dede网站地图html,wordpress段落缩进,强比网站建设,英文版wordpress改中文手机#xff0c;已经串联起了我们生活中的一切环节。我们随时随地拿出手机#xff0c;都能畅快地上网。
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我们都知道#xff0c;地球虽叫…手机已经串联起了我们生活中的一切环节。我们随时随地拿出手机都能畅快地上网。
这一切是如此地理所当然以至于我们甚至想不到这样不可思议的问题
移动通信网络真的无处不在吗
我们都知道地球虽叫“地”球但实际上是一个不折不扣的水球陆地面积只占29%海洋面积占到了71%。
就这么点陆地面积移动通信网络也仅仅覆盖了20%相比之下海洋的网络覆盖率就更低了只有5%。
总体算下来移动通信网络只覆盖了全球不到10%的面积 全球GSM网络覆盖
海洋里住不了人没有覆盖很好理解陆地上的覆盖率为什么这么低呢看下面这张图就明白了。 全球人口密度
原来陆地上适合人居住的地方本就不多。移动通信网络没有覆盖到的地方大多都是沙漠丛林冰原等人迹罕至的地方。
在这种地方建地面基站纯属亏本买卖自然就成了信号的盲区。
可是海洋上有各种各样的船只要上网陆地上人迹罕至的地区也不是完全没人去。这些被遗忘的边缘地带的通信需求该如何满足
此外洪水、地震、海啸等自然灾害往往导致断电、断网、断路使救援工作困难重重。
在此等危急时刻如何打通救援的生命线
上述问题的本质是怎样建设一张覆盖全球不受地面环境限制的通信网络
于是人们把目光投向了天空期望通信基站像星光和月光一样不管底下的大地是繁华还是贫瘠是平原还是戈壁都能把信号毫无偏见地洒满大地。
这样的方案还真有就是“卫星通信”。 卫星通信如何实现
虽然我们口头上经常把仰头所能看到的外部世界叫做“天空”但实际上“天”和“空”的概念是截然不同的。
“空”指的是地球表面到大气层之内的高度范围通过气球、飞机、飞艇等航空器可达而大气层之外的空间才可以称之为“天”一般需要通过火箭才可到达。 “空”和“天”一般以海拔100千米为界也被称作“卡门线”。这是由美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门通过研究航空器的极限飞行高度得出的。也就是说地球大气层的极限为100千米再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。
能实现“上天”的通信载体就是各式各样的通信卫星。它们无时无刻不在我们头上游弋既熟悉又陌生。
卫星轨道的高低一般分为低轨、中轨、地球静止轨道和高轨。 低轨Low Earth OrbitLEO距地面高度低于2000千米的卫星系统。由于低轨道卫星离地球近有着路径损耗小传输时延低一般小于10毫秒的特点。
随着发射成本的逐年降低多个LEO卫星可组成星座来实现真正的全球覆盖频率复用更有效。因此LEO 系统被认为是最有应用前景的卫星互联网技术。
中轨Medium Earth orbitMEO距地面高度2000km~35786Km传输时延一般小于50毫秒要大于低轨道卫星但覆盖范围也更大。当轨道高度为10000Km时每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%因而只要少量卫星就可以覆盖全球。
地球静止轨道Geostationary Earth OrbitGEO距地面高度35786km即同步静止轨道。也就是说GEO卫星运动的角速度和地球自转相同因此从地球上看这些卫星是相对静止的。
理论上用三颗地球静止轨道卫星即可以实现全球覆盖。但是同步卫星有一个不可避免的缺点就是轨道离地球太远链路损耗严重信号传播时延一般为250毫秒以上远大于LEO和MEO。 高轨High Earth OrbitsHEO距地面高度大于35786km。此外还有椭圆轨道等相比于前面几种这些技术的应用较少在此不再赘述。
这些不同轨道的距离尺度以数字的形式来看感受不明显从下图可以看出中轨和高轨以地球同步静止轨道为分界线它们高度范围是非常宽广的。相比之下低轨则离地面非常近可容纳的卫星自然就少得多。 根据赛迪顾问研究报告数据地球近地轨道可容纳约6万颗卫星。据预测到2029年地球近地轨道将部署总计5.7万颗低轨卫星。
目前单单一个SpaceX的星链就已经规划了4.2万颗卫星。这么稀缺的资源你不抢有的是人抢。因此随着卫星互联网的发展低轨卫星的建设已炙手可热。 要采用卫星来实现远距离无线通信频谱资源也是至关重要的。
随着容量的需求卫星通信使用的频段从中频L、S波段到Ku、Ka再到毫米波一路向上频率越来越高带宽也越来越大。 卫星通信频段和空间轨道资源一样都属于“不可再生资源”国际原则是“先登先占”的使用模式。目前低轨卫星的主要通信频段Ku 和 Ka已趋于饱和。 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。 卫星系统架构来源Starlink
