5G卫星通信带来的新机会

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图片来源@视觉中国

文丨半导体行业观察

最近，5G卫星通信突然成为了一个热门话题，得到了业界的大量关注。首先，预计将于明年上半年定稿的更新版5G标准3GPP Release 17中，非地面通信网络（Non-Terrestrial Networks，NTN）将会正式成为一个新的组成部分。非地面通信网络指的主要就是经由卫星与地面进行通信的网络。事实上，非地面通信网络早在3GPP Release 15就开始研究，而最终在3GPP Release 17中加入了支持卫星通信的非地面通信网络。这对于卫星通信的推广来说是一个重要的里程碑。

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除此之外，卫星通信公司GlobalStar，3GPP，高通以及苹果在iPhone 13中加入卫星通信支持的传闻更是在最近把5G卫星通信推到了风口浪尖。故事的来龙去脉是这样的：GlobalStart是一家从事卫星通信的老牌公司，在该行业已经有多年的历史，目前已经拥有一个自己的卫星网络。该卫星网络的主要业务之一是与地面通过卫星电话通信，其通信系统使用的通信频段上行使用的是1.6 GHz的L-band，而下行则是在2.4835-2.495 GHz频段（该频段为GlobalStar所拥有）。
在去年年底，3GPP将2.4835 - 2.495 GHz加入了5G频段，称之为n53频段。结合3GPP将在Release 17中发布的非地面通信网络部分，这意味着可以使用n53频段与GlobalStar的卫星网络做5G通信，当然另一种使用n53的方法是从GlobalStar处授权使用n53频段，并将它使用在地面通信（即使用n53频段做非卫星通信）。
在今年年初，高通发布的X65 modem宣布支持n53频段，而在最近刚发布的iPhone 13中，苹果使用了高通的X65 modem 。这几件事结合在一起，便传出了iPhone 13将支持卫星通信的传闻。而随着最近苹果新品发布会的召开，iPhone 13支持卫星通信的传闻基本得到了证伪。
事实上，即使苹果选择使用高通X65 modem中对n53频段的支持去和GlobalStar的卫星网络去做卫星通信，由于n53频段仅仅是该网络的下行频段，因此为了实现双向卫星通信还需要加入对于L-band的支持，而对于L-band的支持并没有得到高通的官方确认；此外卫星通信对于射频前端也有独特的需求（包括天线，射频前端模组等等），并不是有modem支持频段就足够，而天线和新的射频前端模组会对于手机设备的形状和成本等都带来不小的影响，因此从目前来看苹果并不打算支持卫星通信也是合情合理。
苹果iPhone 13不支持卫星通信并不代表大规模卫星通信商用还很遥远。事实上，随着卫星通信进入5G新一版本的标准，以及相关技术的成熟，我们有机会在几年内看到5G+卫星通信网络的真正大规模推广。
5G卫星通信的应用前景我们首先来看一下5G卫星通信的优势和限制。这里的卫星通信主要指地面和卫星做双向通信，而非像GPS或者北斗这样的卫星单方面给地面广播信号。卫星通信的主要优势在于覆盖面广，基本无需地面基建（基站）支持。与传统地面无线网络通信需要首先建设基站覆盖不同，卫星通信（主要是低轨卫星LEO）的覆盖范围基本覆盖全球，而且无需实现建设基站，因此目前5G之外的传统卫星通信主要的应用场景就是海洋，空中等无法建设基站的地方的通信（例如海事电话等）。
而卫星通信的主要限制就在于其信道容量有限。卫星与地面的双向通信中，由于地面设备和卫星之间的距离很远，因此无线信号的损耗很大，换句话说通信的信噪比很低，而根据信息论中的基础香农公式，通信的信道容量决定于信噪比，因此，这决定了卫星通信的信道容量较低。卫星通信的信道容量低就意味着无法给多位用户同时提供高速通信，例如如果使用n53+L-band，在许多设备同时连接的情况下，通信码率估计在1-10kB/s左右。