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将基站搬到天上卫星组网,马斯克已进行多时!

2021-05-11 15:25
科学文化人
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在2020年,当5G网络开始在全球相继部署时,6G已经悄悄地开始了。

ITU-R WP5D工作组于2020年在瑞士日内瓦召开会议,启动面向2030年及未来6G的研究工作,开展未来技术愿景建议报告撰写。

在2019年的3月25日,IEEE赞助的全球第一届6G无线峰会在芬兰召开,探讨实现6G愿景需要应对的理论与实践挑战。

欧盟早在2017年,便发起第6代移动通信(6G)技术研发项目征询,启动为期三年的6G基础技术研究,主要集中于下一代前向纠错编码技术、高级信道编码以及信道调制技术。

美国由于在5G上因频谱问题导致通信设备部署困难,但有三星、爱立信等设备商加持,在低频段部分授权以及在太赫兹频段积累的技术优势,5G网络正在快速部署。与此同时,6G技术预研工作正在纽约大学、加州大学等开展,并且,Space-X、Oneweb、Amazon等巨头纷纷推出卫星互联网计划,作为6G潜在赋能技术占据有利位置。

将基站搬到天上,通过卫星进行组网,马斯克已经进行多时了。

卫星通信在无线世界中扮演着至关重要的角色,因为它能够向更广泛的地理区域广播电信服务,并向人口稀少的偏远地区提供宽带连接,地面通信基础设施通常无法访问或服务不足。在当今信息时代,卫星通信技术通过促进农村社区和发展中国家的经济和社会发展,在弥合数字鸿沟方面发挥了重要作用。

虽然陆地无线世界在容量和覆盖范围方面取得了一些进展,但卫星通信是在航空、海事、军事、救援和救灾等广泛领域提供电信服务的唯一可行选择。此外,对高清晰度电视、交互式多媒体业务、宽带互联网接入等新兴应用的需求迅速增长,对卫星通信系统的需求也在不断增长。更重要的是,为了满足消费者期望的无缝访问任何电信服务随时随地包括场景,比如邮轮旅行,飞机和高速列车,卫星应该成为第五代通信 (5G)及其以后无线架构的一个重要组成部分。

5G及以后的无线通信预计将支持大量具有不同服务质量(QoS)要求的智能设备、连接传感器和大型机器类型通信(MTC)设备。在这个方向上,5G无线系统预计将提供比目前4G系统增加1000倍的容量、10 100倍的终端用户数据速率、5倍的低延迟、10倍的低功耗设备能效,并支持10~100倍的连接设备数量。此外,各种新兴的无线系统,如宽带系统、物联网(IoT)和MTC系统,预计将与传统网络集成,以利用已经部署的技术,如2G、3G、长期演进(LTE)、LTE-advanced、Wi-Fi和卫星。

然而,在满足异构服务需求方面(包括可实现的覆盖范围、数据速率、延迟、可靠性和能源消耗)以及向终端用户提供融合无线解决方案方面存在若干挑战。未来的无线网络主要需要在广泛的新兴应用场景中提供随时随地、任何设备的连接,例如工业自动化、联网汽车、电子医疗、智慧城市、智能家居、智能电网、移动通信和火车、飞机和无人机等高速平台。

在5G无线时代,卫星通信解决方案可以补充所有地理区域的地面通信解决方案,包括农村/遥不可及地区和城市/郊区,为终端用户提供电信服务。由于成本和实施问题,很难部署有线回程(如铜线和光纤),卫星回程成为向具有地理挑战性的地区提供电信服务的理想解决方案。与地面回程相比,卫星回程不仅可以降低基础设施成本,而且可以作为地面回程链路发生故障时的备份解决方案,或者在有高流量需求的地点/事件中实现负载均衡。此外,在许多针对5G和其他系统的应用中,如分布式物联网/MTC网络、内容分发网络(CDN)和高度分布式的中小型网络,卫星网络比只针对地面的解决方案更适合。

因此,卫星通信可以被视为支持5G生态系统向高可靠和安全的全球网络扩展的重要手段。随着ku波段、ka波段、超高频(EHF)波段和自由空间光学技术的发展,高通量卫星(HTS)系统进入了新时代。这些高温高压系统预计将显著降低下一代卫星系统和卫星-地面综合系统的通信成本。

然而,新兴的HTS系统和非地球静止(NGSO)星座面临的主要挑战是从架构的角度集成卫星和地面系统,从而使卫星通信系统成为接入网的活跃部分,而不是5G及其后系统的另一个透明的反向介质。在这方面,采用软件定义的网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)实现卫星-地面无缝集成的概念正在出现。这些基于SDN和NFV的解决方案将彻底改变现有的基于硬件的系统设计和实现,向完全的软件化转变,从而使5G生态系统的灵活和自适应实现,以满足终端用户的多样化QoS需求。

