什么是星地通讯网络？

什么是星地通讯网络？

关于星地通讯网络可能独立研究机构、体系甚至现有产品实现可能有很多，我们就没必要逐一观察和列举了。我们在本篇涉及的星地通讯网络主要还是在3GPP标准化组织范畴内的NTN网络=Non Terrestrial Network，也叫做非地面网络。汽车领域内的朋友对这个“非地面网络”的概念可能比较模糊，小编做个基本解释：

1 PSTN=Public Switched Telephone Network，是最早出现的以话音业务为主的通讯网络，通过电路交换机制实现。大家在影视作品中常常看到的话务接线员坐在交换板前面的“插拔”动作，就是一种由人力完成的电路交换行为。后来的程控交换机改由数字电路完成电路交换，从而大大提高效率；

2 ISDN=Integrated Service Digital Network，综合业务数字网。其主要设计目的是希望可以在PSTN网络上同步开展数字业务，满足终端用户的基础互联网业务需求。当然实际证明ISDN基本是个失败的技术，因为市场对于数字业务的需求增长过快，很快就越过了ISDN网络的能力上限了；

3 后续的发展基本上走上了两条道路：

3.1 PSTN的话音部分主要是朝向移动网络的方向前进，这就是我们后来看到狂飙突进的1G-2G-3G-4G……5G，这些移动网络的规模、生态和其所能支撑的复杂业务都远远是之前的父辈PSTN所无法比拟的，他们实际上已经取代了PSTN而成为全新的基础业务网络，我们也可以统一称呼其为PLMN=PublicLand Mobile Network（小编：这是个标准称谓，小编个人在刚接触Land这个词的时候也表示不好理解，但实际上在5G出现之前，地面移动网络在标准中确实只要求覆盖地面目标，而且从网络规划和优化的角度来看，移动网络“贴地”部署实际上只有好处而没有坏处。）；

3.2 而基于PSTN发展出来的ISDN在快速被市场淘汰之后，以IP为基础的数字业务大爆炸，也是从Cable-DSL-FTTx等快速进化到各种高速宽带网络。

我们所关注的是前者3.1这条演进线路，因为在4G完成全面商业化之后，一直以PLMN贴地网络姿态出现的移动网络出现异动，5G中的NTN网络和5G标准一起，浮出水面；

4 NTN=Non Terrestrial Network，意为非地面网络，顾名思义是相对于传统的地面网络而言，采用典型的如卫星和高空平台（小编：高空平台除了卫星还有各种平流层20Km以上的长效飞行器，比如气球和飞艇）参与组网的技术。以卫星通信为例，同步轨道卫星（GEO）理论上只需要3颗即可覆盖除两极地区外的全球范围，其优势不言而喻。目前已有众多卫星通信系统已经商用，虽然他们还不是基于5G NR空中接口标准的星地网络，如铱星（Iridium）、海事卫星（Inmarsat）、瑟拉亚（Thuraya）、星链Starlink等等……注意，他们的工作轨道高度各不相同。

说到这儿，大家应该大致明白了通讯网络演进的大致趋势：先有最基础的PSTN和话音业务，随后PLMN被从PSTN基础上“提炼”而出，提供给人们更好的移动性和更好的终端感受；当PLMN一代又一代逐渐往更高级的技术范畴演进时，我们确实看到有更好候选技术，可以协助我们在PLMN的基础上再次完成“提炼”，从而向上进入太空，彻底脱离地面。NTN网络确实可以帮助我们实现对于地球完整表面的覆盖，包括陆地、大气层内的空余和海洋，以及两极区域。

从主导PLMN网络发展的标准化组织3GPP角度出发，他本身也是现在最强大和最有说服力的技术标准化组织。在它自身主导的5G标准内支持卫星通信，争取在6G来临之时将卫星通讯网络以NTN的形式落地，从而推动星地融合已经是势在必行。实际上3GPP从R14就开始了星地融合的研究工作，之后立项“NRsupport Non-Terrestrial Network”，即面向非地面网络的5G新空口。