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ISLInter-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我们常说的“锅”、信号处理并提供网络接入能力的设备如路由器等、接入网络的终端手机、电脑等。 农村数字连接中心来源Starlink
从上图可以看出在有线网络和无线网络均没有覆盖的地方要实现低成本的上网只需在房顶上安装卫星天线连接室内的路由器即可实现电脑、笔记本、手机等终端共同上网。
如果想在野外随时随地上网Starlink的方案依然是携带小尺寸的电子相控阵天线和路由器。
标准尺寸的天线功耗为50~75瓦路由器也需供电因此车载电源是必不可少的。看上图一人在静谧的星空下独享卫星高速网络好不惬意。 Starlink 的用户终端来源维基百科
如果你仅仅是在紧急情况下有语音通信需求想要甩掉笨重的天线轻装上阵那么你就需要一部专用的便携式卫星电话。
卫星电话长什么样呢
下图是美国2022年销量最好的三款卫星电话支持Inmarsat国际海事卫星或者Iridium铱星这两种主流的卫星通信系统。 乍一看这初号机的造型、9 宫格按键、又粗又大又长的天线莫非是穿越到了20年前
再看价格好家伙就支持些打电话、发短信、GPS、紧急呼叫等我们看来2G手机自诞生起就支持的功能竟然卖到了接近1600美元约等于人民币一万多。
我们再来看看国内的卫星通信系统和卫星电话是什么样的。
2020年1月10日我国自主建设的第一个卫星移动通信系统——天通系统正式面向全社会提供服务由中国电信运营。
天通一号01卫星可以提供速率为1.2 kbps的语音业务和最大384 kbps的数据通信业务。虽然容量比较低但提供应急通信服务还是可以的。 2022年5月17日电信推出“天地翼卡”宣称用户不用换SIM卡也不用换手机号就能打卫星电话永不失联如果能收到地面基站的信号4G和5G网络也能正常用。
虽说不用换卡换号但手机却是必须要换的。蜉蝣君在某购物平台搜了下支持天通系统的手机型号还是不少的价格从几千到上万的都有旗舰机确实可以支持5G。
下图是电信2020年主推的一款可支持4G和天通卫星的手机。看起来颜值是比传统的卫星电话高了些但价格也确实是贵。 这其中的原因一是卫星电话的定位并不是给普通人用的消费品而是专门给野外、远洋工作者使用的工业品需要在恶劣的环境下稳定工作成本确实也比较高二是卫星通信产业的用户比较少系统和终端成本都难以摊薄。
我们从下面的产品介绍中就可以窥见其中端倪。 至于资费那就更能看出卫星电话的定位了100元60分钟通话短信0.4元一条300元20M流量。
这价格也确实只能在十万火急的时候满足最关键的通信需求。 由此看来卫星通信和我们的日常生活之间的鸿沟无疑是巨大的使用场景少手机不好用资费还很贵。 5G和卫星通信的融合
那么卫星手机是否有走进消费领域的希望呢
今年华为推出了支持北斗卫星短报文的Mate 50旗舰机苹果也跟Globalstar全球星合作推出了支持卫星求救的iPhone14。这两款产品揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。
据悉华为Mate 50可以通过北斗卫星给个人定向发送文字、位置、轨迹图等信息但内容会被审核只有跟救援相关的信息才能被发送而且收不到回复。
iPhone14可以发布的内容也是预设的求救信号且自带定位坐标但不能定向发给个人消息会统一发送至公立或付费的救援机构但能收到救援机构的回复。
由此可见目前在消费领域手机上的卫星通信和地面的4G、5G网络还是两套独立的系统技术上并没有进行融合且卫星仅定位于应急通信这一点跟传统的卫星电话并没有本质的差别。
甚至由于技术上的限制华为和苹果的这两款手机连卫星电话都还打不了。
那么我们能否更进一步让这两套系统融合起来卫星直接发送5G信号 这样一来我们可能连手机都不用换在荒郊野岭就直接能通过卫星来连上5G了
答案是肯定的。且Starlink在这方面已经走出了第一步。
今年8月25日SpaceX宣布和T-Mobile将达成频谱共享新一代的Starlink V2卫星将通过1.9GHz来向现网的手机提供服务。
现网的手机可不像专用的卫星电话一样有硕大的天线发射功率也被协议定在了很低的水平一般是0.2瓦。因此要达成目标只能在卫星上下功夫。
Starlink V2卫星对信号接收能力进行了增强将卫星天线加长到7米面板增加到25平米通信性能达到上一代V1的10倍。
这样一来现网已有的手机终于可以直连卫星上5G了预计吞吐率可达2~4Mbps。
这速率虽说跟通常意义上5G动辄几百兆的速率不能相比但支持打电话是不在话下的流畅上网也是可以保证的。
跟地面上的5G网络相比这种飘在天上的5G网络自然就叫做“非地面网络Non-Terrestrial Network”简称作NTN。 广义的NTN包含的范围很广有无人机、地对空通信、高空基站、卫星网络等等。基于卫星的NTN自然是最受关注的重点因此在一般情况下我们说的NTN都是基于卫星的。
