当5G毫米波通信遇见Ka波段卫星通信


在2017年巴黎航展,欧空局通讯部主管Magali Vaissiere 和来自16家卫星运营商、服务商及制造商的代表签署了一份关于“5G卫星”计划的联合声明,旨在开发和利用卫星在5G环境下的价值。欧空局局长Jan Woerner也出席了这次活动,这其中空客防务与空间公司起了不小的作用。


一直以来,地面通信技术从2G发展到4G,从仅仅满足于语音通话到能观看实时直播的视频节目。以蜂窝基站为主的地面电信网络可以说已经深入到了我们每一个人的生活中。而卫星通信作为一种现代通信手段却走了另外一条道路。它高昂的通信成本对普通老百姓来说是束之高阁,成为少部分人和企业的专利。原本有天地差异的两种通讯形式到底有没有共同的需求,这就好比天地之间那一条时近时远却又美丽无比的地平线或者天际线,如果没有看错,它的交汇点的时间将会定格在2020年,今天你我所做事情的意义就在于当它真的来临时有资格可以动手画上一笔,添上一彩,这距离世域公司和空客组建中欧联合小组推动TDD方案作为5G卫星唯一标准刚刚过去半年。


1、通讯频率的重合


放眼望去,现在的地面通信技术正在朝什么方向发展?随着通信技术的进步,我们对通信速率的要求越来越高,以毫米波通信为主的技术趋势正在满足人们对高速率通信的需求,随着24Ghz以上频谱逐渐被地面运营商使用,全面普及5G的时代已经不远了。有个很有趣的现象,24Ghz以上频率原本就是留给卫星通信使用的,在卫星通信业内我们把这个附近频率称之为Ka波段。在4G时代,我们由于频率原因,没有需求让地面通信网络接受并传输毫米波。鉴于大量低成本的终端设备的投入,技术上也没用需求去发展可用于毫米波通信的多天线技术。然而正是今天,地面通信已经开始使用毫米波的频段,这恰好跟卫星通信的频段重合了。卫星通信之所以昂贵,不利于普及跟其运营建设成本和终端成本是分不开的,它由于用户数量及其的小,所有无法效仿地面通信那种以量终端的生产积累来弥补单位成本的高昂投入。如果我们换个角度去思考,如果这两者需求重合了,普通手机终端开始有需求使用多天线技术甚至是原本高昂的晶圆级别的电子相控阵技术,而卫星通信原本高昂的建设和终端使用成本可以通过规模化的生产的平摊。于是这导致了两者的融合,这也是所谓的天地一体化。


blob.png


那么实现这样的天地一体化,除了频率的重合,还有哪些地方最终会逐渐的融合呢?



2、“空中的基站”


blob.png


首先整个终端硬件的高度融合,甚至在进行过特殊处理以后可以直接使用地面网的基带芯片体系。传统制造流程中我们开发的卫星硬件本身无论如何跟地面计算机芯片技术对比是有巨大差距的,如今人手一个的手机其运算能力早已超越了5年前的笔记本的运算能力。对于卫星来说,很多新的半导体技术无法在卫星上得以应用,我们需要为它单独开发一套系统,这套系统往往在研发定型之后很多年都不会有升级或修改。众所周知,传统地面终端最大的一个优势就是更新换代的周期短,技术普及的速度很快。如果卫星制造产业引入了传统手里制造业高度集成化,快速迭代的特点,那么以后每一次发射后的卫星群都是建立在上一代卫星基础上的升级版。甚至于我们还能引入智能制造中软件部分在线升级的特点,让卫星在太空中就能实现对其自身软件系统的升级和改造,可以说在很大程度上提高了卫星星座的性价比,降低了建设风险。


3、天线技术的重合


blob.png


星载相控阵天线与基站的相控阵天线以及平板电扫描天线与手机的Massive MIMO大规模天线技术的重合(当然这里我们以基片衬底集成阵列天线为例子)。卫星通讯要实现在低轨传输毫米波,并使得到达地面的波束拥有更高的增益,就必须使用相控阵技术,通过点波束的方式集中能量,降低在大气传输过程中的损耗。而对于地面终端,无论是平板电扫阵还是多天线MIMO其实都是对相控阵天线原理的使用。地面终端通过频谱复用和多波束合成,使得无论是接受地网传输的毫米波还是卫星高考传输的毫米波都成为一种可能。由于都需要在较小的空间内集成较多的发射天线,已较小的功率实现多波束的覆盖,两者在此之前无论如何也不能想象有一天其射频芯片都采用了昂贵的GAN氮化镓工艺,而今天这项技术将逐渐在消费电子领域普及。


4、信道模型与传输体系


5G新型编码技术对卫星通讯效率的提升。卫星通讯一般都采用转发器模式,就是所谓的透明转发,其本身并不对信号进行处理,无论是信源编码还是信道编码,跟最近5G大会以华为公司为主导的企业主推的Polar Code方案(5G控制信道eMBB场景编码方案),以及以高通为代表的企业提出的LDPC(码数据信道的上行和下行短码方案)相比还是明显差距的。一旦卫星本身使用了5g的基带芯片,一旦连卫星的信号编码体制都跟5G高度一致,可支持早期5G新空口功能,支持包括新型多址、新波形、编码调制、多频段支持等关键技术。这就导致了卫星和基站传下来的信号没有本质上的差异,这就好比你家的路由器被放置在天上而已,天网从此成为地网的一种补充和扩展。当然很多人提到卫星通讯是否能在信道模型方面做到跟地面一致,毕竟卫星跟地面基站比一个高度高,一个在不断移动,对波束切换,管控,多普勒效应都提出了考验,尤其是未来5G网络将普遍使用SDN技术,卫星通信网是否能使用这种架构也是问题。对此我们认为,如今要让5G天地一体化走到什么程度,需要的是推动,不排除IMT2020和3GPP在最终定方案的时候把卫星的因素考虑进标准中,当然如果不行,我们亦可以在最大程度上共用地面通讯协议的同时做两套协议方案,让智能终端在切换天地波束的时候也使用这两套协议,本身都是对tcp/ip的兼容。


唯有建立在这种模式上的高通量宽带卫星星座方案才能实现真正意义上的天地一体化融合,才能真正意义拥有海量的用户市场,才能在高度竞争的年代屹立不倒。


blob.png

定于2018年发射的全球首颗5G毫米波通讯实验星(江苏一号)


微信扫描分享本文到朋友圈

  最热通信招聘

  最新招聘信息

最新技术文章

最新论坛贴子