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“它是一個衛(wèi)星終端，但類似于移動電話?！?/span>

世界電信協(xié)會（WTA）的執(zhí)行理事羅伯特·貝爾用上面的這句話描述當(dāng)前移動載體上的衛(wèi)星地球站——動中通（ESIM，Earth Station in Motion）。貝爾說：“沒有人需要考慮基站鐵塔與手機(jī)的位置關(guān)系，包括當(dāng)你開車經(jīng)過基站時，它們之間的相對位置會發(fā)生變化。”

ESIM一詞可普遍適用于任何類型的車載、船載、機(jī)載衛(wèi)星站，現(xiàn)在移動地球站的各種解釋的規(guī)則和條例已統(tǒng)一在這個名詞。ESIM現(xiàn)在代表了連續(xù)性移動通信服務(wù)的關(guān)鍵。

這種整合的重要性不僅僅局限于定義ESIM的便利性。世界領(lǐng)先的監(jiān)管機(jī)構(gòu)最近才承認(rèn)衛(wèi)星天線和地面系統(tǒng)的發(fā)展到了需要對Ku和Ka頻段的監(jiān)管政策進(jìn)行調(diào)整。

在2020年5月的公開會議上，F(xiàn)CC進(jìn)一步擴(kuò)展了可用于與地球靜止（GEO）和非地球靜止（NGSO）衛(wèi)星一起工作的ESIM可用的Ku和Ka頻段，這些衛(wèi)星為船舶、車輛、火車和飛機(jī)提供通信。委員會還通過了一個管理框架，使ESIM與Ku和Ka波段的NGSO固定衛(wèi)星服務(wù)（FSS）衛(wèi)星進(jìn)行通信，該框架對地球站的許可采取一種全面的方法，而不是一種個性化的過程。

通過這兩項命令草案中的第二項，F(xiàn)CC遵循了ITU在WRC-19會議上做出的類似決定。新的ESIM規(guī)則現(xiàn)在更準(zhǔn)確地反映了衛(wèi)星地面系統(tǒng)的現(xiàn)實情況，以及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)為市場帶來的技術(shù)創(chuàng)新。Ball Aerospace Tactical Solutions副總裁兼總經(jīng)理Jake Sauer解釋說，以前針對地面站的Ku和Ka波段規(guī)定是基于幾十年前移動衛(wèi)星地面技術(shù)的限制。

Sauer說：”我們與地球同步軌道衛(wèi)星通信的能力曾經(jīng)非常有限，我們做信號處理的能力和移動平臺接收地球上信號的能力也非常有限。GEO衛(wèi)星距離地球有幾萬公里。等到GEO信號到達(dá)地球的時候，除非你的地面系統(tǒng)知道它到底在尋找什么樣的信號，否則你就無法探測到。最重要的是，在你旁邊運行的終端用戶可能會在同一頻段內(nèi)輻射出大量的發(fā)射物，造成干擾。必須有一種新的方法，讓移動用戶能夠相互溝通?！?/span>

Advantech Wireless業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Cristi Damian解釋說，當(dāng)車輛的旅行范圍非常大時，GEO衛(wèi)星對于持續(xù)的連接也會不太理想。”船舶和飛機(jī)在從一個波束到另一個波束的過程中，可能需要在衛(wèi)星之間進(jìn)行交接。據(jù)推測，隨著低軌道衛(wèi)星的激增，無處不在的問題將更上一層樓，衛(wèi)星之間的無縫過渡問題也會減少?！?/span>

技術(shù)創(chuàng)新如何迫使監(jiān)管部門重新思考

近年來，衛(wèi)星地面系統(tǒng)有了很大的發(fā)展和進(jìn)步。這些系統(tǒng)現(xiàn)在可以將射頻波束指向天空，并利用數(shù)字處理技術(shù)來實現(xiàn)同時多個波束指向。地面終端用戶設(shè)備的每個部件的物理形態(tài)也有了巨大的改進(jìn)。

調(diào)制解調(diào)器技術(shù)的進(jìn)步，使數(shù)據(jù)吞吐量–效率達(dá)到了最大化。放大器技術(shù)已經(jīng)從易碎的行波管和高壓電源的傳統(tǒng)產(chǎn)品，發(fā)展到使用低電壓電源工作、更耐損壞的彈性更強(qiáng)的固態(tài)放大器。最后，行業(yè)對更高的頻段、點波束和強(qiáng)大板載發(fā)射器的青睞，使得更小的天線可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。

Damian解釋說，雖然天線技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，但它仍然是ESIM終端面臨的最大挑戰(zhàn)?！彼f：”固定地面站和運動中的地球站之間的區(qū)別主要在于天線系統(tǒng)，雖然固定式地面站天線可能會配備伺服裝置來跟蹤衛(wèi)星的運動，但其速度或回轉(zhuǎn)率以及運動范圍都相對較低。但當(dāng)?shù)厍蛘窘K端在移動時，無論是與GEO或NGSO軌道衛(wèi)星工作，天線的驅(qū)動都必須快速、精確，才能使天線保持指向衛(wèi)星。好消息是，移動天線通常采用小型、輕巧的反射器設(shè)計，因此使其敏捷性不那么困難。壞消息是，小反射器意味著低增益?！?/span>

