移動通信技術(shù)從服務(wù)于人走向服務(wù)于行業(yè)，賦能經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型

從1G到5G，移動通信技術(shù)歷經(jīng)約40年的發(fā)展，終于從服務(wù)于人走向服務(wù)于行業(yè)，賦能經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

與此同時，衛(wèi)星通信再次成為關(guān)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(wǎng)，服務(wù)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(guān)系，再次特邀中國信息通信科技集團副總經(jīng)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(yīng)用、技術(shù)等多個維度判斷，當前低軌衛(wèi)星通信與5G是互補關(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(shù)標準成果并分享5G相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，從而利用我國5G的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和規(guī)模經(jīng)濟，降低成本，并為6G時代的天地融合通信打下基礎(chǔ)；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(nèi)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(guān)系

陳山枝分析說，從1G到4G地面移動通信的基站建設(shè)密度與在地理上的人口分布密度和經(jīng)濟發(fā)達程度成正比，基站建設(shè)優(yōu)先在人口稠密和經(jīng)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(nóng)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(wù)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(yīng)用需求。而在行業(yè)應(yīng)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(yīng)用場景是5G很難實現(xiàn)的。即使是陸地的這類應(yīng)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(yīng)用的地理位置和通信接入點區(qū)域密度沒有直接相關(guān)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(zāi)害突發(fā)時快捷有效的應(yīng)急保障手段，特別是在地震、海嘯等嚴重自然災(zāi)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(zāi)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(zāi)害發(fā)生后，國家相關(guān)部門和電信運營商緊急調(diào)用各種衛(wèi)星通信設(shè)備，切實保障了災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)暢通，為災(zāi)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(shù)和經(jīng)濟因素，3G到4G的移動通信已經(jīng)在全球造成了數(shù)字鴻溝問題，如偏遠地區(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，特別是發(fā)展中國家，也包括歐美。我國在普遍服務(wù)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(shù)的貢獻。面對5G可能會進一步擴大數(shù)字鴻溝的趨勢，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為能夠提供普遍服務(wù)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(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)約830萬，5G將建設(shè)2到3倍于4G的基站數(shù)量，而星鏈計劃的星座包含1.2萬顆星。若像有些國內(nèi)自媒體說的“星鏈將顛覆5G，服務(wù)于全球網(wǎng)民的寬帶互聯(lián)網(wǎng)需求”，那么低軌衛(wèi)星就必須實現(xiàn)與5G大體相當?shù)目偼ㄐ湃萘?，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(shè)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(shè)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(shù)十倍甚至百倍于地面基站的建設(shè)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(nèi)，城市內(nèi)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(wù)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(jīng)濟發(fā)達等區(qū)域的移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)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?，F(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(wù)范圍開始從傳統(tǒng)的人際通話走向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)和萬物互聯(lián)的行業(yè)應(yīng)用與數(shù)字經(jīng)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(yīng)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(shù)標準

陳山枝指出，馬斯克的“星鏈計劃”從本質(zhì)上講并不是對通信技術(shù)的貢獻，其最大的貢獻在于衛(wèi)星的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)：一箭多星和火箭回收。對于通信技術(shù)而言，天空與地面的技術(shù)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(shù)采用歐盟ETSI的第三代數(shù)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(wǎng)業(yè)務(wù)）。DVB不具備移動性管理功能，沒有核心網(wǎng)，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(wù)（BSS，Broadcasting Satellite Service）和固定業(yè)務(wù)（FSS，F(xiàn)ixed Satellite Service），但支持移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS，Mobile Satellite Service）能力差。

陳山枝分析指出，隨著5G技術(shù)標準制定完成和商用啟動，5G從技術(shù)與產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)和標準，包括大帶寬、靈活幀結(jié)構(gòu)、信號波形、信道編碼、波束賦形與控制、移動性管理、服務(wù)架構(gòu)以及組網(wǎng)方式等方面，將十分有利于衛(wèi)星通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，從3G突破到4G并跑再到5G引領(lǐng)，我國移動通信的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)發(fā)展的十分完整，包括核心網(wǎng)系統(tǒng)、基站設(shè)備、手機終端、芯片、測試儀表等。目前，5G已經(jīng)正式進入商用，技術(shù)和產(chǎn)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(guān)站、衛(wèi)星通信終端等產(chǎn)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(shù)，同時很大程度上降低技術(shù)風險；另一方面可以利用和分享5G的規(guī)模經(jīng)濟來降低成本，實現(xiàn)差異化競爭。成熟的5G技術(shù)和規(guī)模產(chǎn)業(yè)對我國低軌衛(wèi)星通信產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)，比DVB技術(shù)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(shù)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(yīng)）、移動性管理、調(diào)制解調(diào)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(guān)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(shè)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(guān)鍵技術(shù)進行適應(yīng)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(wǎng)絡(luò)（NTN）標準研究工作，開展了基于5G的低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究、通信體制和協(xié)議設(shè)計，并研制原理樣機參與關(guān)鍵技術(shù)驗證，與國內(nèi)產(chǎn)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(nèi)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(wù)對低頻段頻譜資源的持續(xù)增加的占用以及各種應(yīng)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?！靶擎湣钡纳先f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(diào)。

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(shù)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(jīng)濟效應(yīng)，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(shù)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(wù)于“一帶一路”的發(fā)展中國家，既服務(wù)經(jīng)濟合作，又解決數(shù)字鴻溝問題。

在國內(nèi)合作方面，重點推動商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)與移動通信產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)的“跨界”合作，共同推進衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)和移動通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的進步，通過產(chǎn)業(yè)合作來推進打造一個融合的新產(chǎn)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(shè)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(jīng)開始進行B5G和6G相關(guān)研究。

陳山枝認為6G將建立空、天、地、海泛在的移動通信網(wǎng)絡(luò)，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(chǔ)。未來6G融合是指一種通信技術(shù)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(wǎng)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(shù)預研團隊，聚焦陸地與衛(wèi)星通信的融合組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)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(jīng)濟運行例行發(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，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