卫星系统在满足一些应用(如触觉互联网)的延迟要求方面面临挑战,同时还面临其他挑战,如在密集地区提高可靠性、效率、覆盖范围和降低成本。对于地球静止卫星(GSO)来说尤其如此,而NGSO卫星星座在延迟方面的位置要优越得多。

另一方面,地面无线可以为室内和地面移动用户提供低延迟的连接,但在稀疏或间歇性地区具有经济上的挑战。在这个方向上,移动、固定和广播系统的融合以及卫星网络与地面系统共存的可能性是未来有希望的方向之一。为了实现这种融合,卫星通信可以通过混合和集成的星-地模式在构建异构架构方面发挥关键作用。卫星的参与使涉及传感器和M2M连接的物联网在广泛领域的部署成为可能。为了实现万物互联,提供精确的定位和上下文能力是一个至关重要的方面,可以通过卫星和蜂窝定位系统的结合来实现。卫星通信与蜂窝通信的结合将使紧急和灾害应用的可用性更好。例如,可以考虑在无人机监视应用中利用卫星实时传输高清视频。此外,在运输部门、安全服务和车辆对车辆的应用中,对卫星传送的兴趣也越来越大。

上述明确强调了在5G和无线架构之外整合卫星的必要性,以实现5G社会的目标,实现更多的融合。在5G生态系统中,将卫星和地面技术以混合/集成网络的形式结合在同一个平台上,是实现互利共赢的一个有前景的方式。

然而,除s波段外,卫星系统大多以覆盖方式使用,而不是以集成形式使用。此外,由于对广播、多媒体和交互式服务的需求不断增加,以及可用的卫星频谱的缺乏,提高频谱效率和系统总吞吐量已经成为未来卫星通信系统的一个重要问题。

尽管卫星通信系统已经从传统的单波束卫星转向了多波束平台,而且与传统的四色复用方法相比,新兴的全频率复用概念可以提供显著的容量增益,同信道干扰问题需要借助先进的预编码和多用户检测方案来解决。

此外,随着同信道卫星(GSO和NGSO)以及其他同信道地面系统数量的增加,处理系统间干扰成为另一个问题。在这方面,研究合适的频谱共享、资源分配和抗干扰技术已经成为实现下一代T bit/s卫星通信系统的关键。

在上述诸多好处和卫星通信在5G系统中的作用以及相关挑战的驱动下,一些学术机构、监管机构和行业正在大力研究新的星地综合解决方案和下一代卫星通信技术/架构。

主要是几种实现技术和架构,如通过星地混合回程实现流量卸载,通过卫星辅助的CDN网络提供高分辨率内容,先进的卫星星座网络,如低地球轨道(LEO)巨型星座,中等地球轨道(MEO)星座和多层LEO/MEO卫星网络,T bit/s级的极高温超导系统,波束跳频卫星系统,星载信号处理,通过卫星的物联网,软件定义的有效载荷,相关研究领域正在研究基于SDN和NFV的星地综合网络。

此外,在动态频谱共享、认知与合作卫星通信、资源分配、高级干扰缓解技术、多波束联合处理、多用户探测、高级预编码技术、智能天线设计等领域正在开展活动,卫星/空间-地面光链路和利用高频段(Q/V/W/光)作为网关连接。

近年来,美国的Space X公司大力推进星链计划 Starlink。 Space X计划在2019年至2027年间在太空搭建由约4.2万颗卫星组成的“星链”网络提供高速宽带互联网服务。

5月9日,SpaceX执行了StarLink-26任务,用芯级编号B1051的猎鹰9火箭将第27批60颗星链卫星送入轨道。截至目前,在轨星链卫星已达1625颗。

Starlink目前正在美国和国际上提供初始测试版服务,在不同地区位置的数据速率在50Mb/s到150Mb/s不等,延时在20ms至40ms不等,当然也存在根本连接不上的情况。

不得不说,马斯克的这一宏大计划,通过可重复利用的“猎鹰9号”火箭,将一批批星链卫星送入轨道,大大降低卫星发射成本,锚定下一代高速宽带互联网,并能为全球每个角落提供服务,不能不引起各界的高度重视。卫星互联网时代,也许就在这5年内开启。

轨道就是资源,犹如频谱一样珍贵,先到先得,再不出手,就来不及了。6G,不仅仅比5G多1G。

能否直面挑战,需要业界共同努力。

参考:

1.赵军辉,李一博,王海明,等.6G定位的潜力与挑战.

2.Shree Krishna Sharma, Symeon Chatzinotas and Pantelis-Daniel Arapoglou.Satellite Communications in the 5G Era

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