5G低軌星座

郭正標(biāo)

要在600千米的軌道向地面?zhèn)鬏斝盘?hào)，確保低時(shí)延和低功耗以及大面積精確化地覆蓋用戶，我國的衛(wèi)星制造技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)？有理由相信，只要有足夠的動(dòng)機(jī)，突破這個(gè)技術(shù)障礙不成問題。

? ?未來5G通信衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間，存在一個(gè)競爭、互補(bǔ)以及融合的過程。我國5G時(shí)代的通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，既需要利用移動(dòng)、聯(lián)通、電信的地面基礎(chǔ)設(shè)施，也需要中國衛(wèi)通、鑫諾衛(wèi)星、亞太衛(wèi)星這樣的衛(wèi)星運(yùn)營商來配合。

暢想

2025年的某個(gè)夏日清晨，馬克先生醒來，摘下耳機(jī)，手指在混合現(xiàn)實(shí)眼鏡上切換了一個(gè)頻道——昨晚陪伴他入睡的，是某個(gè)戶外愛好者在南極洲架設(shè)的12K全景攝像頭直播的極地雪景和海冰的絲絲聲。起床后，馬克先生享用了妻子給他準(zhǔn)備的早餐——馬克太太遠(yuǎn)在國際空間站，剛剛結(jié)束工作的她，通過手機(jī)能夠遠(yuǎn)程控制地球上家中的一系列智能機(jī)器。

馬克先生用手指切換頻道，實(shí)時(shí)了解私人金融業(yè)務(wù)的狀況——他通過衛(wèi)星星座在蘇黎世做金融高頻交易，原本這項(xiàng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需要繞經(jīng)多個(gè)國際網(wǎng)關(guān)，現(xiàn)在利用星座間激光傳輸即可完成。其中購買的一家股票來自中國的一帶一路空間信息服務(wù)企業(yè)，收益頗豐。早餐后，馬克先生收拾行李出門，今天他要去國外出差。趕赴機(jī)場的路上，為了避免交通擁堵，他的智能汽車已經(jīng)和路網(wǎng)對(duì)接，并與幾輛同行的汽車互聯(lián)。幾輛車通過一段郊區(qū)，卻仍然可以跟來往車輛互聯(lián)進(jìn)行變道、超車，絲毫沒有遲滯感。

登機(jī)后，馬克先生戴起混合現(xiàn)實(shí)眼鏡，閱讀最新的新聞資訊。偶爾他也會(huì)購買茶水和點(diǎn)心，熱情的空中乘務(wù)員并不直接收取現(xiàn)金，因?yàn)樗呀?jīng)收到銀行發(fā)來的付款信息。馬克先生今天要會(huì)見的客戶是做全球航運(yùn)的，據(jù)介紹今年財(cái)報(bào)特別理想，因?yàn)橥ㄟ^衛(wèi)星數(shù)據(jù)調(diào)配船舶資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)巡航，節(jié)省了大量燃料，從而節(jié)約了大筆開支。飛行途中，馬克先生接到老友電話，邀請他到自己在遠(yuǎn)東地區(qū)投資的農(nóng)場考察。老友開玩笑道：“在這種寒冷荒蕪的地區(qū)，我?guī)缀醪还蛡蚬と?，而是由接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備來照顧農(nóng)作物，澆水、施肥一應(yīng)俱全?！?/p>

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

天基互聯(lián)網(wǎng)并不是一個(gè)最新才出現(xiàn)的熱詞，諸多基于各種模式的天星地網(wǎng)、天基網(wǎng)絡(luò)或者獨(dú)立的天網(wǎng)與地網(wǎng)方案，很早之前就都被提了出來。SpaceX、Facebook、Oneweb、Iridium銥星等公司近年來都推出了各自的天網(wǎng)方案，例如，Oneweb正在通過幾百顆低軌衛(wèi)星形成組網(wǎng)覆蓋，F(xiàn)acebook的無人機(jī)互聯(lián)網(wǎng)以及發(fā)生爆炸的Amos-6通信衛(wèi)星等等。而太空夢想家馬斯克最近推出的星座計(jì)劃更是高達(dá)4 225顆。

