在月球建網路 為何是4G雀屏中選?

作者 : Challey,EDN China

NASA近日宣佈將撥款1,410萬美元,與諾基亞(Nokia)合作在月球上建立第一個4G通訊網路。現在5G如火如荼,為什麼美國不在月球建5G,或者利用伊隆·馬斯克(Elon Musk)的星鏈(Starlink)計畫建置6G呢?

該消息得到了諾基亞的官方確認,該公司官網上了宣佈此項合作計畫。

諾基亞官網截圖。

諾基亞承建的4G網路可望在2022年下半年部署。

在月球上建立4G網路是NASA「Artemis計畫」(Artemis program)的一部分。「Artemis」名字取自希臘神話中的月亮女神,是美國的重返月球計畫,旨在2024年將首名女太空人和1名男太空人送上月球,並於2028年在月球上建立可持續落腳點,使其最終成為人類登陸火星的「中轉站」,為探索火星任務做準備。

Artemis計畫

Artemis計畫是美國NASA正在進行中的一項太空探索計畫,目標是重返月球並且登陸火星。該計畫以希臘神話女神Artemis命名,她是阿波羅的孿生姐姐,此前美國的登月計畫叫阿波羅計畫。

2019年5月,美國總統Donald Trump表示,將全力支持該計畫,爭取2024年將兩名太空人(一位女性一位男性)運送到月球南極,實現重返月球。在下一個5年間「Artemis計畫」預計將花費2~3百億美元,為了加快進度,白宮又要求再增加16億美元的撥款預算。

Artemis計畫包括三個階段:

  • 第一階段(Artemis 1):計畫於2020年下半年,由安裝在「太空發射系統」(SLS)重型火箭上的「獵戶座」太空梭圍繞月球進行為期3周的無人飛行,然後返回地球;
  • 第二階段(Artemis 2):計畫在2023年完成載人飛行;
  • 第三階段(Artemis 3):NASA希望在2024年可以讓太空人登上月球。

(資料來源:NASA)

長期來看,Artemis計畫希望到2028年建立一個月球殖民地,這是完成載人火星任務的關鍵步驟。

為了實現人類在「阿波羅」計畫50多年後重返月球的計畫,NASA準備研發和製造五大「系統」:獵戶座太空梭、SLS火箭、「門戶」月球軌道空間站、月面著陸系統、太空梭艙內壓力服及登月艙外太空裝。

這些系統之間的銜接就需要穩定可靠和強大的通訊技術能力。

在月球部署所需通訊技術

為實現2028年在月球上建立月球基地,NASA向14家公司授予總價值3.7億美元的合約用於在月球表面部署技術。這些創新技術包括遠端發電、低溫冷凍、機器人技術、安全著陸,以及4G網路。

諾基亞旗下的研究部門貝爾實驗室稱,諾基亞將在月球上推出4G/LTE網路。根據NASA的公告,這將是「太空中第一個LTE/4G通訊系統」,並且該系統可以支援月球著陸器、月球車、棲息地和太空人之間的通訊,以方便太空人傳輸資料、遠端控制月球車、即時導航、語音、高畫質視訊通話等。

為什麼選中4G網路?

據NASA近日發佈的公告,與現有4G標準相比,和諾基亞合作開發的4G通訊系統將能提供更遠距離、更快速度的月面通訊,具有更高的可靠性。諾基亞貝爾實驗室在社群媒體上表示,經過特殊設計,他們開發的4G網路能夠承受太空的極端溫度、輻射和真空條件,以及在月球表面發射和降落期間產生的巨大震動影響。

不僅如此,諾基亞在一份公報中指出,4G網路對於人類在月球表面的長期存在至關重要。未來將有更多的著陸器來擴展月球網路,隨著新技術標準的成熟,諾基亞的設備可以從4G升級到5G網路。

為什麼不是5G?

5G在全球已經開始了商用,其具有高速率、低延遲、大容量的特點,目前的5G技術也相對成熟,諾基亞更是掌握了5G系列通訊技術,截止上週末,諾基亞已經在全球獲得了100個5G訂單。那為什麼不在月球上使用呢?

第一、月球通訊要保證穩定可靠

對於尖端前瞻科技場域來說,穩定可靠是首要,雖然5G已經商用,但是不像4G,已經過十來年全球範圍的使用,技術已經非常成熟。4G有什麼問題,哪些地方存在缺陷或者Bug,哪些條件下可以穩定傳輸,對於掌握4G技術的公司已經非常清楚。因此對於月球只需要進行對應環境的改造升級,避免可能的陷阱。而5G可以說還是個新事物,雖然全球已經開始了商用,但是還未普及,還未經過大面積、長時間,以及各種環境狀況下的檢驗。

第二、能源要求

根據中國鐵塔的報告,5G基地台單系統的典型功耗分別為:華為3,500W、中興3,255W、大唐4,940W,而一般4G的單系統功耗僅為1,300W,5G是4G的4倍。且5G基地台的覆蓋面積遠小於4G基地台,如果要實現相同面積的覆蓋,5G基地台的數量至少是4G的3倍,如此一疊加,5G耗電量將是4G的12倍。

月球上的裝備本來就很有限,還要保證必備載荷的能源供應。因此,不可能為了體驗5G新技術,就搬一個耗電大戶上去。

第三、傳輸距離

5G單個基地台的的覆蓋範圍一般是100~300公尺,空曠地帶可以傳輸500~1,000公尺;4G基地台的覆蓋半徑約為1~3公里;3G基地台的覆蓋半徑約為2-5公里。雖然看起來相差不大,但是在複雜的月球表面通訊,一旦遇到傳輸瓶頸,哪怕1公尺的距離都可能成為災難。

第四、基地台數量

這個上面也介紹了,5G由於設計成高速率,系統對基地台的數量要求也更高,覆蓋同樣範圍的通訊需求,是4G的3倍以上。月球上不可能建設多個基地台,一般是主基地台、備用基地台、三級備用基地台配套。如果考慮到覆蓋範圍,那麼同樣的通訊覆蓋,5G將是4G的9倍了,5G基地台耗電比4G高4倍以上,再加上數量是9倍,那能源需求就要暴漲至36倍了,這對於一個要求穩定可靠、確保能源冗餘的高階、精密、尖端系統來說,是無論如何也不能接受的。

為什麼不用星鏈計畫衛星或是6G?

星鏈計畫目前還是Elon Musk SpaceX的一個實驗性專案,在美國也只有70萬用戶測試性使用。其技術成熟度、穩定可靠性都還有很長的路要走,不可能搬到月球上。此外,星鏈計畫也不等於6G,其速率甚至還達不到4G。至於6G,還在醞釀中,沒法送上月球。

為什麼不用3G?

有人提出,為什麼不是3G呢?事實上,3G在全球的通訊發展史上,其實是一個過渡的系統,3G通訊技術也非常多,有WCDMA、CDMA,還有中國的TD-SCDMA,且通訊速率也無法滿足NASA提出的要求。同時,3G也已經過時了,沒法過渡升級到下一代5G。

因此,4G可能是目前月球上通訊的最佳選擇。

本文原刊登於EDN China

 

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