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“它是一個(gè)衛(wèi)星終端，但類似于移動(dòng)電話?！?/span>

世界電信協(xié)會(huì)（WTA）的執(zhí)行理事羅伯特·貝爾用上面的這句話描述當(dāng)前移動(dòng)載體上的衛(wèi)星地球站——?jiǎng)又型ǎ‥SIM，Earth Station in Motion）。貝爾說(shuō)：“沒(méi)有人需要考慮基站鐵塔與手機(jī)的位置關(guān)系，包括當(dāng)你開車經(jīng)過(guò)基站時(shí)，它們之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化?！?/span>

ESIM一詞可普遍適用于任何類型的車載、船載、機(jī)載衛(wèi)星站，現(xiàn)在移動(dòng)地球站的各種解釋的規(guī)則和條例已統(tǒng)一在這個(gè)名詞。ESIM現(xiàn)在代表了連續(xù)性移動(dòng)通信服務(wù)的關(guān)鍵。

這種整合的重要性不僅僅局限于定義ESIM的便利性。世界領(lǐng)先的監(jiān)管機(jī)構(gòu)最近才承認(rèn)衛(wèi)星天線和地面系統(tǒng)的發(fā)展到了需要對(duì)Ku和Ka頻段的監(jiān)管政策進(jìn)行調(diào)整。

在2020年5月的公開會(huì)議上，F(xiàn)CC進(jìn)一步擴(kuò)展了可用于與地球靜止（GEO）和非地球靜止（NGSO）衛(wèi)星一起工作的ESIM可用的Ku和Ka頻段，這些衛(wèi)星為船舶、車輛、火車和飛機(jī)提供通信。委員會(huì)還通過(guò)了一個(gè)管理框架，使ESIM與Ku和Ka波段的NGSO固定衛(wèi)星服務(wù)（FSS）衛(wèi)星進(jìn)行通信，該框架對(duì)地球站的許可采取一種全面的方法，而不是一種個(gè)性化的過(guò)程。

通過(guò)這兩項(xiàng)命令草案中的第二項(xiàng)，F(xiàn)CC遵循了ITU在WRC-19會(huì)議上做出的類似決定。新的ESIM規(guī)則現(xiàn)在更準(zhǔn)確地反映了衛(wèi)星地面系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況，以及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)為市場(chǎng)帶來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新。Ball Aerospace Tactical Solutions副總裁兼總經(jīng)理Jake Sauer解釋說(shuō)，以前針對(duì)地面站的Ku和Ka波段規(guī)定是基于幾十年前移動(dòng)衛(wèi)星地面技術(shù)的限制。

Sauer說(shuō)：”我們與地球同步軌道衛(wèi)星通信的能力曾經(jīng)非常有限，我們做信號(hào)處理的能力和移動(dòng)平臺(tái)接收地球上信號(hào)的能力也非常有限。GEO衛(wèi)星距離地球有幾萬(wàn)公里。等到GEO信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)候，除非你的地面系統(tǒng)知道它到底在尋找什么樣的信號(hào)，否則你就無(wú)法探測(cè)到。最重要的是，在你旁邊運(yùn)行的終端用戶可能會(huì)在同一頻段內(nèi)輻射出大量的發(fā)射物，造成干擾。必須有一種新的方法，讓移動(dòng)用戶能夠相互溝通。”

Advantech Wireless業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Cristi Damian解釋說(shuō)，當(dāng)車輛的旅行范圍非常大時(shí)，GEO衛(wèi)星對(duì)于持續(xù)的連接也會(huì)不太理想。”船舶和飛機(jī)在從一個(gè)波束到另一個(gè)波束的過(guò)程中，可能需要在衛(wèi)星之間進(jìn)行交接。據(jù)推測(cè)，隨著低軌道衛(wèi)星的激增，無(wú)處不在的問(wèn)題將更上一層樓，衛(wèi)星之間的無(wú)縫過(guò)渡問(wèn)題也會(huì)減少?！?/span>

技術(shù)創(chuàng)新如何迫使監(jiān)管部門重新思考

近年來(lái)，衛(wèi)星地面系統(tǒng)有了很大的發(fā)展和進(jìn)步。這些系統(tǒng)現(xiàn)在可以將射頻波束指向天空，并利用數(shù)字處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)波束指向。地面終端用戶設(shè)備的每個(gè)部件的物理形態(tài)也有了巨大的改進(jìn)。

