卫星通信的发展趋势和挑战

以下文章来源于半导体行业观察 ，作者杜芹

卫星通信正在通信领域发挥着越来越重要的作用。例如，中国通过卫星电视已为非洲数千个村庄带来了奥运会、世界杯等国际赛事，极大地丰富了当地居民的文化生活。此外，卫星还被用于实时监测台风“摩羯”等自然灾害，为人们提供预警，减少损失。尤为值得一提的是，近两年，随着“手机直连卫星”功能在华为、vivo等国产手机上陆续实现，卫星通信逐渐走入大众生活，让更多人体验到了其便利性。

与此同时，商业卫星市场发展迅猛。根据卫星行业协会(SIA) 的年度报告，2023年，商业卫星发射次数创历史新高，部署了2,781颗创纪录数量的卫星，比上一年增加了20%。截至年底，地球轨道上运行的活跃卫星数量已达9691颗，五年内增长了361%。

卫星通信发展的驱动力

卫星通信技术近年来取得了显著进步，特别是在低地球轨道(LEO)卫星的部署上。以SpaceX的Starlink为代表的LEO星座计划已经展示了其在提供高速、低延迟全球互联网服务中的巨大潜力。而除了SpaceX，其他公司如OneWeb、亚马逊的Kuiper项目和Telesat也正在大力投资LEO卫星网络的建设。随着更多卫星的发射和部署，全球卫星互联网服务将变得更加可行，并且成本将大幅下降。

低地球轨道(LEO)卫星正成为卫星通信领域的颠覆性力量。根据轨道高度的不同，卫星可以分为低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)和地球同步轨道(GEO)三种。其中，LEO卫星相较于GEO和MEO的同类卫星具有显著优势，GEO卫星信号传输延迟为280毫秒(ms)，而LEO卫星能够将延迟降低至仅6至30毫秒。因此，LEO卫星能够为地球上偏远和欠发达地区提供低延迟(比GEO快30倍)且高速的互联网连接。

从市场需求上来看，5G技术的商用加速了人们对高速率、低延迟通信的需求，而卫星通信能够有效补充地面5G网络的覆盖不足，尤其是在偏远地区和海上。物联网设备的爆炸式增长对网络连接提出了更高的要求，卫星通信能够提供广域覆盖和低功耗的连接解决方案。卫星通信在无人机、自动驾驶、智慧城市等新兴应用场景中发挥着越来越重要的作用。

政策也是卫星通信发展之路上的重要的推手。各国政府纷纷出台政策，鼓励卫星通信产业的发展，为其提供了良好的发展环境。例如，国内方面：国务院在《“十四五”数字经济发展规划》提出加快布局卫星通信网络等，推动卫星互联网建设;在《扩大内需战略规划纲要(2022-2035年)》中提出推进卫星及应用基础设施建设。国外方面：2024年7月15日，Rocket Lab公司获得《CHIPS法案》高达2,390万美元的资金，Rocket Lab专门生产高效抗辐射复合半导体(太空级太阳能电池)——用于在太空中将光转化为电能的设备。这项拟议的投资将使Rocket Lab能够增加其用于航天器和卫星的复合半导体产量。

卫星通信的发展趋势

01向高频段迈进

卫星通信通常使用1–50千兆赫(GHz)的超高频范围来发送和接收信号。频率范围或波段用字母标识：(从低频到高频)L、S、C、X、Ku、Ka、Q/V、E频段。大多数卫星部署通常使用L至Ka频段，这些频段广泛应用于通信、广播、移动宽带等服务。

随着频段从L到E频段逐渐向更高频率发展，高频段通信需要更加精密的射频功率放大器、滤波器、低噪声放大器等器件来减少信号损耗和噪声，同时保证在高频环境下的高效运行。在这方面，Qorvo是少有的能够覆盖到Ku波段和K/Ka波段的射频器件供应商，涵盖PA、LNA、分立式开关、RF滤波器、数字步进衰减器、混频器、倍增器、移相器等广泛产品组合。2023年9月，Qorvo发布了业界最高功率的Ku波段卫星通信放大器QPA0017，适用于日益增长的相控阵天线卫星终端以及高数据吞吐量的地面和移动设备。这为卫星通信向更高频段的迈进提供了有力支持。

随着通信技术的进步和对更大带宽需求的增加，越来越多的卫星正逐步向Q/V和E频谱等更高频段发展。这些高频段能够提供更高的吞吐量，满足未来更高速率的数据传输需求。行业仍需要积极应对这些需求。

02卫星通信与5G网络的融合

下一代通信网络的一个重要趋势是地面通信与卫星通信的融合。尤其是，5G技术的快速发展带来了全球移动通信的变革，然而，地面5G网络的覆盖仍然受到基础设施的限制，尤其是在农村、山区、海洋和空中等偏远地区。在这些受限的区域，卫星通信能够为5G提供至关重要的回程支持。

然而，现有的地面5G NR标准不能适应低轨卫星信道，为此，国际电信标准组织3GPP已经在其第17版和第18版标准中引入了非地面网络(NTN)的支持，包括LEO、MEO(中地球轨道)和GEO卫星系统。NTN旨在扩大全球网络覆盖范围，特别是在农村及偏远地区，并促进移动设备、物联网(IoT)和商业自主驾驶车辆与卫星之间的直接连接。这种整合使卫星产业能够充分利用5G生态系统的规模效应。

通过这些标准的引入，卫星通信将与地面5G网络实现无缝衔接，满足更广泛的通信需求。这不仅是技术上的融合，也预示着卫星通信市场从专业和小众领域转向大众市场的重大转变。

卫星通信的挑战

卫星通信的一个关键挑战一直是成本问题，尤其是用户终端的成本。与商用电信领域相比，开发卫星通信终端更加复杂。虽然5G系统的行业标准提供了跨市场的统一硬件规范，但卫星通信用户终端缺乏一致的性能要求、物理接口、波形、调制解调器或中频(IF)频率。这使得终端开发人员面临巨大挑战。

在拥有数千个元件的天线阵列中，砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)材料的每平方毫米成本较高，难以实现高产量的卫星通信终端应用。高度集成的硅基波束成形IC提供了适合的大规模阵列集成的尺寸，并且能够在大批量生产中保持较低的成本。

卫星通信要拥抱5G，使用硅基毫米波IC的有源电子扫描天线(AESAs)已成为在成本和性能之间达到平衡的技术。用于平板AESA设计的硅IC具有高性能、应用灵活性、易于集成、高能效和良好的经济性。

在这个领域，美国的Anokiwave公司在平板有源电子扫描阵列(AESA)天线领域已成为行业标杆，而且是LEO、MEO和GEO 卫星通信终端的毫米波平板有源天线领域中公认的硅IC首选供应商。不过在2024年1月31日, Anokiwave被Qorvo收入麾下，预计结合Qorvo在射频领域的丰富积累，双方的互补组合将大大推动卫星通信领域的成本下降。

结语

卫星通信正处于一个历史性的发展机遇期，多种技术进步、成本降低和市场需求的叠加，正在推动这一产业逐渐迈向成熟。从LEO星座的部署到地面5G网络的整合，卫星通信的应用场景将不断拓展，最终实现全球无缝连接。在未来，我们有理由相信，在各方的共同努力下，卫星通信将为人类社会带来更多的便利和福祉。