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通信網絡的原型設備。
根據計劃，該公司將在2023年底使用SpaceX公司的火箭把4G網絡帶到月球表面進行試驗通信，目的是為人類更好地探測月球和火星打下基礎。
那麼，在月球上建設4G網絡有哪些特點呢？
滿足未來月球基地需求
2020年10月，美國宇航局宣佈和諾基亞公司合作，授予該公司1410萬美元合同，建設一個可以在月球上使用的4G蜂窩通信網絡。
月球4G網絡是美國宇航局臨界點選拔項目的一部分，目的是滿足美國宇航局對建設月球基地的需要。
諾基亞公司發佈的月球4G網絡通信示意圖
上世紀60年代，美國宇航局實施的『阿波羅』計劃就成功將航天員送上月球表面，現在依托美國宇航局深空網進行通信的深空探測器也不在少數，那為什麼美國宇航局還要在月球建設4G網絡呢？
從目前來看，雖然美國有20多個深空探測器在太空中運行，但相距遙遠，相互之間通信需求很少。
2017年，美國宣佈重返月球，也就是2020年正式命名為『阿爾忒彌斯』的登月計劃。
美國不但要開展大規模的月球探測任務，而且會建造永久性月球基地，並部署諸多著陸器、月球車等設備。
這些月球探測器分佈在月球基地周圍且相距不遠，如果這些探測器都獨自和深空網通信，不僅加重了深空網的負擔，還要攜帶能與地球聯系的通信載荷，整體架構不但不合理，而且不利於通信。
因此，對『阿爾忒彌斯』計劃來說，合理的選擇就是架設一個無線網絡，並將月球基地的各種探測器接入網絡進行交流。
不過，美國宇航局的做法並非新鮮事物，國際空間站上早就架設了無線WiFi，中國天宮空間站的核心艙和實驗艙也裝有WiFi系統，便於航天員進行艙內通信。
由於空間站的尺寸不大，試驗通信距離近的WiFi系統就能滿足需求，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數公裡，因此必須使用4G等遠距離通信技術。
或許有人會問，為什麼不直接用更先進的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絡，那時的5G網絡還不夠成熟，月球+5G網絡一步到位的技術跨度和風險太大，而且5G網絡的大帶寬等優勢又發揮不出來，為穩妥起見，隻好選擇研制月球4G網絡。
要經受住環境考驗
近年來，雖然5G網絡出盡了風頭，但地面上使用的網絡仍然以4G為主。
那麼，在月球上使用的4G網絡和我們常用的4G網絡有什麼不同？具體需要注意哪些問題？
建設4G網絡的美國探測器著陸月面示意圖
根據諾基亞公司的聲明，該公司旗下的貝爾實驗室負責承擔建設月球4G網絡的任務。
如果單看通信部分的實現，月球4G網絡實際上就是把地面成熟可靠的4G網絡搬上月球，但由於月球表面的惡劣環境，以及探測器發射和著陸等過程的考驗，月球4G網絡將是一個超緊湊、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網絡將集成到直覺機器公司研制的Nova-C小型著陸器上，它包括一套具備核心網功能的4G基站和4G通信終端。
諾基亞公司表示，發射到月球表面的4G網絡經過了專門設計，以滿足Nova-C著陸器的尺寸、重量和功率限制。
同時，該通信網絡還具備承受火箭發射、地月飛行、月球著陸和月球表面的惡劣條件，能在各種極端嚴酷的條件下穩定運行。
為在月球表面部署並提供通信覆蓋，月面4G基站必須盡可能地減少尺寸重量和功耗，比如Nova-C著陸器隻能攜帶100公斤載荷登上月面，提供的總功率也隻有200瓦。
著陸器上的月球4G基站不僅要承受火箭發射時的加速、沖擊和振動，還要經受太空中極端溫差的考驗。
由於月球表面沒有空氣，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。
考慮到月面晝間溫度超過120攝氏度，白晝持續時間約半個月，如果月面4G基站不采用特殊材料，散熱系統很難經受得住月面的高溫考驗。
總之，月球4G網絡要想在極端惡劣的月面工作，必須采用特殊設計，因此，如何應對月面環境的挑戰，是月球4G網絡建設與地面4G網絡建設的最大不同。
助力未來深空探測
如今，地球上的4G基站技術已經非常成熟，但月球上實用的4G網絡建設還面臨著重重困難和挑戰。
諾基亞公司為構建月球4G網絡進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和振動臺上，模擬加速和振動；為降低基站重量，濾波器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，基站天線也進行了專門強化；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境進行了優化。
月球車驗證4G網絡通信示意圖
盡管在月球上建設4G網絡存在大量挑戰，但諾基亞公司已經基本完成了月球4G網絡技術的研發，其設備將在今年底搭乘IM-2任務前往月球。
IM-2任務的Nova-C著陸器將在月球南極沙克爾頓山附近著陸，它帶有專門驗證4G網絡的月球車，並將在月晝期間進行4G網絡測試任務。
按照計劃，Nova-C著陸器降落在月球上後，將釋放月球車並啟動4G網絡，建立兩者間的雙向實時通信。
月球車將通過4G網絡鏈路向著陸器的基站發送實時視頻數據，先測試百米級近距離通信，月球車隨後將逐漸走遠，拉大距離，測試2~3公裡的遠距離通信。
諾基亞公司表示，其研制的月球4G基站具備支持最遠5公裡距離的通信。
如果諾基亞公司的月球4G網絡測試成功，意味著在月球上可以直接移植商用成熟貨架技術，對人類的深空探測具有重大意義。
另外，月球4G網絡能支持著陸器、月球車、居住艙和航天員之間的實時通信，通過實時視頻實現對月球車等探測設備的遠程控制。
月球4G網絡的試驗，將在通信系統上為『阿爾忒彌斯』計劃的月球基地做好充分準備。
隨著通信技術的發展，月球4G網絡也將進一步升級或更新為5G網絡，為人類月球探測和更遙遠的火星科學任務作出更多貢獻。
本文原載於《中國航天報·飛天科普周刊》5月6日三版
作者/張雪松
編輯/高辰
校對/楊建 楊蕾
監制/索阿娣