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基于 5G 的 LEO 卫星将真正促进全球物联网的应用

时间:2023-12-05 作者:Tomer Yablonka, Senior Communication system Architect and Communication Algorithm Expert, CEVA 阅读:
我们大多数人在考虑广泛普及技术时,都会有明显的城市偏见。宣传 5G 技术发展程度时,在西方城市会宣传新兴应用,而在发展中国家则会宣传进阶普及应用(即使是在城市地区)。除此以外

我们大多数人在考虑广泛普及技术时,都会有明显的城市偏见。宣传 5G 技术发展程度时,在西方城市会宣传新兴应用,而在发展中国家则会宣传进阶普及应用(即使是在城市地区)。除此以外,大多数宣传都有点模糊。地面物联网应用是显而易见的,比如测量土壤湿度和温度时,但这些应用如何与数据中心通信就不那么清楚了。 

只有需求足够多,能收回基站成本的地方(一般是附近的城镇)才会建立存在可视路径的 5G 基站。即便如此,也只能在相对空旷的区域部署基站;森林或山区、海洋或沙漠都不适合部署。网状网络和固定无线接入可以将物联网设备的覆盖范围稍稍扩大到基站周围,但仍然会受到同样的限制。相比之下,Starlink 之类的近地轨道 (LEO) 卫星选项在任何部署位置都能看到,但受专有协议和硬件链接支持限制。有鉴于此,越来越多的人希望依靠基于标准的 5G LEO 卫星蜂窝技术真正打开这一市场就不足为奇了。

资料来源: CEVA

卫星选项

通过卫星支持电话通信并不是一个新想法。20 世纪 90 年代,摩托罗拉公司推出了铱星系统。可能由于卫星设计跟不上覆盖范围要求,第一代铱星系统并不成功;新兴的蜂窝解决方案则更有效且重量更轻。我在这里要客观指出一点,更新版本的铱星系统如今仍在有效使用。现在,蜂窝无处不在,准确的说,至少在可覆盖的范围内可用,许多人认为是时候重新审视卫星选项了。

卫星是支持蜂窝技术的核心,因此应该成为我们的出发点。现有轨道选项有三种:地球静止轨道 (GEO)、中地球轨道 (MEO) 及近地轨道 (LEO)。GEO 轨道距离地球约 35,000 千米,优势在于天空中任何特定卫星到地球的距离都是相同的。这种轨道适用于偏远地区电视和互联网服务的高带宽家庭通信。在这种情况下,只需将天线与卫星对准一次,无需跟踪支持。HughesNet 是提供这一选项的服务商之一。

MEO 卫星轨道距离地球 2,000 千米到 35,000 千米,主要用于 GPS 和 GNSS 等定位系统,也在偏远地区提供中等带宽支持。LEO 卫星轨道距离地球 160 千米到 2000 千米,是 5G(以及更远)通信的热门选择。不过,MEO 和 LEO 卫星相对用户来说是移动的,需要更多支持来维持链接。

GEO 卫星规模大、成本高、耗电多(就远距离通信而言),且发射成本高。MEO 和 LEO 卫星则相对更小、更便宜、耗电更少、发射成本更低,特别是小型卫星 (SmallSats) 出现以后,更是如此。此外,MEO 和 LEO 卫星在高纬度地区的覆盖能力更强。每种卫星都有其独特的优势和劣势,进而也表明,混合使用多种选择可能是卫星通信的理想选择。

市场机会 

尽管这一市场还处于早期阶段,但得到了一些大公司的支持。Starlink 的出现令相关技术开始崭露头角,亚马逊有自己的 Kuiper 项目,T-Mobile 正在与 Starlink 和 OneWeb 合作,还有传言称谷歌将与 Verizon 合作。市场预测也非常鼓舞人心,到 2030 年市场规模将达到 290 亿美元,年复合增长率达 29%。这是有意义的。否则,我们如何真正建立全球通信基础设施,而不仅仅是“只有你在城市/城市附近,而不是山里、森林里、远离港口的海上等时才能覆盖”?

在我们这个风险更高的现代世界,我们已不再能接受野火、飓风、洪水及农作物歉收带来的风险;广泛部署基于 5G 卫星的物联网技术将有助于缓解这些风险。个人应急通信或紧急服务之类的关键服务在断电时也应继续工作。这一点可在到天线/馈电站的用户设备 (UE) 应急通信能够直接连接到卫星时成为可能。

当然,我们希望通过各方竞争来降低价格,提高可及性、质量和功能。如果我们仅限使用 Starlink 或类似的专有服务,那上述就不可能实现。因此,我们需要一个经 3GPP 批准的标准,令所有基础设施和 UE 都能根据该标准很好地发挥作用。

