5G信号通过卫星实现全球覆盖？

人们最近正在大力建设近地轨道（LEO — low-earth orbit）卫星作为5G基站，直接与5G手机通信。这个方案在技术上可行吗？如果可行，企业和政府能否解决由此带来的复杂的商业和监管问题？

想象一下，5G手机现在已经可以覆盖全球所有区域。在城市、农村、荒原、在飞机、海上……这一愿景其实包含在国际无线标准机构3GPP最近发布的第16版中。这也是5G技术供应商和卫星通信供应商之间加速研究和竞争的主题。

这是一个关于两个世界融合的故事。一个是规模庞大、仍在发展的5G电信世界；另一个是精英化的、与世隔绝的卫星通信世界。每个世界都有自己独立而复杂的技术，也都有自己的商业模式和监管环境。如果一切顺利，标准的5G手机将与LEO卫星上的5G基站直接交互，3GPP称之为非地面网络（NTN — nonterrestrial networks）。

如果一切不顺利，两种世界的融合将会变成一场灾难。

永远连接

对于用户来说，NTN的好处是显而易见的，即永远不会超出手机服务范围，永远不必支付漫游费，永远不必购买卫星电话套餐。你将永远处于数百或数千颗LEO卫星的庇护之下，每颗卫星都充当着5G基站的飞行集群。对于工业或IoT用户来说，也很有用处。例如，无论你的设备安装或使用在地球上的任何地方，都不必担心联网问题。

对于服务商来说，他们可以进入服务不足的地区，如农场、偏远村庄或荒野，这些地方没什么基站。服务商可以反击那些采用飞机、气球或私有LEO卫星的新互联网服务商。5G运营商还可以使用NTN作为因灾难事件而中断的地面服务的紧急替代方案。

他们甚至可以直接从卫星向大片地区播放内容。

运行原理

NTN基本的想法很简单。你的手机会像现在一样与5G基站交互。但部分或所有基站不是在附近的发射塔上，而是在LEO卫星上。这并不是什么概念上的飞跃。现在，如果你打开手机定位服务，手机就会不断地从另一个LEO卫星群接收数据（GPS或其他GNSS）。

不同的是，手机不会向GPS卫星发送数据，它只接收数据。所以卫星不需要探测你的手机。与固定的基站不同，卫星上的基站会以每小时17000英里的速度快速移动，所以你会不断地从一个卫星转移到另一个卫星。这里面就有一些问题值得研究了。

技术挑战

第一个问题是，如果不把手机天线的尺寸做大是否可行。

最大的问题是，手机里的那块非常迷你的5G NR（5G New Radio）能否将信号传输到LEO卫星。毕竟，手机的5G NR在设计时就考虑到了能效，与埋在超薄外壳中的天线工作，并与5km外的基站连接，而不是500km外的卫星。

因此，我们有理由怀疑天线尺寸的问题。

令人惊讶的是，在这一点上，答案似乎是肯定的，它可以通信。爱立信技术战略总监Per Synnergren解释说，理论上，目前的手机应该与卫星基站兼容。“我们相信，我们应该能够创造出与第一代3G系统相当的数据服务。也就是说，上行速率约为1mbps，下行速率为10-15mbps。现在我们正在进行的测试将确切地告诉我们这是否可能。到目前为止，我们还没有看到任何与此完全相反的情况。”

要获得最好的连接可能需要对现有的手机天线设计进行一些调整，Synnergren补充道。电池的耗电量会比大多数地面5G连接略高。但值得注意的是，考虑到涉及的物理规模，这种连接似乎是可以实现的。

许多实际因素有助于这项工作的可行性。其中之一是，5G NR的设计已经可以处理非常困难的条件，包括在大型、拥挤的地面基站中，信号强度差和多路径。另一个假设是，NTN可以拥有自己的一段频谱，不受地面5G网络或外部信号源的干扰。

没有太多的噪声裕度，所以任何干扰都是一个问题。

第三个因素与卫星天线技术有关。Synnergren解释说：“开发的一个重要部分是卫星天线。使用的基本技术并不新鲜，但应用是新的。在这种情况下，我们讨论的是太空中真正大型的相控阵天线，它有数千个天线元件，每颗卫星可以产生数百个波束。在我们的案例中，这种天线应该能够在两个不同的频段工作。这种天线是卫星行业的专长，我们看到一些不同的公司正在开发类似的解决方案。值得注意的是SpaceX与T-Mobile的合作。”

移动的问题

除了从卫星接收信号外，还有其他挑战。Synnergren提出的一系列关键问题与卫星的运动有关。

首先，卫星总是在天空中运动。因此，如果手机需要使用波束成形将其传输能量集中到卫星上（这几乎是肯定的），它需要知道相关卫星在任何特定时间的大致位置。也就是说，手机需要一个星历表，或卫星轨迹图，以便计算位置和路线。GPS接收器已经在使用星历表数据，但目的略有不同，所以这对手持设备来说没有什么革命性意义。

