网游之血龙通信,就是在两点之间传递信息。说话、烽火、飞鸽传书,都是一种通信(烽火是用 Sub/Pub 模式传输单比特信息的广播通信)。人类通信技术的发展,就是对信息传递的速度、距离、信息量的持续追求。
无线电的发明极大扩展了通信能力,麦克斯韦、赫兹、特斯拉、波波夫、马可尼等先贤开拓了一个新的通信时代。此后电报、电话、广播、电视、雷达、导航、移动互联网,都因无线电技术而产生或扩展。
无线电波是直线传播,要传播的越远,越需要架的更高或更多的天线(当今最高的地面天线是哈利法塔塔尖天线 米)。而最大的问题是,地球是圆的,且有大面积的海洋阻隔,架设地面天线受到了巨大制约。在这样的背景下,人造通信卫星的出现似乎理所当然。
实际上,人类关于人造卫星的构想由来已久。早在 1728 年出版的「自然哲学的数学原理」中,牛顿就论述了卫星绕地球旋转的物理学原理,不过他当时假想的是一颗加农炮发射的炮弹。1869 年,美国作家爱德华·黑尔的科幻小说「砖月亮」中,首次描述了用火箭发射人造卫星甚至空间站的构想。
进入 20 世纪,火箭和人造卫星理论的研究和探讨逐渐成熟。而首次探讨卫星用于全球通信的,是阿瑟·克拉克(对,就是「2001 太空漫游」的那个阿瑟·克拉克),他在 1945 年发表在 Wireless World 杂志上的论文,非常详细的论证了卫星通信的可能性。
卫星通信的原理是将卫星发射到赤道上空36000km处的对地静止轨道上,利用卫星上的通信转发器接收由地面站发射的信号,并对信号进行放大变频后转发给其他地面站,从而完成两个地面站之间的传输。
卫星通信的架构和终端卫星通信系统的组成可以分为三部分:空间段、地面段和用户段。空间段指的主要就是天上的由多颗通信卫星组成的星座,以及卫星之间的通信链路(ISL,Inter-satellite Link,也叫星间链路)。地面段主要包含地球站,也可称作网关,以及业务控制、监控管理、时间注入等辅助部分。地面网络的传输、核心网等网元也可以看作地面段的一部分。用户段指的是接入卫星的终端,主要包含天线、信号处理并提供网络接入能力的设备、接入网络的终端。
卫星通信的特点有:通信范围大,只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信;不易受陆地灾害的影响,可靠性高;只要设置地球站电路即可开通,开通电路迅速;同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通信,具有多址特点;电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;同一信道可用于不同方向或不同区间,支持多址联接。
其实早在上世纪70年代末,卫星就已经被用于资产跟踪和远程遥测等领域,但出于对成本和能效等方面的考量,卫星物联网一直以来都未受到太多重视。如今,在地面物联网跨入“物超人”时代之际,基于卫星的物联网产业也在蓬勃发展当中,成为一些行业和企业的全新选择。
根据瑞典的专业物联网分析公司Berg Insight的最新报告,截止到2021年底,全球卫星物联网用户已经超过390万,而且将以40.3%的复合年增长率(CAGR)持续增长,到2026年时,这一数字将达到2120万。同时,IoT AnalyTIcs也曾预测,到2026年时,全球卫星物联网连接的市场将增长到10亿美元规模,增速也将从几年前7%的CAGR加速到未来几年14%的CAGR。
而随着通信技术的不断发展,基站数量和密度的进一步增加,目前城市区域几乎没有完全失去信号的情况出现,但从更大的范围来看,如今也只有约10%-20%的地球表面覆盖了网络通信,占据陆地面积的50%。目前的网络覆盖对于使用互联网的消费者来说已经足够,但那些身处荒漠、森林、海洋等区域的设备却仍渴求着网络的接入。而农业、海运、石油勘探以及某些公用事业等应用也大多分布在这些区域,这就给卫星物联网产业留下了巨大的机会,是对偏远地区的地面蜂窝和非蜂窝网络提供的有力补充。
目前,在5G相关标准演进以及6G标准研究中,都将空天地一体化网络融合作为重点研究方向,可见卫星物联网未来必将成为物联网发展的一大趋势。早在2020年4月,国家发改委便首次将卫星物联网和5G、工业互联网等一起列入信息基础设施,明确了建设卫星物联网在新一代信息技术演进上的重大战略意义。
在标准的制定方面,NTN(non-terrestrial network,非地面网络)是3GPP在R17阶段制定的基于新空口技术的终端与卫星直接通信的技术,同时也是3GPPR17版本的重要功能,在5G-Advanced中持续演进,已成为3GPP R18工作计划的重要部分。当然,标准的演进也伴随着各种技术指标的不断增强,如频谱效率、移动性、功耗、时延等,卫星物联网通信自然也不例外。对于NTN来说,未来势必也需要使用专用的芯片或模组,这就需要相应的芯片和模组厂商在研发过程中,更加注重技术积累、科研人员投入、新方法和新设备的使用,同时也为各类厂商带来了全新的发展机遇,这也就不难理解为什么各大厂商纷纷在卫星通信领域布局,一方面是顺应通信技术发展的大趋势,另一方面也是提前进行技术积累,占据先期优势,促进行业生态的演进和完善。
根据目前的主流定义,未来的6G技术实际上就是5G的延伸。5G的传输速度已经相当迅速,而6G则比它还要快上百倍,网络的延迟也可能从毫秒降到微秒级。设想中的6G基站将可同时接入数百个甚至数千个无线连接,实现全球无缝覆盖,网络信号能够抵达任何一个偏远的乡村。6G的通信指标将比5G高10-100倍,6G网络不仅具备高速率、大带宽、低延时,还将在传感、成像和定位方面爆发出巨大的能量。
所以在6G的组成中,卫星通信网络也将成为必不可少的一部分,5G+卫星网络,其实就是打造一个将地面无线和卫星通信集成的全连接世界,将传统地面通信与卫星通信的融合,形成“天地互联”的效果,为未来实现6G的空天地海一体化网络的建立打造坚实的根基。各大厂商在卫星通信领域的布局,不仅仅是为了拓展自己的在5G领域的应用,也是为了提前为6G的到来铺路。
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