衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)存在的四大挑戰(zhàn)

隨著火箭發(fā)射成本的降低、衛(wèi)星制造能力的提升、集成電路技術(shù)的進(jìn)步等，相較高軌衛(wèi)星具有低時(shí)延和低成本優(yōu)勢的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)悄然復(fù)蘇，并受到全球諸多的互聯(lián)網(wǎng)、通信、航天航空等巨頭企業(yè)青睞。

日前，當(dāng)獵鷹9號和龍飛船獲得NASA批準(zhǔn)可以重復(fù)使用發(fā)射宇航員之后，由埃隆·馬斯克提出的星鏈計(jì)劃（Starlink）也正式被眾人熟知，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一時(shí)成為“熱詞”，“星鏈將顛覆5G”與“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將服務(wù)全球網(wǎng)民”等話題也引起業(yè)界廣泛關(guān)注。

“馬斯克在技術(shù)層面并沒有顛覆衛(wèi)星通信?！苯?，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陳山枝在與記者就馬斯克的星鏈計(jì)劃與低軌衛(wèi)星通信和4G、5G等移動通信技術(shù)的關(guān)系等話題交流時(shí)表示，馬斯克的“星鏈”從通信系統(tǒng)角度分析若其要服務(wù)全球網(wǎng)民還差距太大，與5G的關(guān)系只能是互補(bǔ)而非替代。

陳山枝指出，我國低軌衛(wèi)星通信起步較晚，但我國在衛(wèi)星制造和火箭發(fā)射、衛(wèi)星通信、5G等方面具有良好的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，在相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有布局，具備了大發(fā)展的基礎(chǔ)。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)就是低軌衛(wèi)星通信

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是指基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，通過一定數(shù)量的衛(wèi)星形成規(guī)模組網(wǎng)，從而輻射全球，構(gòu)建具備實(shí)時(shí)信息處理的巨星座系統(tǒng)，向地面和空中終端提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務(wù)。

據(jù)陳山枝介紹，根據(jù)軌道高度，衛(wèi)星可以分為典型高度為500~2000 km的低地球軌道（LEO）衛(wèi)星、典型高度為8000~20000 km的中地球軌道（MEO）衛(wèi)星和高度約35786 km的對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星等。

其中，中高軌道衛(wèi)星具有覆蓋優(yōu)勢，單顆GEO衛(wèi)星可覆蓋近1/3地球表面積。相比之下，低軌衛(wèi)星具有發(fā)射成本低、距離地面近、傳輸時(shí)延短、路徑損耗小、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點(diǎn)。有利于地面終端的小型化，能以更小的信號功率被低軌衛(wèi)星接收。

然而，衛(wèi)星軌道是是一種有限的使用資源，衛(wèi)星公司需要采取申報(bào)的方式向相關(guān)機(jī)構(gòu)申請使用資格。目前，國際規(guī)則中的軌道資源主要以“先占先得”的方式進(jìn)行分配，后申報(bào)方不能對已申報(bào)的衛(wèi)星產(chǎn)生不利干擾;申報(bào)者還必須在申報(bào)資源后的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星，啟用所申報(bào)的資源，否則預(yù)定的資源會失效。

并且，低軌衛(wèi)星星座由眾多小衛(wèi)星組成，當(dāng)一部分衛(wèi)星無法工作時(shí)，可以發(fā)射新的衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)，不會將整個(gè)資源讓出。所以在低軌星座領(lǐng)域，國外公司紛紛推出規(guī)模龐大的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)搶占有限的低軌衛(wèi)星軌道和頻譜資源，爭取先發(fā)優(yōu)勢，爭奪太空優(yōu)勢，“跑馬圈地”現(xiàn)象十分明顯。

截至目前，包括OneWeb、O3b、SpaceX、Telesat等多家國外企業(yè)已推出衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃。其中Space X公司擁有目前最多的商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量，重點(diǎn)打造的Starlink（星鏈）計(jì)劃將在LEO、極低軌分別發(fā)射4425、7518顆衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，目前已經(jīng)在軌的衛(wèi)星數(shù)達(dá)到482顆。

自2017年以來，我國也相繼啟動了多個(gè)衛(wèi)星星座計(jì)劃，包括航天科技的鴻雁星座、航天科工的虹云工程、國電高科的天啟星座的“天啟一號”等。

“頻譜資源像城市的商業(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)對頻譜資源需求的持續(xù)增加以及各種應(yīng)用對于高速移動通信需求的不斷提升，頻譜資源短缺現(xiàn)象十分嚴(yán)重，特別是對于低軌衛(wèi)星，較寬的信道頻率帶寬有助于提升系統(tǒng)通信容量?！标惿街Ρ硎?，低軌衛(wèi)星軌道和頻譜資源是一種不可再生的戰(zhàn)略資源，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的兩大核心資源要素，也是實(shí)現(xiàn)商用的前提條件。預(yù)計(jì)頻率更高的Q頻段、V頻段和太赫茲頻段將成為下一代衛(wèi)星通信布局和爭奪的焦點(diǎn)。因此需要提前部署和申請頻譜資源和衛(wèi)星軌道資源，為我國發(fā)展衛(wèi)星通信提供資源保障。