非常清晰地表达了3GPP的观点：希望NTN网络的空中接口制式，可以统一到5G所定义的New Radio空口标准下（小编：现在5G的最新3GPP内标准版本为R17冻结，R18在研），从而将星地通讯网络纳入地面移动网络标准共同演进。

图一【NTN-1.png】来自S^2技术文章插图

上图1中可以清晰看到PLMN已经从最初的Ground based向上发展到Airborne和Spaceborne至少三层。这里说“至少三层”是因为人类航天活动的组织形式出现新变化，民用航天企业的突飞猛进，似乎让我们看到有生之年人类确实有机会规模移民月球和火星的可能性。那么届时是否出现Mars based and Moon-based network，确实不好说了。

我们在本篇中所重点关注的就是Spaceborne Network中的LEO satellite（地球低轨道卫星），这是本文主角Starlink的技术模板。（小编：图1中的Airborne和Spaceborne之间的分界线高度为100Km大气层边界）

注意上图1中，复杂的三层网络所服务的中心对象其实只有一个，就是6G UE（用户终端）。从统一的标准化组织3GPP的角度出发，他当然希望网络形态不论多复杂，但对于UE来说，空中接口的制式应该保持单一。这对于保证客户体验、降低终端的复杂度和能耗，都有很大的好处。这也意味着NTN的位置不管有多高，3GPP定义NTN的出发点之一，也一定是基于统一的NR（New Radio）接口。

从原则上讲，这就是网络迁就终端，而非终端迁就网络。（小编：WiFi空口有别于NR是个例外，毕竟WiFi是同期成长甚至有更悠久历史的IEEE的标准。所以如果不考虑兼容低级别标准，所有的5G标准手机至少都是两个制式，NR+WiFi）所以历史上尽管出现各种各样的星地通讯网络，包括Starlink当前所提供的成熟的星地宽带网络，但符合国际电信联盟ITU定义、3GPP标准化组织提交的5G标准，却只有正在演进中的NTN。下图2显示的Starlink商业网络，从终端形态、上下行空口链路工作频点，以及地面站独立接入Internet的工作方式来看，都更像一个超级大号的WiFi，而非泛在的5G、6G：

图二【NTN-2.png】来自dgtl Infra技术文章插图

所以当T-Mobile作为美国排名前三的移动运营商联手民用商业航天寡头SpaceX联合发布这种从外部特征看非常接近NTN概念的星地网络时，确实是值得很多行业和受众关注的，这其中也包括我们汽车行业。这种技术一旦借助Starlink落地，显然对于Teslafleet中的每一辆车来说，都是更好的信息互联通道，尤其在地广人稀的国家。

Aboveand Beyond

具体关于这次SpaceX和T-Mobile的合作发布，总的来说信息点不多，而且类似场合所能提供的深度线索总是很有限的，但感觉有些干货可以稍微展开说说：

1 发布会主题是：Above and Beyond，T-Mobile CEO说这是技术合作发布，不是产品发布。这句话的意思是，截至目前都只是技术构想（小编：Elon Musk说已经完成了Lab原型验证，SpaceX端需要验证550KmLEO轨道在PCS1.9GHz频段下，Starlink卫星到地面终端的链路预算——基于主流商业终端，是否可行），还远不到谈及具体网络部署和商业服务的阶段。

所以现在讨论具体的服务形式，甚至套餐模式，是否倾向支持哪些具体应用（类似虚拟运营商）......这些问题言之还早。但这往往也是一般消费者所最关心的问题，所以发布会现场很多提问都是围绕这些问题的。我们先把这个问题放一下，网络所能提供的业务模式，往往和网络结构相关，如果我们尚不能确定Starlink在v2.0时代对于NTN的具体支撑方式，也就是网络结构，也就无法确定SpaceX和T-Mobile的运营合作方式。那么一切猜想的价值也就不太大了；

2 在3GPP标准体系内，NTN从R14版本开始一直都是空天网络的技术范畴，5G现行版本中很多的研究已经包括这一部分。NTN非地面网络技术在标准化组织里是正式的研究构成，各成员机构基本都在搞，不算是特别先锋、特别冷门的技术。去年iPhone13正式发布之前，曾有投资分析师放出消息说iPhone13有可能支持卫星网络。虽然事后被证明子虚乌有，但进入2022年度以来，我们确实观察到多家传统电信设备提供商在加紧NTN网络测试进程，甚至还包括终端芯片设计商联发科；

