4月20日，國資委和發(fā)改委召開經(jīng)濟(jì)運(yùn)行例行發(fā)布會，明確新基建的范圍，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成功“晉級”新基建戰(zhàn)略。

目前，陸地移動通信服務(wù)的人口覆蓋率約為80%，但受制于經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)等因素，僅覆蓋了約20%的陸地面積，小于6%的地表面積。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以解決海洋、森林、沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)船舶、飛機(jī)、科考的寬帶通信問題，成為地面移動通信的有益補(bǔ)充。

根據(jù)軌道高度，衛(wèi)星可以分為高度500至2000 km的低地球軌道（LEO）衛(wèi)星，高度2000至36000 km的中地球軌道（MEO）衛(wèi)星和高度約36000公里的對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。與中高軌道衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星傳輸延遲更短、路徑損耗更小，因而受到廣泛關(guān)注。

近日“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克給出SpaceX公司“星鏈計劃”（Starlink）具體時間表：3個月內(nèi)私人內(nèi)測，6個月內(nèi)公測，隨后發(fā)射了多顆衛(wèi)星。不少人認(rèn)為，星鏈等低軌道衛(wèi)星星座就是6G，甚至?xí)嵏?a target="_blank">5G；也有人認(rèn)為，“星鏈計劃”是摩托羅拉“銥星計劃”的2.0版本，難逃失敗的命運(yùn)。一時間眾說紛紜，在通信行業(yè)內(nèi)外都引起不小的爭議，為此C114通信網(wǎng)特別邀請到中國信息通信科技集團(tuán)副總經(jīng)理、專家委主任，無線移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、IEEE Fellow陳山枝博士進(jìn)行專訪，就衛(wèi)星通信、特別是低軌衛(wèi)星通信進(jìn)行深度解讀。

陳山枝認(rèn)為，低軌星座不是6G，更不會顛覆5G。從需求、應(yīng)用、技術(shù)等多個維度判斷，低軌衛(wèi)星與5G是互補(bǔ)關(guān)系；而在6G時代，移動通信走向天地一體，低軌星座將與地面移動通信系統(tǒng)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)任何人、任何物在任何地點(diǎn)和任何時間在全球無縫覆蓋和接入。

世易時移 低軌衛(wèi)星鳳凰涅槃

陳山枝毫不諱言，馬斯克是個商業(yè)奇才，在5G方興未艾、6G引發(fā)廣泛關(guān)注的當(dāng)下明確“星鏈計劃”時間表，賺足了眼球。

摩托羅拉在上世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)的銥星是第一個低軌道衛(wèi)星星座。他認(rèn)為，“銥星計劃”本身也是極具想象力的劃時代構(gòu)想，但生不逢時。 “星鏈計劃”的確在某種程度可以看作是“銥星計劃”的重啟，但兩者的命運(yùn)將截然不同。

“銥星計劃”1987年提出，1992年啟動，1998年11月1日投入使用。66顆衛(wèi)星分布在6個極軌平面上，在780公里高的軌道上，每顆星100分鐘左右繞地球一圈，可以提供全球任何地點(diǎn)（包括南北兩極）的電話通信業(yè)務(wù)。然而，此時2G移動通信系統(tǒng)（GSM和CDMA）已經(jīng)在光傳輸助攻下，用戶數(shù)快速增長，占領(lǐng)了很大市場。而銥星只獲得了5萬多用戶，與達(dá)到盈虧平衡的60多萬用戶相距甚遠(yuǎn)；并且只能在室外打電話，室內(nèi)沒有信號；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力也很弱，沒有考慮到當(dāng)時正在興起的互聯(lián)網(wǎng)需求。諸多因素導(dǎo)致其成為歷史的教訓(xùn)，在1999年8月份宣告破產(chǎn)?！般炐怯媱潯迸c地面移動通信系統(tǒng)有點(diǎn)像“既生喻，何生亮”的故事。