陳山枝指出，我國作為后來者，須主動與已在軌衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)避衛(wèi)星碰撞、通信干擾，這將造成星座設(shè)計(jì)、通信干擾控制或協(xié)調(diào)的復(fù)雜度增大，因此需要鼓勵(lì)和支持企業(yè)發(fā)展低軌衛(wèi)星去爭取頻譜資源和近地軌道資源，分享“先登先占”的蛋糕。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)并未顛覆通信技術(shù)

星鏈計(jì)劃將通過大量低軌衛(wèi)星對全球?qū)崿F(xiàn)完整覆蓋，在網(wǎng)速方面，星鏈提供約1Gbps/秒的峰值寬帶服務(wù)。屆時(shí)消費(fèi)者只需要購買SpaceX的衛(wèi)星終端設(shè)備，每個(gè)月花費(fèi)幾十美元就可享受這一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

毋庸置疑，馬斯克的這一設(shè)想讓無數(shù)業(yè)界人士認(rèn)為星鏈終將顛覆通信技術(shù)，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也將服務(wù)全球網(wǎng)民。

首先讓我們回顧衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展史。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展初期可以追溯到上世紀(jì)80年代，以摩托羅拉公司“銥星”星座為代表的多個(gè)衛(wèi)星星座計(jì)劃提出，“銥星”星座通過66顆低軌衛(wèi)星構(gòu)建一個(gè)全球覆蓋的衛(wèi)星通信網(wǎng)，這個(gè)階段主要以提供語音、低速數(shù)據(jù)等服務(wù)為主。隨著地面蜂窩移動通信系統(tǒng)快速發(fā)展，在通信質(zhì)量、資費(fèi)價(jià)格等方面對衛(wèi)星通信全面占優(yōu)，在與地面通信網(wǎng)絡(luò)的競爭中宣告失敗。

經(jīng)過二十余年的發(fā)展，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也逐步進(jìn)入到了與地面通信系統(tǒng)互補(bǔ)合作、融合發(fā)展的寬帶互聯(lián)網(wǎng)時(shí)期。

陳山枝認(rèn)為，馬斯克在“一箭多星”、火箭回收利用等方面顛覆技術(shù)創(chuàng)新，極大地降低了衛(wèi)星發(fā)射成本和行業(yè)進(jìn)入門檻，但從通信系統(tǒng)角度分析低軌衛(wèi)星通信的頻率與軌道資源、系統(tǒng)容量、建設(shè)和運(yùn)維成本等，若其要服務(wù)全球互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民還差距太大。

因此，馬斯克的星鏈計(jì)劃最大的貢獻(xiàn)在于降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本，并沒有在衛(wèi)星通信技術(shù)本身取得突破性的進(jìn)展，這也是其星鏈計(jì)劃無法取代5G的原因所在。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)無法代替5G

“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)不會與5G等地面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成競爭關(guān)系?！标惿街φJ(rèn)為，在時(shí)延方面，目前的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能達(dá)到幾十毫秒級別的延時(shí)，可以與4G網(wǎng)絡(luò)媲美，但是與5G網(wǎng)絡(luò)10毫秒以內(nèi)的延時(shí)相比差距仍然巨大，無法滿足自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等低延時(shí)場景應(yīng)用。

地面蜂窩通信系統(tǒng)提升系統(tǒng)容量的手段主要有三種，一是通過增加系統(tǒng)頻率帶寬;二是通過更先進(jìn)的調(diào)制和信道編碼技術(shù)，提升頻譜利用率;三是通過小區(qū)分裂增加單位面積上的基站數(shù)量、扇區(qū)化和增加天線數(shù)量，就是頻率的空間復(fù)用原理。

其實(shí)，衛(wèi)星通信也一樣，在頻譜資源稀缺下，若要提升系統(tǒng)容量意味著增加衛(wèi)星數(shù)量及單顆星采用多波束技術(shù)，這與地面蜂窩通信系統(tǒng)是一樣的，就是通過頻率復(fù)用原理來提升系統(tǒng)容量。

