在近期舉行的世界(jie)移動通信大會(MWC2023)上，諾(nuo)基亞首(shou)次向公眾展示了其(qi)準備(bei)在月(yue)球(qiu)(qiu)部署的首(shou)個(ge)4G通信網(wang)(wang)絡的Demo，并(bing)透露(lu)將(jiang)(jiang)于2023年內(nei)將(jiang)(jiang)相關(guan)測試設備(bei)發(fa)往月(yue)球(qiu)(qiu)。這將(jiang)(jiang)是(shi)人類首(shou)次將(jiang)(jiang)蜂窩網(wang)(wang)絡帶上月(yue)球(qiu)(qiu)，對(dui)于未來人類利用(yong)現有成熟技(ji)術實現對(dui)月(yue)球(qiu)(qiu)持續(xu)探索(suo)乃(nai)至(zhi)火星等其(qi)他太空空間探索(suo)打下基礎。
蜂窩通信網絡將首次在其他星球部署
諾基亞在月(yue)球(qiu)部(bu)署(shu)4G網(wang)絡源于美國宇航局(NASA)的(de)(de)“阿特彌斯”(Artemis)登月(yue)計(ji)劃，其中通(tong)信技(ji)(ji)術(shu)是(shi)實現該計(ji)劃于2024年(nian)順利實施的(de)(de)組成(cheng)部(bu)分。2018年(nian)，NASA就(jiu)宣布開發(fa)十大(da)“臨(lin)界(jie)(jie)點(dian)”技(ji)(ji)術(shu)，這(zhe)些技(ji)(ji)術(shu)有望讓(rang)商業太空(kong)飛(fei)行和NASA未(wei)來(lai)的(de)(de)探(tan)測任務大(da)大(da)受益。2020年(nian)10月(yue)，諾基亞被指定為NASA的(de)(de)“臨(lin)界(jie)(jie)點(dian)”技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)合作(zuo)伙伴，在太空(kong)部(bu)署(shu)了首個LTE/4G通(tong)信網(wang)絡系統，并為人(ren)類在月(yue)球(qiu)表(biao)面的(de)(de)可持續存(cun)在鋪平(ping)道路(lu)。NASA為了這(zhe)一項(xiang)目斥資1400萬美元，已超過了多個其他“臨(lin)界(jie)(jie)點(dian)”技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)支(zhi)出。
諾基亞旗下(xia)的(de)(de)貝爾實驗室這一舉世聞名(ming)的(de)(de)機構承(cheng)擔本次在月球(qiu)建設(she)4G網(wang)絡的(de)(de)任(ren)務(wu)，由于(yu)月球(qiu)的(de)(de)表面的(de)(de)特殊性，本項目需要在月球(qiu)表面構建和部署一個超緊(jin)湊、低(di)功耗、空(kong)間加固的(de)(de)端到(dao)端4G解決(jue)方案。為了完成這一任(ren)務(wu)，諾基亞與多家航天設(she)備廠商(shang)合(he)作(zuo)，將(jiang)蜂窩通(tong)信網(wang)絡系統集成到(dao)月球(qiu)登(deng)陸器中(zhong)，當登(deng)陸器被送到(dao)月球(qiu)表面后，該(gai)網(wang)絡將(jiang)能夠進行(xing)自我配置。
圖片來源(yuan)：諾基亞(ya)官網
具體來說，諾(nuo)基亞構建的(de)(de)月球4G網(wang)絡(luo)系統包括一(yi)套集成(cheng)了(le)核心(xin)網(wang)功能的(de)(de)LTE基站、LTE用戶終(zhong)端、射頻天線和高(gao)可(ke)靠運(yun)維(wei)控(kong)制(zhi)軟件。該解(jie)決方案經過特別設計，能夠承受(shou)發(fa)射和登月的(de)(de)惡劣條(tiao)件，并能在(zai)(zai)太空的(de)(de)極(ji)端條(tiao)件下運(yun)行。完全集成(cheng)化的(de)(de)蜂窩網(wang)絡(luo)系統在(zai)(zai)極(ji)其緊湊的(de)(de)外形(xing)中滿足空間有效載(zai)荷(he)非(fei)常(chang)嚴(yan)格(ge)的(de)(de)尺(chi)寸(cun)、重量和功率限(xian)制(zhi)。
