在月球建设4G网络，要解决哪些问题
在月球建设4G网络，要解决哪些问题
文：张雪松
近日，诺基亚公司首次公开展示了其将在月球上部署的首个4G通信网络的原型设备。根据计划，该公司将在2023年底使用SpaceX公司的火箭把4G网络带到月球表面进行试验通信，目的是为人类更好地探测月球和火星打下基础。那么，在月球上建设4G网络有哪些特点呢？
2020年10月，美国宇航局宣布和诺基亚公司合作，授予该公司1410万美元合同，建设一个可以在月球上使用的4G蜂窝通信网络。月球4G网络是美国宇航局临界点选拔项目的一部分，目的是满足美国宇航局对建设月球基地的需要。
诺基亚公司发布的月球4G网络通信示意图
上世纪60年代，美国宇航局实施的“阿波罗”计划就成功将航天员送上月球表面，现在依托美国宇航局深空网进行通信的深空探测器也不在少数，那为什么美国宇航局还要在月球建设4G网络呢？
从目前来看，虽然美国有20多个深空探测器在太空中运行，但相距遥远，相互之间通信需求很少。
2017年，美国宣布重返月球，也就是2020年正式命名为“阿尔忒弥斯”的登月计划。美国不但要开展大规模的月球探测任务，而且会建造永久性月球基地，并部署诸多着陆器、月球车等设备。
这些月球探测器分布在月球基地周围且相距不远，如果这些探测器都独自和深空网通信，不仅加重了深空网的负担，还要携带能与地球联系的通信载荷，整体架构不但不合理，而且不利于通信。因此，对“阿尔忒弥斯”计划来说，合理的选择就是架设一个无线网络，并将月球基地的各种探测器接入网络进行交流。
不过，美国宇航局的做法并非新鲜事物，国际空间站上早就架设了无线WiFi，中国天宫空间站的核心舱和实验舱也装有WiFi系统，便于航天员进行舱内通信。
由于空间站的尺寸不大，试验通信距离近的WiFi系统就能满足需求，但未来人类建造的月球基地会很大，探测器之间的距离可达数公里，因此必须使用4G等远距离通信技术。
或许有人会问，为什么不直接用更先进的5G呢？虽然2020年美国宇航局才与诺基亚公司签订合同，但诺基亚公司在2018年就开始研制月球无线网络，那时的5G网络还不够成熟，月球+5G网络一步到位的技术跨度和风险太大，而且5G网络的大带宽等优势又发挥不出来，为稳妥起见，只好选择研制月球4G网络。
近年来，虽然5G网络出尽了风头，但地面上使用的网络仍然以4G为主。那么，在月球上使用的4G网络和我们常用的4G网络有什么不同？具体需要注意哪些问题？
建设4G网络的美国探测器着陆月面示意图
根据诺基亚公司的声明，该公司旗下的贝尔实验室负责承担建设月球4G网络的任务。如果单看通信部分的实现，月球4G网络实际上就是把地面成熟可靠的4G网络搬上月球，但由于月球表面的恶劣环境，以及探测器发射和着陆等过程的考验，月球4G网络将是一个超紧凑、空间加固和低功耗的解决方案。
具体地说，诺基亚公司的月球4G网络将集成到直觉机器公司研制的Nova-C小型着陆器上，它包括一套具备核心网功能的4G基站和4G通信终端。诺基亚公司表示，发射到月球表面的4G网络经过了专门设计，以满足Nova-C着陆器的尺寸、重量和功率限制。同时，该通信网络还具备承受火箭发射、地月飞行、月球着陆和月球表面的恶劣条件，能在各种极端严酷的条件下稳定运行。
为在月球表面部署并提供通信覆盖，月面4G基站必须尽可能地减少尺寸重量和功耗，比如Nova-C着陆器只能携带100公斤载荷登上月面，提供的总功率也只有200瓦。
着陆器上的月球4G基站不仅要承受火箭发射时的加速、冲击和振动，还要经受太空中极端温差的考验。由于月球表面没有空气，地面4G基站的空气冷却等散热方案都无法使用，因此，月面4G基站必须通过辐射冷却方式，整合特殊的辐射散热系统。考虑到月面昼间温度超过120摄氏度，白昼持续时间约半个月，如果月面4G基站不采用特殊材料，散热系统很难经受得住月面的高温考验。
总之，月球4G网络要想在极端恶劣的月面工作，必须采用特殊设计，因此，如何应对月面环境的挑战，是月球4G网络建设与地面4G网络建设的最大不同。
如今，地球上的4G基站技术已经非常成熟，但月球上实用的4G网络建设还面临着重重困难和挑战。诺基亚公司为构建月球4G网络进行了大量的研制工作和模拟测试，例如，将原型基站放到离心机和振动台上，模拟加速和振动；为降低基站重量，滤波器使用了新的陶瓷材料；月面的向阳面和背阳面的温差超过100摄氏度，基站天线也进行了专门强化；基站不但采取了特殊的散热措施，而且控制软件也为月球环境进行了优化。
月球车验证4G网络通信示意图
尽管在月球上建设4G网络存在大量挑战，但诺基亚公司已经基本完成了月球4G网络技术的研发，其设备将在今年底搭乘IM-2任务前往月球。IM-2任务的Nova-C着陆器将在月球南极沙克尔顿山附近着陆，它带有专门验证4G网络的月球车，并将在月昼期间进行4G网络测试任务。
按照计划，Nova-C着陆器降落在月球上后，将释放月球车并启动4G网络，建立两者间的双向实时通信。月球车将通过4G网络链路向着陆器的基站发送实时视频数据，先测试百米级近距离通信，月球车随后将逐渐走远，拉大距离，测试2~3公里的远距离通信。诺基亚公司表示，其研制的月球4G基站具备支持最远5公里距离的通信。
如果诺基亚公司的月球4G网络测试成功，意味着在月球上可以直接移植商用成熟货架技术，对人类的深空探测具有重大意义。
另外，月球4G网络能支持着陆器、月球车、居住舱和航天员之间的实时通信，通过实时视频实现对月球车等探测设备的远程控制。
月球4G网络的试验，将在通信系统上为“阿尔忒弥斯”计划的月球基地做好充分准备。随着通信技术的发展，月球4G网络也将进一步升级或更新为5G网络，为人类月球探测和更遥远的火星科学任务作出更多贡献。（本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》5月6日三版）
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