图四【NTN-4.png】来自honhai.com技术文章插图

上图4中的黄色箭头位置即是联发科的终端芯片。但上图所展示的NTN网络工作方式可能和最近联发科公布的针对LEO地球低轨道的NTN测试通过的场景还不一样，上图4中的场景是对接GEO地球同步轨道的高轨场景，但这个差别并不影响我们的分析。

基于物联网技术标准NB-IoT，联发科提供的芯片可以支持标准的物联网终端指标：23dBm/200mW UE发射功率，以及0dBi的全向天线。我们可以做这么一个基本判断，如果在GEO地球同步轨道的36000Km的高轨道位置可以支撑地面标准终端的窄带业务，那么LEO低轨道（大概550Km-600Km）上的业务在关键的链路预算上就不会有太大问题，当然还要考虑多普勒效应的负面因素（小编：GEO对地面静止，没有多普勒问题）。

3 Elon Musk说Starlink的v2版本上，卫星本体将会重新设计支持PCS频段（1.9GHzFDD）的相控阵天线。天线尺寸大约是边长5-6m，面积在25平方米大小。这个天线的尺寸大小，即使是考虑设计折叠结构之后，现有的Falcon-9的整流罩也放不进去。所以Starlinkv2平台，只能选择Starship星舰来发射。但客观事实是Starship达到商业发射的进度还需要时间，延后的可能性很高，所以SpaceX的Plan-B是研发小一号的Starlinkv2版本，携带较小面积的相控阵天线，仍然由Falcon-9发射。但想必这种星地通讯性能指标会下调；

4 T-Mobile USA曾经是欧洲电信业巨头——德国电信的子公司，现在股权结构如何小编就不清楚了。T-Mobile在这种合作中贡献的主要是自己的资源——无线频谱资源和现有的5G地面网络，主要是基站gNB资源。准确地说大头还是PCS1.9GHz频段的全美覆盖资源（在美国的频段拍卖机制下，拿一个可以全国性覆盖的统一频段网络很不容易也很昂贵），具体T-Mobile是把他的PCS频段都拿出来了，还是只拿了一部分？还不清楚细节，应该不会太多（也用不上）......但这些内容也都不是现在公众所需要了解的细节。

对应地，SpaceX则是贡献太空网络实体，应该包括地面站、关口局（和T-Mobile对接）、卫星、中继星（v2可能每颗都可以通过激光中继），以及更加关键的如何处理终端上行信号处理的技术难点，比如低信噪比和极低电平的有用信号，以及如何对抗多普勒频偏。

当然对于T-Mobile来说，除了贡献极其昂贵的PCS频段资源作为Starlink上下行覆盖频段，为了适配高时延、低速率（高误码率）且因为发生在UE和卫星之间相对高速的运动所导致的频率偏移和异常高的移动性，T-Mobile需要严格按照技术规范（可以是来自3GPP的现成标准）组织gNB基站产品和UE终端产品的测试和采买、上市和资费设定，这部分工作量也不少。

但本质上，对于两家的合作有点类似于：你出资源，我出技术和实体卫星和技术，赚了钱大家分这个意思。

5 特别地，对于SpaceX来说，Starlink星链系统是个灵活的有生命力的平台。他也需要不断发展自己的平台能力来满足自己的可持续运行。当前的v1和v1.5已经基本在近地轨道上站稳脚跟，可以稳定为地球相当大的表面积上提供稳定星地宽带业务，实际上也进入商业推广阶段，并在关键区域和热点事件上发挥作用，比如俄乌冲突一线，以及汤加火山爆发区域；SpaceX往轨道上折腾多大动静现在看起来也基本被各方所接受了，FCC首当其冲，国际电信联盟ITU官方似乎也没有强烈的反对意见。只有部分舆论和天文观察行业对Starlink的非议很大，但终会消失。这个转变和逐步被公众接受的过程很不容易，大家可以理解为这就是关键的“口碑”。但这远远不是Musk的野心。直接对于地面手持商业终端提供真正意义上广泛存在的移动业务，理应是下一个重点。小编个人觉得这是水到渠成的，如果SpaceX和Musk没有决定迈出这一步才是奇怪的。