其次是多普勒效应。在连接过程中，卫星沿着轨道以约8km/s的速度狂奔尖叫。这一运动将导致手机和卫星之间信号的频率上下波动，就像消防车疾驰而过时警报器的音调变化一样。但今天的5G NR被设计成锁定一个频率并保持在那里，而不是跟踪移动的频率。所以，这也许就需要进行一些重新设计。

最后一个与速度相关的问题是，手机在基站之间的切换速度。在地面网络中，通常只有当你跨越区域边界，或当某些障碍导致信号质量严重下降时，你才会从一个基站转移到另一个基站。由于手机发射塔之间可能相隔数公里，即使你在行驶中的车辆，也不会经常发生信号交换。

但对于NTN，卫星上那些巨大的天线阵列所定义的单元相对较小，而且它们不断地扫过地球表面。一个固定的手机可能只在一个特定的单元里停留6-7秒。这意味着，手机、基站和核心网络连接到新基站所必须相当频繁，每隔几秒钟就必须完成一次（而且不能打断你看的流媒体视频）。

除了卫星的运动之外，还有传播延迟的问题。地面5G网络的目标是在向基站发送信息和接收回复之间的往返延迟为1ms。两端无线电控制部分的关键定时器的数量取决于这个数字。但是无线电波从地面传播到LEO卫星需要30-50毫秒。

这样的延迟至少需要重写一些控制固件，或许还需要对协议进行更深入的反思，而且它们可能会让网络游戏等服务完全无法启动。对于5G为IoT设备提供的最小延迟服务来说，这个问题将最为严重。某些类型的控制系统可能根本无法容忍这些长时间的延迟，可能必须重新设计，使用更多的本地处理。

这是真的吗？能否在对目前5G手机设计无需进行大修改的情况下，解决这些问题？

爱立信的Synnergren谨慎地表示，目前正在进行的测试正是为了回答这个问题。但他说，到目前为止，无论是建模还是测试都没有发现任何令人头疼的问题。

商业与监管

如果说技术挑战看起来是可控的，那么商业和监管问题就不那么清晰了。商业模式就是一个典型例子。真的有足够多的人希望全球5G覆盖形成一个庞大的用户池吗？除了少数环球旅行的高收入人群、军事人员和富有的冒险家，它的定价能吸引普通用户吗？

那些真正需要这项服务却得不到良好服务的人负担得起吗？卫星的发射和维护费用都需要用户来分摊，而且目前还不清楚这些卫星在5G订阅之外是否会有任何额外的收入来源。

此外，有能力支付优质服务的潜在用户会满足于早期的3G服务水平吗？我们这里说的可不是高清电影或联网游戏，而是基本的数据服务。这是另一个尚未确定的问题，这个问题可能需要大量的市场调查，就像技术问题需要大量的工程研究一样。

然后是法律。从监管层面来说，究竟谁有权管理某个特定的基站？某个国际管理机构吗？服务商或卫星供应商的备案所在地？该基站目前正在哪个国家移动？这个问题包含了很多问题，而且都很重要。

今天，每个国家都可以控制自己的频谱分配。因此，当基站产生的区域跨越国界时，就必须切换频率。在国家之间不规则的边界上进行干净的切换可能相当困难，这导致卫星在该国家未经授权使用的频段内进行一些传输。有些国家可能不愿意或无法提供卫星服务所需的清晰频谱，无法从噪音中提取那些微小的手机信号。

除了物理上的考虑，许多国家正在对其边界内的数据通信进行越来越多的控制（特别是像互联网接入、VPN的使用和数据隐私）。当标准5G手机和另一个国家控制的卫星直接连接时，一个国家将如何监管互联网接入？

为此，一些国家以国家安全为由，禁止某些供应商在本国境内供应设备。这会如何影响卫星服务？数据隐私又会如何呢？如果一个用户将个人数据从手机发送到另一个国家的云数据中心，这些数据将至少短暂地驻留在一个超出本国管辖范围的卫星上。

NTN提出了一个诱人的想法，即扩大5G服务的覆盖范围，并让地面通信服务商分一杯羹。爱立信等技术开发商、通信和卫星设备制造商以及T-Mobile和SpaceX等服务商正在进行的研究，应该很快就能让我们了解技术可行性和相应的成本。

但这可能只是打开了一个潘多拉盒子，里面有非常复杂的商业和监管问题，可能需要更长的时间来解决，同时也会增加对NTN任何重大投资的风险。在这个机会中，成为先行者和承担无法量化的风险之间的平衡是非常微妙的。

5G NTN的前景是诱人的。尽管技术上的挑战非常大，似乎是可控的。但商业模式、监管和安全方面的问题可能会非常棘手。

审核编辑 ：李倩