陳山枝認(rèn)為相較于“銥星計劃”，“星鏈計劃”可以說趕上了好時候，時代的變遷帶來需求的變化和技術(shù)的進(jìn)步。從需求的角度出發(fā)，移動通信的服務(wù)范圍從傳統(tǒng)的人際通話已走向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)和萬物互聯(lián)的行業(yè)應(yīng)用，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的新引擎。

相比“銥星計劃”，20多年過去，技術(shù)進(jìn)步十分明顯，具體體現(xiàn)在衛(wèi)星技術(shù)、集成電路技術(shù)和通信技術(shù)三個方面。就衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步而言，“星鏈計劃”的核心是利用獵鷹9號可回收火箭，且一箭60星，可以低成本將12000顆衛(wèi)星送到軌道平面，服務(wù)海洋、森林和荒漠及偏遠(yuǎn)區(qū)域；集成電路技術(shù)的進(jìn)步，增強(qiáng)了衛(wèi)星的星上處理能力，可以降低時延和實(shí)現(xiàn)星間組網(wǎng)，同時集成電路技術(shù)進(jìn)步可以減少終端的成本和體積；就通信技術(shù)而言，基于毫米波、太赫茲、可見光通信的星際鏈路等逐漸成熟，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間大帶寬直接組網(wǎng)。因此，上述需求的變化和技術(shù)的進(jìn)步，使得低軌衛(wèi)星通信成為近年來產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)，所以，SpaceX與OneWeb才能夠火起來。

低軌衛(wèi)星與5G互補(bǔ)，將覆蓋5G因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)因素?zé)o法建設(shè)運(yùn)行的偏遠(yuǎn)地區(qū)、空中、海洋、沙漠、山區(qū)、森林等

“技術(shù)發(fā)展從來不是一蹴而就的，‘星鏈計劃’雖然取得了長足進(jìn)步，但并非完美無缺，其與5G的關(guān)系只能是互補(bǔ)而非替代?！标惿街φf。以5G的三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景為例：eMBB增強(qiáng)型移動寬帶方面，“星鏈計劃”首先服務(wù)的是地廣人稀地區(qū)的住戶，空中的飛機(jī)，海洋與大湖中的輪船，野外科考者和驢友，而對于我們城市普通用戶而言，由于手機(jī)終端體積及資費(fèi)、室內(nèi)通信等因素，且5G的大帶寬仍具有絕對優(yōu)勢；mMTC萬物互聯(lián)方面，針對沙漠與森林等野外作業(yè)與環(huán)境監(jiān)測特殊應(yīng)用場景，衛(wèi)星具備一定的覆蓋和成本比較優(yōu)勢；而在uRLLC低時延高可靠方面，衛(wèi)星通信卻處于絕對的劣勢，5G的空口時延是1ms，而衛(wèi)星的空口時延為數(shù)十毫秒，車聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景是其無法滿足的。

陳山枝指出，衛(wèi)星和地面移動通信都是資源受限系統(tǒng)，頻率資源都像城市的商業(yè)土地一樣稀缺。據(jù)介紹，“星鏈計劃”使用的是Ku、Ka以及V波段衛(wèi)星信號，需要專門的接收終端，“衛(wèi)星終端的天線尺寸和一個Pad差不多大”，內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動的衛(wèi)星追蹤裝置。資費(fèi)預(yù)計是50-60美元每月，2025年將服務(wù)超過4000萬用戶。相比之下，目前全球有80多億手機(jī)用戶，4G寬帶用戶超過50億，預(yù)計2020年5G用戶將達(dá)到17.7億。。由此可見，其服務(wù)的目標(biāo)并非主流5G市場，特別是與我們在城市的普通消費(fèi)者無緣，除非你是“驢友”。

另外，衛(wèi)星軌道也是受限資源?！靶擎溣媱潯钡纳先f顆低軌道衛(wèi)星計劃分布在340-1300公里之間，但軌道位置是有限的，不可以無限制隨意部署衛(wèi)星，和頻率資源一樣，軌道資源也需要國際電聯(lián)的批準(zhǔn)和協(xié)調(diào)。

