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文丨半導體行業觀察
最近，5G衛星通訊突然成為了一個熱門話題，得到了業界的大量關注。首先，預計將於明年上半年定稿的更新版5G標準3GPP Release 17中，非地面通訊網路（Non-Terrestrial Networks，NTN）將會正式成為一個新的組成部分。非地面通訊網路指的主要就是經由衛星與地面進行通訊的網路。事實上，非地面通訊網路早在3GPP Release 15就開始研究，而最終在3GPP Release 17中加入了支援衛星通訊的非地面通訊網路。這對於衛星通訊的推廣來說是一個重要的里程碑。
除此之外，衛星通訊公司GlobalStar，3GPP，高通以及蘋果在iPhone 13中加入衛星通訊支援的傳聞更是在最近把5G衛星通訊推到了風口浪尖。故事的來龍去脈是這樣的：GlobalStart是一家從事衛星通訊的老牌公司，在該行業已經有多年的歷史，目前已經擁有一個自己的衛星網路。該衛星網路的主要業務之一是與地面透過衛星電話通訊，其通訊系統使用的通訊頻段上行使用的是1.6 GHz的L-band，而下行則是在2.4835-2.495 GHz頻段（該頻段為GlobalStar所擁有）。
在去年年底，3GPP將2.4835 - 2.495 GHz加入了5G頻段，稱之為n53頻段。結合3GPP將在Release 17中釋出的非地面通訊網路部分，這意味著可以使用n53頻段與GlobalStar的衛星網路做5G通訊，當然另一種使用n53的方法是從GlobalStar處授權使用n53頻段，並將它使用在地面通訊（即使用n53頻段做非衛星通訊）。
在今年年初，高通釋出的X65 modem宣佈支援n53頻段，而在最近剛釋出的iPhone 13中，蘋果使用了高通的X65 modem。這幾件事結合在一起，便傳出了iPhone 13將支援衛星通訊的傳聞。而隨著最近蘋果新品釋出會的召開，iPhone 13支援衛星通訊的傳聞基本得到了證偽。
事實上，即使蘋果選擇使用高通X65 modem中對n53頻段的支援去和GlobalStar的衛星網路去做衛星通訊，由於n53頻段僅僅是該網路的下行頻段，因此為了實現雙向衛星通訊還需要加入對於L-band的支援，而對於L-band的支援並沒有得到高通的官方確認；此外衛星通訊對於射頻前端也有獨特的需求（包括天線，射頻前端模組等等），並不是有modem支援頻段就足夠，而天線和新的射頻前端模組會對於手機裝置的形狀和成本等都帶來不小的影響，因此從目前來看蘋果並不打算支援衛星通訊也是合情合理。
蘋果iPhone 13不支援衛星通訊並不代表大規模衛星通訊商用還很遙遠。事實上，隨著衛星通訊進入5G新一版本的標準，以及相關技術的成熟，我們有機會在幾年內看到5G+衛星通訊網路的真正大規模推廣。
5G衛星通訊的應用前景
我們首先來看一下5G衛星通訊的優勢和限制。這裡的衛星通訊主要指地面和衛星做雙向通訊，而非像GPS或者北斗這樣的衛星單方面給地面廣播訊號。衛星通訊的主要優勢在於覆蓋面廣，基本無需地面基建（基站）支援。與傳統地面無線網路通訊需要首先建設基站覆蓋不同，衛星通訊（主要是低軌衛星LEO）的覆蓋範圍基本覆蓋全球，而且無需實現建設基站，因此目前5G之外的傳統衛星通訊主要的應用場景就是海洋，空中等無法建設基站的地方的通訊（例如海事電話等）。
