太空互聯網：大容量、低延遲LEO衛星用戶和地面終端中的RFIC進展

2022-12-19 15:05:36 來源: 電子創新網

作者：ADI市場營銷與業務發展總監Donal McCarthy

衛星通信(satcom)是一種成熟的語音、視頻和數據傳輸方式，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。衛星通信被認為是傳輸GPS導航信號、天氣信息、電視廣播、語音、數據的有效手段，同時也用于成像和科學應用。承諾提供高速互聯網連接的新一波計劃已經圍繞LEO衛星星座展開，它將為下一代互聯網通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。

LEO連接——通向成功之路

【資料圖】

在持續部署5G蜂窩網絡方面，LEO衛星發揮著重要作用。衛星網絡越來越多地參與到3GPP標準化中，其在未來網絡中的預期作用早就在研發當中。2017年，3GPP標準機構啟動相關活動，以了解衛星通信網絡在5G連接中的可行性。通過3GPP標準第15、16、17和18版的發布，已有多種活動來支持衛星網絡的集成。LEO衛星可以為服務欠缺的地區提供大范圍覆蓋，可以為移動中的人們提供連續服務，可以連接到機器到機器(M2M)/物聯網(IoT)設備，而且是一條值得關注的具有成本效益的5G升級途徑。

下一代LEO系統將在距離地球表面500公里到2000公里的軌道上運行，實現比過去的衛星網絡更具技術優勢的解決方案。如此接近地球意味著它們將能提供更低延遲的連接，這對于消費類或商業使用場景（如互聯網游戲或實時控制工業/醫療設備）非常重要。LEO衛星的延遲約為50ms（下一代技術會將此延遲改善到20ms以下），而GEO則為700ms。

LEO衛星的一個關鍵推動因素是，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。由此將產生規模經濟性，現在建造LEO衛星的成本已大大降低。更少的輻射意味著有更廣泛的半導體工藝和更多的元器件可供使用。

鑒于軌道較低，預計部署的衛星數量會多很多。此類衛星的平均壽命將比以前的類似衛星短得多。也許經過5到8年，這些衛星就會脫離軌道并需要替換。LEO衛星必須具有成本效益才能支撐衛星和替代衛星的發射。

隨著LEO寬帶連接業務開始變得強大，所有這些趨勢引起了行業監管機構的注意。回憶1990年代，這種互聯網業務是多家公司的目標，但遺憾的是，由于部署成本高且需求有限，它以失敗告終?？爝M到今天，半導體技術有了長足進步，能夠提供不同以往的性能和集成度。再加上相對偏遠或服務欠缺的地方對高速、低延遲互聯網連接的需求急劇增長，以及衛星通信與5G標準的整合，使得未來的LEO星座處在一個好得多的基礎之上，取得成功的可能性更大。

在撰寫本文時，預計用戶可以實現100Mbps的最大下行數據速度，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面臨的一個挑戰是衛星始終在不斷移動，星座只有完全部署好才能提供最低可行的服務。這意味著初始支出會很高，因為LEO衛星的軌道較低，因而數量巨大。但即便如此，這似乎也并未阻擋其現在的成功，而且投資者對無處不在的覆蓋的商業前景十分看好。

LEO衛星系統如何工作？

LEO衛星通信系統主要由三部分組成，如圖1所示。

圖1.LEO衛星通信的地空場景示例

用戶終端/用戶設備(UE)

這些終端是用戶和衛星之間的直接聯系手段，往往成本低、易于設置且位于家中，但也可以是移動終端，如海事衛星通信、移動中的衛星通信、戰術單人無線電等。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/網關

這些是連接到服務器（用于互聯網連接的數據中心）的地面連接，通常通過光纖連接。它們將衛星連接到地面，部署于地球上的固定位置。

衛星

衛星群被稱為星座，在軌道上繞著地球運轉，提供同時連接終端和網關的鏈路。

LEO衛星在太空中移動，通常一顆衛星環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，連接到衛星的用戶處于該衛星的范圍內的時間很短（最多20分鐘）。普通用戶在正常運行期間會連接到多顆衛星。經過一定時間后，系統必須將用戶移交給進入范圍內的其他衛星，此方式類似于在行駛的汽車中使用手機的人，蜂窩網絡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星的最佳鏈接提出了嚴格要求。

另一個有趣的演變是衛星系統在超出地面站的范圍時如何維持運行。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。傳統上，衛星使用彎管技術，也就是衛星必須始終找到一條通往地球或其他物體（如飛機）的鏈路，將其作為跳板來連接太空中的另一顆衛星，后者當時可能處在地面站的范圍內。一項新技術是通過衛星間鏈路，在太空中使用光學或V/E頻段連接來鏈接衛星。

用戶終端上/下變頻器的進展

用戶終端對IC集成度提出了很高要求，ADI利用硅工藝技術的性能和集成能力來響應這一需求。這些解決方案需要非常高的IC集成度，以實現尺寸非常小的無線電終端，同時保持非常低的功耗，并嚴格遵守優化的無線電成本要求。

