什么是星地通訊網絡？

關于星地通訊網絡可能獨立研究機構、體系甚至現有產品實現可能有很多，我們就沒必要逐一觀察和列舉了。我們在本篇涉及的星地通訊網絡主要還是在3GPP標準化組織范疇內的NTN網絡=Non Terrestrial Network，也叫做非地面網絡。汽車領域內的朋友對這個“非地面網絡”的概念可能比較模糊，小編做個基本解釋：

1 PSTN=Public Switched Telephone Network，是最早出現的以話音業務為主的通訊網絡，通過電路交換機制實現。大家在影視作品中常常看到的話務接線員坐在交換板前面的“插拔”動作，就是一種由人力完成的電路交換行為。后來的程控交換機改由數字電路完成電路交換，從而大大提高效率；

2 ISDN=Integrated Service Digital Network，綜合業務數字網。其主要設計目的是希望可以在PSTN網絡上同步開展數字業務，滿足終端用戶的基礎互聯網業務需求。當然實際證明ISDN基本是個失敗的技術，因為市場對于數字業務的需求增長過快，很快就越過了ISDN網絡的能力上限了；

3 后續的發展基本上走上了兩條道路：

3.1 PSTN的話音部分主要是朝向移動網絡的方向前進，這就是我們后來看到狂飆突進的1G-2G-3G-4G……5G，這些移動網絡的規模、生態和其所能支撐的復雜業務都遠遠是之前的父輩PSTN所無法比擬的，他們實際上已經取代了PSTN而成為全新的基礎業務網絡，我們也可以統一稱呼其為PLMN=PublicLand Mobile Network（小編：這是個標準稱謂，小編個人在剛接觸Land這個詞的時候也表示不好理解，但實際上在5G出現之前，地面移動網絡在標準中確實只要求覆蓋地面目標，而且從網絡規劃和優化的角度來看，移動網絡“貼地”部署實際上只有好處而沒有壞處。）；

3.2 而基于PSTN發展出來的ISDN在快速被市場淘汰之后，以IP為基礎的數字業務大爆炸，也是從Cable-DSL-FTTx等快速進化到各種高速寬帶網絡。

我們所關注的是前者3.1這條演進線路，因為在4G完成全面商業化之后，一直以PLMN貼地網絡姿態出現的移動網絡出現異動，5G中的NTN網絡和5G標準一起，浮出水面；

4 NTN=Non Terrestrial Network，意為非地面網絡，顧名思義是相對于傳統的地面網絡而言，采用典型的如衛星和高空平臺（小編：高空平臺除了衛星還有各種平流層20Km以上的長效飛行器，比如氣球和飛艇）參與組網的技術。以衛星通信為例，同步軌道衛星（GEO）理論上只需要3顆即可覆蓋除兩極地區外的全球范圍，其優勢不言而喻。目前已有眾多衛星通信系統已經商用，雖然他們還不是基于5G NR空中接口標準的星地網絡，如銥星（Iridium）、海事衛星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）、星鏈Starlink等等……注意，他們的工作軌道高度各不相同。

說到這兒，大家應該大致明白了通訊網絡演進的大致趨勢：先有最基礎的PSTN和話音業務，隨后PLMN被從PSTN基礎上“提煉”而出，提供給人們更好的移動性和更好的終端感受；當PLMN一代又一代逐漸往更高級的技術范疇演進時，我們確實看到有更好候選技術，可以協助我們在PLMN的基礎上再次完成“提煉”，從而向上進入太空，徹底脫離地面。NTN網絡確實可以幫助我們實現對于地球完整表面的覆蓋，包括陸地、大氣層內的空余和海洋，以及兩極區域。

從主導PLMN網絡發展的標準化組織3GPP角度出發，他本身也是現在最強大和最有說服力的技術標準化組織。在它自身主導的5G標準內支持衛星通信，爭取在6G來臨之時將衛星通訊網絡以NTN的形式落地，從而推動星地融合已經是勢在必行。實際上3GPP從R14就開始了星地融合的研究工作，之后立項“NRsupport Non-Terrestrial Network”，即面向非地面網絡的5G新空口。