而衛星通訊的主要限制就在於其通道容量有限。衛星與地面的雙向通訊中，由於地面裝置和衛星之間的距離很遠，因此無線訊號的損耗很大，換句話說通訊的信噪比很低，而根據資訊理論中的基礎夏農公式，通訊的通道容量決定於信噪比，因此，這決定了衛星通訊的通道容量較低。衛星通訊的通道容量低就意味著無法給多位使用者同時提供高速通訊，例如如果使用n53+L-band，在許多裝置同時連線的情況下，通訊位元速率估計在1-10kB/s左右。
根據上面的分析，我們認為5G衛星通訊對於個人使用者的最直接應用就是在基站無法覆蓋到的地方的通訊。這首先包括在一些較為偏遠的地區（例如未充分開發的風景區，或者海上）的通訊，事實上目前不少戶外愛好者對於與智慧裝置能直接整合的衛星應急通訊是有需求的。這類應急通訊對於通訊速度的需求不高，因此5G衛星通訊應當可以滿足需求。此外，5G衛星通訊對於航班上的通訊也是一個應用點。目前，不少航班已經提供了WiFi服務，其中衛星通訊就是航班上WiFi的重要組成部分。未來隨著5G衛星通訊的發展，在航班上個人使用者可能可以透過使用不干擾飛機飛行的頻段直接使用5G衛星通訊，而無需再使用飛機上提供的WiFi。
除了個人使用者之外，物聯網也是5G衛星通訊的重要應用方向之一，事實上在3GPP Release 17中，用於物聯網的衛星通訊是一個重要研究課題。物聯網應用中，許多時候聯網的場景處於基站未覆蓋對的區域（例如海上作業，新開發的農業區，野外的動物保護區等等），這個時候使用衛星通訊將能最大程度上地提高物聯網覆蓋範圍，而無需擔心基站建設。對於物聯網應用來說，由於其通訊速率本來就很低，因此目前衛星通訊的速度基本就能滿足應用。主要的問題在於如何降低成本，這既包括了在衛星網路端如何降低接入費用，也包括瞭如何降低地面收發裝置的天線、晶片和電池成本等。
5G衛星通訊給半導體行業帶來的機會
如前所述，5G衛星通訊市場一旦開啟，會給半導體行業帶來新的增量市場機會。
一旦5G衛星通訊逐漸成為主流，我們認為最主要的半導體增量市場在於射頻前端部分。為了確保上行通訊能夠成功，我們估計用於5G衛星通訊的端側發射功率要遠大於其他通訊，因此這對於功放提出了新的要求，有可能會需要單獨的功放。而在下行鏈路，由於衛星通訊的訊號損耗很大，因此對於射頻端信噪比的要求很高，希望射頻電路端引入的額外噪聲越低越好。因此，用於5G衛星通訊的接收端射頻前端（LNA，射頻開關等）有可能需要特別設計，而且在射頻SoC裡可能也需要特殊處理。由於對於發射功率和信噪比的要求，5G衛星通訊的天線很可能也需要專門設計，如果想和其他頻帶使用同一個天線的話可能會對設計帶來不少挑戰。
與之相對地，5G衛星的基帶處理部分可能會較為簡單一些，因此很可能使用現有的5G基帶在軟體上做一些調整就能提供支援。
基於此，我們認為如果5G衛星通訊能真正得到推廣，中國的半導體公司應該有不少機會。總結來說，5G衛星通訊由於鏈路損耗較大，因此可望使用較為簡單的調製方法，對於上行鏈路來說，需要高輸出功率的功放，但是對於線性度的需求未必很高；對於下行鏈路來說，對於信噪比有較高需求；對於上下行鏈路來說，都需要特別設計的天線，對於天線增益可能有要求。結合這些特點來看，5G衛星通訊的射頻前端設計雖然有一定難度和門檻，其中中國晶片公司可能的第一個突破點是功放部分，因為5G衛星通訊的調製可能比較簡單；之後，在前端的開關乃至濾波器對於中國的晶片公司來說也非高不可攀。希望在未來，我們能看到中國晶片公司活躍在5G衛星通訊的晶片市場上，成為一股不可忽視的力量。