下图是3GPP对于NTN技术标准化的进展及计划。可以看出在R15和R165G NTN还处于研究阶段从R17开始5G通过NTN的接入技术已开始了标准化并将在后续版本不断向前推进。 NTN的思路是卫星发射5G信号直接和用户的手机相连地面上再架设信关站作为网关最终连接到5G核心网。 其中卫星和用户之间的链路叫做服务链路Service Link卫星和信关站之间的链路叫做馈电链路Feeder Link卫星之间的链路叫做星间链路Inter-Satellite LinkISL。
在目前的NTN相关协议中定义了两种实现架构分别是“透明载荷”和“可再生载荷”。
所谓“透明载荷”也称作透明转发实际上把卫星仅当作信号中继的链路。5G基站作为地面网络的一部分部署在信关站的后面。卫星不关注基站发了什么对信号也不做任何处理只要流畅地把手机和信关站连起来就好。 透明载荷架构可以利用已有卫星技术上实现起来较为容易成本也低但卫星和基站之间的路径长时延大不支持星间协作需部署大量信关站。
可再生载荷又称作基站上星相当于把5G基站部署在了卫星上。卫星和卫星之间的星间链路就跟地面基站之间的Xn接口一样卫星和信关站之间的馈电链路实际就是基站跟核心网之间回传网络的一部分。 可再生载荷这种架构必须改造并新发射卫星技术复杂成本高。优点是手机和卫星基站之间的时延短且由于有星间链路的存在信关站可以少部署一些。
在这两种架构的基础上要实现5G NTN本质上是将卫星通信和地面蜂窝通信这两种原本泾渭分明的系统进行融合。
然而蜂窝通信协议从2G、3G、4G再到5G针对地面网络的场景这么一路演进过来要和卫星通信相融合的挑战是巨大的协议上要进行大量的更新。
1、高传输时延。GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上针对透明转发卫星如此高的时延将极大地影响基站和手机间交互的时效性特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。
在这么高的时延下很可能系统的定时器早都超时重启了信令还没送达。因此需要对相关协议流程进行改进或者重新设计。 2、多普勒频移。由于非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动的这会导致严重的多普勒频移。
地面5G系统在一般场景下要处理的频偏是非常小的即使是在高铁等特殊场景也仅需考虑数千赫兹的频偏补偿。 然而对于低轨卫星系统不但需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移还有数十微秒的定时漂移。这些对于5G NTN系统的设计是一个巨大的挑战。
3、超大小区半径。地面蜂窝网络小区一般就几百米到几千米超远覆盖也就到一百多千米而NTN小区的覆盖范围要大得多LEO波束可达1000千米GEO波束可达3500千米。
因此卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显对系统定时同步也会带来一定的影响。5G是同步通信系统因此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。 4、移动性管理。由于非地球同步轨道卫星相对用户是高速运动的这会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。
一方面在移动性管理决策中需要将小区的移动状态信息等纳入考量避免不必要的切换或重选另一方面可进一步利用小区的移动状态信息进行预先的小区或波束切换减少信令交互开销。 这些技术上的挑战固然棘手但没关系只要有需求只要市场在随着各路专家的不懈努力技术总会找到出路。 未来之路的期许
就在2022年我们已经看到了业界一个个坚实的脚步。
6月21日紫光展锐宣布其已联合北京鹏鹄物宇完成全球首个基于 R17 IoT-NTN 标准的 5G卫星物联网上星实测。
7月11日爱立信、高通及法国航空航天公司泰雷兹联合完成“5G手机直连LEO卫星”的研究并将在LEO轨道卫星网络上部署5G进行测试。
7月28日诺基亚和AST SpaceMobile达成五年协议将建设一张4G、5G手机可访问的天基移动宽带网络。预计将采用透明载荷架构诺基亚主要提供地面基站。
8月17日联发科宣布其已经和罗德施瓦茨公司合作在实验室完成全球首次基于3GPP R17标准的5G NTN的卫星和手机直连测试。实验室模拟的LEO卫星高度为600千米移动速度高达每小时27000千米。
8月26日中国移动、中兴通讯和交通运输通信信息集团等单位合作共同发布全球首个基于3GPP R17的运营商5G NTN技术外场验证成果。本次测试基于GEO卫星ping 64字节时延约4s实现了文字短消息、语音对讲等业务。 可以看出这些计划和测试目前还都处于比较初级的阶段但是却真实不虚地验证了NTN技术架构是可行的这就是从“0”到“1”的突破。
5G NTN正是卫星通信和地面通信融合的产物是一颗希望的种子。
期望在不久的未来我们每一个人的手机都可以在杳无人迹的沙漠荒原在波涛汹涌的茫茫大海在被自然灾害蹂躏下的残破家园都能接收到来自卫星的满格信号。
