• 400-083-9969

动中通——移动地面系统的巨大飞跃

“它是一个卫星终端,但类似于移动电话。”

世界电信协会(WTA)的执行理事罗伯特·贝尔用上面的这句话描述当前移动载体上的卫星地球站——动中通(ESIM,Earth Station in Motion)。贝尔说:“没有人需要考虑基站铁塔与手机的位置关系,包括当你开车经过基站时,它们之间的相对位置会发生变化。”

ESIM一词可普遍适用于任何类型的车载、船载、机载卫星站,现在移动地球站的各种解释的规则和条例已统一在这个名词。ESIM现在代表了连续性移动通信服务的关键。

这种整合的重要性不仅仅局限于定义ESIM的便利性。世界领先的监管机构最近才承认卫星天线和地面系统的发展到了需要对Ku和Ka频段的监管政策进行调整。

在2020年5月的公开会议上,FCC进一步扩展了可用于与地球静止(GEO)和非地球静止(NGSO)卫星一起工作的ESIM可用的Ku和Ka频段,这些卫星为船舶、车辆、火车和飞机提供通信。委员会还通过了一个管理框架,使ESIM与Ku和Ka波段的NGSO固定卫星服务(FSS)卫星进行通信,该框架对地球站的许可采取一种全面的方法,而不是一种个性化的过程。

通过这两项命令草案中的第二项,FCC遵循了ITU在WRC-19会议上做出的类似决定。新的ESIM规则现在更准确地反映了卫星地面系统的现实情况,以及卫星产业为市场带来的技术创新。Ball Aerospace Tactical Solutions副总裁兼总经理Jake Sauer解释说,以前针对地面站的Ku和Ka波段规定是基于几十年前移动卫星地面技术的限制。

Sauer说:”我们与地球同步轨道卫星通信的能力曾经非常有限,我们做信号处理的能力和移动平台接收地球上信号的能力也非常有限。GEO卫星距离地球有几万公里。等到GEO信号到达地球的时候,除非你的地面系统知道它到底在寻找什么样的信号,否则你就无法探测到。最重要的是,在你旁边运行的终端用户可能会在同一频段内辐射出大量的发射物,造成干扰。必须有一种新的方法,让移动用户能够相互沟通。”

Advantech Wireless业务发展副总裁Cristi Damian解释说,当车辆的旅行范围非常大时,GEO卫星对于持续的连接也会不太理想。”船舶和飞机在从一个波束到另一个波束的过程中,可能需要在卫星之间进行交接。据推测,随着低轨道卫星的激增,无处不在的问题将更上一层楼,卫星之间的无缝过渡问题也会减少。”

技术创新如何迫使监管部门重新思考

近年来,卫星地面系统有了很大的发展和进步。这些系统现在可以将射频波束指向天空,并利用数字处理技术来实现同时多个波束指向。地面终端用户设备的每个部件的物理形态也有了巨大的改进。

调制解调器技术的进步,使数据吞吐量–效率达到了最大化。放大器技术已经从易碎的行波管和高压电源的传统产品,发展到使用低电压电源工作、更耐损坏的弹性更强的固态放大器。最后,行业对更高的频段、点波束和强大板载发射器的青睐,使得更小的天线可以传输更多的数据。

Damian解释说,虽然天线技术已经进步,但它仍然是ESIM终端面临的最大挑战。”他说:”固定地面站和运动中的地球站之间的区别主要在于天线系统,虽然固定式地面站天线可能会配备伺服装置来跟踪卫星的运动,但其速度或回转率以及运动范围都相对较低。但当地球站终端在移动时,无论是与GEO或NGSO轨道卫星工作,天线的驱动都必须快速、精确,才能使天线保持指向卫星。好消息是,移动天线通常采用小型、轻巧的反射器设计,因此使其敏捷性不那么困难。坏消息是,小反射器意味着低增益。”

除了减少或消除机械系统外,Kymeta首席科学家Ryan Stevenson补充说,由于全电子波束转向天线及其扁平、薄型的物理外形,当今先进的ESIM具有更高的可靠性和零维护性。”在Kymeta,我们正在采取超材料的方法,与其他全电子方法(如相控阵)相比,大幅降低功耗和成本来进一步推进ESIM,”

从Ball Aerospace公司Sauer的角度来看,天线制造商们注意到ESIM的变化,简单来说就是它们使军用和商用移动终端用户能够做移动卫星市场最初想做的事情——让具有高数据速率需求的移动用户保持高数据速率链接,并创造可靠的体验。Sauer补充说,ESIM还推动了终端外形设计的创新,尖端的天线系统被安置在零剖面的单元中,成为结构或船只无缝的组成部分。”你会把它安装在屋顶上,甚至不会注意到它的存在。”

更多的带宽是否意味着更多的商机?

