被誤讀的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

黨博文

隨著火箭發(fā)射成本的降低、衛(wèi)星制造能力的提升、集成電路技術的進步等，相較高軌衛(wèi)星具有低時延和低成本優(yōu)勢的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)悄然復蘇，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。

6月3日，當獵鷹9號和龍飛船獲得NASA批準可以重復使用發(fā)射之后，由埃隆·馬斯克提出的星鏈計劃（Starlink）也正式被眾人熟知，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一時成為“熱詞”，“星鏈將顛覆5G”與“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將服務全球網(wǎng)民”等話題也引起業(yè)界廣泛關注。

“馬斯克在技術層面并沒有顛覆衛(wèi)星通信。”近日，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陳山枝在與《通信產(chǎn)業(yè)報》總編輯辛鵬駿對話時，就馬斯克的星鏈計劃與低軌衛(wèi)星通信和4G、5G移動通信技術的關系等話題表示，馬斯克的“星鏈”從通信系統(tǒng)角度分析若其要服務全球網(wǎng)民還有很大差距，與5G的關系只能是互補而非替代。

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積累和產(chǎn)業(yè)基礎，在相關產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均有布局，具備了大發(fā)展的基礎。

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，構建具備實時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。

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、傳輸時延短、路徑損耗小、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點。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的方式向相關機構申請使用資格。目前，國際規(guī)則中的軌道資源主要以“先占先得”的方式進行分配，后申報方不能對已申報的衛(wèi)星產(chǎn)生不利干擾;申報者還必須在申報資源后的一段時間內(nèi)發(fā)射衛(wèi)星，啟用所申報的資源，否則預定的資源會失效。

并且，低軌衛(wèi)星星座由眾多小衛(wèi)星組成，當一部分衛(wèi)星無法工作時，可以發(fā)射新的衛(wèi)星進行補網(wǎng)，不會將整個資源讓出。所以在低軌星座領域，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，重點打造的Starlink（星鏈）計劃將在LEO、極低軌分別發(fā)射4425、7518顆衛(wèi)星進行組網(wǎng)，目前已經(jīng)在軌的衛(wèi)星數(shù)達到482顆。

自2017年以來，我國也相繼啟動了多個衛(wèi)星星座計劃，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)務對頻譜資源需求的持續(xù)增加以及各種應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硎荆蛙壭l(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，也是實現(xiàn)商用的前提條件。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衛(wèi)星通信布局和爭奪的焦點。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，這將造成星座設計、通信干擾控制或協(xié)調(diào)的復雜度增大，因此需要鼓勵和支持企業(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

星鏈計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/s的峰值寬帶服務。屆時消費者只需要購買SpaceX的衛(wèi)星終端設備，每個月花費幾十美元就可享受這一網(wǎng)絡服務。

毋庸置疑，馬斯克的這一設想讓無數(shù)業(yè)界人士認為星鏈終將顛覆通信技術，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也將服務全球網(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80年代，以摩托羅拉公司“銥星”星座為代表的多個衛(wèi)星星座計劃提出，“銥星”星座通過66顆低軌衛(wèi)星構建一個全球覆蓋的衛(wèi)星通信網(wǎng)，這個階段主要以提供語音、低速數(shù)據(jù)等服務為主。隨著地面蜂窩移動通信系統(tǒng)快速發(fā)展，在通信質(zhì)量、資費價格等方面在與衛(wèi)星通信的競爭中全面占優(yōu)，在與地面通信網(wǎng)絡的競爭中宣告失敗。

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

陳山枝認為，馬斯克在“一箭多星”、火箭回收利用等方面顛覆技術創(chuàng)新，極大地降低了衛(wèi)星發(fā)射成本和行業(yè)進入門檻，但從頻率與軌道資源、系統(tǒng)容量、建設和運維成本等角度分析低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)要實現(xiàn)服務全球互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民還有很大差距。

因此，馬斯克的星鏈計劃最大的貢獻在于降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本，并沒有在衛(wèi)星通信技術本身取得突破性的進展，這也是其星鏈計劃無法取代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)絡構成競爭關系。”陳山枝認為，在時延方面，目前的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能達到幾十毫秒級別的延時，可以與4G網(wǎng)絡媲美，但是與5G網(wǎng)絡10毫秒以內(nèi)的延時相比差距仍然巨大，無法滿足自動駕駛、遠程醫(yī)療等低延時場景應用。

