從1G到5G,移動通信技術歷經約40年的發(fā)展,終于從服務于人走向服務于行業(yè),賦能經濟社會數字化轉型。
與此同時,衛(wèi)星通信再次成為關注的重點,特別是馬斯克提出的“星鏈計劃(Starlink)”:利用獵鷹9號可回收火箭重復使用,一箭60星低成本將12000顆衛(wèi)星送上軌道平面,實現(xiàn)星間組網,服務空間、海洋、森林和荒漠及偏遠地區(qū)的移動寬帶通信。
針對低軌衛(wèi)星通信與5G/6G的關系,再次特邀中國信息通信科技集團副總經理、專家委主任,無線移動通信國家重點實驗室主任、IEEE Fellow陳山枝博士進行專訪。陳山枝表示,從需求、應用、技術等多個維度判斷,當前低軌衛(wèi)星通信與5G是互補關系;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)有機融合,實現(xiàn)任何人、任何物在任何時間和地點無縫覆蓋和接入。
陳山枝進一步建言加快我國低軌衛(wèi)星通信發(fā)展,提出我國發(fā)展低軌衛(wèi)星通信可以復用5G技術標準成果并分享5G相關產業(yè)鏈,從而利用我國5G的產業(yè)優(yōu)勢和規(guī)模經濟,降低成本,并為6G時代的天地融合通信打下基礎;我國發(fā)展低軌衛(wèi)星通信的策略是“兩個爭取,兩個合作”:爭取頻率資源和軌道資源,開展國際合作與國內合作。
低軌衛(wèi)星通信優(yōu)勢突出,局限性亦明顯,當前與5G是互補關系
陳山枝分析說,從1G到4G地面移動通信的基站建設密度與在地理上的人口分布密度和經濟發(fā)達程度成正比,基站建設優(yōu)先在人口稠密和經濟發(fā)達的城市和工業(yè)園區(qū)等,再擴展到人口相對稀疏的郊區(qū)和農村。目前地面移動通信僅覆蓋約20%的陸地面積,小于地球表面積的6%。而5G的目標是服務于千行百業(yè)和萬物互聯(lián),那么按道理說未來5G基站分布將取決于人口分布以及行業(yè)應用需求。而在行業(yè)應用需求中,特別是空中、海洋、森林、沙漠地區(qū)及其他地廣人稀的區(qū)域,對于空中飛機及無人機、海上油井和船舶、森林防火及野生動物的視頻監(jiān)控、電力線路和鐵路沿線的巡檢、邊境線的防控等應用場景是5G很難實現(xiàn)的。即使是陸地的這類應用如果采用5G覆蓋,前期商業(yè)模式也面臨很大的挑戰(zhàn),收入規(guī)模與5G建站和運維成本不相匹配。這就給低軌衛(wèi)星通信帶來了商機,低軌衛(wèi)星通信全球覆蓋,且其成本敏感性與行業(yè)應用的地理位置和通信接入點區(qū)域密度沒有直接相關性,特別是對于低密度用戶接入場景下的寬帶互聯(lián)和通信更具優(yōu)勢。
此外,衛(wèi)星通信是災害突發(fā)時快捷有效的應急保障手段,特別是在地震、海嘯等嚴重自然災害發(fā)生時,地面基站受到嚴重破壞,衛(wèi)星通信便成為搶險救災唯一的通信手段。在2008年汶川地震及2010年玉樹地震等重大災害發(fā)生后,國家相關部門和電信運營商緊急調用各種衛(wèi)星通信設備,切實保障了災區(qū)的通信網絡暢通,為災區(qū)開展救援工作起到重要的促進作用。
陳山枝指出:由于技術和經濟因素,3G到4G的移動通信已經在全球造成了數字鴻溝問題,如偏遠地區(qū)居民沒有移動通信服務和互聯(lián)網接入,這在國外很明顯,特別是發(fā)展中國家,也包括歐美。我國在普遍服務的政策支持上相對比較到位,三大電信運營商和廣電為“村村通”工程做出了巨大投入,其中也有衛(wèi)星技術的貢獻。面對5G可能會進一步擴大數字鴻溝的趨勢,衛(wèi)星互聯(lián)網成為能夠提供普遍服務且具有相對低成本優(yōu)勢的好工具。
但陳山枝同時指出:任何事物都是辯證的,每個硬幣都有兩面,低軌衛(wèi)星通信也不例外,可以說是優(yōu)點突出、局限性明顯。首先是頻譜效率,由于衛(wèi)星與地面終端的通信距離、功率密度、多天線部署等受到較多限制,衛(wèi)星通信的頻譜效率遠低于同期的蜂窩移動通信系統(tǒng)。目前,包括SpaceX和OneWeb在內的低軌衛(wèi)星,平均頻譜效率約在2.5bit/s/Hz,只達到3G水平;而5G的平均頻譜效率在10 bit/s/Hz 以上,是衛(wèi)星通信的4倍以上。
