文|考古探今

编辑|考古探今

前言

如今已彻底的步入了5G时代，而这将不仅仅是以往标准的演进，还将包含更广泛的新应用，以满足未来重要的细分市场。

ITU-R 为 2020 年及以后的国际移动通信定义了三大组 5G 用例：增强型移动宽带、大规模机器类通信和超可靠低延迟通信。

经过两年的研究阶段，现在批准 NTN 将成为 5G 的一个新的关键特性，并从 2020 年 1 月开始工作项目。在单个或多个地面网络无法提供服务的情况下，NTN 可以通过确保服务连续性来显著增强“5G 网络可靠性”。

那么NTN 可以实现“5G 服务可扩展性”吗？这对于卸载地面网络有什么作用？

uRLLC 的卫星用例：

uRLLC 卫星能否计支持可用性、通信链路延迟和可靠性是最重要的，因为它包括自动驾驶、远程手术、工厂自动化等技术。但很明显的是，无论选择的轨道高度如何，由于通信链路延迟增加，卫星都无法完全支持此类服务。

事实上，由于某些地区基础设施的缺失，或在极度拥挤的地区出现网络拥堵，即使是单独的地面网络，uRLLC的要求也是相当具有挑战性。

在这种情况下，一个综合的卫星-地面网络可以利用地面和非地面的基础设施，以达到苛刻的uRLLC要求。特别是在自动驾驶汽车的情况下，非关键数据是可以通过卫星重新路由，以受益于其独特的广域。这可能会大大减少对地面网络的拥堵，使其仅用于关键数据的交换。

在过去几年中，由于空中和小型化卫星平台的技术进步，在地面和传统卫星部分之间出现了中间层的通信系统。

无论应用如何，这些新平台可根据其操作高度进行分类，具体可以区分为三个主要组别：

1、极低地球轨道卫星，VLEO为100至450公里。

2、高空平台（HAPs），HAPs为15至25公里。

3、低空平台（LAPs），LAPs为0至4公里。

这些新平台的出现使得新的多层通信架构具有多个层间链接，能够克服最具挑战性的情况。

极低地球轨道：

VLEO 平台比 LEO 卫星更靠近地球，这使得它们更简单、更小，因此更便宜。

但如此低的高度包含了更密集的大气层，空气动力也更大，这可以看作是一个挑战，但它们也可以代表轨道和高度控制的机会。

此外，增加的阻力意味着轨道寿命的缩短，这也意味着更频繁地更换更小和更便宜的航天器，从而对技术和市场变化变得更加敏感 。

高空平台：

HAP 具有补充传统卫星网络的潜力，它们也被称为高空伪卫星，由于其工作高度，HAP 有可能在区域范围内提供通信服务，卫星和 HAP 之间的合作主要有两种方式：

1、回程： HAP 可以是卫星和地面接收器之间的中间元件，这种两步下行链路通信将在卫星和 HAP 之间进行第一跳，在 HAP 和地面之间进行第二跳。

前者倾向于使用高带宽光链路，因为它几乎不受大气影响，而后者的路径比卫星高度短得多，这提高了链路预算，可以使用更小的天线或更宽的带宽。

2、集群：HAP 在区域覆盖和减少信号衰减之间取得了很好的平衡，这触发了它们作为广播或多播服务的低成本部署解决方案的使用，允许用户在其覆盖区域内直接连接并转到卫星进行覆盖间通信。

HAP 的应用前景很广阔，但在全球范围内部署 HAP 仍面临一些重大挑战，主要挑战之一是自主权有限，尤其是在高纬度地区，因为日照时间减少。

另一个是天气条件，因为高风速可能会将 HAP 脱离其工作区域，而低温会缩短电池的使用寿命。

HAP的地理覆盖范围很大，它可以介于地面和卫星系统之间的中间覆盖范围。空中基站可在数小时内部署运行。当它们过载或出现故障时，它们可以作为现有地面和卫星通信网络的补充或补充。

HAP 可以长期运行，也可以返回地面进行重新配置。传播延迟（~50-85μs _ ) 明显低于 GEO（~120 毫秒）、MEO（~15-85 毫秒）甚至 LEO 卫星（~1.5-3 毫秒），为延迟敏感应用提供重要优势。

