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衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)NTN技術(shù)指南

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前 言

隨著6G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入討論階段,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有望成為通信行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。通過(guò)構(gòu)建衛(wèi)星星座-地面信關(guān)站-核心網(wǎng)-用戶終端的互聯(lián)體系,實(shí)現(xiàn)空天地一體化網(wǎng)絡(luò),世界各地網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,大力提升天基監(jiān)測(cè)、低空飛行、海島沙漠通信、應(yīng)急救援等綜合通信能力。

01

NTN概述

3GPP標(biāo)準(zhǔn)中非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)的引入將通過(guò)將地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信相結(jié)合來(lái)徹底改變無(wú)線通信。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商(MNO)希望在擴(kuò)展其第五代(5G)并最終擴(kuò)展第六代(6G)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)提供更大的帶寬。政府和軍事機(jī)構(gòu)希望從新一代衛(wèi)星技術(shù)中獲得諸如增強(qiáng)成像和改進(jìn)安全性等進(jìn)步。

對(duì)于商業(yè)和國(guó)防組織而言,太空為增強(qiáng)連接性和變革現(xiàn)有能力提供了途徑。太空和衛(wèi)星行業(yè)正經(jīng)歷由新公司、研究工作和投資所驅(qū)動(dòng)的快速演變。由此產(chǎn)生的進(jìn)步面臨著復(fù)雜的挑戰(zhàn),這促使開(kāi)發(fā)出各種用例,以優(yōu)化和確保從初始設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到軌道運(yùn)行的整個(gè)太空和衛(wèi)星任務(wù)的性能。

NTN是一種包含不在地球表面的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。盡管我們首先想到的是衛(wèi)星,但非地面網(wǎng)絡(luò)的其他組成部分還可以包括低空平臺(tái)/無(wú)人機(jī)(LAP)、高空偽衛(wèi)星/無(wú)人機(jī)/氣球(HAPS)、不同軌道上的衛(wèi)星以及這些的組合。

圖1展示了NTN的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和空中通信網(wǎng)絡(luò)在地球靜止軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)和低地球軌道(LEO)上的運(yùn)行情況。5GNTN的主要應(yīng)用集中在GEO和LEO范圍內(nèi)。當(dāng)前低地球軌道衛(wèi)星的迅猛增長(zhǎng)為商業(yè)、政府和軍事行業(yè)的大多數(shù)其他NTN應(yīng)用案例奠定了基礎(chǔ)。


圖1 NTN生態(tài)系統(tǒng)

每個(gè)軌道都會(huì)給通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)不同的挑戰(zhàn)。對(duì)于低軌衛(wèi)星而言,衛(wèi)星運(yùn)行距離較近但移動(dòng)速度更快。由于距離較近,從衛(wèi)星到地面可以實(shí)現(xiàn)低延遲通信。相比之下,傳統(tǒng)的地球靜止軌道衛(wèi)星則提供長(zhǎng)時(shí)間的固定連接,但該軌道上衛(wèi)星與地面站之間的信號(hào)路徑延遲要長(zhǎng)得多。這個(gè)過(guò)程會(huì)隨著信號(hào)在不同點(diǎn)之間傳輸?shù)拇螖?shù)呈指數(shù)級(jí)增加延遲時(shí)間。例如,如果衛(wèi)星必須繞地球運(yùn)行,就會(huì)出現(xiàn)明顯的延遲現(xiàn)象。

延遲現(xiàn)象在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式中也會(huì)出現(xiàn)。在這種模式下,衛(wèi)星首先接收信號(hào),然后在能夠接收到目標(biāo)地面站信號(hào)時(shí)再將該信號(hào)發(fā)送出去。這種現(xiàn)象通常被稱間斷傳輸。

延遲現(xiàn)象的一個(gè)明顯例子是:當(dāng)遠(yuǎn)程新聞團(tuán)隊(duì)與位于實(shí)體新聞室的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行通信時(shí),會(huì)遭遇延遲。在這種情況下,信號(hào)會(huì)先傳至地球同步衛(wèi)星,再傳至地面站,接著傳至另一顆地球同步衛(wèi)星,然后再次傳回。觀眾在記者們?cè)噲D交換信息的過(guò)程中很容易就能察覺(jué)到這一過(guò)程中的延遲。

由于地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)處于與地球同步的固定位置,因此它具有諸多優(yōu)勢(shì)。這樣一來(lái),您只需將大型拋物面天線指向一個(gè)方向,它們就能成為巨大的數(shù)據(jù)傳輸管道。相比之下,低地球軌道衛(wèi)星(LEO)通常在您的頭頂上方運(yùn)行并從您上方經(jīng)過(guò),因此需要進(jìn)行波束轉(zhuǎn)向。如果您的應(yīng)用不需要持續(xù)通信,您可以有兩種選擇。您可以使用能夠追蹤衛(wèi)星的拋物面天線,或者等待衛(wèi)星從您的上方經(jīng)過(guò)。例如,物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳并不需要持續(xù)進(jìn)行。

NTN架構(gòu)

