太空衛星 新型手機基地台

2024年2月01日

本月，Starlink首次透過其最新一代衛星v2mini，在手機之間使用4G/LTE連接傳送和接收訊息，繼亞馬遜、蘋果、AST SpaceMobile、華為和Lynk Global等公司的類似的專案之後，也加入了這項技術的競逐。Starlink由SpaceX營運，它將為全球至少八家不同行動網路電信商的訂戶提供簡訊服務。Starlink在美國的合作夥伴T-Mobile在一份聲明中表示，並可能在「未來幾年」不需要使用現有地面終端的情況下提供語音和資料覆蓋。
Starlink的成就是衛星和行動通訊基地台融合的最新例子。少數公司正在利用更便宜的衛星製造和發射成本，以及改進現有技術（例如波束成形），來橋接手機和軌道衛星之間數百公里的距離。這些公司必須解決的眾多新難題之一是，這是第一次遇到，在這個行動網路中的「基地台」本身是會移動的：低地球軌道(LEO)衛星以每小時數萬公里的速度移動，因此它們與地球表面上的任何一部手機溝通的時間都很短。
正如IEEE Spectrum所報導，正在競爭解決這些問題的公司已經透過商用衛星(華為/中國電信；Lynk Global；蘋果/Globalstar)發送和接收過普通手機上的簡訊，並透過實驗衛星(AST SpaceMobile)做到了5G語音和網路通話。投資者已經注意到這一點：Lynk Global透過交易上市，公司估值高達8億美元，而AT&T、Google和Vodafone最近投資了市值6.746億美元的AST SpaceMobile。
直到最近，衛星還無法連接數百公里以下的手機。人們在偏遠地區探險時使用的衛星電話，通常具有笨重的天線，需要與多顆衛星保持清晰的視線，並且需要一段時間才能獲取訊號。整合地面和衛星行動網路並不像在行動通訊基地台之間移動並從一個基地台將訊號傳遞到另一個基地台那樣容易。
事實上，這項任務非常困難，以至於一個研究小組構建了一個實驗應用程式，說明一個配備了自己的電腦，並配備Starlink地面站，同時可以連上網路的牲畜卡車，在卡車失去行動網路訊號時切換到星鏈系統。該研究的共同作者、丹麥奧爾堡大學無線通訊研究員Melisa López表示，實現地面和非地面網路的無縫整合是最終目標。
Starlink沒有解釋其4G連接的許多細節，但現有的商業衛星網路揭示了無縫衛星行動網路連接的幾個構建模組，研究人員已經為未來的衛星網路發表了至少一個有希望的線索。
▲連接手機和衛星的三大關鍵
與其重新設計手機使其更像笨重的衛星電話，公司們正在重新設計衛星網路，讓它和手機之間更相容。他們正在加大衛星天線尺寸，努力將衛星變成手機的基地台。例如，AST SpaceMobile的第一代衛星天線面積為64平方公尺，第二代為128平方公尺，並計畫擴大到400平方公尺。Starlink的新型v2mini衛星天線面積為6.21平方公尺，但Starlink計畫在其更大的Starship火箭可用時，發射更大的和行動通訊相容的衛星。
公司們還透過降低衛星飛行高度，使其更像地面上的基地台。通信衛星被送入更高的地球同步軌道，那裡它們可以覆蓋地球表面的大部分區域並持續相對較長的時間。然而，這些衛星處理的設備遠遠少於今天存在的設備。
近年來小型化、更便宜的衛星和更低的發射成本，使得商業模式依賴許多更便宜的低地球軌道衛星成為可能。這些新衛星壽命不會太長，但它們將更好地檢測來自地面手機的微弱訊號並處理不斷增長的流量。
慕尼克聯邦國防大學的訊號處理工程師Andreas Knopp表示：「我記得10年前許多討論，行動電信商告訴衛星公司，『你們的價位太高了。』 但這種情況已經完全改變了，原因是技術更加普及，開發更加靈活，對失敗的態度也有所不同。」
另一個關鍵因素是波束成形技術的改進。波束成形是發送設備運算，將訊號引導到特定接收者的最佳方式，而不干擾其他接收者的過程。這可能涉及將訊號從地面行動基地台反射到建築物或山坡上，也可能涉及精確瞄準來自以每小時數萬公里移動的衛星的窄而快速移動的訊號。
更複雜的波束成形可以涉及從多個天線發送相同的訊號，以使訊號互相增強，有點像聲波和諧一樣。任何在家裡調整揚聲器系統以在特定沙發位置提供最佳音效的人都做過波束成形，可能還借助了背景的複雜軟體。
文章作者在最近的兩篇論文中寫道，未來可能值得將波束成形任務分配給比現在更多的衛星。其中一項研究提出的場景是使用超過2 個小型衛星緊密編隊飛行，以複製當前由一顆和行動網路相容衛星完成的工作。這些論文的共同作者、聯邦國防大學訊號處理研究生Diego Tuzi表示：「這些衛星中的每一個現在都是獨立的，擁有自己的元件。主要方面是這種同步演算法，它必須使訊號的頻率、相位和到達時間保持一致。」
目前，Starlink及其競爭對手提供的功能還不算多，但這是必要的一步。另一位合著者、聯邦國防大學的訊號處理工程師Thomas Delamotte表示：「這總比沒有好，但從長遠來看，我們需要新的方法才能使6G無處不在。」

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