調(diào)制解調(diào)器技術(shù)的進(jìn)步，使數(shù)據(jù)吞吐量–效率達(dá)到了最大化。放大器技術(shù)已經(jīng)從易碎的行波管和高壓電源的傳統(tǒng)產(chǎn)品，發(fā)展到使用低電壓電源工作、更耐損壞的彈性更強(qiáng)的固態(tài)放大器。最后，行業(yè)對(duì)更高的頻段、點(diǎn)波束和強(qiáng)大板載發(fā)射器的青睞，使得更小的天線可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。

Damian解釋說(shuō)，雖然天線技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，但它仍然是ESIM終端面臨的最大挑戰(zhàn)?！彼f(shuō)：”固定地面站和運(yùn)動(dòng)中的地球站之間的區(qū)別主要在于天線系統(tǒng)，雖然固定式地面站天線可能會(huì)配備伺服裝置來(lái)跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，但其速度或回轉(zhuǎn)率以及運(yùn)動(dòng)范圍都相對(duì)較低。但當(dāng)?shù)厍蛘窘K端在移動(dòng)時(shí)，無(wú)論是與GEO或NGSO軌道衛(wèi)星工作，天線的驅(qū)動(dòng)都必須快速、精確，才能使天線保持指向衛(wèi)星。好消息是，移動(dòng)天線通常采用小型、輕巧的反射器設(shè)計(jì)，因此使其敏捷性不那么困難。壞消息是，小反射器意味著低增益?！?/span>

除了減少或消除機(jī)械系統(tǒng)外，Kymeta首席科學(xué)家Ryan Stevenson補(bǔ)充說(shuō)，由于全電子波束轉(zhuǎn)向天線及其扁平、薄型的物理外形，當(dāng)今先進(jìn)的ESIM具有更高的可靠性和零維護(hù)性?！痹贙ymeta，我們正在采取超材料的方法，與其他全電子方法（如相控陣）相比，大幅降低功耗和成本來(lái)進(jìn)一步推進(jìn)ESIM，”

從Ball Aerospace公司Sauer的角度來(lái)看，天線制造商們注意到ESIM的變化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是它們使軍用和商用移動(dòng)終端用戶能夠做移動(dòng)衛(wèi)星市場(chǎng)最初想做的事情——讓具有高數(shù)據(jù)速率需求的移動(dòng)用戶保持高數(shù)據(jù)速率鏈接，并創(chuàng)造可靠的體驗(yàn)。Sauer補(bǔ)充說(shuō)，ESIM還推動(dòng)了終端外形設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，尖端的天線系統(tǒng)被安置在零剖面的單元中，成為結(jié)構(gòu)或船只無(wú)縫的組成部分?！蹦銜?huì)把它安裝在屋頂上，甚至不會(huì)注意到它的存在?！?/span>

更多的帶寬是否意味著更多的商機(jī)？

這些技術(shù)創(chuàng)新加上寬松的帶寬限制對(duì)ESIM、移動(dòng)市場(chǎng)和整個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)意味著什么？Stevenson認(rèn)為，ESIM技術(shù)為GEO和NGSO衛(wèi)星開辟了新的可能性，在衛(wèi)星連接性通常未被廣泛采用的情況下，它為GEO和NGSO衛(wèi)星帶來(lái)了大量市場(chǎng)機(jī)會(huì)。他說(shuō)，一個(gè)主要的例子是陸地移動(dòng)，GEO和NGSO衛(wèi)星星座將在5G無(wú)所不在的連通性愿景中扮演關(guān)鍵角色。

對(duì)于GEO衛(wèi)星市場(chǎng)，Robert Bell認(rèn)為，最優(yōu)先的ESIM應(yīng)用包括在地球表面移動(dòng)的平臺(tái)，而衛(wèi)星似乎在天空中靜止不動(dòng)，這樣的應(yīng)用中ESIM的尺寸和外形都很重要。