每個(gè)NTN都設(shè)有多個(gè)接入點(diǎn),這些接入點(diǎn)使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠與地面互聯(lián)網(wǎng)相連接。光纖鏈路將地面站點(diǎn)連接在一起,而激光光學(xué)鏈路則用于衛(wèi)星之間的連接。從地面的衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)出發(fā),寬帶鏈路將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星星座連接起來(lái),這些連接具有高達(dá)20多Gbps的高速度,被稱為饋線鏈路。這些接入點(diǎn)與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)相連。圖2展示了這些網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星之間的連接鏈路,即作為地面蜂窩基站的寬帶回傳鏈路。


圖2 衛(wèi)星鏈路與星地網(wǎng)絡(luò)

這些衛(wèi)星可以通過(guò)高帶寬的衛(wèi)星間光通信鏈路與星座中的最近鄰星體建立網(wǎng)絡(luò)連接,此時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速度可超過(guò)每秒1000 Mbps。低成本的相控陣天線構(gòu)成了用戶終端的基礎(chǔ)。這些天線可能固定在某個(gè)位置,比如房屋內(nèi),也可能安裝在諸如飛機(jī)之類的交通工具上。這些衛(wèi)星與用戶的終端連接速度可超過(guò)100 Mbps。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常使用光鏈路來(lái)連接衛(wèi)星。

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)位置(POP)之間小于50ms的延遲以及超過(guò)100 Mbps的傳輸速率的可靠連接。固定或移動(dòng)終端反過(guò)來(lái)能夠通過(guò)本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)為手機(jī)和其他設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

手機(jī)直連能力

目前關(guān)于NTN的大部分宣傳都集中在直接連接設(shè)備的功能上。這種功能使得移動(dòng)電話在遠(yuǎn)離地面基站的區(qū)域也能連接到衛(wèi)星。例如,未來(lái)的3GPP版本將包含超短波終端(VSAT),它由高增益天線(如碟形天線或陣列面板)和高功率調(diào)制器組成,安裝在固定位置。

通信行業(yè)必須不斷創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)與軌道衛(wèi)星的持續(xù)連接。直接通過(guò)手機(jī)接入衛(wèi)星的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括以下方面:

  1. 專有衛(wèi)星系統(tǒng),例如銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng),以及那些需要直接撥打電話功能和聯(lián)網(wǎng)車輛的政府應(yīng)用案例。

  2. 所有未做任何修改的手機(jī),它們都使用4G和5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星進(jìn)行連接。

包括基于NTN的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)以及基于NTN的5G新空口(NR)技術(shù),這些技術(shù)均與3GPP的Release17版本相關(guān)。

02

NTN簡(jiǎn)史

科學(xué)家和有遠(yuǎn)見(jiàn)的人士長(zhǎng)期以來(lái)一直設(shè)想建立一系列低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),以連接地球上每一個(gè)人。當(dāng)前的全球通信網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化努力可以追溯到20世紀(jì)90年代,當(dāng)時(shí)兩家公司——全球星公司和銥星通信公司——成立并推出了大型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),旨在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。全球星和銥星公司專門(mén)部署了專為支持低帶寬衛(wèi)星通信而設(shè)計(jì)的衛(wèi)星,并將其直接應(yīng)用于專用手機(jī)。盡管這兩個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仍在運(yùn)行,但這兩家公司均未取得大規(guī)模的商業(yè)成功。主要原因在于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在推出地面網(wǎng)絡(luò)方面的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何人的預(yù)期,從而降低了對(duì)直接到手機(jī)的非地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。此外,這兩項(xiàng)業(yè)務(wù)都沒(méi)有提供達(dá)到消費(fèi)者期望的服務(wù)——信號(hào)無(wú)法充分穿透建筑物以用于室內(nèi)使用,而且信號(hào)壓縮嚴(yán)重,導(dǎo)致語(yǔ)音質(zhì)量很差。

需要指出的是,自全球星和銥星公司成立以來(lái),發(fā)射一顆衛(wèi)星的成本已大幅降低。1997年銥星公司開(kāi)始發(fā)射其由66顆衛(wèi)星組成的星座時(shí),每次發(fā)射都是一個(gè)巨大的工程。但得益于火箭技術(shù)的改進(jìn)和成本的下降,如今發(fā)射一顆低地球軌道衛(wèi)星的成本要低得多。根據(jù)托馬斯·G·羅伯茨在《航空航天安全》雜志上的一項(xiàng)研究,自20世紀(jì)90年代以來(lái),低軌衛(wèi)星的重型發(fā)射成本已下降了多達(dá)85%,從每公斤約10200美元降至如今的每公斤1500美元以下。然而,盡管發(fā)射成本大幅下降,但衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)的增加卻導(dǎo)致了發(fā)射能力的嚴(yán)重短缺。