一个简单的空中平台可以为大量地面提供服务，虽然受到天线技术的限制，但毕竟利大于弊，还是值的继续开发的。

这些系统与其他类型的设备到设备 (D2D) 通信和物联网有许多相似之处，而这些相似之处是非常低的数据速率、通信的零星性质以及协议的简单性。

广播式自动相关监视 (ADS-B)：

ADS-B 系统基于飞机导航到目的地的能力与空中交通管制员 (ATC) 通信，并参与与用于分离和态势感知服务的 ATC。

由于ADS-B 是自动的，所以它不需要人工干预，并且依赖于来自飞机导航系统的数据。ADS-B 信号由连接在空中交通管理 (ATM) 网络中的可用传感器接收。这些传感器通常部署在 ATC 附近的地面上。

但由于地平线下传输不可行，地面 ADS-B 接收器无法准确接收飞越没有地面站区域的航班信号，就像在大洋中部或北极地区一样。

这就导致很大一部分空域仍然无人监管，地面站因需要处理的工作量变得拥挤。出于这些原因，在过去几年中，已经提议使用成为完整 ATM 中继网络一部分的 LEO 小型卫星，来实施天基 ADS-B 接收器。通过这种方式，可以实现低延迟和安全的全球 ADS-B 覆盖。

海事自动识别系统（AIS）：

AIS 目前在船舶上用作短程跟踪系统，并受国际海事组织 (IMO) 监管，实时为船舶和岸站提供识别定位信息，避免船舶碰撞事故。

尽管它在 20 世纪后期就已被指定，但由于使用了提供全球覆盖、改进的响应时间和更高可靠性的接收器，它在过去十年才得到普及。

基于天基的 AIS 接收开启了无人驾驶越洋旅行的可能性，方便了危险材料的运输，从而延长了非时间关键旅行的持续时间，优化了燃料消耗，甚至他们允许直接使用电力或太阳能。

这些卫星可作为传统 AIS 接收器，可能是无法应对大量海上交通的繁忙港口地区的，船只和沿海当局只能算作补充数据源。

地球观测数据收集

传统上，政府或国际机构使用地球观测 (EO) 来报告天气、监测海洋、检测植被变化以及分析地震或飓风等自然灾害造成的破坏。它提供了关于真实情况的客观数据，以一种从地面上永远无法观察到的方式显示随时间变化的趋势和变化。

在过去几年中，航天工业正在经历一种投资于所谓“敏捷”太空活动的趋势，而不是传统的“太空”计划，它有可能向更广泛、更灵活的参与者开放太空计划。

敏捷空间部门大致分为两个部分：上游和下游。

上游空间专注于硬件、发射器、火箭和卫星。

下游空间数据活动则从上游获取信息，并将其转化为有用的商业应用程序。

私人空间数据收集和空间数据分析公司，正在提出通过结合卫星技术收集信息和现代数据分析技术（AI学习）的新型服务。卫星信息收集和机器学习数据分析可以非常有效的领域是物流领域，可实时监控白天在港口移动的集装箱数量。

实现这一目标的有效方法是通过一组小型 LEO 卫星拍摄港口集装箱存放区的照片，这些图片被发送回地球，在那里使用某种机器学习技术对其进行处理，以便有效地计算在不同卫星通道之间移动的集装箱数量。

虽然 LEO 轨道为 EO 目的提供了一些优势，但从电信的角度来看，它们也带来了一些挑战。

首先LEO 轨道上的卫星移动速度相对较快，因此它们只能保证几个小时内对某个区域的覆盖只有几分钟。

因此为了保证连续覆盖，他们需要建造大量卫星。出于同样的原因，网关 (GW) 可以在非常有限的时间内与卫星保持联系。

为了保证地面和卫星群之间的全时连接，要么必须在全球范围内建造大量 GW，要么必须在卫星中实施星间链路 (ISL) 功能。

空间通信

当我们看到阿波罗 11 号登陆月球，从新地平线下载冥王星的照片，从罗塞塔接收关于彗星的科学数据，命令航海者一号转动相机并从约 6 米的创纪录距离，只为拍摄一张离地球十亿公里的照片时，所有这些和许多其他令人难以置信的成就，如果没有我们的太空探索者的通信系统是不可能完成的。

太空探索时代始于 1957 年人造卫星的发射，直到现在，它主要由机器人任务或地球轨道外的非常短的人类任务来执行。

不同的太空机构正计划在我们太阳系的其他天体中能够生存的地方，从这个意义上说，最有前途的概念之一是由 ESA 提出的“月球村”概念，它试图将这种范式转变转化为一系列具体行动，并创造一个国际合作和太空商业化都可以实现的环境，进而蓬勃发展。

只有在地球与太阳系中的这些人类前哨站之间建立高容量和非常可靠的通信链路，才能实现这样一个雄心勃勃的目标。

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