該(gai)網(wang)絡將為許多不同的數據傳(chuan)輸(shu)應用提供(gong)關鍵的通信(xin)能力(li)，包括重要的命令和控制功能、月球車的遠程控制、實時導(dao)航和高清視頻流，這些(xie)通信(xin)應用對人類在月球表面的生存和探索都(dou)至關重要。
2023年內將相關(guan)4G網(wang)絡測(ce)試(shi)設備發往(wang)月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)，將完成(cheng)一(yi)次為期2周的(de)月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)表面(mian)4G網(wang)絡通信的(de)測(ce)試(shi)任(ren)務，4G網(wang)絡設備將分別搭(da)載在Intuitive Machines公司的(de)月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)著陸器(qi)和Lunar Outpost公司的(de)月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)漫游(you)車(移動(dong)自主勘探平臺MAPP)上(shang)(shang)。其(qi)中，基站設備和無源(yuan)天線系(xi)統安裝在月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)著陸器(qi)上(shang)(shang)，包含全向天線的(de)用戶設備安裝在月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)漫游(you)車上(shang)(shang)，著陸器(qi)和漫游(you)車達到月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)表面(mian)后將自動(dong)部署，在月(yue)(yue)(yue)球(qiu)(qiu)(qiu)表面(mian)建立起(qi)一(yi)條(tiao)著陸器(qi)到漫游(you)車之間(jian)的(de)LTE鏈路，從實現兩者之間(jian)雙(shuang)向實時通信。
根據(ju)諾基亞透(tou)露，漫游車(che)將向直著(zhu)陸(lu)(lu)器的(de)(de)(de)任務(wu)控制中(zhong)心發(fa)(fa)(fa)送實時視頻和(he)遙測(ce)數據(ju)，測(ce)試的(de)(de)(de)目標首先是測(ce)試百(bai)米(mi)級近距(ju)離(li)通信，再逐漸拉大(da)距(ju)離(li)，測(ce)試距(ju)離(li)著(zhu)陸(lu)(lu)器兩(liang)到(dao)三公里(li)的(de)(de)(de)遠程通信。從本次任務(wu)中(zhong)獲(huo)得的(de)(de)(de)知識(shi)將用于NASA的(de)(de)(de)Artemis計(ji)劃，以在2030年(nian)前開(kai)(kai)發(fa)(fa)(fa)月球上的(de)(de)(de)可持續運營(ying)，并(bing)為火星(xing)開(kai)(kai)發(fa)(fa)(fa)任務(wu)做準(zhun)備(bei)。
無需“重新發明輪子”，地球成熟的技術經驗在月球復制
