村田电子：无线通信的新动向：由HAPS和人造卫星组成的非地面网络(NTN)

　　非地面网络(NTN，Non-Terrestrial Network(s) )是包括移动通信在内的无线通信网络的一种，指的是将包括地面基站、海上船舶、高空无人机(HAPS)及配置在太空中的通信卫星连接而成的多层网络。

　　NTNs将在克服地面网络的弱点的同时，飞跃性地扩大包括山区和海洋在内的全球通信基础设施的覆盖范围。

　　在平流层和太空部署非地面网络的计划已经开始为迎接下一代通信标准——Beyond 5G(第5代通信系统的下一代，简称B5G)/6G(第6代移动通信系统)时代的到来而开始进行研究开发、测试平台创建和演示。

　　本文重点对高度在非地面网络当中比陆地或海洋更高的无线通信网络进行解说。

　　非地面网络的配置和特点

　　在空中部署非地面网络，高度从平流层到太空。通信设备所处的高度越高，覆盖的通信区域就越大(如图1所示)。

　　当然，距离地球表面越远，通信延迟就会越大，可以根据目的使用从太空到平流层再到地面的多种通信设备。由此可以实现覆盖范围比以前更广的通信基础设施，甚至有人说“地球上将没有任何超出通信范围的区域”。

　　图1、非地面网络中各通信设备的高度和通信区域

　　构成图1所示非地面网络，涉及使用人造卫星(GEO/LEO)和无人机(HAPS)等通信设施/设备，有哪些主要特征?

　　图2、非地面网络使用的三种主要通信手段：GEO、LEO、HAPS

　　静止轨道卫星(GEO)

　　静止轨道卫星或静止卫星(GEO：Geostationary Earth Orbit satellite)是一种在面向B5G/6G时代的非地面网络中高度很高、位于赤道上空约3万6千km的太空中的人造卫星。它以与地球自转速度相同的速度沿轨道绕行，因此从地面上看它好像是静止的。一般来说，根据广范围的气象条件预计天气的气象卫星也属于此类。

　　通信网络中的GEO高度较高，因此通信范围也较大，据说大约3到4个就可以覆盖几乎整个地球表面。但由于距离地面较远，与其他通信设备相比，数据传输存在延迟，据说其通信速度据说一般为大约数Mbps。此外，向地面传送线电波需要大功率，因此卫星的尺寸比接下来介绍的低轨道卫星(LEO)更大，这对发射所用火箭的尺寸也有影响。

　　低轨道卫星(LEO)

　　静止轨道卫星或静止卫星(GEO：低轨道卫星(LEO：Low Earth Orbit satellite)是配置在数百至2,000km高度(其中包括在太空中距离地球较近的绕地轨道)的人造卫星。与静止轨道卫星(GEO)不同，它们与地球的自转不同步。

　　绕地轨道的定义因国家和团体而异。例如，ESA(欧洲航天局)将绕地轨道定义为1,000km或更低，日本JAXA(宇宙航空研究开发机构)将绕地轨道定义为2,000km或更低。哈勃望远镜和国际空间站(ISS)的高度都在400km左右，即使在低轨道当中也是较低的，但NTN的LEO据说配置在1千几百km左右的高度。

　　LEO的高度比GEO低，因此能以低延迟、低功率传输数据，并且可以减小卫星的尺寸。据说LEO与地面之间的通信速度可达数百Mbps左右，因此可用于从智能手机终端直接与卫星进行通信的服务。

　　另一方面，由于高度比GEO低，因此一颗卫星所能覆盖的通信区域更小，低轨道卫星的绕行速度更快。为了在这些条件下进行稳定的通信，有时会使用一种称为“卫星星座”的方法，将多个小型LEO联合运行。星座指的是配置多个LEO的联合系统。

　　高空平台站(HAPS)

　　HAPS(High Altitude Platform Station)称为高空平台站、高空基站或平流层通信平台等。指的是飞行在高度约20km的平流层、起到空中通信基站作用的无人机(除了飞机型之外，还有气球型和飞艇型等)。

　　一般的喷气式客机的飞行高度约为10km，因此HAPS飞行的平流层大约是该高度的2倍。

　　在这个高度，气流和天气都比较稳定，空气阻力很小，无人机获得升力所需的空气密度也不会太低，因此，据说使用HAPS上配备的太阳能电池板和电池可以连续运行几个星期。

　　一般的地面基站的通信区域半径为从几公里到十几公里左右，而一个HAPS覆盖的通信区域半径据说为100km左右。

　　此外，它比太空中的人造卫星更接近地面，通信延迟也就更小，因此作为B5G/6G时代的新型通信基础设施而备受期待。但是，与太空不同，平流层是各国的领空，因此可以说在HAPS国际实用化和提供通信服务方面，各国完善相应的法律非常重要。

　　非地面网络的好处与动向

　　进入B5G/6G时代，非地面网络(NTN)通信技术有哪些好处以及技术发展动向?

　　与地面网络不同，配置在平流层或太空中的非地面网络的主要好处是作为通信基础设施能够抵御地震和海啸等自然灾害。

　　此外，通信区域急剧扩大，据说地球上将没有任何超出通信范围的区域，从而可以在以前通信困难的山区(如下图)和海洋通过智能手机等设备在紧急情况下进行通信。

　　图3、在山区使用智能手机进行通信

　　这样，无论在哪里发生灾害和事故等紧急情况，都可以确保通信基础设施能使用，也能通过确保移动通信网络在大范围内保持通信不间断，做到在进入山区或海上航行时阻止问题发生。

　　非地面网络的一大特点和显著动向是私营企业的积极参与。

　　过去很多航天项目都由国家主导，但现在除了硬件之外，世界各地的各个企业在通信服务领域等也进行合作，从事包括非地面网络业务在内的航空航天业务。

　　图4、世界各地许多私营企业参与太空业务

　　例如，大批企业开始参与人造卫星和HAPS，以及构成它们的元件和搭载它们的通信设备(有偿搭载)的开发和制造，直到将人造卫星发射到太空的火箭，涉及的范围非常宽广。特别是正在以下一代移动通信B5G/6G为起点迅速成长为拥有全球规模市场的大规模业务。

　　总 结

　　村田制作所开发和制造多种无线通信模块。作为其中的一环，我们正在开发也能支持非地面网络(NTN)的通信模块等满足需求变化的产品。点击这里了解村田新近推出的支持NTN的通信模块：村田Type 1SC-NTN模块：确保偏远地区和灾区的稳定通信。