月球上也能打電話發(fā)短信？在月球建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)要解決哪些問題

近日，諾基亞公司首次公開展示了其將在月球上部署的首個4G通信網(wǎng)絡(luò)的原型設(shè)備。根據(jù)計(jì)劃，該公司將在2023年底使用SpaceX公司的火箭把4G網(wǎng)絡(luò)帶到月球表面進(jìn)行試驗(yàn)通信，目的是為人類更好地探測月球和火星打下基礎(chǔ)。那么，在月球上建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)有哪些特點(diǎn)呢？

諾基亞公司旗下的貝爾實(shí)驗(yàn)室公布的月球4G網(wǎng)絡(luò)通信示意圖

滿足未來月球基地需求

2020年10月，美國宇航局宣布和諾基亞公司合作，授予該公司1410萬美元合同，建設(shè)一個可以在月球上使用的4G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。月球4G網(wǎng)絡(luò)是美國宇航局臨界點(diǎn)選拔項(xiàng)目的一部分，目的是滿足美國宇航局對建設(shè)月球基地的需要。

上世紀(jì)60年代，美國宇航局實(shí)施的“阿波羅”計(jì)劃就成功將航天員送上月球表面，現(xiàn)在依托美國宇航局深空網(wǎng)進(jìn)行通信的深空探測器也不在少數(shù)，那為什么美國宇航局還要在月球建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)呢？

從目前來看，雖然美國有20多個深空探測器在太空中運(yùn)行，但相距遙遠(yuǎn)，相互之間通信需求很少。

2017年，美國宣布重返月球，也就是2020年正式命名為“阿爾忒彌斯”的登月計(jì)劃。美國不但要開展大規(guī)模的月球探測任務(wù)，而且會建造永久性月球基地并部署諸多著陸器、月球車等設(shè)備。

這些月球探測器分布在月球基地周圍且相距不遠(yuǎn)，如果這些探測器都獨(dú)自和深空網(wǎng)通信，不僅加重了深空網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，還要攜帶能與地球聯(lián)系的通信載荷，整體架構(gòu)不但不合理，而且不利于通信。因此，對“阿爾忒彌斯”計(jì)劃來說，合理的選擇就是架設(shè)一個無線網(wǎng)絡(luò)，并將月球基地的各種探測器接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流。

不過，美國宇航局的做法并非新鮮事物，國際空間站上早就架設(shè)了無線WiFi，中國天宮空間站的核心艙和實(shí)驗(yàn)艙也裝有WiFi系統(tǒng)，便于航天員進(jìn)行艙內(nèi)通信。

由于空間站的尺寸不大，試驗(yàn)通信距離短的WiFi系統(tǒng)就能滿足需求，但未來人類建造的月球基地會很大，探測器之間的距離可達(dá)數(shù)公里，因此必需使用4G等長距離的通信技術(shù)。

或許有人會問，為什么不直接用更先進(jìn)的5G呢？雖然2020年美國宇航局才與諾基亞公司簽訂合同，但諾基亞公司在2018年就開始研制月球無線網(wǎng)絡(luò)，那時(shí)的5G網(wǎng)絡(luò)還不夠成熟，月球+5G網(wǎng)絡(luò)一步到位的技術(shù)跨度和風(fēng)險(xiǎn)太大，而且5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬等優(yōu)勢又發(fā)揮不出來，穩(wěn)妥起見只好選擇研制月球4G網(wǎng)絡(luò)。

要經(jīng)受住環(huán)境考驗(yàn)

近年來，雖然5G網(wǎng)絡(luò)出盡了風(fēng)頭，但地面上使用的網(wǎng)絡(luò)仍然以4G為主。那么，在月球上使用的4G網(wǎng)絡(luò)和我們常用的4G網(wǎng)絡(luò)有什么不同，以及需要注意哪些問題？

根據(jù)諾基亞公司的聲明，該公司旗下的貝爾實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)承擔(dān)建設(shè)月球4G網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。如果單看通信部分的實(shí)現(xiàn)，月球4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上就是把地面成熟可靠的4G網(wǎng)絡(luò)搬上月球，但由于月球表面的惡劣環(huán)境，以及探測器發(fā)射和著陸等過程的考驗(yàn)，月球4G網(wǎng)絡(luò)將是一個超緊湊、空間加固和低功耗的解決方案。