除了減少或消除機(jī)械系統(tǒng)外，Kymeta首席科學(xué)家Ryan Stevenson補(bǔ)充說，由于全電子波束轉(zhuǎn)向天線及其扁平、薄型的物理外形，當(dāng)今先進(jìn)的ESIM具有更高的可靠性和零維護(hù)性?！痹贙ymeta，我們正在采取超材料的方法，與其他全電子方法（如相控陣）相比，大幅降低功耗和成本來進(jìn)一步推進(jìn)ESIM，”

從Ball Aerospace公司Sauer的角度來看，天線制造商們注意到ESIM的變化，簡單來說就是它們使軍用和商用移動終端用戶能夠做移動衛(wèi)星市場最初想做的事情——讓具有高數(shù)據(jù)速率需求的移動用戶保持高數(shù)據(jù)速率鏈接，并創(chuàng)造可靠的體驗。Sauer補(bǔ)充說，ESIM還推動了終端外形設(shè)計的創(chuàng)新，尖端的天線系統(tǒng)被安置在零剖面的單元中，成為結(jié)構(gòu)或船只無縫的組成部分?！蹦銜阉惭b在屋頂上，甚至不會注意到它的存在?！?/span>

更多的帶寬是否意味著更多的商機(jī)？

這些技術(shù)創(chuàng)新加上寬松的帶寬限制對ESIM、移動市場和整個衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)意味著什么？Stevenson認(rèn)為，ESIM技術(shù)為GEO和NGSO衛(wèi)星開辟了新的可能性，在衛(wèi)星連接性通常未被廣泛采用的情況下，它為GEO和NGSO衛(wèi)星帶來了大量市場機(jī)會。他說，一個主要的例子是陸地移動，GEO和NGSO衛(wèi)星星座將在5G無所不在的連通性愿景中扮演關(guān)鍵角色。

對于GEO衛(wèi)星市場，Robert Bell認(rèn)為，最優(yōu)先的ESIM應(yīng)用包括在地球表面移動的平臺，而衛(wèi)星似乎在天空中靜止不動，這樣的應(yīng)用中ESIM的尺寸和外形都很重要。

貝爾說：“這些利基市場有巨大的增長空間?！备羁痰膯栴}是，在實現(xiàn)ESIM的潛力方面的投資和努力是否最終會生產(chǎn)出超越傳統(tǒng)天線的產(chǎn)品，就像克萊頓·克里斯滕森著名的“創(chuàng)新者困境”分析的小型磁盤驅(qū)動器的競爭反復(fù)超過大型磁盤驅(qū)動器的案例一樣。如果真的發(fā)生，這將是一個漫長的過程，但影響將非常大，有助于將衛(wèi)星集成到更多的應(yīng)用程序中。

Advantech的Damian說，由于衛(wèi)星提供的服務(wù)無處不在，以及ESIM與GEO和NSGO通信的能力，旅客和移動終端用戶保持聯(lián)系的愿望現(xiàn)在可以得到滿足，而不必考慮交通方式。

Damian說，定義良好的規(guī)則和協(xié)議消除了制造商的模糊性，有助于公平競爭。一旦我們知道了頻段、EIRP水平、干擾水平和覆蓋區(qū)域的限制，我們就可以集中精力設(shè)計這些新的終端和網(wǎng)絡(luò)。然而，這項任務(wù)并不容易，因為ESIM終端將需要允許來自集中式NMS[網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)]的控制，以便在發(fā)生干擾時停用。我們預(yù)計，由于各國的立法會有所不同，對大規(guī)模制造業(yè)的限制也會有所不同。

解決干擾問題

不管ESIM在減輕干擾方面的物理和實際改進(jìn)如何，它們并不能完全消除威脅。事實上，ESIM帶來了新的和獨特的干擾問題，為ESIM擴(kuò)展帶寬的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也希望知道開發(fā)人員是如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的。

然而，Ball Aerospace的Sauer認(rèn)為，主動陣列有助于解決ESIM中最關(guān)鍵和最簡單的干擾挑戰(zhàn)，他說：“我們現(xiàn)在可以完全、主動地控制使用有源陣列發(fā)射信號的位置和方式?！薄＝?jīng)典的碟形衛(wèi)星天線設(shè)計，也有一些信號會從后面和側(cè)面泄露漏出來。有了主動控制的陣列，我們可以設(shè)置一個要求，即它不會輻射輻射輻射，這樣移動用戶就可以更好地一起工作，而不會互相干擾。