不久前國務(wù)院通過了《十三五國家信息化規(guī)劃》，李克強(qiáng)總理在匯報(bào)中提出，實(shí)施寬帶鄉(xiāng)村和中西部地區(qū)中心城市基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)完善工程，采用蜂窩、光纖、低軌星座等多種方式，加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。信威、歐比特、光啟等企業(yè)無不把視角瞄準(zhǔn)覆蓋全球的“空天信息網(wǎng)絡(luò)”戰(zhàn)略布局;同時(shí)，航天科技集團(tuán)成立了商業(yè)化的長征火箭公司，東方紅公司公布鴻雁星座計(jì)劃，航天科工提出福星計(jì)劃等等，謀求轉(zhuǎn)型的國企也在緊鑼密鼓地布局之中;一大批初創(chuàng)的商業(yè)航天公司更是發(fā)揚(yáng)了靈活的優(yōu)勢，一路攻城拔寨。

低軌衛(wèi)星星座雖有不少運(yùn)營成功的案例，而血淋淋的案例也非常普遍。銥星計(jì)劃原本是一項(xiàng)非常具有前景和優(yōu)勢的項(xiàng)目，借助低軌通信，采用多星組網(wǎng)的方式，提供原本高軌衛(wèi)星所不具備的通信能力。但是銥星公司的領(lǐng)導(dǎo)層似乎遺忘了一點(diǎn)，那就是現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展，等到銥星產(chǎn)品成熟了，地面現(xiàn)代通信網(wǎng)早已日新月異，這直接導(dǎo)致了銥星公司的破產(chǎn)。

其實(shí)衛(wèi)星通信終究只是一個(gè)位于天空的基站而已，企圖完全依賴衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)取代地面網(wǎng)絡(luò)的想法，是不可取的。衛(wèi)星通信真正適合的，還是那些地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到、或者建設(shè)成本高昂的地區(qū)。

從高容量上來看，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無法承載難以想象的用戶接入——即使激光通信組網(wǎng)，最多也只能扛住十幾G帶寬，難以與地面網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接入數(shù)億人口的吞吐能力相抗衡。在地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋非常好的今天，衛(wèi)星通信競爭力弱，需求被極大壓縮。一方面是因?yàn)楦甙旱陌l(fā)射、制造及運(yùn)營成本，衛(wèi)星通信的終端價(jià)格和使用費(fèi)用都會(huì)將普通老百姓拒之門外。另一方面，則是復(fù)雜的使用環(huán)境并不利于在普通的消費(fèi)者市場推廣——互聯(lián)網(wǎng)用戶是一類對(duì)用戶體驗(yàn)要求非常高的群體，而且他們的基數(shù)非常龐大，據(jù)統(tǒng)計(jì)截止2016年，全球約有30億互聯(lián)網(wǎng)用戶，其中絕大多少都是普通消費(fèi)者。如果這些消費(fèi)者，使用傳統(tǒng)的手機(jī)終端、按照傳統(tǒng)繳納手機(jī)話費(fèi)的方式就能享有衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，那么衛(wèi)星應(yīng)用行業(yè)才有可能打開巨大的通信市場。

如今，我國也開始發(fā)展自己的通信衛(wèi)星系統(tǒng)，既有大S衛(wèi)星“天通1號(hào)”，也有即將發(fā)射的Ka衛(wèi)星“中星16號(hào)”。此類消費(fèi)市場國外很早就開始布局，例如高軌的海事衛(wèi)星。

? ?“長征”5號(hào)、“長征”7號(hào)這系列大推力經(jīng)濟(jì)適用性火箭的成功研發(fā)表明，中國火箭足以支持發(fā)射大規(guī)模星座、進(jìn)行全球組網(wǎng)。

突破點(diǎn)

如何讓自動(dòng)駕駛的汽車在世界任意一個(gè)地點(diǎn)行駛？如何讓無數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端隨時(shí)隨地接入？如何讓世界各地的人們能夠隨時(shí)隨地地溝通？

為了實(shí)現(xiàn)信息傳遞的廣度和豐度，利用相控陣、多天線技術(shù)，找到了毫米波新的頻譜，推出來高效的3D-MIMO，多址接入的辦法。那么思考一下，除了在地面設(shè)置更多的微基站之外，是否可以將其搬到太空當(dāng)中，如此覆蓋下來，對(duì)其影響的范圍、可連接的豐富度而言是不可估量的。

