來自太空的網際網路:LEO衛星的RFIC進展

作者 : Donal McCarthy,ADI 市場行銷與業務發展總監

LEO網際網路連接是一個令人期待的新領域,如今大多數政府和網際網路供應商都已在盤算參與這場太空競賽。隨著全球的互連程度不斷提高,LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區的連接能力,進而在5G中發揮重要作用。

本文介紹推動低軌道(LEO)衛星部署的主要市場趨勢,並將討論LEO衛星系統的基本運行情況,以及展示半導體RFIC技術取得的相關進展,這些進展正推動實現下一代Ku和Ka頻段LEO用戶終端和地面終端。

LEO連接——通向成功之路

衛星通訊(satcom)是一種成熟的語音、影像和數據傳輸方式,在所有主要軌道——包含地球同步赤道軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)和LEO上廣泛使用。衛星通訊被認為是傳輸GPS導航訊號、天氣概況、電視廣播、語音、數據的有效手段,同時也用於成像和科學應用。承諾提供高速網際網路連接的新一波計劃已經圍繞LEO衛星星座展開,將為下一代網際網路通訊提供低延遲、高容量的寬頻連接。

在持續部署5G行動通訊網路方面,LEO衛星發揮著重要作用。衛星網路越來越多地參與到3GPP標準中,在未來網路中的預期作用早就在研發中。2017年,3GPP標準機構啟動相關活動,以瞭解衛星通訊網路在5G連接中的可行性。透過3GPP標準第15、16、17和18版的發表,已有多種活動支援衛星網路的整合。LEO衛星可以為服務欠缺的地區提供大範圍覆蓋,從而為行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)裝置,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路更具技術優勢的解決方案。如此接近地球表示其將能提供更低延遲的連接,這對於消費類或商業使用場景(如網際網路遊戲或即時控制工業/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,由於軌道較低,其輻射暴露量要低得多。這很重要,因為這表示可以放寬昂貴且有時令人望之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衛星的成本已大幅降低。更少的輻射代表有更廣泛的半導體製程和更多的元件可供使用。

有鑑於軌道較低,預計部署的衛星數量會多出許多。此類衛星的平均壽命將比以前的類似衛星更短。也許經過5到8年,這些衛星就會脫離軌道並需要替換。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寬頻連接業務開始變得強大,這些趨勢引起了產業監管機構的注意。當我們追溯到1990年代,此種網際網路業務是多家公司的目標,但可惜的是,由於部署成本高且需求有限,其以失敗告終。快轉到今天,我們看到半導體技術有了長足進步,能夠提供不同以往的性能和整合度。再加上相對偏遠或服務欠缺的地方對高速、低延遲網際網路連接的需求急劇成長,以及衛星通訊與5G標準的整合,使得未來的LEO星座處在一個更好的基礎之上,取得成功的可能性更大。

本文撰寫時預計用戶可以實現100Mbps的最大下行數據速度,未來則可能會提高到150Mbps,進而能更滿足多用戶全時影像流傳輸需求。

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。這表示初期支出會很高,因為LEO衛星的軌道較低,因而數量巨大。但即便如此,這似乎也並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衛星通訊系統主要由三部份組成,如1所示。

Figure 1. An example of a ground-space scenario for LEO satcom.

1LEO衛星通訊的地空場景示例。

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繫手段,往往成本低、易於設定且位於家中,但也可以是行動終端,如海事衛星通訊、移動中的衛星通訊、軍用無線電等。用戶終端利用高水準的IC整合來簡化物料清單(BOM),降低成本,並保持較精巧的外型尺寸。

地面站/閘道器:這些是連接到伺服器(用於網際網路連接的資料中心)的地面連接,通常透過光纖連接。它們將衛星連接到地面,部署於地球上的固定位置。

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閘道的鏈路。

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,此稱為軌道週期。因此,連接到衛星的用戶處於該衛星的範圍內的時間很短(最多20分鐘)。普通用戶在正常運行期間會連接到多顆衛星。經過一定時間後,系統必須將用戶移交進入範圍內的其他衛星,此方式類似於在行駛的汽車中使用手機的人,行動通訊網路中的一個基地台將用戶移交給另一個基地台。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範圍時如何維持運行。1展示了一些可能影響通向地面站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,後者當時可能處在地面站的範圍內。一項新技術是透過衛星間鏈路,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整合度提出了很高的要求,ADI利用矽製程技術的性能和整合能力來因應這一項需求。這些解決方案需要非常高的IC整合度,以實現尺寸非常精巧的無線電終端,同時保持非常低的功耗,並嚴格遵守最佳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,其將調變解調器IF或基頻資訊直接連接到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):7GHz至12.7GHz
    • 上行鏈路(地面到衛星):14GHz至5GHz
  • Ka頻段:~18GHz至~31GHz
    • 下行鏈路(衛星到地面):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訊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的通道頻寬(BW),閘道器覆蓋250MHz至500MHz的頻寬,具體頻寬取決於是上行鏈路還是下行鏈路。不過,一些部署具有在用戶和閘道鏈路之間共用頻寬的能力,因此通道頻寬可以在其工作的頻率中重新配置。

