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。

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满足未来月球基地需求

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。

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。

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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。

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。

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。

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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。

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。

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月球冰层

除此以外，诺基亚希望通过其月球网络实现的一件事是在月球上找到冰。

月球表面大部分地区现在干旱无水，但最近无人登月任务发现了在两极受遮蔽的陨石坑中，存在被“困住”的冰残留物。

这些“水”可以被处理用于饮用，或分解成氢气和氧气用作火箭燃料，或者分离出来为宇航员提供可呼吸的氧气。

Sag告诉媒体：“我似乎可以看到，未来的探险队会利用这一技术继续探索月球。因为在开始将其商业化，用于更多探索和未来潜在采矿作业之前，这真地是对能力的一次重大考验。”

采矿需要大量基础设施就位，并掌握有关资源所在位置的正确数据。

如果我们要在月球上生活，我们需要的可不仅仅是互联网。例如，工程巨头罗尔斯·罗伊斯正在开发一个核反应堆，为未来的月球居民和探险家提供电力。

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助力未来深空探测

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。

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。

文章来源： 中国航天报， 财匠，物联网智库