上/下變頻器(UDC)是用戶終端中的基礎產品，它們將調制解調器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。

RFIC UDC的頻率覆蓋目標是：

?Ku頻段：~10.7GHz至~14.5GHz

■下行鏈路（衛星到地面）：10.7GHz至12.7GHz

■上行鏈路（地面到衛星）：14GHz至14.5GHz

?Ka頻段：~18GHz至~31GHz

■下行鏈路（衛星到地面）：17.7GHz至21GHz

■上行鏈路（地面到衛星）：27GHz至31GHz

下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開的，故從衛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)，網關覆蓋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關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衛星在不斷移動，如圖1所示。因此，終端內上/下變頻器的頻率合成器必須實現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行期間連接和重新連接不同衛星方面發揮著至關重要的作用，因為從一顆衛星到另一顆衛星，空中頻率在工作頻段（即Ka和Ku頻段）內不斷變化。

ADI開發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，支持衛星調制解調器的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接口直接來自衛星通信調制解調器

圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，IF接口直接通向衛星通信調制解調器

針對更高頻率的Ka頻段，ADI開發了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），它們支持需要I/Q基帶接口的衛星通信調制解調器。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計，集成度非常高，可應對大批量終端應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接口直接來自衛星通信調制解調器

圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，I/Q接口直接通向衛星通信調制解調器

更高性能的終端UDC

終端市場中的一些應用是由性能驅動的，對尺寸和最低成本設計目標的限制較少。這些應用可以選用分立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——包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來優化設計要求。分立設計允許對性能與尺寸進行多方面權衡，設計過程的靈活性非常大。設計人員可以創建更高性能、提供更高輸出功率并支持更寬帶寬的無線電。此外，設計人員可以提高接收器靈敏度以改善動態范圍和雜散性能。應當注意的是，地面站/網關也屬于此類解決方案。網關的尺寸更大，其集成度要求當然不能與終端同日而語。網關利用不同的工藝技術來為市場提供性能優化的解決方案。ADI將繼續擴大分立解決方案產品系列以應對這種使用場景。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

傳統上需要專業承包商來安裝設備和定位衛星位置，與此相關的安裝成本很昂貴，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。為實現這一目標，須將天線與處理通信鏈路所需的所有電子設備（如移相元件、RFIC UDC）結合在一個室外單元(ODU)中。ODU是位于室外并瞄準天空的天線陣列。室內單元(IDU)連接到ODU，用作傳統路由器（有線或無線），為用戶（如PC或電話）提供互聯網連接。

如前所述，LEO星座會有許多衛星進出地面終端的視野，而電子可控天線(ESA)可以通過電子方式控制衛星方向上的發射和接收能量束，從而實現高指向性，故使用ESA的效率要高得多。因此，當衛星進出用戶終端的視野時，從一顆衛星到另一顆衛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行過程中需要連接的衛星數量，那么ESA幾乎是一項必不可少的要求。

為了應對這一挑戰，ADI開發了Ku頻段波束成形集成電路(BFIC)技術。ADMV4680是一款針對用戶終端設計的硅解決方案，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BFIC技術以使整體無線電成本最小化，最重要的是系統和陣列專業知識。機械組裝和PCB設計（包括堆疊和層數）是無線電成本驅動因素的一部分。在開發BFIC的時候顧及到機械和PCB設計，就能盡量降低整體無線電成本。ADI與客戶密切合作，并有內部PCB專家來幫助解決這個問題。事實上，IC設計和最終配置是系統權衡研究的一部分。

采用ESA來跟蹤LEO衛星并優化鏈路速度，可以實現低成本設置，這些設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的部署并降低了成本。ESA還有利于實現更扁平的面板和賞心悅目的設計。

值得注意的是，最高性能的終端應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動因素，整體性能才是重點。對于消費類和注重成本的小型企業解決方案，ESA是實現低無線電成本并且達成系統設計目標的有效方式。

結語

LEO互聯網連接是一個令人激動的新領域，如今大多數政府和互聯網提供商都在思考這場太空競賽。隨著世界的互聯程度不斷提高，LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區的連接能力，從而在5G中發揮重要作用。用戶終端的RFIC集成要求變得越來越有挑戰性，ADI將繼續在這一領域開發解決方案并按規劃推出IC新產品。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。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助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Donal McCarthy是ADI公司微波通信部（愛爾蘭科克）市場營銷與業務發展總監。他擁有科克大學的工商管理學士學位、波士頓學院的工商管理碩士學位和都柏林愛爾蘭管理學院的市場營銷學位。Donal擔任過多個職位，包括MACOM設計工程師、Hittite現場銷售工程師和營銷職位以及ADI公司營銷經理和總監職位。

關鍵詞：用戶終端解決方案衛星通信調制解調器下行鏈路

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