具體地說，諾基亞公司的月球4G網(wǎng)絡(luò)將集成到直覺機(jī)器公司研制的Nova-C小型著陸器上，它包括一套具備核心網(wǎng)功能的4G基站和4G通信終端。諾基亞公司表示，發(fā)射到月球表面的4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過了專門設(shè)計(jì)，以滿足Nova-C著陸器的尺寸、重量和功率限制。同時(shí)，該通信網(wǎng)絡(luò)還具備承受火箭發(fā)射、地月飛行、月球著陸和月球表面的惡劣條件，能在各種極端嚴(yán)酷的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

為在月球表面部署并提供通信覆蓋，月面4G基站必須盡可能地減少尺寸重量和功耗，比如Nova-C著陸器只能攜帶100公斤載荷登上月面，提供的總功率也只有200瓦。

著陸器上的月球4G基站不僅要承受火箭發(fā)射時(shí)的加速、沖擊和振動，還要經(jīng)受太空中極端溫差的考驗(yàn)。由于月球表面沒有空氣，地面4G基站的空氣冷卻等散熱方案都無法使用，因此，月面4G基站必須通過輻射冷卻方式，整合特殊的輻射散熱系統(tǒng)?？紤]到月面晝間溫度超過120攝氏度，白晝持續(xù)時(shí)間約半個月，如果月面4G基站不采用特殊材料，散熱系統(tǒng)很難經(jīng)受得住月面的高溫考驗(yàn)。

總之，月球4G網(wǎng)絡(luò)要想在極端惡劣的月面工作，必須采用特殊設(shè)計(jì)，因此，如何應(yīng)對月面環(huán)境的挑戰(zhàn)，是月球4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與地面4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最大不同。

助力未來深空探測

如今，地球上的4G基站技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但月球上實(shí)用的4G網(wǎng)絡(luò)還面臨著重重困難和挑戰(zhàn)。諾基亞公司為研制月球4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量的研制工作和模擬測試，例如，將原型基站放到離心機(jī)和振動臺上模擬加速和振動；為降低基站重量，濾波器還使用了新的陶瓷材料；月面的向陽面和背陽面的溫差超過100攝氏度，基站天線也進(jìn)行了專門強(qiáng)化；基站不但采取了特殊的散熱措施，而且控制軟件也為月球環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。

盡管在月球上建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)存在大量挑戰(zhàn)，但諾基亞公司已經(jīng)基本完成了月球4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，其設(shè)備將在今年底搭乘IM-2任務(wù)前往月球。IM-2任務(wù)的Nova-C著陸器將在月球南極沙克爾頓山附近著陸，它帶有專門驗(yàn)證4G網(wǎng)絡(luò)的月球車，并將在月晝期間進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)測試任務(wù)。

按照計(jì)劃，Nova-C著陸器降落在月球上后，將釋放月球車并啟動4G網(wǎng)絡(luò)，建立兩者間的雙向?qū)崟r(shí)通信。月球車將通過4G網(wǎng)絡(luò)鏈路向著陸器的基站發(fā)送實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，先測試百米級短距離通信，月球車隨后將逐漸走遠(yuǎn)拉大距離，測試2~3公里的長距離通信。諾基亞公司表示，該公司研制的月球4G基站，具備支持最遠(yuǎn)5公里距離的通信。

如果諾基亞公司的月球4G網(wǎng)絡(luò)測試成功，意味著在月球上可以直接移植商用成熟貨架技術(shù)的可行性，對人類的深空探測具有重大意義。

另外，月球4G網(wǎng)絡(luò)能支持著陸器、月球車、居住艙和航天員之間的實(shí)時(shí)通信，通過實(shí)時(shí)視頻實(shí)現(xiàn)對月球車等探測設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

月球4G網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)，將在通信系統(tǒng)上為“阿爾忒彌斯”計(jì)劃的月球基地做好充分準(zhǔn)備。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，月球4G網(wǎng)絡(luò)也將進(jìn)一步升級或更新為5G網(wǎng)絡(luò)，為人類月球探測和更遙遠(yuǎn)的火星科學(xué)任務(wù)作出更多貢獻(xiàn)。（作者：張雪松）