貝爾說(shuō)：“這些利基市場(chǎng)有巨大的增長(zhǎng)空間。”更深刻的問(wèn)題是，在實(shí)現(xiàn)ESIM的潛力方面的投資和努力是否最終會(huì)生產(chǎn)出超越傳統(tǒng)天線的產(chǎn)品，就像克萊頓·克里斯滕森著名的“創(chuàng)新者困境”分析的小型磁盤驅(qū)動(dòng)器的競(jìng)爭(zhēng)反復(fù)超過(guò)大型磁盤驅(qū)動(dòng)器的案例一樣。如果真的發(fā)生，這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，但影響將非常大，有助于將衛(wèi)星集成到更多的應(yīng)用程序中。

Advantech的Damian說(shuō)，由于衛(wèi)星提供的服務(wù)無(wú)處不在，以及ESIM與GEO和NSGO通信的能力，旅客和移動(dòng)終端用戶保持聯(lián)系的愿望現(xiàn)在可以得到滿足，而不必考慮交通方式。

Damian說(shuō)，定義良好的規(guī)則和協(xié)議消除了制造商的模糊性，有助于公平競(jìng)爭(zhēng)。一旦我們知道了頻段、EIRP水平、干擾水平和覆蓋區(qū)域的限制，我們就可以集中精力設(shè)計(jì)這些新的終端和網(wǎng)絡(luò)。然而，這項(xiàng)任務(wù)并不容易，因?yàn)镋SIM終端將需要允許來(lái)自集中式NMS[網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)]的控制，以便在發(fā)生干擾時(shí)停用。我們預(yù)計(jì)，由于各國(guó)的立法會(huì)有所不同，對(duì)大規(guī)模制造業(yè)的限制也會(huì)有所不同。

解決干擾問(wèn)題

不管ESIM在減輕干擾方面的物理和實(shí)際改進(jìn)如何，它們并不能完全消除威脅。事實(shí)上，ESIM帶來(lái)了新的和獨(dú)特的干擾問(wèn)題，為ESIM擴(kuò)展帶寬的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也希望知道開發(fā)人員是如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的。

然而，Ball Aerospace的Sauer認(rèn)為，主動(dòng)陣列有助于解決ESIM中最關(guān)鍵和最簡(jiǎn)單的干擾挑戰(zhàn)，他說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以完全、主動(dòng)地控制使用有源陣列發(fā)射信號(hào)的位置和方式?！薄＝?jīng)典的碟形衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)，也有一些信號(hào)會(huì)從后面和側(cè)面泄露漏出來(lái)。有了主動(dòng)控制的陣列，我們可以設(shè)置一個(gè)要求，即它不會(huì)輻射輻射輻射，這樣移動(dòng)用戶就可以更好地一起工作，而不會(huì)互相干擾。

Kymeta的Stevenson說(shuō)ESIM在處理地理信號(hào)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生干擾，因?yàn)镋SIM的工作環(huán)境必須嚴(yán)格控制波束指向和功率譜密度。他解釋說(shuō)，電子掃描ESIM面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是波束展寬，這是一種與所有平板、電子掃描陣列相關(guān)的物理現(xiàn)象。當(dāng)陣列掃描角度增大時(shí)，有效孔徑面積減小，從而導(dǎo)致主光束展寬。在天線掃描角度超過(guò)某一點(diǎn)后，主波束將超過(guò)監(jiān)管限制。

Kymeta聲稱，它已經(jīng)用一種控制ESIM終端內(nèi)傳輸功率的專有算法解決了這個(gè)問(wèn)題。史蒂文森說(shuō)，這確保了終端始終在監(jiān)管的指標(biāo)范圍內(nèi)運(yùn)行。Kymeta還開發(fā)了專有的指向和跟蹤算法，利用廉價(jià)的手機(jī)級(jí)傳感器，將天線波束指向所需的精度范圍內(nèi)。對(duì)于NGSO環(huán)境，我們主要關(guān)注的是等效功率通量密度[EPFD]。這不是ESIM的問(wèn)題，比如說(shuō)，而是NGSO和衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的問(wèn)題，它考慮了一個(gè)地區(qū)內(nèi)一組終端的總功率。