其次是系統(tǒng)容量問題,陳山枝分析指出:在頻率資源稀缺的限制情況下,若要提升系統(tǒng)容量意味著增加衛(wèi)星數量,這與地面蜂窩通信系統(tǒng)是一樣的,通過小區(qū)分裂增加基站數量來提升系統(tǒng)容量,即頻率復用原理。從通信角度看,可以簡單理解成衛(wèi)星通信是將地面基站搬到到空中。目前全球4G基站總數約830萬,5G將建設2到3倍于4G的基站數量,而星鏈計劃的星座包含1.2萬顆星。若像有些國內自媒體說的“星鏈將顛覆5G,服務于全球網民的寬帶互聯(lián)網需求”,那么低軌衛(wèi)星就必須實現(xiàn)與5G大體相當的總通信容量,同樣需要幾百萬顆低軌衛(wèi)星密布在全球城市帶及附近上空的近地軌道,這在星座設計和衛(wèi)星發(fā)射上是完全不可想象的。即使是萬顆星的星座,也會造成大量太空垃圾,同時引發(fā)干擾光學觀測、模糊宇宙視野等環(huán)保問題。最后,還有建設和運維成本問題,盡管馬斯克大大降低了發(fā)射衛(wèi)星的成本和門檻,但是每顆衛(wèi)星仍面臨著數十倍甚至百倍于地面基站的建設和運行維護成本。
此外,衛(wèi)星終端體積和功耗大,衛(wèi)星信號無法覆蓋室內,城市內的樓宇遮擋也會造成用戶通信中斷,同時對天氣變化十分敏感。因而,衛(wèi)星通信只能作為地面移動通信的有益補充,其服務的目標并非主流5G市場,尤其是與我們城市中的普通消費者無緣。
因此,城市等人口密集和經濟發(fā)達等區(qū)域的移動寬帶互聯(lián)網接入將以5G為主,低軌衛(wèi)星通信為輔;而空間、海洋、森林和荒漠及偏遠地區(qū)的移動寬帶通信將以低軌衛(wèi)星通信為主。現(xiàn)在的需求與上世紀九十年代的“銥星”時也大不相同,移動通信的服務范圍開始從傳統(tǒng)的人際通話走向寬帶互聯(lián)網和萬物互聯(lián)的行業(yè)應用與數字經濟時代,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用,市場前景仍是廣闊的。
我國當前發(fā)展低軌衛(wèi)星通信:復用與兼容5G技術標準
陳山枝指出,馬斯克的“星鏈計劃”從本質上講并不是對通信技術的貢獻,其最大的貢獻在于衛(wèi)星的顛覆性創(chuàng)新技術:一箭多星和火箭回收。對于通信技術而言,天空與地面的技術最大復用與兼容才是5G時代的正確走向。
陳山枝介紹,目前的低軌衛(wèi)星通信大多數采用歐盟ETSI的第三代數字衛(wèi)星電視廣播標準(DVB-S2/S2X)并做改進。該DVB標準最初僅支持廣播,后來升級支持雙向通信(即交互式互聯(lián)網業(yè)務)。DVB不具備移動性管理功能,沒有核心網,頻譜利用效率也不高,可以認為是類似地面固定無線接入通信(與十多年前的WiMAX類似)。DVB可以支持廣播業(yè)務(BSS,Broadcasting Satellite Service)和固定業(yè)務(FSS,F(xiàn)ixed Satellite Service),但支持移動衛(wèi)星業(yè)務(MSS,Mobile Satellite Service)能力差。
陳山枝分析指出,隨著5G技術標準制定完成和商用啟動,5G從技術與產業(yè)兩個角度都將對衛(wèi)星通信起到重要的借鑒作用。如果低軌衛(wèi)星通信能夠最大程度地復用地面5G通信的關鍵技術和標準,包括大帶寬、靈活幀結構、信號波形、信道編碼、波束賦形與控制、移動性管理、服務架構以及組網方式等方面,將十分有利于衛(wèi)星通信技術與產業(yè)的發(fā)展。另外,從3G突破到4G并跑再到5G引領,我國移動通信的產業(yè)鏈已經發(fā)展的十分完整,包括核心網系統(tǒng)、基站設備、手機終端、芯片、測試儀表等。目前,5G已經正式進入商用,技術和產業(yè)鏈成熟度高。當前,我國的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)正處于起步階段,如果能夠最大程度地復用和兼容5G,低軌衛(wèi)星通信的信關站、衛(wèi)星通信終端等產業(yè)可以復用5G基站和芯片等成果。一方面引入最先進移動通信技術,同時很大程度上降低技術風險;另一方面可以利用和分享5G的規(guī)模經濟來降低成本,實現(xiàn)差異化競爭。成熟的5G技術和規(guī)模產業(yè)對我國低軌衛(wèi)星通信產業(yè)發(fā)展大有裨益。
