在近期举行的世界移动通信大会(MWC2023)上，诺基亚首次向公众展示了其准备在月球部署的首个4G通信网络的Demo，并透露将于2023年内将相关测试设备发往月球。这将是人类首次将蜂窝网络带上月球，对于未来人类利用现有成熟技术实现对月球持续探索乃至火星等其他太空空间探索打下基础。
蜂窝通信网络将首次在其他星球部署
诺基亚在月球部署4G网络源于美国宇航局(NASA)的“阿特弥斯”(Artemis)登月计划，其中通信技术是实现该计划于2024年顺利实施的组成部分。2018年，NASA就宣布开发十大“临界点”技术，这些技术有望让商业太空飞行和NASA未来的探测任务大大受益。2020年10月，诺基亚被指定为NASA的“临界点”技术的合作伙伴，在太空部署了首个LTE/4G通信网络系统，并为人类在月球表面的可持续存在铺平道路。NASA为了这一项目斥资1400万美元，已超过了多个其他“临界点”技术的支出。
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诺基亚旗下的贝尔实验室这一举世闻名的机构承担本次在月球建设4G网络的任务，由于月球的表面的特殊性，本项目需要在月球表面构建和部署一个超紧凑、低功耗、空间加固的端到端4G解决方案。为了完成这一任务，诺基亚与多家航天设备厂商合作，将蜂窝通信网络系统集成到月球登陆器中，当登陆器被送到月球表面后，该网络将能够进行自我配置。
图片来源：诺基亚官网
具体来说，诺基亚构建的月球4G网络系统包括一套集成了核心网功能的LTE基站、LTE用户终端、射频天线和高可靠运维控制软件。该解决方案经过特别设计，能够承受发射和登月的恶劣条件，并能在太空的极端条件下运行。完全集成化的蜂窝网络系统在极其紧凑的外形中满足空间有效载荷非常严格的尺寸、重量和功率限制。
该网络将为许多不同的数据传输应用提供关键的通信能力，包括重要的命令和控制功能、月球车的远程控制、实时导航和高清视频流，这些通信应用对人类在月球表面的生存和探索都至关重要。
2023年内将相关4G网络测试设备发往月球，将完成一次为期2周的月球表面4G网络通信的测试任务，4G网络设备将分别搭载在Intuitive Machines公司的月球着陆器和Lunar Outpost公司的月球漫游车(移动自主勘探平台MAPP)上。其中，基站设备和无源天线系统安装在月球着陆器上，包含全向天线的用户设备安装在月球漫游车上，着陆器和漫游车达到月球表面后将自动部署，在月球表面建立起一条着陆器到漫游车之间的LTE链路，从实现两者之间双向实时通信。
根据诺基亚透露，漫游车将向直着陆器的任务控制中心发送实时视频和遥测数据，测试的目标首先是测试百米级近距离通信，再逐渐拉大距离，测试距离着陆器两到三公里的远程通信。从本次任务中获得的知识将用于NASA的Artemis计划，以在2030年前开发月球上的可持续运营，并为火星开发任务做准备。
无需“重新发明轮子”，地球成熟的技术经验在月球复制
在诺基亚宣布将进行月球4G网络部署后，新华社曾撰文指出，新一轮登月计划与此前有很大差别，当前的登月计划需要进行深度科研、探索，甚至研究是否能成为人类另一居住地。本次登月的宇航员需要在月球生存至少2-5周的时间，同时，还将投放各种探测仪器，整套系统是由月球着陆器、月球车、月球人类栖息地等多方面组成的。而宇航员在月球上着陆之后，他们将成为整套系统的中心，不仅要操控月球上的各种设备，同时，宇航员和宇航员之间，也需要展开即时通话、实时定位等功能，这样，才可以确保他们的安全。建立稳定的通信系统，才能达到这一目的，未来月球探索更加频繁，甚至作为一个旅居地时，稳定通信系统更为重要。
截至目前，人类还没有开发出专用于月球和其他星球的专有通信技术。由于蜂窝网络主要依赖无线电通信，无线电在不同星球都存在，因此，探索在月球上直接采用蜂窝网络通信，不再开发专有通信技术成为一个共识。