关键的技术难点

从联合发布会上Elon Musk的表述中，我们无法确定Starlink v2在星地网络中所扮演的角色到底是如何的，也就无法判断SpaceX+T-Mobile的联合星地网络到底和3GPP现行标准中所定义的NTN的满足度有多高。这其实是个根本问题。

可能会有读者问，为什么SpaceX+T-Mobile的星地方案一定要满足3GPP标准呢？为什么不能通过先发优势快速确立自己的网络和业务从而抢先发布自己的标准呢？实际上，先发确立独立的标准完全是有可能的，因为SpaceX所拥有的大批量、高密度的近地轨道发射能力独步全球，而且Starlink星链实际上已经接近完成对黄金近地轨道（LEO 550Km）的统治。但如果我们从另一个角度考虑，无论是5G一侧的gNB设备，还是终端一侧的UE设备，以及UE内关键芯片，最终还是会选择遵循3GPP相关NTN标准。这意味着SpaceX和T-Mobile如果选择强行推进自有标准，就必须要对整个UE到5G的无线接入网络做出相应的改动，T-Mobile在移动通讯产业界未必有这个自研能力和号召力，而SpaceX则完全是门外汉。

我们在下图给出3GPP中，NTN（非地面网络标准）所定义的两种基础架构：

图六【NTN-6.png】来自Satellite Communications in NewSpace Era论文插图

左侧a为Transparent Payload NTN模式，意指针对地面那些附近没有地面5G覆盖的UE，提供符合NR（5G的空口标准）规范的信号转发能力，将NR的无线电信号所携带的Payload原封不动转发给地面可达的任意一个gNB基站，从而完成对于非传统网络覆盖区UE的电信业务覆盖。而右侧b的为Regenerative Payload NTN模式，意指对于地面那些附近没有地面5G覆盖的UE，提供符合NR规范的信号收发能力，卫星此时相当于位于太空的gNB 5G NTN基站，然后将处理并恢复好的信号即所谓的Regenerated signal转发给地面可达的任意一个核心网网关设备，再进入互联网。

读者可以明白，两种NTN实现方案最大的差别在于对于卫星的技术要求，也就是对于Starlinkv2卫星的计算能力的要求。小编大概率推测应该是方案一，即Transparent Payload方案。这个方案对于卫星的算力要求没有b方案高，只需要恢复合格的物理层无线信号即可，而方案b则需要高质量恢复出整个用户payload数据，相当于把gNB实体送上卫星。这样对Starlink v2.0来说集成度、可靠性和成本的需求要求增加。

但不管方案a还是方案b，物理层信号的处理都是要求非常高的。如前面所述，两点技术问题必须克服，一个是要克服550Km长度的链路衰减问题，另一个则是必须对抗Starlink以25000Kmph的超级高速度飞掠世界各地所带来的多普勒频率偏移问题。这些PHY物理层的技术难点更多地在SpaceX一侧，解决方案一个是超级相控阵天线，另一个则是频率偏移测量和修正的物理层算法。其中，Starlink能提供多大面积的天线才能支持550Km高度的星地通讯是个关键，现在的技术水平看，不是完全不可能的。

图七【NTN-7.png】来自seekingalpha.com技术文章AST SpaceMobile插图

上图7中的天线是来自AST的64平方米的轨道相控阵天线，部署在400Km轨道，运行速度25000Kmph，设计目标就是用来支持地面商业移动手机的。很巧的是，这家公司往轨道上送天线卫星，就是选择的SpaceX的falcon-9.......小编不知道Elon Musk是否受到其启发。

Cambridge-consultants和StratosphericPlatforms Limited合作的平流层航空器（小编：注意不是轨道卫星，高度会较低，所以天线尺寸可以做得更小）所搭载的相控阵天线。有兴趣的读者可以去挖一下细节。这个天线的尺寸较小，大概3平方米，但可以支撑在20Km的平流层内对地面商业手机直接提供移动服务。