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;二是通過更先進的調(diào)制和信道編碼技術，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，就是頻率的空間復用原理。

其實，衛(wèi)星通信也一樣，在頻譜資源稀缺的情況下，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，這與地面蜂窩通信系統(tǒng)是一樣的，就是通過頻率復用原理來提升系統(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)已達約830萬，可滿足大規(guī)模終端產(chǎn)品的高速網(wǎng)絡連接，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在海量終端接入方面受到限制。

陳山枝認為，未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的核心應用場景將主要包括偏遠地區(qū)互聯(lián)通信、海洋作業(yè)、科考寬帶、航空寬帶和災難應急通信等，這些地方地面網(wǎng)路建設難度大、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)絡形成重要補充，極大地拓展網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

陳山枝特別提到，OneWeb的創(chuàng)始人兼董事長Greg Wyler在今年2月公司破產(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。以消費者住宅為例，在每平方公里有25個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個以下住宅的農(nóng)村和偏遠地區(qū)，無論我們發(fā)射多少衛(wèi)星，消費者寬帶的需求都遠遠超過衛(wèi)星系統(tǒng)能提供的容量?！保?OneWeb從今年3月底宣布進入破產(chǎn)保護， 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，而且主要對象是每平方公里有25個以下住宅的農(nóng)村和偏遠地區(qū)。

尚存四大挑戰(zhàn)

陳山枝認為，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。

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、每比特能耗兩個關鍵指標遠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手機至少差一個數(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，但是低軌衛(wèi)星相對地面是高速運動的、非固定的，這在星座的設計和系統(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用戶的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入需求給衛(wèi)星通信的點波束覆蓋及其干擾控制帶來巨大難題。

而回看此前有關媒體報道所指出的：“完整的41927顆Starlink衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡將提供407.09Tbps，這就相當于40.7萬個5G基站的網(wǎng)絡容量，而美國4G網(wǎng)絡的基站約20萬個，相當于構建了兩張能承載美國區(qū)域的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。”這句話也有失偏頗，誤導讀者。陳博士分析說：第一，當前單顆Starlink衛(wèi)星與5G單基站的峰值速率都在20^Gbit/s左右，處在同一個數(shù)量，那么4萬多顆Starlink衛(wèi)星也就相當于4萬多個5G基站;第二，4萬多顆Starlink衛(wèi)星并不是相當于在美國構建了4萬多個5G基站，因為4萬多顆Starlink衛(wèi)星是分布在全球的上空，不可能同時服務于美國本土用戶，因為是衛(wèi)星通信是視距通信。

第二，通信衛(wèi)星建設和運維成本高。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?？梢姡c衛(wèi)星發(fā)射及維護的成本相比，地面鐵塔的建設成本和維護成本基本可以忽略不計。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計要求，又抬高了研制成本。根據(jù)當前測算，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和運行維護成本，因此資費肯定高于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)若要實現(xiàn)與5G大體相當?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，同時給星座設計和系統(tǒng)投資提出了較大挑戰(zhàn)。

第四，衛(wèi)星終端體積大、功耗大，通信資費較高，吸引力有限。低軌衛(wèi)星便攜終端采用相控陣天線，其面天線和一個iPad差不多大。與4G和5G手機相比，便攜衛(wèi)星終端體積大、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，加上資費因素，對城市普通消費者沒有吸引力。

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

“晉級”新基建下如何差異化競爭

2020年4月20日，國務院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會、國家發(fā)展和改革委員會召開經(jīng)濟運行例行發(fā)布會，明確新型基礎設施建設的范圍，首次納入“新基建”范疇的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設已經(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”，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)、基站設備、手機終端、芯片、測試儀表等。

“由于移動通信系統(tǒng)十分復雜，技術含量高，研發(fā)投入巨大，5G產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)，都需要極強的規(guī)模經(jīng)濟效應才能商用成功。”陳山枝表示，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(chǎn)業(yè)可以復用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、終端芯片的技術成果，并分享5G規(guī)模經(jīng)濟效應，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，相關企業(yè)要創(chuàng)新商業(yè)模式，組網(wǎng)建設工程要循序漸進，逐步拓展市場空間，形成良性發(fā)展。

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

“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)，形成關鍵技術的核心知識產(chǎn)權。”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用地面5G的關鍵技術和標準，將十分有利于衛(wèi)星通信技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一方面引入最先進移動通信技術，并降低技術風險，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。