陳山枝進(jìn)一步指出，所有通信系統(tǒng)容量上限都受制于香農(nóng)公式：C=Wlog2（1+S/N），與采用的頻率帶寬及通信信道的信噪比有關(guān)。由于衛(wèi)星與地面終端的通信距離、所受的噪聲和干擾都大于地面蜂窩移動通信系統(tǒng)，結(jié)果是衛(wèi)星通信的頻譜效率遠(yuǎn)低于同期的蜂窩移動通信系統(tǒng)，這是科學(xué)，不是馬斯克的商業(yè)奇才能夠顛覆。如目前低軌衛(wèi)星包括SpaceX和OneWeb，平均頻譜效率約在2.5bit/s/Hz，只達(dá)到3G水平；而目前5G是平均頻譜效率10 bit/s/Hz 以上，約4倍以上。即若采用相同波段的相同帶寬，如以200MHz帶寬為例，則低軌衛(wèi)星的傳輸速率約500Mbps，而5G的傳輸速率則會達(dá)到2Gbps。

日前，有自媒體語出驚人，稱“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將顛覆5G，取代6G?！睂τ谶@種標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)題黨陳山枝表示“很無語”。假設(shè)全球通信使用高軌衛(wèi)星，只需要三顆3.6萬公里的高軌衛(wèi)星，就可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但是時延長達(dá)500ms-800ms，目前單星容量在20Gbps左右，系統(tǒng)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠供全球人民的互聯(lián)網(wǎng)接入使用。為降低時延和損耗，低軌衛(wèi)星星座成為更優(yōu)選擇，然而隨著用戶數(shù)量的增加和接入速率的提升，系統(tǒng)容量也一樣成為最大的瓶頸。

在頻率資源稀缺的情況下，若要提升系統(tǒng)容量意味著增加衛(wèi)星數(shù)量，這與地面蜂窩通信系統(tǒng)是一樣，通過小區(qū)分裂增加基站數(shù)量來提升系統(tǒng)容量，就是頻率復(fù)用原理。目前，以O(shè)neWeb公開數(shù)據(jù)為例，原計劃低軌星座數(shù)量是720個，系統(tǒng)總?cè)萘?.4Tbit/s，單用戶峰值能達(dá)到400Mbit/s。若按每用戶平均速率是100M bit/s，則OneWeb系統(tǒng)能容納可同時通信的用戶數(shù)量才是5.4萬。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年3月底，全球4G寬帶用戶數(shù)量已達(dá)50億，4G基站總數(shù)約830萬，中國是551萬。未來，5G為實(shí)現(xiàn)4G的10到100倍用戶接入速率，基站數(shù)量將是4G的2到3倍。目前，5G技術(shù)指標(biāo)是每平方公里能支持到10 Tbit/s，注意OneWeb720個低軌星座時的全球系統(tǒng)總?cè)萘坎?.4Tbit/s。如果低軌衛(wèi)星像某些自媒體所說的“星鏈為全球網(wǎng)民提供高速寬帶服務(wù)”，設(shè)想一下若要顛覆5G，就得實(shí)現(xiàn)與5G大體相當(dāng)?shù)耐ㄐ湃萘浚@樣是否同樣需要幾百萬顆低軌衛(wèi)星才行？因?yàn)榈孛嬉苿油ㄐ诺幕敬蠖嘟ㄔO(shè)在人口密集的城市，但僅覆蓋約20%的陸地面積。如果這部分區(qū)域全部采用衛(wèi)星通信密集覆蓋實(shí)現(xiàn)人們的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，其最終結(jié)果就是城市上空近地軌道密布低軌衛(wèi)星星座，由此將造成大量太空垃圾，干擾光學(xué)觀測、模糊宇宙視野等環(huán)保問題。