非常清晰地表達了3GPP的觀點：希望NTN網絡的空中接口制式，可以統一到5G所定義的New Radio空口標準下（小編：現在5G的最新3GPP內標準版本為R17凍結，R18在研），從而將星地通訊網絡納入地面移動網絡標準共同演進。

圖一【NTN-1.png】來自S^2技術文章插圖

上圖1中可以清晰看到PLMN已經從最初的Ground based向上發展到Airborne和Spaceborne至少三層。這里說“至少三層”是因為人類航天活動的組織形式出現新變化，民用航天企業的突飛猛進，似乎讓我們看到有生之年人類確實有機會規模移民月球和火星的可能性。那么屆時是否出現Mars based and Moon-based network，確實不好說了。

我們在本篇中所重點關注的就是Spaceborne Network中的LEO satellite（地球低軌道衛星），這是本文主角Starlink的技術模板。（小編：圖1中的Airborne和Spaceborne之間的分界線高度為100Km大氣層邊界）

注意上圖1中，復雜的三層網絡所服務的中心對象其實只有一個，就是6G UE（用戶終端）。從統一的標準化組織3GPP的角度出發，他當然希望網絡形態不論多復雜，但對于UE來說，空中接口的制式應該保持單一。這對于保證客戶體驗、降低終端的復雜度和能耗，都有很大的好處。這也意味著NTN的位置不管有多高，3GPP定義NTN的出發點之一，也一定是基于統一的NR（New Radio）接口。

從原則上講，這就是網絡遷就終端，而非終端遷就網絡。（小編：WiFi空口有別于NR是個例外，畢竟WiFi是同期成長甚至有更悠久歷史的IEEE的標準。所以如果不考慮兼容低級別標準，所有的5G標準手機至少都是兩個制式，NR+WiFi）所以歷史上盡管出現各種各樣的星地通訊網絡，包括Starlink當前所提供的成熟的星地寬帶網絡，但符合國際電信聯盟ITU定義、3GPP標準化組織提交的5G標準，卻只有正在演進中的NTN。下圖2顯示的Starlink商業網絡，從終端形態、上下行空口鏈路工作頻點，以及地面站獨立接入Internet的工作方式來看，都更像一個超級大號的WiFi，而非泛在的5G、6G：

圖二【NTN-2.png】來自dgtl Infra技術文章插圖

所以當T-Mobile作為美國排名前三的移動運營商聯手民用商業航天寡頭SpaceX聯合發布這種從外部特征看非常接近NTN概念的星地網絡時，確實是值得很多行業和受眾關注的，這其中也包括我們汽車行業。這種技術一旦借助Starlink落地，顯然對于Teslafleet中的每一輛車來說，都是更好的信息互聯通道，尤其在地廣人稀的國家。

Aboveand Beyond

具體關于這次SpaceX和T-Mobile的合作發布，總的來說信息點不多，而且類似場合所能提供的深度線索總是很有限的，但感覺有些干貨可以稍微展開說說：

1 發布會主題是：Above and Beyond，T-Mobile CEO說這是技術合作發布，不是產品發布。這句話的意思是，截至目前都只是技術構想（小編：Elon Musk說已經完成了Lab原型驗證，SpaceX端需要驗證550KmLEO軌道在PCS1.9GHz頻段下，Starlink衛星到地面終端的鏈路預算——基于主流商業終端，是否可行），還遠不到談及具體網絡部署和商業服務的階段。

所以現在討論具體的服務形式，甚至套餐模式，是否傾向支持哪些具體應用（類似虛擬運營商）......這些問題言之還早。但這往往也是一般消費者所最關心的問題，所以發布會現場很多提問都是圍繞這些問題的。我們先把這個問題放一下，網絡所能提供的業務模式，往往和網絡結構相關，如果我們尚不能確定Starlink在v2.0時代對于NTN的具體支撐方式，也就是網絡結構，也就無法確定SpaceX和T-Mobile的運營合作方式。那么一切猜想的價值也就不太大了；

2 在3GPP標準體系內，NTN從R14版本開始一直都是空天網絡的技術范疇，5G現行版本中很多的研究已經包括這一部分。NTN非地面網絡技術在標準化組織里是正式的研究構成，各成員機構基本都在搞，不算是特別先鋒、特別冷門的技術。去年iPhone13正式發布之前，曾有投資分析師放出消息說iPhone13有可能支持衛星網絡。雖然事后被證明子虛烏有，但進入2022年度以來，我們確實觀察到多家傳統電信設備提供商在加緊NTN網絡測試進程，甚至還包括終端芯片設計商聯發科；

