【導(dǎo)讀】衛(wèi)星通信(satcom)是一種成熟的語音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸方式，在所有主要軌道（包括地球同步赤道軌道GEO、中地球軌道MEO和LEO）上廣泛使用。衛(wèi)星通信被認(rèn)為是傳輸GPS導(dǎo)航信號、天氣信息、電視廣播、語音、數(shù)據(jù)的有效手段，同時也用于成像和科學(xué)應(yīng)用。承諾提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接的新一波計劃已經(jīng)圍繞LEO衛(wèi)星星座展開，它將為下一代互聯(lián)網(wǎng)通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。
LEO連接——通向成功之路
在持續(xù)部署5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)方面，LEO衛(wèi)星發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)越來越多地參與到3GPP標(biāo)準(zhǔn)化中，其在未來網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)期作用早就在研發(fā)當(dāng)中。2017年，3GPP標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)啟動相關(guān)活動，以了解衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在5G連接中的可行性。通過3GPP標(biāo)準(zhǔn)第15、16、17和18版的發(fā)布，已有多種活動來支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的集成。LEO衛(wèi)星可以為服務(wù)欠缺的地區(qū)提供大范圍覆蓋，可以為移動中的人們提供連續(xù)服務(wù)，可以連接到機(jī)器到機(jī)器(M2M)/物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備，而且是一條值得關(guān)注的具有成本效益的5G升級途徑。
下一代LEO系統(tǒng)將在距離地球表面500公里到2000公里的軌道上運(yùn)行，實現(xiàn)比過去的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更具技術(shù)優(yōu)勢的解決方案。如此接近地球意味著它們將能提供更低延遲的連接，這對于消費(fèi)類或商業(yè)使用場景（如互聯(lián)網(wǎng)游戲或?qū)崟r控制工業(yè)/醫(yī)療設(shè)備）非常重要。LEO衛(wèi)星的延遲約為50ms（下一代技術(shù)會將此延遲改善到20ms以下），而GEO則為700ms。
LEO衛(wèi)星的一個關(guān)鍵推動因素是，由于軌道較低，其輻射暴露量要低得多。這很重要，因為這意味著可以放寬昂貴且有時令人望而卻步的抗輻射測試要求。由此將產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)在建造LEO衛(wèi)星的成本已大大降低。更少的輻射意味著有更廣泛的半導(dǎo)體工藝和更多的元器件可供使用。
鑒于軌道較低，預(yù)計部署的衛(wèi)星數(shù)量會多很多。此類衛(wèi)星的平均壽命將比以前的類似衛(wèi)星短得多。也許經(jīng)過5到8年，這些衛(wèi)星就會脫離軌道并需要替換。LEO衛(wèi)星必須具有成本效益才能支撐衛(wèi)星和替代衛(wèi)星的發(fā)射。
隨著LEO寬帶連接業(yè)務(wù)開始變得強(qiáng)大，所有這些趨勢引起了行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的注意。回憶1990年代，這種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)是多家公司的目標(biāo)，但遺憾的是，由于部署成本高且需求有限，它以失敗告終。快進(jìn)到今天，半導(dǎo)體技術(shù)有了長足進(jìn)步，能夠提供不同以往的性能和集成度。再加上相對偏遠(yuǎn)或服務(wù)欠缺的地方對高速、低延遲互聯(lián)網(wǎng)連接的需求急劇增長，以及衛(wèi)星通信與5G標(biāo)準(zhǔn)的整合，使得未來的LEO星座處在一個好得多的基礎(chǔ)之上，取得成功的可能性更大。
在撰寫本文時，預(yù)計用戶可以實現(xiàn)100Mbps的最大下行數(shù)據(jù)速度，未來可能會提高到150Mbps，從而很好地滿足多用戶全時視頻流傳輸需求。
LEO面臨的一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星始終在不斷移動，星座只有完全部署好才能提供最低可行的服務(wù)。這意味著初始支出會很高，因為LEO衛(wèi)星的軌道較低，因而數(shù)量巨大。但即便如此，這似乎也并未阻擋其現(xiàn)在的成功，而且投資者對無處不在的覆蓋的商業(yè)前景十分看好。
LEO衛(wèi)星系統(tǒng)如何工作？
LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成，如圖1所示。
圖1.LEO衛(wèi)星通信的地空場景示例
用戶終端/用戶設(shè)備(UE)
這些終端是用戶和衛(wèi)星之間的直接聯(lián)系手段，往往成本低、易于設(shè)置且位于家中，但也可以是移動終端，如海事衛(wèi)星通信、移動中的衛(wèi)星通信、戰(zhàn)術(shù)單人無線電等。用戶終端利用高水平的IC集成來簡化物料清單(BOM)，降低成本，并保持較小的外形尺寸。
地面站/網(wǎng)關(guān)
這些是連接到服務(wù)器（用于互聯(lián)網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)中心）的地面連接，通常通過光纖連接。它們將衛(wèi)星連接到地面，部署于地球上的固定位置。