LEO衛星是不斷移動的,如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。頻率合成器用於輔助上變頻和下變頻。其在致能終端在運作期間連接和重新連接不同衛星方面發揮著非常重要的作用,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訊號處理功能,例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC設計並均將用戶終端訊號鏈性能納入考量。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC,支援衛星調變解調器的IF介面,如23所示,表中顯示了IC性能的亮點。

Figure 2. A highly integrated Ku band upconverter with IF interface directly from the satcom modem.

2:高度整合的Ku頻段上變頻器,IF介面直接來自衛星通訊調變解調器。

Figure 3. A highly integrated Ku band downconverter with IF interface directly to the satcom modem.3:高度整合的Ku頻段下變頻器,IF介面直接通向衛星通訊調變解調器。

針對更高頻率的Ka頻段,ADI開發了ADMV4530/ADMV4540 UDC (45),其支援需要I/Q基頻介面的衛星通訊調變解調器。請注意,ADMV4530上變頻器是雙模元件,還能支援IF介面。這些解決方案採用矽製程設計,整合度非常高,可因應大量終端應用中常見的整合壓力。

Figure 4. A highly integrated Ka band upconverter with I/Q and IF interface directly from the satcom modem.4:高度整合的Ka頻段上變頻器,I/QIF介面直接來自衛星通訊調變解調器。
Figure 5. A highly integrated Ka band downconverter with I/Q interface directly to the satcom modem.5:高度整合的Ka頻段下變頻器,I/Q介面直接通往衛星通訊調變解調器。

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。這些應用可以選用離散式RFIC解決方案。由於元件位於不同封裝中,因此可以混合使用多種製程技術——包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來最佳化設計要求。離散式設計允許對性能與尺寸進行多方面權衡,設計過程的彈性非常大。設計人員可以創建更高性能、提供更高輸出功率並支援更寬頻寬的無線電。此外,設計人員可以提高接收器靈敏度以改善動態範圍和雜散性能。值得注意的是,地面站/閘道器也屬於此類解決方案。閘道器的尺寸更大,其整合度要求當然不能與終端同日而語。閘道器利用不同的製程技術來為市場提供性能最佳化的解決方案。ADI將繼續擴大離散式解決方案產品系列以因應此種使用場景。6展示了一種離散式高性能解決方案。

Figure 6. A functional diagram of a discrete HMC798A Ka band user terminal.

6:離散式HMC798A Ka頻段用戶終端的功能方塊圖。

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高,故多家公司致力於消除此種安裝成本以降低用戶終端的部署成本。為了實現此目標,須將天線與處理通訊鏈路所需的所有電子元件(如移相元件、RFIC UDC)結合在一個室外單元(ODU)中。ODU是位於室外並瞄準天空的天線陣列。室內單元(IDU)連接到ODU,用於傳統路由器(有線或無線),為用戶(如PC或電話)提供網際網路連接。

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)可透過電子方式控制衛星方向的發射和接收能量束實現高指向性,故使用ESA的效率較高出許多。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,而使最佳鏈路得以保持。事實上,考慮到軌道週期和正常運作過程中需要連接的衛星數量,ESA幾乎是一項必不可少的要求。

為了因應此一挑戰,ADI開發了Ku頻段波束成形整合電路(BFIC)技術。ADMV4680為一款針對用戶終端設計的矽解決方案,允許透過半雙工通道獨立控制訊號的增益和相位。令人驚訝的是,該IC的尺寸只有8.2 mm 2,如7所示。

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份。在開發BFIC的時候顧及機械和PCB設計,就能盡量降低整體無線電成本。ADI與客戶密切合作,並透過內部PCB專家來協助解決此問題。事實上,IC設計和最終配置是系統權衡研究的一部份。

Figure 7. A highly integrated, half-duplex, Ku band, 4-channel beamforming IC.7:高度整合的半雙工Ku頻段4通道波束成形IC

採用ESA來追蹤LEO衛星並最佳化鏈路速度,可實現低成本設定,這些裝置通常是隨插即用的。ESA和向整合度更高的ODU遷移,從根本上簡化了系統的部署並降低成本。ESA還有利於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。在此種情況下,成本和美觀不是主要驅動因素,整體性能才是重點。對於消費性和注重成本的小型企業解決方案而言,ESA是實現低無線電成本並且達成系統設計目標的有效方式。

結語

LEO網際網路連接是一個令人期待的新領域,如今大多數政府和網際網路供應商都已在盤算參與這場太空競賽。隨著全球的互連程度不斷提高,LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區的連接能力,進而在5G中發揮重要作用。

活動簡介
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