这些技术创新加上宽松的带宽限制对ESIM、移动市场和整个卫星产业意味着什么?Stevenson认为,ESIM技术为GEO和NGSO卫星开辟了新的可能性,在卫星连接性通常未被广泛采用的情况下,它为GEO和NGSO卫星带来了大量市场机会。他说,一个主要的例子是陆地移动,GEO和NGSO卫星星座将在5G无所不在的连通性愿景中扮演关键角色。

对于GEO卫星市场,Robert Bell认为,最优先的ESIM应用包括在地球表面移动的平台,而卫星似乎在天空中静止不动,这样的应用中ESIM的尺寸和外形都很重要。

贝尔说:“这些利基市场有巨大的增长空间。”更深刻的问题是,在实现ESIM的潜力方面的投资和努力是否最终会生产出超越传统天线的产品,就像克莱顿·克里斯滕森著名的“创新者困境”分析的小型磁盘驱动器的竞争反复超过大型磁盘驱动器的案例一样。如果真的发生,这将是一个漫长的过程,但影响将非常大,有助于将卫星集成到更多的应用程序中。

Advantech的Damian说,由于卫星提供的服务无处不在,以及ESIM与GEO和NSGO通信的能力,旅客和移动终端用户保持联系的愿望现在可以得到满足,而不必考虑交通方式。

Damian说,定义良好的规则和协议消除了制造商的模糊性,有助于公平竞争。一旦我们知道了频段、EIRP水平、干扰水平和覆盖区域的限制,我们就可以集中精力设计这些新的终端和网络。然而,这项任务并不容易,因为ESIM终端将需要允许来自集中式NMS[网络管理系统]的控制,以便在发生干扰时停用。我们预计,由于各国的立法会有所不同,对大规模制造业的限制也会有所不同。

解决干扰问题

不管ESIM在减轻干扰方面的物理和实际改进如何,它们并不能完全消除威胁。事实上,ESIM带来了新的和独特的干扰问题,为ESIM扩展带宽的监管机构也希望知道开发人员是如何应对这些挑战的。

然而,Ball Aerospace的Sauer认为,主动阵列有助于解决ESIM中最关键和最简单的干扰挑战,他说:“我们现在可以完全、主动地控制使用有源阵列发射信号的位置和方式。”。经典的碟形卫星天线设计,也有一些信号会从后面和侧面泄露漏出来。有了主动控制的阵列,我们可以设置一个要求,即它不会辐射辐射辐射,这样移动用户就可以更好地一起工作,而不会互相干扰。

Kymeta的Stevenson说ESIM在处理地理信号时可能会产生干扰,因为ESIM的工作环境必须严格控制波束指向和功率谱密度。他解释说,电子扫描ESIM面临的一个挑战是波束展宽,这是一种与所有平板、电子扫描阵列相关的物理现象。当阵列扫描角度增大时,有效孔径面积减小,从而导致主光束展宽。在天线扫描角度超过某一点后,主波束将超过监管限制。

Kymeta声称,它已经用一种控制ESIM终端内传输功率的专有算法解决了这个问题。史蒂文森说,这确保了终端始终在监管的指标范围内运行。Kymeta还开发了专有的指向和跟踪算法,利用廉价的手机级传感器,将天线波束指向所需的精度范围内。对于NGSO环境,我们主要关注的是等效功率通量密度[EPFD]。这不是ESIM的问题,比如说,而是NGSO和卫星系统运营商的问题,它考虑了一个地区内一组终端的总功率。

Damian和他在Advantech的同事认为,电子波束形成可以解决ESIM的干扰问题。Damian说:“到目前为止,限制功率是限制ESIM干扰的唯一方法,但这将对可传输的最大数据速率产生负面影响,从而可能会对商业案例产生负面影响。” 网管系统需要监控特定的ESIM组,并在ESIM进入受保护区域或受到干扰时将其关闭。这将需要准确的GPS定位,以及对可接受的网络安全的GPS干扰的免疫力。

也就是说,Damian解释说,要保护ESIM相关资产不受干扰的实际位置并不总是在公共领域。因此,我们可以看到国家之间、地区之间的不同限制。传统的上行链路GEO电信港使用CID,因此它们是固定的,并且位置清晰。这对于ESIM网络是不可行的。

ESIM解决方案的未来计划

文中提到的所有公司都在为其目标市场开发ESIM解决方案,并计划推出新一代利用新带宽法规的系统。

Ball Aerospace的战术解决方案部门一直在开发面向政府和军事的ESIM技术,但据Sauer称,该公司在将该技术应用于商业市场方面发挥了重要作用。我们对ESIM很感兴趣。为了降低ESIM的生产成本,我们与我们的合作伙伴在技术上进行了投资。这是我们的主要贡献。这是这两个市场之间的循环。政府和军方的最终用户需求推动了创新。对于商业终端用户,我们将继续改进制造过程并增强使ESIM对每个人都可行的能力。现在,我们正在将第二代Ku和Ka天线集成到ESIM终端解决方案中。我们已经成功地完成了这些系统在极端军事条件和环境中的演示,并计划在接下来的几个月里进行更多的演示。

Kymeta将于2020年第四季度发布其第一代u7 ESIM的后续版本u8。u8将扩展我们的ESIM技术的带宽和效率,同时提供卫星和蜂窝网络之间的混合连接。史蒂文森说,用户现在可以获得最好的吞吐量,这取决于可用的网络。

Advantech Wireless已经有一系列针对ESIM应用优化的固态功率放大器。戴米安补充道:“此外,我们有一个专门的研发团队,专注于将波束形成天线集成到ESIM终端中。”

在WTA,Robert Bell代表了ESIM市场上几乎所有的主要制造商。他相信,监管机构为帮助加快ESIM的发展而采取的行动也将激励整个移动无线世界的创新。

贝尔说:“任何调整移动和卫星标准及法规的努力都是朝着正确方向迈出的一大步。”。在我看来,理想的解决方案是集成4G/5G/ESIM天线和原生支持4G、5G和卫星的调制解调器。这种技术融合面临着一个重大的“鸡还是蛋”的两难境地:制造商是否会在这种技术有明显的需求之前投资于创造这种技术?监管措施可能会使决策倾向于此类创新。

转自 卫星通信观察