作者：趙小飛
導讀
諾基亞首次向公眾展示了其準備在月球部署的首個4G通信網絡的Demo，並透露將於2023年內將相關測試設備發往月球。這將是人類首次將蜂窩網絡帶上月球，對於未來人類利用現有成熟技術實現對月球持續探索乃至火星等其他太空空間探索打下基礎。
在近期舉行的世界移動通信大會（MWC2023）上，諾基亞首次向公眾展示了其準備在月球部署的首個4G通信網絡的Demo，並透露將於2023年內將相關測試設備發往月球。這將是人類首次將蜂窩網絡帶上月球，對於未來人類利用現有成熟技術實現對月球持續探索乃至火星等其他太空空間探索打下基礎。
蜂窩通信網絡將首次在其他星球部署
諾基亞在月球部署4G網絡源於美國宇航局（NASA）的「阿特彌斯」（Artemis）登月計劃，其中通信技術是實現該計劃於2024年順利實施的組成部分。2018年，NASA就宣布開發十大「臨界點」技術，這些技術有望讓商業太空飛行和NASA未來的探測任務大大受益。2020年10月，諾基亞被指定為NASA的「臨界點」技術的合作夥伴，在太空部署了首個LTE/4G通信網絡系統，並為人類在月球表面的可持續存在鋪平道路。NASA為了這一項目斥資1400萬美元，已超過了多個其他「臨界點」技術的支出。
諾基亞旗下的貝爾實驗室這一舉世聞名的機構承擔本次在月球建設4G網絡的任務，由於月球的表面的特殊性，本項目需要在月球表面構建和部署一個超緊湊、低功耗、空間加固的端到端4G解決方案。為了完成這一任務，諾基亞與多家航天設備廠商合作，將蜂窩通信網絡系統集成到月球登陸器中，當登陸器被送到月球表面後，該網絡將能夠進行自我配置。
圖片來源：諾基亞官網
具體來說，諾基亞構建的月球4G網絡系統包括一套集成了核心網功能的LTE基站、LTE用戶終端、射頻天線和高可靠運維控制軟體。該解決方案經過特別設計，能夠承受發射和登月的惡劣條件，並能在太空的極端條件下運行。完全集成化的蜂窩網絡系統在極其緊湊的外形中滿足空間有效載荷非常嚴格的尺寸、重量和功率限制。
該網絡將為許多不同的數據傳輸應用提供關鍵的通信能力，包括重要的命令和控制功能、月球車的遠程控制、實時導航和高清視頻流，這些通信應用對人類在月球表面的生存和探索都至關重要。
2023年內將相關4G網絡測試設備發往月球，將完成一次為期2周的月球表面4G網絡通信的測試任務，4G網絡設備將分別搭載在Intuitive Machines公司的月球著陸器和Lunar Outpost公司的月球漫遊車（移動自主勘探平台MAPP）上。其中，基站設備和無源天線系統安裝在月球著陸器上，包含全向天線的用戶設備安裝在月球漫遊車上，著陸器和漫遊車達到月球表面後將自動部署，在月球表面建立起一條著陸器到漫遊車之間的LTE鏈路，從實現兩者之間雙向實時通信。
根據諾基亞透露，漫遊車將向直著陸器的任務控制中心發送實時視頻和遙測數據，測試的目標首先是測試百米級近距離通信，再逐漸拉大距離，測試距離著陸器兩到三公里的遠程通信。從本次任務中獲得的知識將用於NASA的Artemis計劃，以在2030年前開發月球上的可持續運營，並為火星開發任務做準備。
無需「重新發明輪子」，地球成熟的技術經驗在月球複製
在諾基亞宣布將進行月球4G網絡部署後，新華社曾撰文指出，新一輪登月計劃與此前有很大差別，當前的登月計劃需要進行深度科研、探索，甚至研究是否能成為人類另一居住地。本次登月的太空人需要在月球生存至少2-5周的時間，同時，還將投放各種探測儀器，整套系統是由月球著陸器、月球車、月球人類棲息地等多方面組成的。而太空人在月球上著陸之後，他們將成為整套系統的中心，不僅要操控月球上的各種設備，同時，太空人和太空人之間，也需要展開即時通話、實時定位等功能，這樣，才可以確保他們的安全。建立穩定的通信系統，才能達到這一目的，未來月球探索更加頻繁，甚至作為一個旅居地時，穩定通信系統更為重要。
截至目前，人類還沒有開發出專用於月球和其他星球的專有通信技術。由於蜂窩網絡主要依賴無線電通信，無線電在不同星球都存在，因此，探索在月球上直接採用蜂窩網絡通信，不再開發專有通信技術成為一個共識。