自20世紀(jì)90年代以來(lái),手機(jī)也因技術(shù)進(jìn)步和成本降低而獲得了顯著的提升。銥星公司于1999年推出的首批手機(jī)重達(dá)一磅多,幾乎是當(dāng)時(shí)普通手機(jī)重量的兩倍,售價(jià)約為3000美元。近年來(lái),有多家公司采取了新的舉措來(lái)推動(dòng)面向設(shè)備的NTN通信。這些新的項(xiàng)目,比如星鏈、亞馬遜等,展現(xiàn)出了巨大的潛力和早期的成功。這些項(xiàng)目主要依賴于專有的、非標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù),需要在衛(wèi)星內(nèi)部配備專有的算法和電路來(lái)處理各種通信的復(fù)雜性。

NTN優(yōu)勢(shì)

NTN的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠?qū)⒁苿?dòng)通信服務(wù)延伸至偏遠(yuǎn)和未得到充分發(fā)展的地區(qū)。這一特點(diǎn)有助于彌合數(shù)字鴻溝,為缺乏地面基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域提供連接服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的災(zāi)難應(yīng)對(duì)和緊急通訊中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,能夠在危機(jī)發(fā)生時(shí)恢復(fù)通信。例如,美國(guó)太空部隊(duì)會(huì)綜合考慮多種不同的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的通信、情報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)的覆蓋。此外,窄帶物聯(lián)網(wǎng)還能通過(guò)結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)與LTE/5G地球靜止軌道解決方案來(lái)提供緊急支援,并利用5G窄帶物聯(lián)網(wǎng)低地球軌道解決方案或?qū)S蟹桨笧槠h(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

NTN通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)在非地球軌道網(wǎng)絡(luò)之上大幅提升了全球感知能力,使各個(gè)行業(yè)能夠利用由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。例如,采用分布式傳感器將提高農(nóng)業(yè)的效率和產(chǎn)量。將NTN納入考量范圍能夠擴(kuò)展通信能力,并最大限度地發(fā)揮從太空進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)的潛力。這種方法包括將地面上的傳感器與物聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),并利用高光譜成像來(lái)監(jiān)測(cè)作物的水分需求和收獲準(zhǔn)備情況。NTN還將增強(qiáng)利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行病蟲(chóng)害防治和施肥、配備全球定位系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)等的應(yīng)用。這些進(jìn)步能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的改進(jìn)。

技術(shù)賦能

  • 低延遲數(shù)據(jù)連接

  • 超越視距的攻擊能力

  • 導(dǎo)彈追蹤與預(yù)警

  • 在軌融合

  • 多現(xiàn)象地面?zhèn)鞲衅魅诤?/p>

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(SDA)所設(shè)計(jì)的“擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員太空架構(gòu)”的首個(gè)運(yùn)行階段(即“第一階段”),包括126顆傳輸層衛(wèi)星、35顆跟蹤衛(wèi)星以及12顆被稱為T(mén)1DES的戰(zhàn)術(shù)演示衛(wèi)星。太空發(fā)展局的太空中心將負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)“第一階段”。

近年來(lái),SpaceX提出星盾計(jì)劃,專門(mén)面向政府和國(guó)防客戶,給其提供全球部署的衛(wèi)星遙感、加密通信、其他軍用平臺(tái)模塊化托管能力。“星盾”投入使用后,能夠?qū)崿F(xiàn)和“星鏈”組網(wǎng),通過(guò)星鏈太空鏈路快速傳輸各類軍用偵察和指揮控制數(shù)據(jù),其他軍用衛(wèi)星平臺(tái),只要搭載了“星鏈”通信模塊,也可以無(wú)縫連接到“星鏈”和“星盾”中,成為一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通互操作的“網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”。

通過(guò)這種方式,任何新增的功能都可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。新的衛(wèi)星還將具備內(nèi)置處理能力,以承載基站功能(全部或部分)。這樣一來(lái),它們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率、更低的延遲和更寬的帶寬連接。新的低地球軌道和超低軌道的部署將在2025年及以后的3GPP版本中將這些功能整合到衛(wèi)星內(nèi)部。

要實(shí)現(xiàn)高容量傳輸則需要大量衛(wèi)星,有時(shí)這種系統(tǒng)被稱為L(zhǎng)EO巨型星座。商業(yè)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了LEO巨型星座的開(kāi)發(fā),比如太空探索技術(shù)公司的Starlink。為了提供窄帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋,這些早期但占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的進(jìn)展正在市場(chǎng)中塑造未來(lái)趨勢(shì),而在此之前,窄帶網(wǎng)絡(luò)尚未完全融入5G和6G網(wǎng)絡(luò)。專有技術(shù)可能會(huì)繼續(xù)存在于窄帶網(wǎng)絡(luò)的格局中,盡管其重要性可能會(huì)發(fā)生變化。

03

主要挑戰(zhàn)

盡管下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前景十分廣闊,但其部署過(guò)程卻伴隨著諸多挑戰(zhàn)。其中最明顯的問(wèn)題是太空環(huán)境的惡劣條件,以及成功將系統(tǒng)送入軌道所需的艱巨任務(wù)。在太空中構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)一步加劇這些復(fù)雜性,因?yàn)檫@會(huì)增加出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。