Kymeta的Stevenson說ESIM在處理地理信號時可能會產(chǎn)生干擾，因為ESIM的工作環(huán)境必須嚴(yán)格控制波束指向和功率譜密度。他解釋說，電子掃描ESIM面臨的一個挑戰(zhàn)是波束展寬，這是一種與所有平板、電子掃描陣列相關(guān)的物理現(xiàn)象。當(dāng)陣列掃描角度增大時，有效孔徑面積減小，從而導(dǎo)致主光束展寬。在天線掃描角度超過某一點后，主波束將超過監(jiān)管限制。

Kymeta聲稱，它已經(jīng)用一種控制ESIM終端內(nèi)傳輸功率的專有算法解決了這個問題。史蒂文森說，這確保了終端始終在監(jiān)管的指標(biāo)范圍內(nèi)運行。Kymeta還開發(fā)了專有的指向和跟蹤算法，利用廉價的手機(jī)級傳感器，將天線波束指向所需的精度范圍內(nèi)。對于NGSO環(huán)境，我們主要關(guān)注的是等效功率通量密度[EPFD]。這不是ESIM的問題，比如說，而是NGSO和衛(wèi)星系統(tǒng)運營商的問題，它考慮了一個地區(qū)內(nèi)一組終端的總功率。

Damian和他在Advantech的同事認(rèn)為，電子波束形成可以解決ESIM的干擾問題。Damian說：“到目前為止，限制功率是限制ESIM干擾的唯一方法，但這將對可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率產(chǎn)生負(fù)面影響，從而可能會對商業(yè)案例產(chǎn)生負(fù)面影響?！? 網(wǎng)管系統(tǒng)需要監(jiān)控特定的ESIM組，并在ESIM進(jìn)入受保護(hù)區(qū)域或受到干擾時將其關(guān)閉。這將需要準(zhǔn)確的GPS定位，以及對可接受的網(wǎng)絡(luò)安全的GPS干擾的免疫力。

也就是說，Damian解釋說，要保護(hù)ESIM相關(guān)資產(chǎn)不受干擾的實際位置并不總是在公共領(lǐng)域。因此，我們可以看到國家之間、地區(qū)之間的不同限制。傳統(tǒng)的上行鏈路GEO電信港使用CID，因此它們是固定的，并且位置清晰。這對于ESIM網(wǎng)絡(luò)是不可行的。

ESIM解決方案的未來計劃

文中提到的所有公司都在為其目標(biāo)市場開發(fā)ESIM解決方案，并計劃推出新一代利用新帶寬法規(guī)的系統(tǒng)。

Ball Aerospace的戰(zhàn)術(shù)解決方案部門一直在開發(fā)面向政府和軍事的ESIM技術(shù)，但據(jù)Sauer稱，該公司在將該技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)市場方面發(fā)揮了重要作用。我們對ESIM很感興趣。為了降低ESIM的生產(chǎn)成本，我們與我們的合作伙伴在技術(shù)上進(jìn)行了投資。這是我們的主要貢獻(xiàn)。這是這兩個市場之間的循環(huán)。政府和軍方的最終用戶需求推動了創(chuàng)新。對于商業(yè)終端用戶，我們將繼續(xù)改進(jìn)制造過程并增強(qiáng)使ESIM對每個人都可行的能力?，F(xiàn)在，我們正在將第二代Ku和Ka天線集成到ESIM終端解決方案中。我們已經(jīng)成功地完成了這些系統(tǒng)在極端軍事條件和環(huán)境中的演示，并計劃在接下來的幾個月里進(jìn)行更多的演示。

Kymeta將于2020年第四季度發(fā)布其第一代u7 ESIM的后續(xù)版本u8。u8將擴(kuò)展我們的ESIM技術(shù)的帶寬和效率，同時提供衛(wèi)星和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的混合連接。史蒂文森說，用戶現(xiàn)在可以獲得最好的吞吐量，這取決于可用的網(wǎng)絡(luò)。

Advantech Wireless已經(jīng)有一系列針對ESIM應(yīng)用優(yōu)化的固態(tài)功率放大器。戴米安補(bǔ)充道：“此外，我們有一個專門的研發(fā)團(tuán)隊，專注于將波束形成天線集成到ESIM終端中?！?/span>

在WTA，Robert Bell代表了ESIM市場上幾乎所有的主要制造商。他相信，監(jiān)管機(jī)構(gòu)為幫助加快ESIM的發(fā)展而采取的行動也將激勵整個移動無線世界的創(chuàng)新。

貝爾說：“任何調(diào)整移動和衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的努力都是朝著正確方向邁出的一大步?！薄Ｔ谖铱磥?，理想的解決方案是集成4G/5G/ESIM天線和原生支持4G、5G和衛(wèi)星的調(diào)制解調(diào)器。這種技術(shù)融合面臨著一個重大的“雞還是蛋”的兩難境地：制造商是否會在這種技術(shù)有明顯的需求之前投資于創(chuàng)造這種技術(shù)？監(jiān)管措施可能會使決策傾向于此類創(chuàng)新。

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