阅读至此大家可以理解，Starlinkv2星的天线载荷是否足够先进，将是近地轨道飞行器对地面提供NTN移动业务的关键中的关键。NTN和地面移动网络PLMN最大的差别也就是基站到终端的距离，这个距离所造成的链路损耗必须有先进的相控阵天线所弥补，否则这个概念的可行性就不存在了。Elon Musk确定说他们可以搞定这个问题，且已经在实验室里得到证实。这个是毫无疑问的，在这方面有所突破的不止SpaceX一家。如果有疑问，那就应该是技术部署节奏的问题，是否能跟上商业化推广的需求，这是衡量这个业务是否健康的唯一标准。但众所周知的是，Elon Musk历来都是把先进技术工程化的大师，所以我们拭目以待吧！

除此之外，还有多普勒效应如何克服、地面波束覆盖小区高速移动所引发的高密度切换行为如何保证切换质量和稳定度、覆盖区域内的服务带宽水平……等等问题，这都次之。

平台的伟力

狭义上理解，通讯网络首先是个技术体系；但从广义上理解，网络理论之所以成为现实世界中无处不在的网络，成为人们日常在方方面面都需要也可依赖的体系，核心本质还是一个健康的生态。位于这个生态的核心位置上是运营商，以及运营商背后的国家力量（即国家所能掌控的排他的、唯一的自然资源分配权）。所以我们看到在漫长的1、2、3、4、5、6....G演进历史中，在全球范围内发展的技术体系内，其发动者和引领者，就是联合国，也只能是联合国。具体就是联合国里历史最为悠久的部门——国际电联ITU。

ITU负责发布对于每一代无线通讯技术的需求，然后各种标准化组织们（小编：其实基本上也就3GPP为主，标准化组织代表自由的商业利益）再组织成员公司和所属各种研究机构的力量，负责把这个技术需求落地。其中标准化组织搞不定的部分，比如涉及国家主权的无线电资源协调和分配，甚至卫星轨道资源的协调和分配，基本就是ITU和ITU所主办的WRC（世界无线电大会）所主持国家与国家之间进行协调的。

SpaceX的Starlink低轨通讯卫星星座在Elon Musk的超强领导力下，以及在美国频率和轨道资源管理机构FCC的支持下，在近地轨道资源上执行了铺天盖地的抢跑。在没有明显违规的前提下，充分利用现有规则的短板（小编：现在的规则基本属于先到先得），已经给其他国家和技术组织造成莫大的压力。现在星链系统作为超级平台产品，已经有四千颗数量级别的在轨卫星，而进一步演化的Starlink v2版本极有可能联合美国的地面运营商（T-Mobile）将这个压力进一步扩大到传统的移动服务上。如果再进一步寻求联合西方盟友的运营商，在大范围内抢先提供“准”6G业务也不是不可能的。NTN本身就是有代表性质的6G业务。

这就是平台的伟力！Elon Musk不按常理出牌，绕道、借道实现技术、产品和系统级别的超车已经不是第一次了。不等具体的标准落地，不考虑产业内其它合作伙伴的成熟度，不顾及历史陈规甚至蔑视现行制度（小编：别看FCC在美国国内表现出一种制约Elon Musk乱来的态势，但实际上扶上马再送一程的事儿可没少干）……只要产品有市场，SpaceX抢先推出NTN业务成功的机会确实存在。毕竟放眼全球，官方、半官方和纯私有的商业机构中，具备如此规模的LEO近地轨道卫星资源的，只此一家别无分号。

所以站在国家的角度，持续关注并加快推进NTN部署，还是必要的。现在全球范围内商业航天基本被SpaceX横扫，唯一可抗衡的也就是中国国家之力的运载能力了，但如果Starship星舰运载工具顺利完成商业化，我们也够呛能否跟得上。所以Starlink星座平台最终能长多大，能带多少业务，能形成何种高维优势？

某种程度上讲，他的对手真有可能只有SpaceX自己。

审核编辑：刘清