基于5G標(biāo)準(zhǔn)的毫米波低地球軌道互聯(lián)網(wǎng)星座，與NB-IOT（窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)）的結(jié)合，堪稱對(duì)5G的低時(shí)延、高可靠和低功耗大連接的完美詮釋。NB-IOT可以解決5G通信中的豐度需求，讓無數(shù)的智能終端連接起來;如果有了衛(wèi)星星座在廣度上的支持，那么很多應(yīng)用場景都可以實(shí)現(xiàn)。低軌星座位于近地軌道，距離地面僅幾百千米，延遲完全滿足設(shè)備需求?；?G標(biāo)準(zhǔn)的毫米波低軌星座與NB-IOT，一個(gè)用于廣域間的網(wǎng)絡(luò)連接，一個(gè)實(shí)現(xiàn)用戶本地間的低功耗的設(shè)備連接，可謂優(yōu)勢互補(bǔ)。

世界各國紛紛開始布局5G通信，就在2016年7月，美國成為全球第一個(gè)正式分配5G頻譜的國家。美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）有代表稱，新規(guī)將充分考慮新的無線服務(wù)、衛(wèi)星信號(hào)和聯(lián)邦政府的使用狀況，在新型無線服務(wù)、當(dāng)前和未來的衛(wèi)星業(yè)務(wù)、聯(lián)邦應(yīng)用之間進(jìn)行頻譜需求平衡。2016年9月，歐盟委員會(huì)公布了“5G for Europe”，宣布在年底前制定完整的5G部署路線圖，并且在2018年開始預(yù)商用5G，且要求成員國在2020年之前均要選取城市提供5G服務(wù)。而且，歐盟也明確在2016年底前提供多個(gè)頻段頻譜供測試用，且2017年前確定6GHz、毫米波等頻譜資源供5G使用。2016年11月，中國華為公司主推的Polar Code（極化碼）方案，擊敗美國主推的LDPC和法國主推的Turbo2.0成為5G控制信道eMBB場景編碼方案。中國移動(dòng)牽頭的5G系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也正式啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，該項(xiàng)目將在2017年底制定《5G系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能》及《5G系統(tǒng)基本流程》兩個(gè)基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。這一系列舉措，都為實(shí)施基于5G標(biāo)準(zhǔn)天地共享頻譜的低地球軌道互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星星座奠定了理論及標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。

國內(nèi)在基于5G標(biāo)準(zhǔn)的毫米波低軌互聯(lián)網(wǎng)星座相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備已經(jīng)很豐厚。毫米波新頻譜代表著高速率，大容量，低地球軌道代表著低功耗，低時(shí)延，互聯(lián)網(wǎng)星座則代表了IP協(xié)議和大連接，而這些都是對(duì)5G通信標(biāo)準(zhǔn)的定義內(nèi)容。

想要把批量的幾百千克的衛(wèi)星送到低地球軌道，沒有強(qiáng)大的火箭支持是不夠的。在我國老一輩航天人和新一代航天人的努力下，完整的、獨(dú)立自主的航天體系既具備火箭制造工業(yè)又擁有完善的衛(wèi)星制造體系。在發(fā)射市場高度成熟、商業(yè)航天興起的今天，我國火箭發(fā)射日趨常態(tài)化和經(jīng)濟(jì)性，尤其是“長征”5號(hào)、“長征”7號(hào)這系列大推力經(jīng)濟(jì)適用性火箭的成功研發(fā)表明，中國火箭足以支持發(fā)射大規(guī)模星座、進(jìn)行全球組網(wǎng)。