“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”。今年3月30日，成功發(fā)射 34 顆衛(wèi)星還不到一周，成立于2012年，計劃通過數(shù)百顆低軌道衛(wèi)星為世界各地的人提供他們負(fù)擔(dān)得起的高速互聯(lián)網(wǎng)接入的OneWeb，申請破產(chǎn)，面臨收購命運(yùn)，成為新冠疫情擊倒的最大獨(dú)角獸。這是SpaceX的最大競爭對手，也是軟銀投資的首批申請破產(chǎn)企業(yè)之一。

馬斯克的原話是“星鏈將為那些接入不可靠、價格昂貴或完全無法使用的地區(qū)，提供高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)”。因此，客觀講，在大部分衛(wèi)星通信業(yè)內(nèi)，并沒有與地面移動通信去直面競爭用戶，去比系統(tǒng)的通信容量。相比4G和5G，衛(wèi)星便攜終端體積大，衛(wèi)星信號無法覆蓋室內(nèi)，大樓也有遮擋，對天氣變化十分敏感。每顆衛(wèi)星還面臨著數(shù)十倍甚至百倍于地面基站的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，因此，需要找到精確的商業(yè)定位與運(yùn)營模式，以避免重蹈“銥星計劃”和OneWeb的覆轍。

從通信能力看，一顆衛(wèi)星與一個地面基站的通信能力大體相當(dāng)，未來全球5G基站數(shù)將超過1000萬，而低軌衛(wèi)星的數(shù)量在萬級，兩者相差千倍。這就注定了衛(wèi)星的通信容量、用戶規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面只能是5G的補(bǔ)充。

當(dāng)然，現(xiàn)今時代與“銥星計劃”時也大不相同，低軌衛(wèi)星通信面向特定的區(qū)域、特定用戶群和特定的應(yīng)用，市場前景仍是廣闊的，如民航飛機(jī)部署低軌衛(wèi)星CPE終端，支持機(jī)上乘客WiFi實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)接入，偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民也一樣，還有海上與沙漠中的油氣開采區(qū)域及海島的4G/5G基站回傳中繼等等?？傊l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)唯一不可替代的優(yōu)勢在于全球無縫覆蓋，在成本可接受的情況下，衛(wèi)星通信有其的獨(dú)特應(yīng)用價值，但絕不是替代5G。因此，SpaceX等低軌衛(wèi)星通信將與5G形成互補(bǔ)關(guān)系。

陳山枝同時指出：從3G到4G移動通信由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，已經(jīng)造成了人類數(shù)字鴻溝問題，如偏遠(yuǎn)地區(qū)居民沒有移動通信服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)接入，這在國外很明顯，包括歐美。我國在此方面解決得相對比較好，三大電信運(yùn)營商和廣電在“村村通”工程上做出巨大獻(xiàn)，其中也有衛(wèi)星技術(shù)的貢獻(xiàn)。5G可能會進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)字鴻溝的趨勢。而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是解決該問題且具有相對低成本優(yōu)勢的好工具。

6G：地面蜂窩通信與衛(wèi)星通信融合，實(shí)現(xiàn)全球立體泛在覆蓋

衛(wèi)星通信離城市普通用戶還是有一段很長的距離。短期來看地面基站，包括4G和5G，仍然是主流，將承擔(dān)絕大部分寬帶互聯(lián)網(wǎng)流量。展望下一代移動通信，6G將真正向空、天、海、地的覆蓋擴(kuò)展，也將向高頻段擴(kuò)展，爭取更多頻譜實(shí)現(xiàn)更高用戶接入速率。

“6G技術(shù)將融合陸地?zé)o線移動通信、高中低軌衛(wèi)星移動通信以及短距離直接通信等技術(shù)，融合通信與計算、導(dǎo)航、感知、智能等技術(shù)，通過智能化移動性管理控制，實(shí)現(xiàn)全球泛在覆蓋的高速寬帶通信。通過空天地一體化的發(fā)展，6G將實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)、終端、頻率、技術(shù)方面的高度融合，為通信市場和應(yīng)用提供更廣闊的空間?！标惿街φf。

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