為了滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求,下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須通過(guò)其衛(wèi)星來(lái)傳輸和接收更多的信息,以實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸。分布式低軌衛(wèi)星星座的優(yōu)勢(shì)在于,它將風(fēng)險(xiǎn)和成本分散到數(shù)百或數(shù)千顆衛(wèi)星上。然而,對(duì)于軍事和政府應(yīng)用而言,這種方法會(huì)因衛(wèi)星飛越敵方領(lǐng)土而帶來(lái)額外的安全風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)家安全需求促使需要網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)和創(chuàng)新操作,以保護(hù)部署在太空中的基礎(chǔ)設(shè)施。

光通信

光通信鏈路具有諸多優(yōu)勢(shì),有助于克服NTN所面臨的挑戰(zhàn)。作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵推動(dòng)因素,光通信利用光來(lái)傳輸信息,相比傳統(tǒng)的無(wú)線電頻率(RF)通信具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括更高的帶寬、更高的頻率、更強(qiáng)的安全性以及能夠傳輸數(shù)據(jù)而不出現(xiàn)信號(hào)衰減的情況。

光鏈路的部署將衛(wèi)星連接起來(lái),從而構(gòu)建了一個(gè)更加穩(wěn)固和安全的網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)距離的靈活數(shù)據(jù)傳輸。憑借其聚焦的激光技術(shù),光學(xué)通信消除了傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)所存在的帶寬和延遲問(wèn)題。光學(xué)光子學(xué)中所涉及的本地化激光源和A到B的通信方式,還幫助各組織在更寬的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行編碼,并實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

諸如合成孔徑雷達(dá)(SAR)這樣的新型地球觀測(cè)技術(shù)都依賴于光學(xué)通信作為關(guān)鍵組成部分。這種技術(shù)使相關(guān)機(jī)構(gòu)能夠以高度安全的方式將原始數(shù)據(jù)發(fā)送至地面應(yīng)用系統(tǒng)。

SAR就是一個(gè)能凸顯安全重要性的應(yīng)用實(shí)例,它推動(dòng)了光通信技術(shù)的興起。該技術(shù)的緊湊、精確的激光束比射頻波束要窄得多,這意味著點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸具有極高的安全性。激光束能更有效地保護(hù)光鏈路免受竊聽(tīng),更能抵御干擾和欺騙,更適合用于機(jī)密和軍事通信。

LEO性能

除了能提供更高的安全性之外,低軌衛(wèi)星還必須在各種天氣、環(huán)境條件以及運(yùn)動(dòng)的情況下保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。這些衛(wèi)星在繞地球運(yùn)行時(shí)的移動(dòng)速度約為每小時(shí)17000英里。盡管此類衛(wèi)星星座通常在低延遲通信方面具有諸多優(yōu)勢(shì),但如果未能正確考慮通信鏈路的動(dòng)態(tài)特性,就可能會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移和衰減問(wèn)題。

與地球同步軌道衛(wèi)星不同,低軌衛(wèi)星的視野范圍非常有限。由于軌道較低且運(yùn)行速度較慢,要為某一特定區(qū)域提供同等覆蓋范圍,就需要更多的低軌衛(wèi)星。與低軌星座進(jìn)行通信需要地面終端在多個(gè)衛(wèi)星之間切換,并使用波束來(lái)保持不間斷的通信。例如終端與單個(gè)低軌衛(wèi)星之間的這種協(xié)調(diào)是自動(dòng)進(jìn)行的。與低軌衛(wèi)星的通信是通過(guò)跟蹤一顆衛(wèi)星,然后當(dāng)?shù)谝活w衛(wèi)星開(kāi)始消失在視野之外時(shí)再跟蹤另一顆衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)的。成功的連接必須在兩顆衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

相控陣天線能夠出色地完成這項(xiàng)任務(wù),能夠追蹤多個(gè)低地球軌道衛(wèi)星,并實(shí)現(xiàn)備份功能以確保持續(xù)的連接。相控陣由許多排列成矩陣形式的天線元件組成,以提供單個(gè)天線所不具備的特定特性或功能。每個(gè)輻射元件都可以進(jìn)行相位調(diào)整,從而使輻射波在期望的方向上相互疊加,從而實(shí)現(xiàn)最大增益。

頻譜擁擠

頻譜擁擠給低軌衛(wèi)星帶來(lái)了另一個(gè)難題。在預(yù)留的衛(wèi)星頻段中可用頻譜有限,而通過(guò)衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)更寬頻帶通信的需求,使得部署工作不得不向更高頻率靠攏,即便是在航空航天和國(guó)防應(yīng)用領(lǐng)域也是如此。

不斷擴(kuò)大的帶寬促使衛(wèi)星運(yùn)行在越來(lái)越高的頻率上,這要求我們制定新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法以確保衛(wèi)星的性能。然而,更寬的帶寬和更高階的調(diào)制方案會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)可能會(huì)對(duì)毫米波頻率下的鏈路質(zhì)量產(chǎn)生影響。例如,更高的頻率會(huì)因大氣條件中的水蒸氣而遭遇更強(qiáng)的衰減。