Damian和他在Advantech的同事認(rèn)為，電子波束形成可以解決ESIM的干擾問(wèn)題。Damian說(shuō)：“到目前為止，限制功率是限制ESIM干擾的唯一方法，但這將對(duì)可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率產(chǎn)生負(fù)面影響，從而可能會(huì)對(duì)商業(yè)案例產(chǎn)生負(fù)面影響?！? 網(wǎng)管系統(tǒng)需要監(jiān)控特定的ESIM組，并在ESIM進(jìn)入受保護(hù)區(qū)域或受到干擾時(shí)將其關(guān)閉。這將需要準(zhǔn)確的GPS定位，以及對(duì)可接受的網(wǎng)絡(luò)安全的GPS干擾的免疫力。

也就是說(shuō)，Damian解釋說(shuō)，要保護(hù)ESIM相關(guān)資產(chǎn)不受干擾的實(shí)際位置并不總是在公共領(lǐng)域。因此，我們可以看到國(guó)家之間、地區(qū)之間的不同限制。傳統(tǒng)的上行鏈路GEO電信港使用CID，因此它們是固定的，并且位置清晰。這對(duì)于ESIM網(wǎng)絡(luò)是不可行的。

ESIM解決方案的未來(lái)計(jì)劃

文中提到的所有公司都在為其目標(biāo)市場(chǎng)開發(fā)ESIM解決方案，并計(jì)劃推出新一代利用新帶寬法規(guī)的系統(tǒng)。

Ball Aerospace的戰(zhàn)術(shù)解決方案部門一直在開發(fā)面向政府和軍事的ESIM技術(shù)，但據(jù)Sauer稱，該公司在將該技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)市場(chǎng)方面發(fā)揮了重要作用。我們對(duì)ESIM很感興趣。為了降低ESIM的生產(chǎn)成本，我們與我們的合作伙伴在技術(shù)上進(jìn)行了投資。這是我們的主要貢獻(xiàn)。這是這兩個(gè)市場(chǎng)之間的循環(huán)。政府和軍方的最終用戶需求推動(dòng)了創(chuàng)新。對(duì)于商業(yè)終端用戶，我們將繼續(xù)改進(jìn)制造過(guò)程并增強(qiáng)使ESIM對(duì)每個(gè)人都可行的能力?，F(xiàn)在，我們正在將第二代Ku和Ka天線集成到ESIM終端解決方案中。我們已經(jīng)成功地完成了這些系統(tǒng)在極端軍事條件和環(huán)境中的演示，并計(jì)劃在接下來(lái)的幾個(gè)月里進(jìn)行更多的演示。

Kymeta將于2020年第四季度發(fā)布其第一代u7 ESIM的后續(xù)版本u8。u8將擴(kuò)展我們的ESIM技術(shù)的帶寬和效率，同時(shí)提供衛(wèi)星和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的混合連接。史蒂文森說(shuō)，用戶現(xiàn)在可以獲得最好的吞吐量，這取決于可用的網(wǎng)絡(luò)。

Advantech Wireless已經(jīng)有一系列針對(duì)ESIM應(yīng)用優(yōu)化的固態(tài)功率放大器。戴米安補(bǔ)充道：“此外，我們有一個(gè)專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，專注于將波束形成天線集成到ESIM終端中?！?/span>

在WTA，Robert Bell代表了ESIM市場(chǎng)上幾乎所有的主要制造商。他相信，監(jiān)管機(jī)構(gòu)為幫助加快ESIM的發(fā)展而采取的行動(dòng)也將激勵(lì)整個(gè)移動(dòng)無(wú)線世界的創(chuàng)新。

貝爾說(shuō)：“任何調(diào)整移動(dòng)和衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的努力都是朝著正確方向邁出的一大步?！薄Ｔ谖铱磥?lái)，理想的解決方案是集成4G/5G/ESIM天線和原生支持4G、5G和衛(wèi)星的調(diào)制解調(diào)器。這種技術(shù)融合面臨著一個(gè)重大的“雞還是蛋”的兩難境地：制造商是否會(huì)在這種技術(shù)有明顯的需求之前投資于創(chuàng)造這種技術(shù)？監(jiān)管措施可能會(huì)使決策傾向于此類創(chuàng)新。

轉(zhuǎn)自 衛(wèi)星通信觀察