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      響應太空 5G 架構的號召

      Author:管理員 Time:2021-09-03 10:24:00

      太空一直是通信技術最后的疆域。鑒于在地球軌道上開展的所有活動,包括 SpaceX 等雄心勃勃的私營企業的行動,將 5G 基礎設施部署到地球之外的壓力日益增加;然而,這項技術需要足夠穩健且能夠承受太空的惡劣環境。

      衛星顯然是 5G 技術的終點,其延遲比現有的 4G 網絡低得多,從而使地面上的消費者受益。直到最近,衛星通信一直獨立于更廣泛的移動網絡生態系統。但是隨著 5G 架構的加入,最新、最出色的衛星正在成為網絡中的關鍵接觸點,這些衛星提供廣泛的連接來支持自動駕駛、遠洋艦隊、飛機和數十億個小型物聯網設備,尤其是在偏遠的農村地區。

      雖然宇宙飛船的數量比私營企業在軌道上發射的諸多衛星少得多,但過去幾年進入軌道的數量也有所增加。宇宙飛船不再只是為國際空間站提供補給以及人員旅行;甚至還出現關于太空酒店的討論,還可以肯定的是,客人們在他們失重的房間里也想要有可靠的 Wi-Fi。

      所有先進的技術最終都會流向普通消費者,因此為太空所做的 5G 創新將不可避免地降臨到地球上。無論如何,5G 網絡組件需要長期忍受地外環境的嚴酷現實,且無法動手維護。這些需求將給設計帶來壓力,并催生出更先進的半導體能力。


      地外 5G 網絡為地面帶來諸多益處

      下一代衛星可為數據密集型應用提供額外帶寬,在支持全球 5G 基礎設施方面發揮著關鍵作用。與此同時,移動網絡提供商正在升級地面設備,以打造面向未來的基礎設施,包括接收從太空發射的 5G 信號的能力,為無線客戶提供更好的用戶體驗。

      但這些客戶千差萬別,可能是移動游戲玩家,也可能是使用蜂窩網絡傳輸 4K 視頻的智能手機用戶,但這些 5G 衛星也可以支持智能家居物聯網設備,包括電器和安保系統。企業也能從外地 5G 支持中受益,能夠跟蹤航運集裝箱,醫生將能夠執行遠程手術,公用事業和能源公司將能夠監控發電機、天然氣管道和石油管道的實時狀態。全球的自動駕駛汽車和物聯網設備將從衛星通信中的 5G 架構中受益匪淺。

      即使在 5G 設備在地面部署的同時,Omnispace Lockheed Martin 等公司也在探索太空基地 5G 網絡,以了解如何對地面基礎設施進行補充。與此同時,美國宇航局和 Northrup Grumman 正在合作進行 5G 太空概念驗證,包括在 Grumman 的天鵝座太空船上對集成通信單元進行為期兩周的測試。

      正如所有這些地面設備在整合 5G 網絡組件時都有特定的設計考慮因素一樣,那些位于太空中的設備也是如此,且在未來幾年預計將添加數十億移動設備用戶,這反過來將大幅增加對帶寬的需求。


      5G 信號需要能夠承受太空惡劣環境的基礎設施

      在太空中構建 5G 架構,無論是衛星還是其他航天器,都有幾個關鍵的設計考慮因素。

      無數設備共享 5G 信號所導致的高密度,會給頻譜帶寬這一有限的資源帶來巨大的壓力。這可能會導致射頻干擾,進而影響衛星、飛機和其他航空航天技術有效運行的能力。隨著所有這些衛星進入太空,氣象衛星運營商等現有運營商,擔心較新的 5G 信號會侵占他們的頻率。而且,由于大多數商用 4G 網絡已經用完了所有可用的頻分雙工 (FDD) 頻帶,大多數 5G 網絡將使用時分雙工 (TDD) 頻帶,這些頻帶有自己獨特的要求,容易受到不同類型的干擾,可能會影響網絡延遲和性能。

      TDD 架構使用單個頻帶進行發射和接收,這比 FDD 更具優勢。然而,隨著 5G 在地面基站的部署,設計人員已經不得不解決交叉鏈路干擾問題。當一個基站在發射時,另一個基站同時在同一頻帶接收時,就會出現這種干擾。這可以通過確保所有基站同時發送或同時接收來避免。

      這些室外基站的較高功率也是一個因素。由于這在基站之間創造了更好的傳播條件,因此當上行鏈路中的基站受到來自另一個基站的下行鏈路的干擾時,交叉鏈路干擾可能會很嚴重。而隨著 5G 基站的增加,即使是在太空中,也會使交叉鏈路干擾的管理變得更加復雜。

      隨著人們越來越重視航空航天領域的太空,將有必要解決 5G 解決方案在軌道上將面臨的極端條件。雖然基站設備確實需要堅固耐用,但太空有自己的一套環境要求,包括酷熱和嚴寒、極端振動和高壓等,所有這些都取決于設備是在運輸途中還是在地球上空運行。雖然商用飛機和其他軍事應用已經在這方面形成一些創新,但構建面向太空的 5G 架構將進一步推動發展的需求。

      與其說 5G 系統本身在太空中是不同的,不如說它們需要以不同方式進行安放和連接。首先,它們需要能夠承受發射到太空中時產生的熱量,以免在大氣層中燒毀。這意味著 5G 架構需要熱屏蔽來進行保護,但又不會干擾操作。為防止熔化或熔合,需要有效而緊湊的冷卻系統和熱管理,能夠為它離開或進入大氣層,并長期在軌道上運行做好準備。


      針對太空進行設計時的考慮因素

      無論您正在為地外用途構建什么電子系統,您都需要考慮進行組裝所使用的所有連接器和電纜,包括 5G 網絡組件。連接器和電纜的外殼以及觸點的金屬對于任何電子設備(包括 5G 網絡組件)承受太空的惡劣環境都至關重要,以便它們在進入軌道后能夠應對高電流和紋波強度以及極低的溫度,同時仍能滿足速度、延遲和性能的要求。太空時代的連接器及其外殼將需要超越軍用級別。

      監測所有這些 5G 網絡組件的運行狀況將比在地面上更加重要。集成電子設計已經朝著更先進的飛機運行狀況監測系統發展,以便飛行員能夠了解任何故障并進行彌補。在太空中,這同樣至關重要,甚至更加復雜,因為需要大量的傳感器協同工作,但也必須能夠在太空中運行,從而導致成本有些高昂。更大的挑戰是,5G 系統需要增加冗余,因為即使可以診斷出問題,但在軌道上也很難進行修復。


      結論

      現實情況是,無論是在地面還是在太空,5G 網絡仍處于早期階段。盡管我們針對 6G 標準達成一致還有很長的路要走,但中國已經聲稱向太空發射了第一顆 6G 衛星,其任務是進行地球觀測以及測試高頻太赫茲通信有效載荷,該有效載荷發送數據的速度可能比 5G 快幾倍。

      太空一直處于技術進步的前沿,部分原因在于有需求就有創造。軌道上出現 5G 架構需求,就意味著有必要弄清楚 5G 網絡怎樣才能在太空中持久運行。在最后疆域的任何創新終將回到地球,以補充和加強地面 5G 基礎設施。

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