圖四【NTN-4.png】來自honhai.com技術文章插圖

上圖4中的黃色箭頭位置即是聯發科的終端芯片。但上圖所展示的NTN網絡工作方式可能和最近聯發科公布的針對LEO地球低軌道的NTN測試通過的場景還不一樣，上圖4中的場景是對接GEO地球同步軌道的高軌場景，但這個差別并不影響我們的分析。

基于物聯網技術標準NB-IoT，聯發科提供的芯片可以支持標準的物聯網終端指標：23dBm/200mW UE發射功率，以及0dBi的全向天線。我們可以做這么一個基本判斷，如果在GEO地球同步軌道的36000Km的高軌道位置可以支撐地面標準終端的窄帶業務，那么LEO低軌道（大概550Km-600Km）上的業務在關鍵的鏈路預算上就不會有太大問題，當然還要考慮多普勒效應的負面因素（小編：GEO對地面靜止，沒有多普勒問題）。

3 Elon Musk說Starlink的v2版本上，衛星本體將會重新設計支持PCS頻段（1.9GHzFDD）的相控陣天線。天線尺寸大約是邊長5-6m，面積在25平方米大小。這個天線的尺寸大小，即使是考慮設計折疊結構之后，現有的Falcon-9的整流罩也放不進去。所以Starlinkv2平臺，只能選擇Starship星艦來發射。但客觀事實是Starship達到商業發射的進度還需要時間，延后的可能性很高，所以SpaceX的Plan-B是研發小一號的Starlinkv2版本，攜帶較小面積的相控陣天線，仍然由Falcon-9發射。但想必這種星地通訊性能指標會下調；

4 T-Mobile USA曾經是歐洲電信業巨頭——德國電信的子公司，現在股權結構如何小編就不清楚了。T-Mobile在這種合作中貢獻的主要是自己的資源——無線頻譜資源和現有的5G地面網絡，主要是基站gNB資源。準確地說大頭還是PCS1.9GHz頻段的全美覆蓋資源（在美國的頻段拍賣機制下，拿一個可以全國性覆蓋的統一頻段網絡很不容易也很昂貴），具體T-Mobile是把他的PCS頻段都拿出來了，還是只拿了一部分？還不清楚細節，應該不會太多（也用不上）......但這些內容也都不是現在公眾所需要了解的細節。

對應地，SpaceX則是貢獻太空網絡實體，應該包括地面站、關口局（和T-Mobile對接）、衛星、中繼星（v2可能每顆都可以通過激光中繼），以及更加關鍵的如何處理終端上行信號處理的技術難點，比如低信噪比和極低電平的有用信號，以及如何對抗多普勒頻偏。

當然對于T-Mobile來說，除了貢獻極其昂貴的PCS頻段資源作為Starlink上下行覆蓋頻段，為了適配高時延、低速率（高誤碼率）且因為發生在UE和衛星之間相對高速的運動所導致的頻率偏移和異常高的移動性，T-Mobile需要嚴格按照技術規范（可以是來自3GPP的現成標準）組織gNB基站產品和UE終端產品的測試和采買、上市和資費設定，這部分工作量也不少。

但本質上，對于兩家的合作有點類似于：你出資源，我出技術和實體衛星和技術，賺了錢大家分這個意思。

5 特別地，對于SpaceX來說，Starlink星鏈系統是個靈活的有生命力的平臺。他也需要不斷發展自己的平臺能力來滿足自己的可持續運行。當前的v1和v1.5已經基本在近地軌道上站穩腳跟，可以穩定為地球相當大的表面積上提供穩定星地寬帶業務，實際上也進入商業推廣階段，并在關鍵區域和熱點事件上發揮作用，比如俄烏沖突一線，以及湯加火山爆發區域；SpaceX往軌道上折騰多大動靜現在看起來也基本被各方所接受了，FCC首當其沖，國際電信聯盟ITU官方似乎也沒有強烈的反對意見。只有部分輿論和天文觀察行業對Starlink的非議很大，但終會消失。這個轉變和逐步被公眾接受的過程很不容易，大家可以理解為這就是關鍵的“口碑”。但這遠遠不是Musk的野心。直接對于地面手持商業終端提供真正意義上廣泛存在的移動業務，理應是下一個重點。小編個人覺得這是水到渠成的，如果SpaceX和Musk沒有決定邁出這一步才是奇怪的。