一旦部署完成,網(wǎng)絡(luò)就必須在極其擁擠的頻譜環(huán)境中運(yùn)行。由于其他系統(tǒng)也在使用非常相近的頻率帶,并且其中一些系統(tǒng)至關(guān)重要,因此下一代網(wǎng)絡(luò)必須具備在必要時(shí)降低傳輸速率的能力。它們會(huì)優(yōu)先考慮那些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級(jí),以確保其始終能夠正常運(yùn)行。NTN還必須具備抵御來(lái)自犯罪分子和政府的攻擊的能力,這些攻擊旨在劫持網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)視流量或削弱網(wǎng)絡(luò)能力。此類威脅會(huì)帶來(lái)各種挑戰(zhàn),包括服務(wù)延遲和中斷、對(duì)軍事任務(wù)和國(guó)家安全的威脅等。

與衛(wèi)星和手機(jī)建立連接也會(huì)帶來(lái)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。多普勒效應(yīng)是移動(dòng)衛(wèi)星通信中主要的技術(shù)難題之一。它指的是波的頻率隨著觀察者相對(duì)于波源的移動(dòng)而發(fā)生變化。對(duì)于與衛(wèi)星的連接而言,必須對(duì)多普勒效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。

衛(wèi)星與手機(jī)之間信號(hào)傳輸?shù)难舆t也會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。地球同步軌道衛(wèi)星的延遲與低軌衛(wèi)星的延遲有很大不同,這是因?yàn)榈厍蛲杰壍佬l(wèi)星與地球的距離更遠(yuǎn)。然而,由于軌道物理因素導(dǎo)致的延遲和多普勒效應(yīng)限制了窄帶導(dǎo)航定位系統(tǒng)的能力。在處理地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星之間的切換復(fù)雜性,以及用戶終端與衛(wèi)星之間的同時(shí)切換方面,還會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)層面的額外挑戰(zhàn)。增加衛(wèi)星之間的切換也會(huì)使這些問(wèn)題更加復(fù)雜。正在不斷探索解決方案以克服這些與協(xié)議相關(guān)的挑戰(zhàn),但其復(fù)雜性仍在不斷增加。

信號(hào)功率水平會(huì)帶來(lái)額外的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗鼈冃枰3忠欢ǖ乃讲拍芫S持預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。如果功率過(guò)低,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的容量也會(huì)對(duì)服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

需要特別注意的其他問(wèn)題包括監(jiān)管和政策方面的考量,必須加以解決,以確保網(wǎng)絡(luò)資源的公平分配以及為地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)保護(hù)頻率。環(huán)境可持續(xù)性也是需要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵方面,因?yàn)樾l(wèi)星的大量增加引發(fā)了關(guān)于太空碎片負(fù)面影響的擔(dān)憂。

取舍考慮

工程師們需要在多個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡,以優(yōu)化NTN的性能。在長(zhǎng)距離通信中,延遲顯然是一個(gè)需要權(quán)衡的因素。然而,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在光纖通信中跨越更長(zhǎng)距離時(shí)可能會(huì)提供更低的延遲,因?yàn)檎婵罩械墓馑俦炔Aе械墓馑僖臁?/p>

額外的延遲會(huì)顯著降低鏈路的容量。設(shè)計(jì)人員還必須考慮那些會(huì)影響容量、信號(hào)功率和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)決策,例如無(wú)縫連接和不間斷的鏈路。

04

用例

NTN具有眾多潛在的應(yīng)用,其應(yīng)用范圍差異很大。寬帶低軌通信技術(shù)的一個(gè)有前景的應(yīng)用場(chǎng)景是為偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站提供回程連接,因?yàn)樵谶@些地區(qū)鋪設(shè)光纖或地面微波線路并不可行。這些基站隨后可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接為手機(jī)或設(shè)備提供服務(wù)。

其他應(yīng)用包括利用NTN來(lái)增強(qiáng)對(duì)傳感器、執(zhí)行器以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的服務(wù)。最為雄心勃勃的NTN計(jì)劃旨在實(shí)現(xiàn)覆蓋全球、低延遲且速率超過(guò)2Mbps的直接到設(shè)備的連接。3GPP在其努力過(guò)程中最初定義了幾個(gè)主要的NTN應(yīng)用場(chǎng)景,包括:

多連接性

用戶設(shè)備(UE)同時(shí)連接陸地鏈路和衛(wèi)星鏈路以實(shí)現(xiàn)多連接。這種設(shè)置使得時(shí)間敏感的低延遲流量能夠通過(guò)陸地鏈路進(jìn)行傳輸,而衛(wèi)星鏈路則負(fù)責(zé)處理非那么關(guān)鍵的流量。

固定網(wǎng)絡(luò)連接

此用例使身處偏遠(yuǎn)地區(qū)或其他地方(如海上船只或海上石油平臺(tái))的用戶能夠使用5G服務(wù)。

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接

用戶設(shè)備能夠接入可用的地面網(wǎng)絡(luò),并在偏遠(yuǎn)地區(qū)自動(dòng)切換至衛(wèi)星鏈路,從而為飛機(jī)和高速鐵路提供無(wú)縫的5G服務(wù)覆蓋。