在过去十余年中，4G已成为最成功的无线通信技术，在全球广泛部署，取得了巨大的商业成就，拥有庞大的技术和供应商群体，形成完善的产业生态，可以说是在地球表面已被证明是可靠、健壮并易部署和扩展的通信系统。
在工厂、矿山、沙漠、救灾等极端环境下，4G网络也形成一些部署，总结了应对恶劣环境的经验。诺基亚专家曾撰文提出，虽然在月球部署4G网络是一种独特的专用解决方案，但我们依然可以利用的是诺基亚在全球小型蜂窝网络中部署的相同4G基站和核心网，安装在漫游车上的射频天线和调制解调器是基于当前4G手机和设备中相同的用户设备设计。当然，诺基亚也要对这些技术进行了优化和强化，以满足月球运行的要求。
若4G网络能够被证实可用于月球表面的通信，则积累的经验完全可以用于5G，未来月球表面的通信网络也可以升级至5G，而且这些5G系统可以直接共享地球5G通信系统商用的成果，降低研发和部署的门槛。
虽然有现成经验，但仍要克服重重困难
当然，将蜂窝网络送入太空也面临着很多令人生畏的挑战，为了在太空中正常部署并提供覆盖，蜂窝网络设备必须经历重大的设计变革。设备必须尽量减少尺寸、重量和功耗，同时能够经受住发射时的强烈振动和太空的极端温度，必须集成特殊的辐射元件来散热，因为在地球上工作的散热机制通常依赖于气流，而在太空中却无法工作。此外，月球漫游车必须警惕地形，包括月球大岩石投下的阴影，这些阴影可能会阻挡太阳能电池板并切断电源，因此必须精心规划漫游车导航路线。
例如，火箭发射中的震动有可能导致通信设备焊接点失效、内部元器件断裂。因此，诺基亚进行了大量的测试，模拟发射和着陆时的加速、冲击和振动，尤其是对基站的模拟测试，甚至将基站放置在巨型离心机中，模拟发射过程中经历的强烈加速力;在重量方面，诺基亚透露滤波器采用基于陶瓷的解决方案取代了通常在地面网络中使用的方案，从而将重量减轻了五分之二。
供电、温差等问题也是月球上蜂窝网络设备的挑战。本次诺基亚的测试任务将选择在月球的南极，并选择在14天均有阳光照射的时间，确保太阳能电池板能够持续为通信系统供电。然而，月球的地形是一个巨大挑战，需要避免漫游车进入陨石坑或阴影区，太阳能电池板也必须随时面对太阳。
设计时还需要应对阳光直射和阴影之间的温差，因为月球没有大气层，所以没有什么东西可以吸收周围的热量，这意味着直接在阳光下的物体和在阴凉处的物体之间有很大的温差，例如着陆器上的LTE天线在面向太阳的一侧约为20⁰C，但在天线的相反阴影面将要承受低于-100⁰C的冰冻温度。面对这样的挑战，通信设备必须进行强化，不仅可以承受这样的极端温度，还可以承受快速的热变化或冲击，还要通过传导或辐射进行有效散热。
图片来源：诺基亚官网
不仅如此，月球的蜂窝网络部署还面临着无线电频谱政策的挑战。本次诺基亚月球4G网络部署采用的是1800MHz频段，是地球表面4G常规的无线电频段。然而，由于月球的特殊性，目前暂没有针对外星球的无线电频谱政策。涉及到外太空的频谱利用，诺基亚撰文提到，该公司不但与国际电信联盟、美国联邦通信委员会和美国电信和信息管理局沟通月球上使用4G频谱的事宜，也与射电天文相关机构进行深入交流。因为射电望远镜观测时，天文学家也使用无线电频谱，而由于这些射电望远镜探测到的信号非常微弱，因此天文学家担心从月球发射的无线电波会干扰他们的观测。
虽然困难重重，但还是无法阻止人类对外星球的探索。4G网络作为为地球上数十亿人服务的最成熟的技术之一，本次登录月球，若能验证在月球有效使用，将对人类探索外星球具有重大意义。目前，蜂窝通信技术在地球上已形成4G和5G为主导的应用格局，6G已进入前期探索和研发阶段。随着人们对新技术的持续探索，未来移动通信不仅是基于地球的空天地一体化，还将包括外太空的空天地一体化。
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