并且，在帶寬方面，雖然目前單顆衛(wèi)星峰值通信速率已能達(dá)到20Gbps，與5G基站容量在同一數(shù)量級。但與組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)目相比，地面基站數(shù)量更加龐大，目前全球4G基站總數(shù)已達(dá)約830萬，可滿足大規(guī)模終端產(chǎn)品的高速網(wǎng)絡(luò)連接，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在海量終端接入方面受到限制。

因此，陳山枝認(rèn)為，未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的核心應(yīng)用場景將主要包括偏遠(yuǎn)地區(qū)互聯(lián)通信、海洋作業(yè)、科考寬帶、航空寬帶和災(zāi)難應(yīng)急通信等，這些地方地面網(wǎng)路建設(shè)難度大、成本高，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將可以很好地解決這方面的問題，對地面網(wǎng)絡(luò)形成重要補(bǔ)充，極大地拓展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

陳山枝特別提到，OneWeb的創(chuàng)始人兼董事長Greg Wyler在今年2月破產(chǎn)前后接受采訪說：“我依然相信衛(wèi)星在很多用例中都扮演重要角色。以消費(fèi)者住宅為例，在每平方公里有25個(gè)住宅以上的通信需求可能用不上衛(wèi)星;但是在滿足每平方公里有25個(gè)以下住宅的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，無論我們發(fā)射多少衛(wèi)星，消費(fèi)者寬帶的需求都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過衛(wèi)星系統(tǒng)能提供的容量?！保?OneWeb從今年3月底宣布進(jìn)入破產(chǎn)保護(hù)， 7月被英國政府收購）。請注意Wyler講的是為住宅提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而且主要對象是每平方公里有25個(gè)以下住宅的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)尚存四大挑戰(zhàn)

陳山枝認(rèn)為，目前全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)尚處于起步階段，在發(fā)展中仍有四大主要挑戰(zhàn)制約。

第一，衛(wèi)星通信的頻譜利用率低于地面移動通信，每比特能耗又高于地面移動通信。

根據(jù)香農(nóng)定理給出了通信系統(tǒng)容量上限與其采用的通信頻率帶寬及信道信噪比的關(guān)系。由于衛(wèi)星與地面終端間的路徑損耗、大氣吸收損耗等都遠(yuǎn)大于地面蜂窩移動通信系統(tǒng)，若要提高傳輸率，就要加大發(fā)射功率及增大地面用戶天線口徑，結(jié)果是衛(wèi)星通信的頻譜利用效率、每比特能耗兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)遠(yuǎn)低于同期的蜂窩移動通信系統(tǒng)。目前SpaceX的衛(wèi)星到用戶終端的下行鏈路平均頻譜效率為2.7 bit/s/Hz，只達(dá)到3G水平;而目前5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz 以上。另外，低軌衛(wèi)星終端的每比特能耗要比5G手機(jī)至少差一個(gè)數(shù)量級以上。

因此，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)如果要滿足全球網(wǎng)民的寬帶互聯(lián)網(wǎng)需求，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)就必須實(shí)現(xiàn)與5G大體相當(dāng)?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，但是低軌衛(wèi)星又相對地面是高速運(yùn)動的、非固定的，這在星座設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)和系統(tǒng)投資上是完全不可想象的。另外，城市里每平方千米的幾百個(gè)用戶的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入需求給衛(wèi)星通信的點(diǎn)波束覆蓋及其干擾控制帶來巨大難題。

而回看此前有關(guān)媒體報(bào)道所指出的：“完整的41927顆Starlink衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)將提供407.09Tbps，這就相當(dāng)于40.7萬個(gè)5G基站的網(wǎng)絡(luò)容量，而美國4G網(wǎng)絡(luò)的基站約20萬個(gè)，相當(dāng)于構(gòu)建了兩張能承載美國區(qū)域的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)?！边@句話也有失偏頗，誤導(dǎo)讀者。陳博士分析說：第一，當(dāng)前單顆Starlink衛(wèi)星與5G單基站的峰值速率都在20 Gbit/s左右，處在同一個(gè)數(shù)量，那么4萬多顆Starlink衛(wèi)星也就相當(dāng)于4萬多個(gè)5G基站;第二，4萬多顆Starlink衛(wèi)星也不是相當(dāng)于在美國構(gòu)建了4萬多個(gè)5G基站，因?yàn)?萬多顆Starlink衛(wèi)星是分布在全球的上空，不可能同時(shí)服務(wù)于美國本土用戶，因?yàn)槭切l(wèi)星通信是視距通信。

