机直连卫星火了,下一代互联网激烈竞争拉开帷幕

技术趋势1年前 (2023)更新 管理员
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一、现状:大佬纷纷下场,角逐“向上捅破天”市场

2022年8月下旬,马斯克的SpaceX与美国无线运营商T-Mobile联合宣布,将通过星链卫星为美国部分用户提供手机直连卫星的服务。9月10日,AST公司的蓝色行者3试验卫星成功发射入轨,未来系统成功部署后可从太空直接向手机提供卫星移动通信服务。

在手机市场端,9月6日和7日,华为和苹果各自发布了一款可直连卫星的旗舰手机,分别可支持北斗短报文服务和全球星的卫星紧急救援功能,揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。

二、疑惑:为什么需要手机直连卫星?目前实现难在哪儿?

5G已然这么强大,为什么还需要手机直连卫星互联网?带着这个问题我们先看看全球移动网络现状。

移动通信网络仅仅覆盖了地球20%的陆地面积,而对占地球表面71%的海洋的网络覆盖率只有5%。总体算下来,移动通信网络只覆盖了全球不到10%的面积。

沙漠,丛林,冰原等人迹罕至的地方,海洋上各种各样的船只,这些边缘地带的通信需求如何满足?洪水、地震、海啸等自然灾害导致断电、断网、断路,使救援工作困难重重。危急时刻如何打通救援的生命线?这些场景对手机直连卫星有迫切的刚性需求。我们需要建设一张覆盖全球,不受地面环境限制的通信网络。

从手机产业角度来看,目前市场竞争极其内卷,急需新形态的技术帮助产业破局。华为、苹果、小米、vivo等厂商开始把新的竞争赛道定位到手机直连卫星通信技术,这是面向未来布局的重要一环,对实现网络+终端+场景全方位融合意义重大。

然而实际情况是:苹果、华为推出的新手机并不能真正直连卫星。

华为:Mate 50可以通过北斗卫星给个人定向发送文字、位置、轨迹图等信息,但内容会被审核,只有跟救援相关的信息才能被发送,而且收不到回复。

苹果:iPhone14可以发布的内容也是预设的求救信号,且自带定位坐标,但不能定向发给个人,消息会统一发送至公立或付费的救援机构,但能收到救援机构的回复。

由此可见,目前消费领域手机上的卫星通信和地面的4G、5G网络还是两套独立的系统,技术上并没有进行融合,且卫星仅定位于应急通信,这一点跟传统的卫星电话并没有本质差别。甚至由于技术上的限制,华为和苹果的这两款手机连卫星电话都还打不了。

手机直连卫星的难度到底在哪儿?

蜂窝通信协议从2G、3G、4G,再到5G,针对地面网络场景一路演进过来,要和卫星通信相融合的挑战难度很大,协议上需要进行大量更新,主要面对以下5项挑战:

1、高传输时延。GEO(高轨道)卫星的传输时延可达250毫秒以上(针对透明转发卫星),极大地影响基站和手机间交互的时效性,特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。因此,需要对相关协议流程进行改进或者重新设计,而现有的LEO(低轨道)卫星需要庞大的卫星数量基于空间通信链路进行组网,目前星座建设还在起步阶段。

2、多普勒频移。由于非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动的,这会导致严重的多普勒频移。低轨卫星系统不但需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移,还有数十微秒的定时漂移,同时还存在覆盖不均匀的情况,导致目前通信质量很不稳定,SpaceX交付各个国家的地面终端通信速率存在较大的波动。

手机直连卫星火了,下一代互联网激烈竞争拉开帷幕图:美国加州Grass Valley用户的下行速率测试结果,最高速率接近299Mbps,最低速率仅1.23Mbps

3、超大小区半径。地面蜂窝网络小区一般几百米到几千米,超远覆盖也就到一百多千米,而LEO(低轨道卫星)波束可达1000千米,GEO波束可达3500千米。因此,卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显,对系统定时同步也会带来一定的影响。5G是同步通信系统,因此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。

4、移动性管理。非地球同步轨道卫星相对用户高速运动,会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。一方面,在移动性管理决策中,需要将小区的移动状态信息等纳入考量,避免不必要的切换或重选;另一方面,可进一步利用小区的移动状态信息,进行预先的小区或波束切换,减少信令交互开销,此外,随着用户数量的增加,必然存在同一时间用户数量增多而服务速率下降的情况,当更多用户争抢同一个地面关口站的带宽时,必然发生拥挤降速的尴尬状况。

5、标准化。标准化一方面影响通用性和市场体量,另一方面影响系统的建设成本。在地面移动通信5G标准的基础上,针对卫星的特点作小修改,逐步实现天地融合,如3GPP的5G NTN(non-terrestrial network,非地面网络)标准。5G NTN技术使用统一的空中接口,可实现手机通过卫星直接连接到蜂窝网络,构建天地融合网络。今年6月,3GPP R17标准宣布冻结,标志着5G第二个演进版本标准正式完成,R17中覆盖增强工作项目提升了5G网络上行覆盖能力,R17引入了面向NTN(非地面网络)的5G NR,包括面向CPE的卫星回传通信和面向手持设备的直接底数据速率服务一级支持eMTC和NB-IoT运行的卫星通信。

手机直连卫星火了,下一代互联网激烈竞争拉开帷幕

经过多年的努力,NTN已经取得很大进展。今年年中,展锐、联发科、中兴等厂家纷纷报道完成了5G NTN终端芯片在卫星或卫星信道模拟环境下的测试。若仅从技术的角度来看,5G NTN离实现标准化和终端芯片化已经不算太远了,有望在近两三年内出现可落地的产品来。

  • 6月21日,紫光展锐宣布已联合北京鹏鹄物宇,完成全球首个基于 R17 IoT-NTN 标准的 5G卫星物联网上星实测。
  • 7月11日,爱立信、高通及法国航空航天公司泰雷兹联合完成“5G手机直连LEO卫星”的研究,并将在LEO轨道卫星网络上部署5G进行测试。
  • 7月28日,诺基亚和AST SpaceMobile达成五年协议,将建设一张4G、5G手机可访问的天基移动宽带网络。预计将采用透明载荷架构,诺基亚主要提供地面基站。
  • 8月17日,联发科宣布已经和罗德与施瓦茨公司合作,在实验室完成全球首次基于3GPP R17标准的5G NTN的卫星和手机直连测试。实验室模拟的LEO卫星高度为600千米,移动速度高达每小时27000千米。
  • 8月26日,中国移动、中兴通讯和交通运输通信信息集团等单位合作,共同发布全球首个基于3GPP R17的运营商5G NTN技术外场验证成果。

三:畅想:未来卫星通信还有更多可能

卫星通信包含多种场景,包括宽带互联网服务和手机直连卫星服务。目前的星链业务就属于前者,而“手机直连卫星”则是后者。未来,卫星通信和地面移动通信、固定宽带通信和手机移动通信,无缝融合、互为补充。当我们在城市的办公室或家中时,主要使用光纤宽带;出门或开车时,主要使用5G网络;到户外,手机自动切换为直连卫星;坐上轮船、飞机,或开车到郊外,则通过卫星终端和WIFI热点,自动接入卫星宽带业务。

未来的通信必然朝着天地融合、无处不在的方向发展。实现这一愿景,需要把卫星通信和地面5G或未来的6G网络融为一体。以SpaceX为代表的全球科技巨头都在积极抢占不可再生轨道资源。手机直连卫星成为风口,标志着下一代互联网激烈竞争拉开帷幕。(罗德与施瓦茨)

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