移動(dòng)通信行業(yè)還提出了國(guó)家傳輸網(wǎng)絡(luò)的另外三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景,包括:

  1. 通過(guò)提供網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)的備用方案來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力,并通過(guò)并行聚合多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)可用性,以防止出現(xiàn)完全的網(wǎng)絡(luò)連接中斷。

  2. 使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠?qū)⑸形催B接的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域連接起來(lái)。

  3. 利用3GPP的5G組播廣播服務(wù)(MBS)規(guī)范來(lái)提供基于衛(wèi)星的電視或多媒體服務(wù)。

05

標(biāo)準(zhǔn)化

最近,3GPP設(shè)定了5G及未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)中NTN(地面網(wǎng)絡(luò))的規(guī)范和目標(biāo),以實(shí)現(xiàn)直接到手機(jī)的通信以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接。3GPP在2022年發(fā)布了第Release 17版規(guī)范,這是首個(gè)在5G規(guī)范或任何之前的3GPP蜂窩規(guī)范中涵蓋地面陸地網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的版本。根據(jù)第Release 17版的規(guī)定,這些NTN平臺(tái)包括多種類型的衛(wèi)星、高空平臺(tái)站(HAPS)和無(wú)人駕駛航空器。

Release 17版引入了對(duì)兩種非地面網(wǎng)絡(luò)的支持——5G NR和窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)。5G NR NTN支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)向處于頻率范圍1(FR1)頻段內(nèi)的手機(jī)提供接入服務(wù),以滿足諸如在非地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地理區(qū)域進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用場(chǎng)景的需求。NB-IoT NTN則支持直接從衛(wèi)星訪問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,用于農(nóng)業(yè)、交通及其他應(yīng)用。

Release 17版的增強(qiáng)功能解決了手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與衛(wèi)星之間通信過(guò)程中存在的技術(shù)難題,從而能夠支持NTN(網(wǎng)絡(luò)跟蹤導(dǎo)航)功能。這些難題包括傳播延遲、多普勒頻移以及移動(dòng)終端(用戶設(shè)備)與諸如衛(wèi)星、高空平臺(tái)系統(tǒng)和無(wú)人駕駛飛行器等基站平臺(tái)之間的通信所面臨的困難。

Release 17版對(duì)5G協(xié)議進(jìn)行了多項(xiàng)與NTN相關(guān)的改進(jìn),以適應(yīng)用戶設(shè)備與衛(wèi)星之間更長(zhǎng)的距離。這些改進(jìn)包括對(duì)混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)和隨機(jī)信道接入(RACH)程序的更改,以適應(yīng)信號(hào)傳播延遲的增加。

包含有衛(wèi)星位置和運(yùn)動(dòng)信息的系統(tǒng)信息廣播(SIB)消息(即所謂的星歷數(shù)據(jù))能夠使用戶設(shè)備(UE)估算出衛(wèi)星何時(shí)可能變得可用。

Release 18

Release18于2024年完成,其中包含一系列令人期待的新NTN功能、覆蓋范圍的提升、性能的優(yōu)化以及對(duì)新頻段的支持。圖3展示了該版本的時(shí)間線。一些Release18的改進(jìn)側(cè)重于擴(kuò)展NTN的LTE支持,而其他改進(jìn)則主要側(cè)重于增強(qiáng)用于物聯(lián)網(wǎng)的5GNRNTN能力。一些即將推出的改進(jìn)包括移動(dòng)性管理和節(jié)能增強(qiáng)措施,以應(yīng)對(duì)非連續(xù)覆蓋的情況。


圖3 3GPP Release 18和Release 19開(kāi)發(fā)時(shí)間表

通過(guò)在用戶設(shè)備因無(wú)線鏈路故障而失去覆蓋范圍之前修改對(duì)鄰近小區(qū)測(cè)量的支持,并增加對(duì)用于增強(qiáng)型機(jī)器類型通信(eMTC)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)的鄰近小區(qū)歷元數(shù)據(jù)的信號(hào)支持,來(lái)提高NTN的移動(dòng)性。

提升整體的NTN(窄帶物聯(lián)網(wǎng))吞吐量性能——包括禁用HARQ(混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求)反饋以減輕HARQ停滯對(duì)UE(用戶設(shè)備)數(shù)據(jù)速率的影響,以及識(shí)別全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)運(yùn)行方面的改進(jìn)以降低UE(用戶設(shè)備)的能耗,并為UE在長(zhǎng)時(shí)間連接期間的預(yù)補(bǔ)償創(chuàng)建新的位置校正。

優(yōu)化全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以提高能效,以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連接。

支持涵蓋10GHz以上頻段部署的新場(chǎng)景,例如引入擴(kuò)展的L頻段以及頻分雙工(FDD)的LTE頻段操作,以用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端(NTN)。