第二，通信衛(wèi)星建設(shè)和運(yùn)維成本高。盡管馬斯克的顛覆性創(chuàng)新大大降低了發(fā)射衛(wèi)星的成本和門檻，但是沒有改變衛(wèi)星通信技術(shù)本身?？梢院唵卫斫鉃樾l(wèi)星通信是將地面鐵塔平臺上的基站搬到空中的衛(wèi)星平臺?？梢?，與衛(wèi)星發(fā)射及維護(hù)的成本相比，地面鐵塔的建設(shè)成本和維護(hù)成本基本可以忽略不計(jì)。并且衛(wèi)星平臺上的基站還有面臨空間電磁環(huán)境和可靠性等特殊設(shè)計(jì)要求，又抬高了研制成本。根據(jù)當(dāng)前測算，每顆通信衛(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(yùn)行維護(hù)成本，因此資費(fèi)肯定高于5G。

第三，衛(wèi)星通信存在大量無效覆蓋問題。低軌衛(wèi)星系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)與5G大體相當(dāng)?shù)目偼ㄐ湃萘?，那就需要幾百萬顆低軌衛(wèi)星密布在全球城市帶（人口密集區(qū)域）及附近上空的近地軌道。而低軌衛(wèi)星相對地面是高速運(yùn)動的，會經(jīng)過一些地廣人稀地區(qū)、海洋等，覆蓋與通信密度不成正比，造成大量的無效覆蓋問題，同時(shí)給星座設(shè)計(jì)和系統(tǒng)投資提出了較大挑戰(zhàn)。

第四，衛(wèi)星終端體積大、功耗大，通信資費(fèi)較高，吸引力有限。低軌衛(wèi)星便攜終端采用相控陣天線，則其面天線和一個(gè)iPad差不多大。與4G和5G手機(jī)相比，便攜衛(wèi)星終端體積大和功耗大，且衛(wèi)星信號無法覆蓋室內(nèi)，城市大樓遮擋直視徑信道（LOS），對雨、雪、霧、云等天氣十分敏感，峰值通信速率（媒體宣傳的速率）和平均通信速率相差較大，加上資費(fèi)因素，對城市普通消費(fèi)者沒有吸引力。

陳山枝表示，鑒于上述挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信的未來技術(shù)創(chuàng)新有四個(gè)重要方向：一個(gè)是衛(wèi)星星間鏈路組網(wǎng)技術(shù)，提高靈活性和通信質(zhì)量;二是衛(wèi)星終端天線技術(shù)，提高接收增益、減少體積;三是開拓更高頻段的技術(shù)，提高系統(tǒng)容量;四是衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)和衛(wèi)星軌道傾斜技術(shù)，降低無效覆蓋。

“晉級”新基建 實(shí)現(xiàn)差異化競爭

2020年4月20日，國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會、國家發(fā)展和改革委員會召開經(jīng)濟(jì)運(yùn)行例行發(fā)布會，明確新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的范圍，首次納入“新基建”范疇的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略性工程。

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)相對完整，包括核心網(wǎng)系統(tǒng)、基站設(shè)備、手機(jī)終端、芯片、測試儀表等。

“由于移動通信系統(tǒng)十分復(fù)雜，技術(shù)含量高，研發(fā)投入巨大，5G產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，都需要極強(qiáng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)才能商用成功?！标惿街Ρ硎?，我國5G發(fā)牌已有一年，而我國的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)正處于起步階段，如果能夠最大程度地復(fù)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(fù)用5G基站和芯片等成果，基于5G的衛(wèi)星通信能最大程度地利用地面基站基帶處理、終端芯片的技術(shù)成果，并分享5G規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，降低成本，也更易推動衛(wèi)星通信發(fā)展。

此外，政府需要從宏觀層面持續(xù)予以政策扶持，相關(guān)企業(yè)要?jiǎng)?chuàng)新商業(yè)模式，組網(wǎng)建設(shè)工程要循序漸進(jìn)，逐步拓展市場空間，形成良性發(fā)展。

在應(yīng)用層面，也需要全面拓展衛(wèi)星導(dǎo)航在車聯(lián)網(wǎng)、建筑工程、測繪等行業(yè)領(lǐng)域以及大眾市場的運(yùn)營服務(wù)，推動業(yè)務(wù)向附加值較高的應(yīng)用服務(wù)端延伸。

“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，需要打造良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，不斷突破產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，形成關(guān)鍵技術(shù)的核心知識產(chǎn)權(quán)。”陳山枝指出，如果我國發(fā)展低軌衛(wèi)星通信能夠最大程度地復(fù)用地面5G的關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，將十分有利于衛(wèi)星通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一方面引入最先進(jìn)移動通信技術(shù)，并降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，另一方面可以利用和分享5G的規(guī)模經(jīng)濟(jì)來降低成本，實(shí)現(xiàn)差異化競爭。
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