[原创] 5G卫星通信带来的新机会
2021-09-26
14:00:02
来源: 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。
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。
根据上面的分析，我们认为5G卫星通信对于个人用户的最直接应用就是在基站无法覆盖到的地方的通信。这首先包括在一些较为偏远的地区（例如未充分开发的风景区，或者海上）的通信，事实上目前不少户外爱好者对于与智能设备能直接集成的卫星应急通信是有需求的。这类应急通信对于通信速度的需求不高，因此5G卫星通信应当可以满足需求。此外，5G卫星通信对于航班上的通信也是一个应用点。目前，不少航班已经提供了WiFi服务，其中卫星通信就是航班上WiFi的重要组成部分。未来随着5G卫星通信的发展，在航班上个人用户可能可以通过使用不干扰飞机飞行的频段直接使用5G卫星通信，而无需再使用飞机上提供的WiFi。
除了个人用户之外，物联网也是5G卫星通信的重要应用方向之一，事实上在3GPP Release 17中，用于物联网的卫星通信是一个重要研究课题。物联网应用中，许多时候联网的场景处于基站未覆盖对的区域（例如海上作业，新开发的农业区，野外的动物保护区等等），这个时候使用卫星通信将能最大程度上地提高物联网覆盖范围，而无需担心基站建设。对于物联网应用来说，由于其通信速率本来就很低，因此目前卫星通信的速度基本就能满足应用。主要的问题在于如何降低成本，这既包括了在卫星网络端如何降低接入费用，也包括了如何降低地面收发设备的天线、芯片和电池成本等。
5G卫星通信给半导体行业带来的机会
如前所述，5G卫星通信市场一旦打开，会给半导体行业带来新的增量市场机会。
一旦5G卫星通信逐渐成为主流，我们认为最主要的半导体增量市场在于射频前端部分。为了确保上行通信能够成功，我们估计用于5G卫星通信的端侧发射功率要远大于其他通信，因此这对于功放提出了新的要求，有可能会需要单独的功放。而在下行链路，由于卫星通信的信号损耗很大，因此对于射频端信噪比的要求很高，希望射频电路端引入的额外噪声越低越好。因此，用于5G卫星通信的接收端射频前端（LNA，射频开关等）有可能需要特别设计，而且在射频SoC里可能也需要特殊处理。由于对于发射功率和信噪比的要求，5G卫星通信的天线很可能也需要专门设计，如果想和其他频带使用同一个天线的话可能会对设计带来不少挑战。
与之相对地，5G卫星的基带处理部分可能会较为简单一些，因此很可能使用现有的5G基带在软件上做一些调整就能提供支持。
基于此，我们认为如果5G卫星通信能真正得到推广，中国的半导体公司应该有不少机会。总结来说，5G卫星通信由于链路损耗较大，因此可望使用较为简单的调制方法，对于上行链路来说，需要高输出功率的功放，但是对于线性度的需求未必很高；对于下行链路来说，对于信噪比有较高需求；对于上下行链路来说，都需要特别设计的天线，对于天线增益可能有要求。结合这些特点来看，5G卫星通信的射频前端设计虽然有一定难度和门槛，其中中国芯片公司可能的第一个突破点是功放部分，因为5G卫星通信的调制可能比较简单；之后，在前端的开关乃至滤波器对于中国的芯片公司来说也非高不可攀。希望在未来，我们能看到中国芯片公司活跃在5G卫星通信的芯片市场上，成为一股不可忽视的力量。
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