Release 19

3GPP正在制定Release19標(biāo)準(zhǔn),最終版本將于2025年末完成。盡管3GPP計(jì)劃限制第19版整體增強(qiáng)功能的范圍,但其中仍將包含一些額外的NTN(下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò))增強(qiáng)功能。Release 19的幾個(gè)提案正在審議中,其中包括一種用于NTN的再生架構(gòu)的規(guī)范,該架構(gòu)包括在衛(wèi)星上進(jìn)行分布式單元處理,以支持衛(wèi)星間的通信鏈路。

以下是3GPP提出的建議:

  • 支持室內(nèi)NTN接入,并增強(qiáng)上行和下行覆蓋。

  • 支持提升上行接入的容量,包括上行容量和吞吐量的增強(qiáng)。

  • 支持5G降低能力(RedCap)設(shè)備,包括為5G廣播組播服務(wù)(MBS)提供NTN輔助。

  • 通過(guò)增強(qiáng)的GNSS運(yùn)行方式降低NTN對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的依賴,該方式包括在GNSS可用性下降的情況下為上行時(shí)間與頻率同步提供UE預(yù)補(bǔ)償。

  • 支持針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)NTN的不連續(xù)覆蓋。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)外的NTN方案

并非所有的NTN解決方案和服務(wù)都遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)。許多非3GPP供應(yīng)商已經(jīng)采用了專有信號(hào)格式,并且還有更多正在開(kāi)發(fā)中。DVB-S2X是數(shù)字視頻廣播項(xiàng)目第二代衛(wèi)星擴(kuò)展技術(shù),為通過(guò)NTN進(jìn)行寬帶數(shù)據(jù)傳輸提供了替代方案。

06

NTN測(cè)試挑戰(zhàn)與解決方案

NTN納入3GPP標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)勢(shì)之一在于,用戶能夠使用現(xiàn)有的未經(jīng)修改的5G和LTE設(shè)備接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。3GPP的改進(jìn)和版本更新確保了來(lái)自空中基站的信號(hào)不會(huì)影響通信。


圖4 存量和直連手機(jī)NTN測(cè)試挑戰(zhàn)及用例

存量手機(jī)接入NTN

通過(guò)在傳輸過(guò)程中引入失真來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)未修改手機(jī)的接入,以減輕衛(wèi)星多普勒效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。NTN還采頻偏預(yù)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)克服LEO高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻偏影響。

NTN的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要同時(shí)添加蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星基站。在未修改的5G手機(jī)中,網(wǎng)絡(luò)和基站會(huì)補(bǔ)償時(shí)間與頻率的誤差,如圖4所示。其目的是為衛(wèi)星基站創(chuàng)造與地面基站類似的條件。定向天線和波束成形將衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域分割成小的基站單元,使網(wǎng)絡(luò)易于管理。因此,衛(wèi)星基站邊緣在頻率和時(shí)間誤差方面的問(wèn)題比基站中間要多。

如圖5所示,Keysight的NTN解決方案組合包括端到端仿真技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)仿真器模擬基站,而信道模擬器則在真實(shí)條件下重現(xiàn)衛(wèi)星鏈路。


圖5 Keysight公司針對(duì)存量手機(jī)NTN接入的測(cè)試解決方案

整合蜂窩網(wǎng)絡(luò)與窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

要在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信行業(yè)將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與下一代網(wǎng)絡(luò)(NTN)相融合的愿景,設(shè)備制造商和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商必須使用實(shí)際的基站和真實(shí)設(shè)備來(lái)測(cè)試NTN無(wú)線鏈路。

面臨的主要挑戰(zhàn)包括模擬衛(wèi)星端到端鏈路的逼真環(huán)境,以及在系統(tǒng)部署前能夠連接NTN節(jié)點(diǎn)和終端,如圖6所示。NTN開(kāi)發(fā)項(xiàng)目需要在原型階段以及部署前和部署期間具備測(cè)試和連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)體和終端的能力,以避免出現(xiàn)昂貴的延誤。

基于PROPSIM信道模擬器的衛(wèi)星和航空航天信道仿真工具集,能夠在相干的真實(shí)世界復(fù)雜三維傳播條件下對(duì)衛(wèi)星、航空航天和機(jī)載無(wú)線電系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。


圖6 直連NTN整合情況

如圖7所示,通過(guò)使用衛(wèi)星和航空航天通道仿真工具集,能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)實(shí)際的窄帶通信網(wǎng)絡(luò)(NTN)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。這使得網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備供應(yīng)商能夠在推出設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之前,在實(shí)際運(yùn)行條件下驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。他們還可以使用PathWave來(lái)創(chuàng)建載荷信號(hào)波形,然后將其用于測(cè)試系統(tǒng)性能。WaveJudge無(wú)線分析儀在運(yùn)行時(shí)使用或使用記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行使用,它能揭示系統(tǒng)層面正在發(fā)生的情況,并根據(jù)系統(tǒng)要求驗(yàn)證功能。