衛(wèi)星
衛(wèi)星群被稱為星座，在軌道上繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)，提供同時連接終端和網(wǎng)關(guān)的鏈路。
LEO衛(wèi)星在太空中移動，通常一顆衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈的時間在90分鐘到110分鐘之間，這稱為軌道周期。因此，連接到衛(wèi)星的用戶處于該衛(wèi)星的范圍內(nèi)的時間很短（最多20分鐘）。普通用戶在正常運(yùn)行期間會連接到多顆衛(wèi)星。經(jīng)過一定時間后，系統(tǒng)必須將用戶移交給進(jìn)入范圍內(nèi)的其他衛(wèi)星，此方式類似于在行駛的汽車中使用手機(jī)的人，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個基站將用戶移交給另一個基站。這對如何控制波束以保持與最合適衛(wèi)星的最佳鏈接提出了嚴(yán)格要求。
另一個有趣的演變是衛(wèi)星系統(tǒng)在超出地面站的范圍時如何維持運(yùn)行。圖1展示了一些可能影響通向地面站的鏈路速度的不利天氣狀況。傳統(tǒng)上，衛(wèi)星使用彎管技術(shù)，也就是衛(wèi)星必須始終找到一條通往地球或其他物體（如飛機(jī)）的鏈路，將其作為跳板來連接太空中的另一顆衛(wèi)星，后者當(dāng)時可能處在地面站的范圍內(nèi)。一項新技術(shù)是通過衛(wèi)星間鏈路，在太空中使用光學(xué)或V/E頻段連接來鏈接衛(wèi)星。
用戶終端上/下變頻器的進(jìn)展
用戶終端對IC集成度提出了很高要求，ADI利用硅工藝技術(shù)的性能和集成能力來響應(yīng)這一需求。這些解決方案需要非常高的IC集成度，以實現(xiàn)尺寸非常小的無線電終端，同時保持非常低的功耗，并嚴(yán)格遵守優(yōu)化的無線電成本要求。
上/下變頻器(UDC)是用戶終端中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，它們將調(diào)制解調(diào)器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。
RFIC UDC的頻率覆蓋目標(biāo)是：
● Ku頻段：~10.7GHz至~14.5GHz
○ 下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：10.7GHz至12.7GHz
○ 上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：14GHz至14.5GHz
● Ka頻段：~18GHz至~31GHz
○ 下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：17.7GHz至21GHz
○ 上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：27GHz至31GHz
下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開的，故從衛(wèi)星到用戶終端的通信使用兩個單獨的頻段。因此，RFIC公司必須針對不同頻段設(shè)計每個用戶終端的上下變頻器。
用戶終端鏈路通常覆蓋125MHz至250MHz的通道帶寬(BW)，網(wǎng)關(guān)覆蓋250MHz至500MHz的帶寬，具體帶寬取決于是上行鏈路還是下行鏈路。不過，一些部署具有在用戶和網(wǎng)關(guān)鏈路之間共享帶寬的能力，因此通道帶寬可以在其工作的頻率中重新配置。
LEO衛(wèi)星在不斷移動，如圖1所示。因此，終端內(nèi)上/下變頻器的頻率合成器必須實現(xiàn)快速鎖定以提供不間斷連接。頻率合成器用于輔助上變頻和下變頻。它們在賦能終端在運(yùn)行期間連接和重新連接不同衛(wèi)星方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因為從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星，空中頻率在工作頻段（即Ka和Ku頻段）內(nèi)不斷變化。
ADI開發(fā)了一系列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量、面積、功耗和成本(SWaP-C)問題。這些UDC包含眾多RF和IF信號調(diào)理功能，例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC的設(shè)計都考慮到了用戶終端的信號鏈性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC，支持衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IF接口，如圖2和圖3所示，表中顯示了IC性能的亮點。
圖2.高度集成的Ku頻段上變頻器，IF接口直接來自衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器
圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，IF接口直接通向衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器
針對更高頻率的Ka頻段，ADI開發(fā)了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），它們支持需要I/Q基帶接口的衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器。 請注意，ADMV4530上變頻器是雙模器件，它還能支持IF接口。這些解決方案采用硅工藝設(shè)計，集成度非常高，可應(yīng)對大批量終端應(yīng)用中常見的集成壓力。
圖4.高度集成的Ka頻段上變頻器，I/Q和IF接口直接來自衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器
圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，I/Q接口直接通向衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器
更高性能的終端UDC
終端市場中的一些應(yīng)用是由性能驅(qū)動的，對尺寸和最低成本設(shè)計目標(biāo)的限制較少。這些應(yīng)用可以選用分立RFIC解決方案。由于元器件位于不同封裝中，因此可以混合使用多種工藝技術(shù)——包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來優(yōu)化設(shè)計要求。分立設(shè)計允許對性能與尺寸進(jìn)行多方面權(quán)衡，設(shè)計過程的靈活性非常大。設(shè)計人員可以創(chuàng)建更高性能、提供更高輸出功率并支持更寬帶寬的無線電。此外，設(shè)計人員可以提高接收器靈敏度以改善動態(tài)范圍和雜散性能。應(yīng)當(dāng)注意的是，地面站/網(wǎng)關(guān)也屬于此類解決方案。網(wǎng)關(guān)的尺寸更大，其集成度要求當(dāng)然不能與終端同日而語。網(wǎng)關(guān)利用不同的工藝技術(shù)來為市場提供性能優(yōu)化的解決方案。ADI將繼續(xù)擴(kuò)大分立解決方案產(chǎn)品系列以應(yīng)對這種使用場景。圖6展示了一種分立式高性能解決方案。
圖6.分立式HMC798A Ka頻段用戶終端的功能框圖
使用電子可控天線降低用戶終端成本
傳統(tǒng)上需要專業(yè)承包商來安裝設(shè)備和定位衛(wèi)星位置，與此相關(guān)的安裝成本很昂貴，故多家公司致力于消除這種安裝成本以降低用戶終端的部署成本。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，須將天線與處理通信鏈路所需的所有電子設(shè)備（如移相元件、RFIC UDC）結(jié)合在一個室外單元(ODU)中。ODU是位于室外并瞄準(zhǔn)天空的天線陣列。室內(nèi)單元(IDU)連接到ODU，用作傳統(tǒng)路由器（有線或無線），為用戶（如PC或電話）提供互聯(lián)網(wǎng)連接。
如前所述，LEO星座會有許多衛(wèi)星進(jìn)出地面終端的視野，而電子可控天線(ESA)可以通過電子方式控制衛(wèi)星方向上的發(fā)射和接收能量束，從而實現(xiàn)高指向性，故使用ESA的效率要高得多。因此，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)出用戶終端的視野時，從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的切換幾乎瞬時完成，最佳鏈路得以保持。事實上，考慮到軌道周期和正常運(yùn)行過程中需要連接的衛(wèi)星數(shù)量，那么ESA幾乎是一項必不可少的要求。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，ADI開發(fā)了Ku頻段波束成形集成電路(BFIC)技術(shù)。ADMV4680是一款針對用戶終端設(shè)計的硅解決方案，允許通過半雙工通道獨立控制信號的增益和相位。令人驚異的是，該IC的尺寸只有8.2 mm2，如圖7所示。
圖7.高度集成的半雙工Ku頻段4通道波束成形IC
為了開發(fā)BFIC技術(shù)以使整體無線電成本最小化，最重要的是系統(tǒng)和陣列專業(yè)知識。機(jī)械組裝和PCB設(shè)計（包括堆疊和層數(shù)）是無線電成本驅(qū)動因素的一部分。在開發(fā)BFIC的時候顧及到機(jī)械和PCB設(shè)計，就能盡量降低整體無線電成本。ADI與客戶密切合作，并有內(nèi)部PCB專家來幫助解決這個問題。事實上，IC設(shè)計和最終配置是系統(tǒng)權(quán)衡研究的一部分。
采用ESA來跟蹤LEO衛(wèi)星并優(yōu)化鏈路速度，可以實現(xiàn)低成本設(shè)置，這些設(shè)備通常是即插即用的。ESA和向集成度更高的ODU的遷移，從根本上簡化了系統(tǒng)的部署并降低了成本。ESA還有利于實現(xiàn)更扁平的面板和賞心悅目的設(shè)計。
值得注意的是，最高性能的終端應(yīng)用會使用雙拋物面操縱的天線。在這種情況下，成本和美觀不是主要驅(qū)動因素，整體性能才是重點。對于消費(fèi)類和注重成本的小型企業(yè)解決方案，ESA是實現(xiàn)低無線電成本并且達(dá)成系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的有效方式。
結(jié)語
LEO互聯(lián)網(wǎng)連接是一個令人激動的新領(lǐng)域，如今大多數(shù)政府和互聯(lián)網(wǎng)提供商都在思考這場太空競賽。隨著世界的互聯(lián)程度不斷提高，LEO將進(jìn)一步增強(qiáng)3GPP標(biāo)準(zhǔn)從太空到農(nóng)村地區(qū)的連接能力，從而在5G中發(fā)揮重要作用。用戶終端的RFIC集成要求變得越來越有挑戰(zhàn)性，ADI將繼續(xù)在這一領(lǐng)域開發(fā)解決方案并按規(guī)劃推出IC新產(chǎn)品。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Donal McCarthy是ADI公司微波通信部（愛爾蘭科克）市場營銷與業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)。他擁有科克大學(xué)的工商管理學(xué)士學(xué)位、波士頓學(xué)院的工商管理碩士學(xué)位和都柏林愛爾蘭管理學(xué)院的市場營銷學(xué)位。Donal擔(dān)任過多個職位，包括MACOM設(shè)計工程師、Hittite現(xiàn)場銷售工程師和營銷職位以及ADI公司營銷經(jīng)理和總監(jiān)職位。
作者：ADI市場營銷與業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Donal McCarthy
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