但陳山枝同時也分析指出,雖然說低軌衛(wèi)星通信可以復用和借鑒5G關鍵技術,比DVB技術更先進,但是由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟地面移動通信系統(tǒng)相比有很多獨特性和差異,低軌衛(wèi)星通信無法直接完全復制目前5G技術標準。主要差異表現(xiàn)在:1)衛(wèi)星信道和地面信道的傳播特性不同,衛(wèi)星通信更容易受天氣等因素影響;2)衛(wèi)星高速移動,引發(fā)時間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤(多普勒效應)、移動性管理、調制解調性能等更多挑戰(zhàn);3)通信傳播距離不同,衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳播距離遠,損耗大,傳輸時延大,對于時序關系和傳輸方案造成新影響;4)衛(wèi)星通信必須采用高指向波束以抵消傳播損耗,而衛(wèi)星的姿態(tài)和用戶的天線方向隨時都在發(fā)生變化,導致天線面會隨時發(fā)生變化,對系統(tǒng)設計帶來新挑戰(zhàn)。因此,基于上述差異和特殊性,基于5G的低軌衛(wèi)星通信必須對5G部分關鍵技術進行適應性的改進和針對性的優(yōu)化。
陳山枝介紹,從2016年,中國信科(大唐)開始參與3GPP的非地面網絡(NTN)標準研究工作,開展了基于5G的低軌衛(wèi)星通信關鍵技術研究、通信體制和協(xié)議設計,并研制原理樣機參與關鍵技術驗證,與國內產業(yè)界合作也取得了積極進展。
我國發(fā)展衛(wèi)星通信策略:兩個爭取,兩個合作
針對我國當前發(fā)展基于5G的低軌衛(wèi)星通信策略,陳山枝提出“兩個爭取和兩個合作”:爭取頻率資源和軌道資源,分別進行國際合作與國內合作。
首先是向國際電聯(lián)聯(lián)盟(ITU)爭取衛(wèi)星通信的頻率資源和軌道資源。頻率資源像城市的商業(yè)土地一樣稀缺,隨著衛(wèi)星通信、地面通信以及探測業(yè)務對低頻段頻譜資源的持續(xù)增加的占用以及各種應用對于高速移動通信需求的不斷提升,現(xiàn)有的Ku、Ka等高頻段資源逐漸枯竭,將難以滿足巨大的頻譜需求。預計頻率更高的Q頻段、V頻段和太赫茲頻段將成為下一代通信衛(wèi)星布局和爭奪的焦點。因此需要提前部署和申請頻率資源,為我國發(fā)展衛(wèi)星通信提供資源保障。
另外,衛(wèi)星軌道也是受限資源。“星鏈”的上萬顆低軌道衛(wèi)星計劃分布在340-1300公里之間,但衛(wèi)星軌道位置是有限的,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)的批準和協(xié)調。
在國際合作方面,重點參與在3GPP等推進國際標準的制定。陳山枝指出,當前衛(wèi)星移動通信的最大問題是技術體制太多且不能互聯(lián)互通,沒有形成像地面移動通信一樣的規(guī)模經濟效應,不同衛(wèi)星運營商間互聯(lián)互通及漫游難。因此,需要盡快形成基于5G的統(tǒng)一的低軌衛(wèi)星通信技術體制,推動中國的衛(wèi)星通信走向海外市場,參與國際合作,同時也能服務于“一帶一路”的發(fā)展中國家,既服務經濟合作,又解決數字鴻溝問題。
在國內合作方面,重點推動商業(yè)航天產業(yè)與移動通信產業(yè)、集成電路產業(yè)的“跨界”合作,共同推進衛(wèi)星發(fā)射技術和移動通信技術、集成電路技術的進步,通過產業(yè)合作來推進打造一個融合的新產業(yè),并實現(xiàn)商業(yè)模式的創(chuàng)新。
未來的衛(wèi)星通信:融合到6G中
移動通信十年一代,本著“開發(fā)和商用一代,預研下一代的原則”,在5G剛剛商用、方興未艾之際,開啟6G研究適逢其時。目前,中國信科、華為、中興等設備商,我國三大運營商,北郵、清華、東南大學等通信院校,都已經開始進行B5G和6G相關研究。
陳山枝認為6G將建立空、天、地、海泛在的移動通信網絡,我國在衛(wèi)星通信與5G兼容方面的前期探索,將為未來的6G有機融合高中低軌衛(wèi)星通信與地面移動通信發(fā)展打下堅實的基礎。未來6G融合是指一種通信技術標準體制包容衛(wèi)星移動通信與地面移動通信,并且用戶終端采用全網統(tǒng)一標識和接入,不再區(qū)分衛(wèi)星與地面系統(tǒng),進行統(tǒng)一管理。
圖1. 6G將有機融合衛(wèi)星通信與地面移動通信
陳山枝介紹,中國信科集團還成立了6G技術預研團隊,聚焦陸地與衛(wèi)星通信的融合組網等關鍵技術預研,推動天地協(xié)同通信發(fā)展。
今年4月20日,國資委和發(fā)改委召開經濟運行例行發(fā)布會,明確新基建的范圍,衛(wèi)星互聯(lián)網成功“晉級”新基建戰(zhàn)略,衛(wèi)星通信與5G兼容復用迎來政策東風,也將在6G開啟融合通信的新時代。
責任編輯:pj
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