技术挑战

LEO 卫星为商业和整个社会带来了巨大的新通信机遇。同时,这些卫星系统也带来了新的挑战。一个挑战是延迟。地球静止卫星的延迟为 600 毫秒,而电缆信号的延迟仅为 30 毫秒。这个时间看似很长,但并不只是简单的往返时间。还需要进行很多其他处理。LEO 卫星的延迟时间在 180 毫秒左右,比地球静止卫星要短一些,但仍比地面通信卫星要长一些。对于超低延迟应用来说,延迟时间这样长的卫星目前并不适合;但对许多物联网应用来说,这样的延迟时间可能不成问题。 

尽管 LEO 卫星改善了延迟现象,但它在任一时刻的覆盖区域均较小;而且即使地面 UE 设备处于静止状态,此卫星也是每天多轨道移动,需要频繁切换各卫星之间的通信。这种切换会导致部分通信延迟时间增加。链路控制人员可能会选择切换到另一颗 LEO 卫星或附近的 MEO 卫星,以便在下一次切换之前工作时间更长。当然,这一领域的算法仍在不断发展。

第二个挑战是多普勒效应。LEO 和 MEO 卫星要想留在轨道上,就必须迅速移动;MEO 卫星必须以每秒 3.1 公里或更快的速度移动,LEO 卫星则须以每秒 7.8 公里的速度移动。这些速度下的多普勒频移效应可能非常严重,尤其是对 LEO 卫星而言,并可能会大大降低链路的可靠性。只有在地面终端静止或至少有可预测的移动时,根据卫星的已知星历表进行校正才有效,但通常情况并非如此。针对这种情况,现已提出可减轻多普勒效应的替代调制方案,如 OTFS(正交时频空间),而不是更传统的 OFDM(正交频分复用)。还有一些方法提出将深度学习作为一种减轻方法(我们猜测是在连接到天线而不是可移动的 UE 时运用)。这也算是一个算法快速发展的领域。

资料来源:CEVA

网络实施

我们首先来看看 5G 网络架构。目前针对不同的用例提出了不同的架构。一种架构是在服务链路中直接连接物联网设备与 5G LEO 卫星,而卫星则通过卫星天线提供的馈电链路与核心(地面)网络连接。另一种架构的馈电链路有相同的设置,卫星的服务链路也通过天线连接,天线又连接到边缘网络,例如 5G 固定无线接入的边缘网络。

3GPP 的标准化工作仍在进行中,不过他们已经提出了使用天线时,下行链路达到几十到几百 Mbps 带宽,往返延迟达几十毫秒的可能性,当然以上种种均受多种因素影响。

显然,要实现切换管理、缓解多普勒效应以及针对不同服务等级最大程度的降低延迟的方法,就需要新的硬件和软件。支持直接卫星链路的 UE 需要改进,必须提供服务和馈电链路硬件,卫星本身必须支持协议,所有这些都将随着协议的发展而发展。

硬件和软件开发需求

随着 Open RAN 的发展,现有的 CPU、FPGA 和 DSP 正在加速被淘汰。基础设施和用户设备制造商希望最大程度地提高差异化优势,降低资本和运营成本。对于卫星网络而言,这一趋势将进一步得到巩固。现有产品成本过高、能耗过高、差异化选择有限,对原始设备制造商没有吸引力。在这一领域,原始设备制造商更愿意转为采用含软件定义的无线电架构的 ASIC 解决方案。这对于实现前面讨论的面向未来的算法升级预测,以及支持现有和未来的各种服务机会以进一步扩大产品差异化优势而言至关重要。

从我的角度来看,这些要求表明任何富有竞争力的解决方案都必须具备以下特点,在作为可嵌入的 IP 时,具有强大的硬件加速选项和重要的软件可配置性:

对于 Open RAN 的实施,提供全方位 Open RAN 支持

在基站中,支持宏 DU、虚拟 DU 以及小基站功能。

在无线电中,支持 Open RAN 低 PHY、大规模多输入多输出和波束成形

对于 UE 来说,基带平台含调制解调器,支持全系列 5G eMBB、URLLC、Sidelink 及 RedCap 使用案例,适用于毫米波和 6 GHz 以下频率,以及传统的 LTE 和 Cat 1 技术。

此嵌入式 IP 还应提供支持高端使用案例(如 V2X 汽车应用)以及低利润、超低功耗使用案例(如农业监控设备)的配置。

除了这些使用案例外,随着 3GPP 定义逐渐标准化,解决方案还必须具备显著的软件灵活性,以便能够发展软件定义的无线电算法。

CEVA 在提供广泛的无线平台方面拥有丰富经验,特别是依靠我们的 Open RAN 平台在已经得到验证的 5G 蜂窝选项方面,以及使用 5G 调制解调器平台构建基带应用而言。我们正在密切关注这一领域,并很乐意与大家分享我们的想法。

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