關鍵的技術難點

從聯合發布會上Elon Musk的表述中，我們無法確定Starlink v2在星地網絡中所扮演的角色到底是如何的，也就無法判斷SpaceX+T-Mobile的聯合星地網絡到底和3GPP現行標準中所定義的NTN的滿足度有多高。這其實是個根本問題。

可能會有讀者問，為什么SpaceX+T-Mobile的星地方案一定要滿足3GPP標準呢？為什么不能通過先發優勢快速確立自己的網絡和業務從而搶先發布自己的標準呢？實際上，先發確立獨立的標準完全是有可能的，因為SpaceX所擁有的大批量、高密度的近地軌道發射能力獨步全球，而且Starlink星鏈實際上已經接近完成對黃金近地軌道（LEO 550Km）的統治。但如果我們從另一個角度考慮，無論是5G一側的gNB設備，還是終端一側的UE設備，以及UE內關鍵芯片，最終還是會選擇遵循3GPP相關NTN標準。這意味著SpaceX和T-Mobile如果選擇強行推進自有標準，就必須要對整個UE到5G的無線接入網絡做出相應的改動，T-Mobile在移動通訊產業界未必有這個自研能力和號召力，而SpaceX則完全是門外漢。

我們在下圖給出3GPP中，NTN（非地面網絡標準）所定義的兩種基礎架構：

圖六【NTN-6.png】來自Satellite Communications in NewSpace Era論文插圖

左側a為Transparent Payload NTN模式，意指針對地面那些附近沒有地面5G覆蓋的UE，提供符合NR（5G的空口標準）規范的信號轉發能力，將NR的無線電信號所攜帶的Payload原封不動轉發給地面可達的任意一個gNB基站，從而完成對于非傳統網絡覆蓋區UE的電信業務覆蓋。而右側b的為Regenerative Payload NTN模式，意指對于地面那些附近沒有地面5G覆蓋的UE，提供符合NR規范的信號收發能力，衛星此時相當于位于太空的gNB 5G NTN基站，然后將處理并恢復好的信號即所謂的Regenerated signal轉發給地面可達的任意一個核心網網關設備，再進入互聯網。

讀者可以明白，兩種NTN實現方案最大的差別在于對于衛星的技術要求，也就是對于Starlinkv2衛星的計算能力的要求。小編大概率推測應該是方案一，即Transparent Payload方案。這個方案對于衛星的算力要求沒有b方案高，只需要恢復合格的物理層無線信號即可，而方案b則需要高質量恢復出整個用戶payload數據，相當于把gNB實體送上衛星。這樣對Starlink v2.0來說集成度、可靠性和成本的需求要求增加。

但不管方案a還是方案b，物理層信號的處理都是要求非常高的。如前面所述，兩點技術問題必須克服，一個是要克服550Km長度的鏈路衰減問題，另一個則是必須對抗Starlink以25000Kmph的超級高速度飛掠世界各地所帶來的多普勒頻率偏移問題。這些PHY物理層的技術難點更多地在SpaceX一側，解決方案一個是超級相控陣天線，另一個則是頻率偏移測量和修正的物理層算法。其中，Starlink能提供多大面積的天線才能支持550Km高度的星地通訊是個關鍵，現在的技術水平看，不是完全不可能的。

圖七【NTN-7.png】來自seekingalpha.com技術文章AST SpaceMobile插圖

上圖7中的天線是來自AST的64平方米的軌道相控陣天線，部署在400Km軌道，運行速度25000Kmph，設計目標就是用來支持地面商業移動手機的。很巧的是，這家公司往軌道上送天線衛星，就是選擇的SpaceX的falcon-9.......小編不知道Elon Musk是否受到其啟發。

Cambridge-consultants和StratosphericPlatforms Limited合作的平流層航空器（小編：注意不是軌道衛星，高度會較低，所以天線尺寸可以做得更小）所搭載的相控陣天線。有興趣的讀者可以去挖一下細節。這個天線的尺寸較小，大概3平方米，但可以支撐在20Km的平流層內對地面商業手機直接提供移動服務。