在過去十餘年中，4G已成為最成功的無線通信技術，在全球廣泛部署，取得了巨大的商業成就，擁有龐大的技術和供應商群體，形成完善的產業生態，可以說是在地球表面已被證明是可靠、健壯並易部署和擴展的通信系統。
在工廠、礦山、沙漠、救災等極端環境下，4G網絡也形成一些部署，總結了應對惡劣環境的經驗。諾基亞專家曾撰文提出，雖然在月球部署4G網絡是一種獨特的專用解決方案，但我們依然可以利用的是諾基亞在全球小型蜂窩網絡中部署的相同4G基站和核心網，安裝在漫遊車上的射頻天線和數據機是基於當前4G手機和設備中相同的用戶設備設計。當然，諾基亞也要對這些技術進行了優化和強化，以滿足月球運行的要求。
若4G網絡能夠被證實可用於月球表面的通信，則積累的經驗完全可以用於5G，未來月球表面的通信網絡也可以升級至5G，而且這些5G系統可以直接共享地球5G通信系統商用的成果，降低研發和部署的門檻。
雖然有現成經驗，但仍要克服重重困難
當然，將蜂窩網絡送入太空也面臨著很多令人生畏的挑戰，為了在太空中正常部署並提供覆蓋，蜂窩網絡設備必須經歷重大的設計變革。設備必須儘量減少尺寸、重量和功耗，同時能夠經受住發射時的強烈振動和太空的極端溫度，必須集成特殊的輻射元件來散熱，因為在地球上工作的散熱機制通常依賴於氣流，而在太空中卻無法工作。此外，月球漫遊車必須警惕地形，包括月球大岩石投下的陰影，這些陰影可能會阻擋太陽能電池板並切斷電源，因此必須精心規劃漫遊車導航路線。
例如，火箭發射中的震動有可能導致通信設備焊接點失效、內部元器件斷裂。因此，諾基亞進行了大量的測試，模擬發射和著陸時的加速、衝擊和振動，尤其是對基站的模擬測試，甚至將基站放置在巨型離心機中，模擬發射過程中經歷的強烈加速力；在重量方面，諾基亞透露濾波器採用基於陶瓷的解決方案取代了通常在地面網絡中使用的方案，從而將重量減輕了五分之二。
供電、溫差等問題也是月球上蜂窩網絡設備的挑戰。本次諾基亞的測試任務將選擇在月球的南極，並選擇在14天均有陽光照射的時間，確保太陽能電池板能夠持續為通信系統供電。然而，月球的地形是一個巨大挑戰，需要避免漫遊車進入隕石坑或陰影區，太陽能電池板也必須隨時面對太陽。
設計時還需要應對陽光直射和陰影之間的溫差，因為月球沒有大氣層，所以沒有什麼東西可以吸收周圍的熱量，這意味著直接在陽光下的物體和在陰涼處的物體之間有很大的溫差，例如著陸器上的LTE天線在面向太陽的一側約為20⁰C，但在天線的相反陰影面將要承受低於-100⁰C的冰凍溫度。面對這樣的挑戰，通信設備必須進行強化，不僅可以承受這樣的極端溫度，還可以承受快速的熱變化或衝擊，還要通過傳導或輻射進行有效散熱。
圖片來源：諾基亞官網
不僅如此，月球的蜂窩網絡部署還面臨著無線電頻譜政策的挑戰。本次諾基亞月球4G網絡部署採用的是1800MHz頻段，是地球表面4G常規的無線電頻段。然而，由於月球的特殊性，目前暫沒有針對外星球的無線電頻譜政策。涉及到外太空的頻譜利用，諾基亞撰文提到，該公司不但與國際電信聯盟、美國聯邦通信委員會和美國電信和信息管理局溝通月球上使用4G頻譜的事宜，也與射電天文相關機構進行深入交流。因為射電望遠鏡觀測時，天文學家也使用無線電頻譜，而由於這些射電望遠鏡探測到的信號非常微弱，因此天文學家擔心從月球發射的無線電波會干擾他們的觀測。
雖然困難重重，但還是無法阻止人類對外星球的探索。4G網絡作為為地球上數十億人服務的最成熟的技術之一，本次登錄月球，若能驗證在月球有效使用，將對人類探索外星球具有重大意義。目前，蜂窩通信技術在地球上已形成4G和5G為主導的應用格局，6G已進入前期探索和研發階段。隨著人們對新技術的持續探索，未來移動通信不僅是基於地球的空天地一體化，還將包括外太空的空天地一體化。
3月31日，深圳
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