圖7 利用衛(wèi)星與航空航天信道仿真工具集進(jìn)行NTN測(cè)試設(shè)置

07

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游衛(wèi)星制造與發(fā)射、中游地面設(shè)備與系統(tǒng)集成、下游運(yùn)營(yíng)服務(wù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)三個(gè)環(huán)節(jié),以下是具體梳理:

上游

衛(wèi)星制造與發(fā)射

  • 衛(wèi)星制造

    包括衛(wèi)星平臺(tái)、載荷設(shè)備等。衛(wèi)星平臺(tái)是衛(wèi)星的“軀干”,為衛(wèi)星提供支撐結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能,包含結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等。載荷設(shè)備則決定衛(wèi)星的功能和性能,如通信載荷、遙感載荷、導(dǎo)航載荷等。

  • 發(fā)射服務(wù)

    主要涉及火箭發(fā)射和發(fā)射場(chǎng)服務(wù)。隨著可重復(fù)使用火箭技術(shù)的發(fā)展,發(fā)射成本大幅下降,商業(yè)發(fā)射能力不斷提升。

中游

地面設(shè)備與系統(tǒng)集成

  • 地面設(shè)備

    包括固定地面站、移動(dòng)式地面站和用戶終端等。地面設(shè)備領(lǐng)域正經(jīng)歷技術(shù)變革,相控陣天線技術(shù)取代傳統(tǒng)拋物面天線,芯片化設(shè)計(jì)使終端體積縮小、成本下降。

  • 系統(tǒng)集成

    為客戶提供一體化解決方案,包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維等。系統(tǒng)集成商需要具備深厚的技術(shù)積累、豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)大的資源整合能力。

下游

運(yùn)營(yíng)服務(wù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)

  • 運(yùn)營(yíng)服務(wù)

    主要包括衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)、寬帶廣播服務(wù)和衛(wèi)星固定服務(wù)等。我國(guó)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)行業(yè)具有較高的資質(zhì)壁壘,目前形成以國(guó)有控股企業(yè)為主導(dǎo)的市場(chǎng)格局。

  • 應(yīng)用開(kāi)發(fā)

    衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在通信、導(dǎo)航、遙感等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,如應(yīng)急通信、航空通信、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等。隨著技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展,市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。

圖8匯總了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)及重點(diǎn)企業(yè)。


圖8 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)及重點(diǎn)企業(yè)

08

展望

在過(guò)去的30年里,NTN徹底改變了移動(dòng)通信領(lǐng)域。隨著5G和未來(lái)的6G網(wǎng)絡(luò)將NTN融入其設(shè)計(jì)之中,突破了基于地面的基礎(chǔ)設(shè)施的限制,NTN的影響將變得更加顯著。由于其能夠連接那些尚未接入網(wǎng)絡(luò)的群體(理論上全球任何地方),NTN在無(wú)線通信中的作用愈發(fā)重要,實(shí)現(xiàn)了無(wú)處不在的連接,并支持諸如自動(dòng)駕駛汽車和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)。

NTN還具有能夠解決發(fā)展地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施難題的潛力,能夠?yàn)樯鐓^(qū)提供教育、醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機(jī)會(huì)。通過(guò)提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接,這些網(wǎng)絡(luò)能夠在全球范圍內(nèi)促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

當(dāng)前,我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入提速階段,但衛(wèi)星發(fā)射部署所需的火箭運(yùn)力目前仍然是一大挑戰(zhàn),穩(wěn)定可靠的可重復(fù)使用火箭尚未正式納入發(fā)射計(jì)劃。正如行業(yè)專家指出,目前我國(guó)低軌衛(wèi)星巨型星座建設(shè),需要加快解決批量快速部署的難題。

參考資料

1.Keysight,TheDefinitiveGuidetoNon-TerrestrialNetworks

>End

本文轉(zhuǎn)載自“FPGA算法工程師”,原標(biāo)題《衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)NTN技術(shù)指南》。

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HISTORY/往期推薦

充滿激情的新時(shí)代,

充滿挑戰(zhàn)的新疆域,

與踔厲奮發(fā)的引領(lǐng)者,

卓爾不群的企業(yè)家,

一起開(kāi)拓,

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共同打造更真品質(zhì),

共同實(shí)現(xiàn)更高價(jià)值,

共同見(jiàn)證商業(yè)航天更大的跨越!

——《太空與網(wǎng)絡(luò)》,觀察,記錄,傳播,引領(lǐng)。

·《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》創(chuàng)始人:劉雨菲

·《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》副社長(zhǎng):王俊峰

·微信公眾號(hào)(ID:satnetdy)團(tuán)隊(duì)

編輯:艷玲、哈玫,周泳、邱莉、黃榕、娜娜

主筆記者:李剛、魏興、張雪松、霍劍、樂(lè)瑜、稻子、趙棟

策劃部:楊艷、若?、李真子

視覺(jué)總監(jiān):董濘

專業(yè)攝影:馮小京、宋偉

設(shè)計(jì)部:顧錳、潘希峎、楊小明

行政部:姜河、林紫

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