5G衛星：當5G毫米波通信遇見Ka高通量衛星

遇見將是一次美麗的邂逅......

2017年6月21號巴黎航展傳來的消息，歐空局通訊部主管Magali Vaissiere 和來自16家衛星運營商、服務商及製造商的代表簽署了一份關於「5G衛星」計劃的聯合聲明，旨在開發和利用衛星在5G環境下的價值。歐空局局長Jan Woerner也出席了這次活動，這其中空客防務與空間公司起了不小的作用。一直以來，地面通信技術從2G發展到4G，從僅僅滿足於語音通話到能觀看實時直播的視頻節目。以蜂窩基站為主的地面電信網路可以說已經深入到了我們每一個人的生活中。而衛星通信作為一種現代通信手段卻走了另外一條道路。它高昂的通信成本對普通老百姓來說是束之高閣，成為少部分人和企業的專利。原本有天地差異的兩種通訊形式到底有沒有共同的需求，這就好比天地之間那一條時近時遠卻又美麗無比的地平線或者天際線，如果沒有看錯，它的交匯點的時間將會定格在2020年，今天你我所做事情的意義就在於當它真的來臨時有資格可以動手畫上一筆，添上一彩，這距離世域公司和空客組建中歐聯合小組推動TDD方案作為5G衛星唯一標準剛剛過去半年。

1、通訊頻率的重合

放眼望去，現在的地面通信技術正在朝什麼方向發展？隨著通信技術的進步，我們對通信速率的要求越來越高，以毫米波通信為主的技術趨勢正在滿足人們對高速率通信的需求，隨著24Ghz以上頻譜逐漸被地面運營商使用，全面普及5G的時代已經不遠了。有個很有趣的現象，24Ghz以上頻率原本就是留給衛星通信使用的，在衛星通信業內我們把這個附近頻率稱之為Ka波段。在4G時代，我們由於頻率原因，沒有需求讓地面通信網路接受並傳輸毫米波。鑒於大量低成本的終端設備的投入，技術上也沒用需求去發展可用於毫米波通信的多天線技術。然而正是今天，地面通信已經開始使用毫米波的頻段，這恰好跟衛星通信的頻段重合了。衛星通信之所以昂貴，不利於普及跟其運營建設成本和終端成本是分不開的，它由於用戶數量及其的小，所有無法效仿地面通信那種以量終端的生產積累來彌補單位成本的高昂投入。如果我們換個角度去思考，如果這兩者需求重合了，普通手機終端開始有需求使用多天線技術甚至是原本高昂的晶圓級別的電子相控陣技術，而衛星通信原本高昂的建設和終端使用成本可以通過規模化的生產的平攤。於是這導致了兩者的融合，這也是所謂的天地一體化。

那麼實現這樣的天地一體化，除了頻率的重合，還有哪些地方最終會逐漸的融合呢？

2、「空中的基站」

首先整個終端硬體的高度融合，甚至在進行過特殊處理以後可以直接使用地面網的基帶晶元體系。傳統製造流程中我們開發的衛星硬體本身無論如何跟地面計算機晶元技術對比是有巨大差距的，如今人手一個的手機其運算能力早已超越了5年前的筆記本的運算能力。對於衛星來說，很多新的半導體技術無法在衛星上得以應用，我們需要為它單獨開發一套系統，這套系統往往在研發定型之後很多年都不會有升級或修改。眾所周知，傳統地面終端最大的一個優勢就是更新換代的周期短，技術普及的速度很快。如果衛星製造產業引入了傳統手裡製造業高度集成化，快速迭代的特點，那麼以後每一次發射後的衛星群都是建立在上一代衛星基礎上的升級版。甚至於我們還能引入智能製造中軟體部分在線升級的特點，讓衛星在太空中就能實現對其自身軟體系統的升級和改造，可以說在很大程度上提高了衛星星座的性價比，降低了建設風險。

3、天線技術的重合

星載相控陣天線與基站的相控陣天線以及平板電掃描天線與手機的Massive MIMO大規模天線技術的重合（當然這裡我們以基片襯底集成陣列天線為例子）。衛星通訊要實現在低軌傳輸毫米波，並使得到達地面的波束擁有更高的增益，就必須使用相控陣技術，通過點波束的方式集中能量，降低在大氣傳輸過程中的損耗。而對於地面終端，無論是平板電掃陣還是多天線MIMO其實都是對相控陣天線原理的使用。地面終端通過頻譜復用和多波束合成，使得無論是接受地網傳輸的毫米波還是衛星高考傳輸的毫米波都成為一種可能。由於都需要在較小的空間內集成較多的發射天線，已較小的功率實現多波束的覆蓋，兩者在此之前無論如何也不能想像有一天其射頻晶元都採用了昂貴的GAN氮化鎵工藝，而今天這項技術將逐漸在消費電子領域普及。

5G新型編碼技術對衛星通訊效率的提升。衛星通訊一般都採用轉發器模式，就是所謂的透明轉發，其本身並不對信號進行處理，無論是信源編碼還是信道編碼，跟最近5G大會以華為公司為主導的企業主推的Polar Code方案（5G控制信道eMBB場景編碼方案），以及以高通為代表的企業提出的LDPC（碼數據信道的上行和下行短碼方案)相比還是明顯差距的。一旦衛星本身使用了5g的基帶晶元，一旦連衛星的信號編碼體制都跟5G高度一致，可支持早期5G新空口功能，支持包括新型多址、新波形、編碼調製、多頻段支持等關鍵技術。這就導致了衛星和基站傳下來的信號沒有本質上的差異，這就好比你家的路由器被放置在天上而已，天網從此成為地網的一種補充和擴展。當然很多人提到衛星通訊是否能在信道模型方面做到跟地面一致，畢竟衛星跟地面基站比一個高度高，一個在不斷移動，對波束切換，管控，多普勒效應都提出了考驗，尤其是未來5G網路將普遍使用SDN技術，衛星通信網是否能使用這種架構也是問題。對此我們認為，如今要讓5G天地一體化走到什麼程度，需要的是推動，不排除IMT2020和3GPP在最終定方案的時候把衛星的因素考慮進標準中，當然如果不行，我們亦可以在最大程度上共用地面通訊協議的同時做兩套協議方案，讓智能終端在切換天地波束的時候也使用這兩套協議，本身都是對tcp/ip的兼容。

唯有建立在這種模式上的高通量寬頻衛星星座方案才能實現真正意義上的天地一體化融合，才能真正意義擁有海量的用戶市場，才能在高度競爭的年代屹立不倒。