在諾(nuo)基(ji)亞宣布(bu)將(jiang)進行月(yue)(yue)(yue)球(qiu)4G網絡部署后(hou)，新華社曾撰文指出，新一輪登月(yue)(yue)(yue)計劃與(yu)此前(qian)有很大差別，當前(qian)的(de)登月(yue)(yue)(yue)計劃需要進行深(shen)度(du)科研(yan)、探索，甚至研(yan)究是否能(neng)成(cheng)為人(ren)類另(ling)一居住(zhu)地。本(ben)次登月(yue)(yue)(yue)的(de)宇航(hang)(hang)(hang)員需要在月(yue)(yue)(yue)球(qiu)生存至少2-5周的(de)時(shi)(shi)間(jian)，同(tong)時(shi)(shi)，還將(jiang)投放(fang)各(ge)種探測儀器(qi)，整套系統(tong)是由月(yue)(yue)(yue)球(qiu)著(zhu)(zhu)陸器(qi)、月(yue)(yue)(yue)球(qiu)車、月(yue)(yue)(yue)球(qiu)人(ren)類棲息地等(deng)多方面組成(cheng)的(de)。而(er)宇航(hang)(hang)(hang)員在月(yue)(yue)(yue)球(qiu)上著(zhu)(zhu)陸之(zhi)后(hou)，他們(men)將(jiang)成(cheng)為整套系統(tong)的(de)中心(xin)，不僅要操控月(yue)(yue)(yue)球(qiu)上的(de)各(ge)種設(she)備，同(tong)時(shi)(shi)，宇航(hang)(hang)(hang)員和宇航(hang)(hang)(hang)員之(zhi)間(jian)，也(ye)需要展開即(ji)時(shi)(shi)通(tong)話、實時(shi)(shi)定位等(deng)功能(neng)，這(zhe)樣，才(cai)(cai)可(ke)以確保他們(men)的(de)安全。建立穩(wen)定的(de)通(tong)信系統(tong)，才(cai)(cai)能(neng)達到這(zhe)一目的(de)，未來月(yue)(yue)(yue)球(qiu)探索更加頻繁，甚至作為一個旅居地時(shi)(shi)，穩(wen)定通(tong)信系統(tong)更為重要。
截至目前，人類還(huan)沒有(you)開(kai)發出專(zhuan)用(yong)(yong)于月球和其他星球的專(zhuan)有(you)通信(xin)技術(shu)。由于蜂(feng)(feng)窩網絡主要(yao)依賴(lai)無線(xian)電通信(xin)，無線(xian)電在(zai)不同星球都存(cun)在(zai)，因(yin)此，探(tan)索在(zai)月球上(shang)直接采用(yong)(yong)蜂(feng)(feng)窩網絡通信(xin)，不再開(kai)發專(zhuan)有(you)通信(xin)技術(shu)成為一個共識。
在過去十余年中，4G已(yi)成(cheng)(cheng)為(wei)最成(cheng)(cheng)功的(de)無線通信技(ji)術，在全球(qiu)廣泛部(bu)署，取(qu)得了巨(ju)大(da)的(de)商業成(cheng)(cheng)就(jiu)，擁有龐(pang)大(da)的(de)技(ji)術和(he)供應商群體，形成(cheng)(cheng)完善的(de)產業生態，可以說是在地球(qiu)表(biao)面已(yi)被(bei)證明是可靠、健(jian)壯并易部(bu)署和(he)擴展的(de)通信系統。
在工廠、礦山、沙漠、救災等極端環境(jing)下，4G網(wang)絡(luo)也形成(cheng)一些部(bu)署(shu)(shu)，總結了應對(dui)惡劣(lie)環境(jing)的(de)(de)(de)經驗。諾基(ji)亞(ya)專(zhuan)家曾撰文提(ti)出，雖然在月球部(bu)署(shu)(shu)4G網(wang)絡(luo)是(shi)一種獨特的(de)(de)(de)專(zhuan)用解決(jue)方案，但我(wo)們(men)依然可以(yi)利用的(de)(de)(de)是(shi)諾基(ji)亞(ya)在全球小(xiao)型(xing)蜂窩網(wang)絡(luo)中部(bu)署(shu)(shu)的(de)(de)(de)相同4G基(ji)站和(he)(he)核心(xin)網(wang)，安裝在漫游車上(shang)的(de)(de)(de)射頻天線(xian)和(he)(he)調(diao)制解調(diao)器(qi)是(shi)基(ji)于當(dang)前4G手機和(he)(he)設備(bei)中相同的(de)(de)(de)用戶設備(bei)設計。當(dang)然，諾基(ji)亞(ya)也要對(dui)這些技術進行了優化和(he)(he)強化，以(yi)滿足月球運行的(de)(de)(de)要求。