衛(wèi)星發(fā)射成本在不斷下降。最近即將發(fā)射的下一代銥星，搭載SpaceX獵鷹9火箭，可實(shí)現(xiàn)一箭10星發(fā)射。并且在成熟的商業(yè)發(fā)射環(huán)境下，應(yīng)用和保險(xiǎn)服務(wù)都日趨完善，以往高不可攀的衛(wèi)星發(fā)射成本被極大的壓縮了。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，銥星單顆發(fā)射成本在680萬美金左右，整個(gè)星座總發(fā)射費(fèi)用才幾億美金而已，僅僅是我國建設(shè)一個(gè)摩天大樓的成本。而一箭多星技術(shù)我國早已掌握，2015年發(fā)射的“長征”6號(hào)火箭取得一箭20星的成就，刷新了當(dāng)時(shí)的行業(yè)紀(jì)錄。就發(fā)射成本而言，眾所周知我國的火箭發(fā)射報(bào)價(jià)是全世界絕無僅有的，就連SpaceX也很難與我們競爭。更難能可貴的是，在保證如此低廉的發(fā)射報(bào)價(jià)的同時(shí)還能保持非常高的成功率。除了國家隊(duì)，一批民營的初創(chuàng)企業(yè)正在私人火箭領(lǐng)域積極探索，他們將火箭制造與互聯(lián)網(wǎng)思維相結(jié)合，也許還能進(jìn)一步降低發(fā)射成本，這種類型的小型火箭是對(duì)國家隊(duì)大火箭的合理補(bǔ)充。

想讓普通消費(fèi)者接受和使用，那么移動(dòng)終端的尺寸和成本就不能太高。讓航運(yùn)企業(yè)為一艘船安裝體積較大的接收天線是可行的;如果要求消費(fèi)者使用比現(xiàn)代智能手機(jī)還難看的設(shè)備作為日常聯(lián)系的通信工具，則幾乎是死路一條。然而目前，連SpaceX和Oneweb也沒有能夠很好地解決這個(gè)問題，Oneweb的終端仍然和銥星終端一樣累贅。

波束控制，多天線電子相控陣技術(shù)的應(yīng)用是解決這一問題的關(guān)鍵。那么電子相控陣技術(shù)最新的發(fā)展趨勢是什么？是否可以實(shí)現(xiàn)平價(jià)并能夠安裝到高顏值的智能設(shè)備中？

答案是肯定的，那就是發(fā)展基于硅半導(dǎo)體基的電子相控陣天線。此技術(shù)可使幾公分大小的晶圓當(dāng)中擁有大量的發(fā)射接收陣列，而晶圓陣列通過大批量生產(chǎn)到足以安裝智能設(shè)備當(dāng)中，使其可以直接與太空中的衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)傳輸。如此，天地之間不再有頻率之爭，共享并利用相同的頻率，在不同的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)終端信號(hào)的無縫切換。城市里信號(hào)好，就用地面基站信號(hào)，飛機(jī)上、海船上、偏遠(yuǎn)地區(qū)則可直接接入低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

要在600千米的軌道向地面?zhèn)鬏斝盘?hào)，確保低時(shí)延和低功耗以及大面積精確化地覆蓋用戶，我國的衛(wèi)星制造技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)？

有理由相信，只要有足夠的動(dòng)機(jī)，突破這個(gè)技術(shù)障礙不成問題。在衛(wèi)星制造大軍中，作為國家隊(duì)的航天科技五院、上海八院、航天東方紅、海特衛(wèi)星等企業(yè)已經(jīng)具備了抓總的能力;大量的高校、科研院所也能夠提供最新的技術(shù)支持并源源不斷的輸出人才資源;而近年興起的衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)公司更是促進(jìn)了這一進(jìn)程，他們帶來了互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作思路，使得衛(wèi)星制造產(chǎn)業(yè)生機(jī)盎然。依托國家隊(duì)長久積累的衛(wèi)星制造技術(shù)，融合民營企業(yè)在傳統(tǒng)消費(fèi)電子行業(yè)積累的領(lǐng)先微電子設(shè)計(jì)制造能力，要實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星需要的參數(shù)還是有相當(dāng)?shù)陌盐盏摹?/p>

另外，要時(shí)刻明白一點(diǎn)，地面網(wǎng)絡(luò)將始終是5G通信的主體，沒有它的5G時(shí)代是不完整的，而衛(wèi)星通信只是對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充。如銥星星座那樣，企圖用低軌星座完全取代地面基站，是不現(xiàn)實(shí)的。