閱讀至此大家可以理解，Starlinkv2星的天線載荷是否足夠先進，將是近地軌道飛行器對地面提供NTN移動業務的關鍵中的關鍵。NTN和地面移動網絡PLMN最大的差別也就是基站到終端的距離，這個距離所造成的鏈路損耗必須有先進的相控陣天線所彌補，否則這個概念的可行性就不存在了。Elon Musk確定說他們可以搞定這個問題，且已經在實驗室里得到證實。這個是毫無疑問的，在這方面有所突破的不止SpaceX一家。如果有疑問，那就應該是技術部署節奏的問題，是否能跟上商業化推廣的需求，這是衡量這個業務是否健康的唯一標準。但眾所周知的是，Elon Musk歷來都是把先進技術工程化的大師，所以我們拭目以待吧！

除此之外，還有多普勒效應如何克服、地面波束覆蓋小區高速移動所引發的高密度切換行為如何保證切換質量和穩定度、覆蓋區域內的服務帶寬水平……等等問題，這都次之。

平臺的偉力

狹義上理解，通訊網絡首先是個技術體系；但從廣義上理解，網絡理論之所以成為現實世界中無處不在的網絡，成為人們日常在方方面面都需要也可依賴的體系，核心本質還是一個健康的生態。位于這個生態的核心位置上是運營商，以及運營商背后的國家力量（即國家所能掌控的排他的、唯一的自然資源分配權）。所以我們看到在漫長的1、2、3、4、5、6....G演進歷史中，在全球范圍內發展的技術體系內，其發動者和引領者，就是聯合國，也只能是聯合國。具體就是聯合國里歷史最為悠久的部門——國際電聯ITU。

ITU負責發布對于每一代無線通訊技術的需求，然后各種標準化組織們（小編：其實基本上也就3GPP為主，標準化組織代表自由的商業利益）再組織成員公司和所屬各種研究機構的力量，負責把這個技術需求落地。其中標準化組織搞不定的部分，比如涉及國家主權的無線電資源協調和分配，甚至衛星軌道資源的協調和分配，基本就是ITU和ITU所主辦的WRC（世界無線電大會）所主持國家與國家之間進行協調的。

SpaceX的Starlink低軌通訊衛星星座在Elon Musk的超強領導力下，以及在美國頻率和軌道資源管理機構FCC的支持下，在近地軌道資源上執行了鋪天蓋地的搶跑。在沒有明顯違規的前提下，充分利用現有規則的短板（小編：現在的規則基本屬于先到先得），已經給其他國家和技術組織造成莫大的壓力。現在星鏈系統作為超級平臺產品，已經有四千顆數量級別的在軌衛星，而進一步演化的Starlink v2版本極有可能聯合美國的地面運營商（T-Mobile）將這個壓力進一步擴大到傳統的移動服務上。如果再進一步尋求聯合西方盟友的運營商，在大范圍內搶先提供“準”6G業務也不是不可能的。NTN本身就是有代表性質的6G業務。

這就是平臺的偉力！Elon Musk不按常理出牌，繞道、借道實現技術、產品和系統級別的超車已經不是第一次了。不等具體的標準落地，不考慮產業內其它合作伙伴的成熟度，不顧及歷史陳規甚至蔑視現行制度（小編：別看FCC在美國國內表現出一種制約Elon Musk亂來的態勢，但實際上扶上馬再送一程的事兒可沒少干）……只要產品有市場，SpaceX搶先推出NTN業務成功的機會確實存在。畢竟放眼全球，官方、半官方和純私有的商業機構中，具備如此規模的LEO近地軌道衛星資源的，只此一家別無分號。

所以站在國家的角度，持續關注并加快推進NTN部署，還是必要的。現在全球范圍內商業航天基本被SpaceX橫掃，唯一可抗衡的也就是中國國家之力的運載能力了，但如果Starship星艦運載工具順利完成商業化，我們也夠嗆能否跟得上。所以Starlink星座平臺最終能長多大，能帶多少業務，能形成何種高維優勢？

某種程度上講，他的對手真有可能只有SpaceX自己。

審核編輯：劉清