若4G網絡能夠(gou)被(bei)證(zheng)實可(ke)(ke)用于月球(qiu)表面的(de)通信，則積累的(de)經驗完全可(ke)(ke)以(yi)用于5G，未來月球(qiu)表面的(de)通信網絡也可(ke)(ke)以(yi)升級至5G，而且這些(xie)5G系統(tong)可(ke)(ke)以(yi)直接共享地球(qiu)5G通信系統(tong)商用的(de)成果，降(jiang)低研發和(he)部署的(de)門檻。
雖然有現成經驗，但仍要克服重重困難
當(dang)然，將蜂(feng)窩(wo)(wo)網絡(luo)送入太空也(ye)面(mian)臨著很多令人(ren)生畏的挑戰，為了在太空中正常部署并提(ti)供覆蓋，蜂(feng)窩(wo)(wo)網絡(luo)設備(bei)(bei)必須(xu)經(jing)歷重(zhong)大的設計變革。設備(bei)(bei)必須(xu)盡量(liang)減少(shao)尺寸(cun)、重(zhong)量(liang)和(he)功耗，同(tong)時能(neng)(neng)夠經(jing)受住發射時的強烈振動和(he)太空的極端溫度，必須(xu)集成特殊(shu)的輻(fu)射元件來散(san)熱，因為在地(di)球上工作的散(san)熱機制通常依賴(lai)于氣流(liu)，而在太空中卻無法工作。此(ci)外(wai)，月球漫游車必須(xu)警惕(ti)地(di)形，包括月球大巖石投下的陰影，這(zhe)些陰影可能(neng)(neng)會阻擋太陽能(neng)(neng)電池板并切(qie)斷電源，因此(ci)必須(xu)精(jing)心(xin)規劃漫游車導航路線。
例如，火箭發射中(zhong)的(de)震動有(you)可能導致(zhi)通信設備(bei)焊接點失效(xiao)、內部(bu)元器(qi)件(jian)斷裂。因此，諾(nuo)基(ji)(ji)(ji)亞進行了大(da)量(liang)的(de)測(ce)試，模(mo)擬發射和(he)著陸時的(de)加(jia)(jia)速(su)、沖擊和(he)振動，尤其是(shi)對基(ji)(ji)(ji)站的(de)模(mo)擬測(ce)試，甚至將(jiang)基(ji)(ji)(ji)站放置在巨型(xing)離心(xin)機中(zhong)，模(mo)擬發射過(guo)程(cheng)中(zhong)經歷的(de)強(qiang)烈加(jia)(jia)速(su)力;在重量(liang)方(fang)面，諾(nuo)基(ji)(ji)(ji)亞透露濾波器(qi)采用基(ji)(ji)(ji)于(yu)陶瓷(ci)的(de)解決方(fang)案取代(dai)了通常在地面網絡中(zhong)使用的(de)方(fang)案，從而將(jiang)重量(liang)減輕了五分之二。
供(gong)電(dian)、溫(wen)差等問(wen)題(ti)也是(shi)月球上蜂窩網絡設(she)備的(de)(de)(de)(de)挑戰(zhan)。本次諾基亞的(de)(de)(de)(de)測試任務將選擇在月球的(de)(de)(de)(de)南(nan)極，并選擇在14天均有陽(yang)(yang)光照射的(de)(de)(de)(de)時間，確保太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池板(ban)能夠持續為(wei)通信系統供(gong)電(dian)。然(ran)而(er)，月球的(de)(de)(de)(de)地形是(shi)一個(ge)巨大挑戰(zhan)，需要(yao)避免(mian)漫游(you)車進入隕石坑或陰影區(qu)，太(tai)陽(yang)(yang)能電(dian)池板(ban)也必須隨時面對(dui)太(tai)陽(yang)(yang)。