愿景

未來5G通信衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間，存在一個(gè)競爭、互補(bǔ)以及融合的過程。我國5G時(shí)代的通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，既需要利用到移動(dòng)、聯(lián)通、電信的地面基礎(chǔ)設(shè)施，也需要中國衛(wèi)通、鑫諾衛(wèi)星、亞太衛(wèi)星這樣的衛(wèi)星運(yùn)營商來配合。也許，國家將設(shè)立專門的天地一體化通信運(yùn)營商，或者將其融合到傳統(tǒng)運(yùn)營商服務(wù)體系中。用戶在各種網(wǎng)絡(luò)中選擇使用，在街道的營業(yè)廳就可以辦理。

呼吁國家盡早開放這一領(lǐng)域，讓更多的民營資本能參與進(jìn)來，推動(dòng)和促進(jìn)這個(gè)產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。在此過程中，既要處理好各國政府間的關(guān)系，同行業(yè)企業(yè)間的關(guān)系，也要處理好新通信體系和舊有體系的相互關(guān)系。

如果就建設(shè)成本和市場價(jià)值而言，發(fā)展星座項(xiàng)目是否擁有很高的效費(fèi)比，是否能帶動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高創(chuàng)新能力，改善人民生活水平呢？

2014年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)規(guī)模為2 030億美元，其中衛(wèi)星通信服務(wù)業(yè)規(guī)模為1 229億美元。全球在軌衛(wèi)星中，通信衛(wèi)星占據(jù)半壁江山，比例達(dá) 51%，而其中商業(yè)通信衛(wèi)星占比 37%。衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)是航天產(chǎn)業(yè)當(dāng)中絕對(duì)是一枝獨(dú)秀，其服務(wù)用戶數(shù)量，帶來的市場價(jià)值更是其他衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)所難以超越的。而在今天，如果衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)得以發(fā)展，其面對(duì)的市場機(jī)遇是驚人的，以航空領(lǐng)域應(yīng)用為例，每年有多少乘客期待能在飛機(jī)這個(gè)信息孤島上上網(wǎng)？僅機(jī)艙互聯(lián)網(wǎng)一項(xiàng)，就是至少千億級(jí)別的市場。

此外，衛(wèi)星星座的制造發(fā)射和市場運(yùn)營，將帶動(dòng)一大批研發(fā)及配套企業(yè)，為通信行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供大量的工作崗位和技術(shù)儲(chǔ)備，可以顯著提高產(chǎn)業(yè)核心競爭力。

據(jù)估算，發(fā)展一套擁有80顆左右衛(wèi)星的星座，采用我國自主的火箭，衛(wèi)星部件國內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造，總建設(shè)造價(jià)可以控制在50億人民幣以內(nèi)。而一旦建成，它可以無縫的同運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)融合起來，每年可以產(chǎn)生上百億的價(jià)值，性價(jià)比極高。發(fā)展基于5G標(biāo)準(zhǔn)低軌互聯(lián)網(wǎng)星座，是踐行國家一帶一路戰(zhàn)略的有力嘗試?！耙粠б宦贰狈秶鷥?nèi)，尚有哈薩克斯坦、巴基斯坦、蒙古等國家，他們?nèi)狈W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，一旦低軌通信星座成型，很有可能會(huì)讓這些國家跳過4G，一躍進(jìn)入5G時(shí)代;而南中國海、馬六甲海峽、印度洋，都是貨船往來通商的要地，對(duì)移動(dòng)通信的需求之大不難想象;印度尼西亞這樣的多島國家，無法鋪設(shè)光纜網(wǎng)絡(luò)，他們對(duì)衛(wèi)星通信的需求則更為迫切。建設(shè)5G標(biāo)準(zhǔn)的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座，同時(shí)使我國大量智能電子產(chǎn)品能夠伴隨輸出，實(shí)現(xiàn)行業(yè)利潤增長;同時(shí)也促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，加強(qiáng)了國際間的交流與合作，實(shí)現(xiàn)共同繁榮。

在世界科技快速進(jìn)步的今天，機(jī)遇轉(zhuǎn)瞬即逝。我國發(fā)展基于5G標(biāo)準(zhǔn)的天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略性機(jī)遇已經(jīng)到來，抓住此輪機(jī)遇，我國完全可以實(shí)現(xiàn)偉大超越，掌握行業(yè)國際話語權(quán)，并有力帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)中國民族的偉大復(fù)興。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)