設計時還(huan)需要應對陽光直射和陰(yin)影(ying)之間的(de)(de)(de)(de)溫(wen)差，因為(wei)月(yue)球(qiu)沒有(you)大(da)氣層，所(suo)以(yi)沒有(you)什么東西可(ke)以(yi)吸收周圍(wei)的(de)(de)(de)(de)熱(re)量，這意(yi)味著(zhu)直接在(zai)陽光下的(de)(de)(de)(de)物體(ti)(ti)和在(zai)陰(yin)涼處(chu)的(de)(de)(de)(de)物體(ti)(ti)之間有(you)很大(da)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)差，例(li)如著(zhu)陸器上的(de)(de)(de)(de)LTE天線在(zai)面向太陽的(de)(de)(de)(de)一側約(yue)為(wei)20?C，但在(zai)天線的(de)(de)(de)(de)相反陰(yin)影(ying)面將要承受低(di)于-100?C的(de)(de)(de)(de)冰凍(dong)溫(wen)度(du)。面對這樣的(de)(de)(de)(de)挑戰，通信設備(bei)必須進行強化，不僅可(ke)以(yi)承受這樣的(de)(de)(de)(de)極端(duan)溫(wen)度(du)，還(huan)可(ke)以(yi)承受快速的(de)(de)(de)(de)熱(re)變化或(huo)沖擊(ji)，還(huan)要通過傳(chuan)導或(huo)輻射進行有(you)效散熱(re)。
圖片來源：諾基亞官網
不僅(jin)如此，月(yue)球(qiu)的(de)(de)蜂窩網絡部署還面臨著(zhu)無(wu)(wu)線(xian)(xian)電(dian)頻譜(pu)政策的(de)(de)挑戰。本次諾基亞月(yue)球(qiu)4G網絡部署采用(yong)(yong)的(de)(de)是1800MHz頻段，是地球(qiu)表面4G常(chang)規(gui)的(de)(de)無(wu)(wu)線(xian)(xian)電(dian)頻段。然而，由(you)于(yu)月(yue)球(qiu)的(de)(de)特殊(shu)性，目前暫沒有針對外星球(qiu)的(de)(de)無(wu)(wu)線(xian)(xian)電(dian)頻譜(pu)政策。涉(she)及到外太空的(de)(de)頻譜(pu)利用(yong)(yong)，諾基亞撰文(wen)提到，該(gai)公司不但與國(guo)(guo)際電(dian)信聯(lian)(lian)盟、美國(guo)(guo)聯(lian)(lian)邦通信委員會和美國(guo)(guo)電(dian)信和信息管理(li)局溝通月(yue)球(qiu)上使用(yong)(yong)4G頻譜(pu)的(de)(de)事宜，也與射(she)電(dian)天(tian)文(wen)相關機構進(jin)行深入交流。因為射(she)電(dian)望遠(yuan)鏡(jing)(jing)觀測(ce)時，天(tian)文(wen)學家(jia)(jia)也使用(yong)(yong)無(wu)(wu)線(xian)(xian)電(dian)頻譜(pu)，而由(you)于(yu)這(zhe)些射(she)電(dian)望遠(yuan)鏡(jing)(jing)探測(ce)到的(de)(de)信號非常(chang)微弱，因此天(tian)文(wen)學家(jia)(jia)擔心從月(yue)球(qiu)發射(she)的(de)(de)無(wu)(wu)線(xian)(xian)電(dian)波會干擾他們的(de)(de)觀測(ce)。
雖然困難重重，但還(huan)是無法阻(zu)止人類對(dui)外星球(qiu)的(de)(de)探(tan)索(suo)。4G網絡作為為地球(qiu)上數(shu)十億人服務(wu)的(de)(de)最成(cheng)熟的(de)(de)技術(shu)之一，本次登錄月球(qiu)，若能驗證(zheng)在(zai)月球(qiu)有效使(shi)用，將對(dui)人類探(tan)索(suo)外星球(qiu)具有重大意義。目前，蜂窩通(tong)信(xin)(xin)技術(shu)在(zai)地球(qiu)上已(yi)形(xing)成(cheng)4G和(he)5G為主導的(de)(de)應用格局，6G已(yi)進入前期探(tan)索(suo)和(he)研發階段(duan)。隨著人們對(dui)新技術(shu)的(de)(de)持續探(tan)索(suo)，未(wei)來移動通(tong)信(xin)(xin)不僅是基于地球(qiu)的(de)(de)空天地一體化，還(huan)將包括外太空的(de)(de)空天地一體化。
