衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)究竟是什么？

高超

今年上半年，馬斯克分七次將420顆衛(wèi)星發(fā)射升空，進(jìn)一步完善其星鏈計劃衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，再次引發(fā)關(guān)注。與此同時，在今年全國兩會上，代表委員提交了多份關(guān)于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建議提案，推動中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。那么，什么是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)？全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到了哪個階段？中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)該如何發(fā)展？圍繞上述問題，IEEE Fellow陳山枝與《通信產(chǎn)業(yè)報》全媒體總編輯辛鵬駿展開了對話。

辛鵬駿：馬斯克的星鏈計劃以及由此引發(fā)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)近來受到廣泛關(guān)注，甚至有人提出衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)替代 5G、6G、地面通信。您怎么看衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)？

陳山枝：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，在國外也稱作空間互聯(lián)網(wǎng)（Space Internet），是指利用衛(wèi)星通信技術(shù)為全球，乃至外太空提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，是繼移動互聯(lián)網(wǎng)（Mobile Internet）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）之后的新名詞。

辛鵬駿：全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r如何？中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)整體概況是什么？

陳山枝：根據(jù)軌道高度，衛(wèi)星可以分為低地球軌道（LEO）衛(wèi)星、中地球軌道（MEO）衛(wèi)星和對地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星等。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(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。但由于低軌衛(wèi)星相對于地表的移動速度超過5700m/s，一顆衛(wèi)星的可視時間約10分鐘，而用戶在一個波束的駐留時間可能只有1分鐘，因此發(fā)生波束切換和星間切換的頻度較高，其移動性管理與控制更為復(fù)雜。

不過，隨著衛(wèi)星通信成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的新型基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星通信技術(shù)不斷進(jìn)步，以及衛(wèi)星制造及發(fā)射成本降低，低軌衛(wèi)星通信成為近年來產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。近年來，全球興起了LEO星座建設(shè)熱潮，先后有Starlink（星鏈）、OneWeb、O3b、波音、TeleSat、LeoSat等多個星座計劃。中國企業(yè)也推出了“虹云”“鴻雁”“天地一體化”等LEO星座。

辛鵬駿：衛(wèi)星通信能不能替代5G、6G、地面固定通信？衛(wèi)星通信該如何定位，核心優(yōu)勢是什么？與地面通信應(yīng)該是什么關(guān)系？

陳山枝：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，其低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)要服務(wù)全球網(wǎng)民還有很大差距，與5G的關(guān)系只能是互補(bǔ)而非替代。

低軌衛(wèi)星通信唯一不可替代的優(yōu)勢在于全球無縫覆蓋，可以解決陸地移動通信解決不了的偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、空間、荒漠與山區(qū)等寬帶通信問題。另外，發(fā)生地震、海嘯等嚴(yán)重自然災(zāi)害時，地面移動通信網(wǎng)絡(luò)容易受損而導(dǎo)致通信中斷，衛(wèi)星通信成為重要的應(yīng)急通信手段。

未來，6G技術(shù)將融合陸地?zé)o線通信、高中低軌衛(wèi)星通信以及短距離直接通信等技術(shù)，融合通信與計算、導(dǎo)航、感知、智能等技術(shù)，通過智能化移動性管理控制，實(shí)現(xiàn)全球立體泛在覆蓋空、天、地、海的高速寬帶通信。

辛鵬駿：目前全球衛(wèi)星通信面臨哪些技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)？未來技術(shù)創(chuàng)新方向是什么？

陳山枝：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。目前SpaceX的衛(wèi)星到用戶終端的下行鏈路平均頻譜效率為2.7bit/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)至少差一個數(shù)量級以上。

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。衛(wèi)星平臺上的基站面臨空間電磁環(huán)境和可靠性等特殊設(shè)計要求，又大大抬高了研制成本。根據(jù)當(dāng)前測算，這就意味著每顆通信衛(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，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，衛(wèi)星覆蓋與通信密度不成正比，造成大量無效覆蓋，給星座設(shè)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(fèi)較高，吸引力有限。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。

鑒于上述挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信的未來技術(shù)創(chuàng)新有四個重要方面：一個是衛(wèi)星星間鏈路組網(wǎng)技術(shù)，二是衛(wèi)星終端天線技術(shù)，三是開拓更高頻段的技術(shù)，四是衛(wèi)星星座設(shè)計和衛(wèi)星軌道傾斜技術(shù)，減少無效覆蓋。

辛鵬駿：當(dāng)前衛(wèi)星通信已經(jīng)被列入新基建范疇，而在今年兩會上雷軍代表也提出讓民營企業(yè)更多參與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。您覺得中國應(yīng)該如何布局衛(wèi)星通信？下一步著力點(diǎn)應(yīng)該在哪些方面？您講過兩個“爭取”兩個“合作”如何理解？

陳山枝：中國的海事、鐵路、林業(yè)、礦業(yè)等各行各業(yè)，在空間、海洋、荒漠、森林、山區(qū)等都有寬帶移動通信的強(qiáng)烈需求。另外，中國企業(yè)參與“一帶一路”經(jīng)濟(jì)建設(shè)也需要信息通信技術(shù)的支撐。針對上述需求，中國低軌衛(wèi)星通信應(yīng)重點(diǎn)布局上述行業(yè)，利用低軌衛(wèi)星通信廣覆蓋、大帶寬的技術(shù)優(yōu)勢，在地面移動通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋區(qū)域提供通信服務(wù)。

與此同時，針對當(dāng)前全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形勢，中國應(yīng)該采用5G關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計，加快發(fā)展基于5G的低軌衛(wèi)星通信。這是因?yàn)橹袊?G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)在全球領(lǐng)先，5G已開始商用;同時，與目前大部分商用低軌衛(wèi)星的通信技術(shù)相比，5G技術(shù)在大帶寬、靈活幀結(jié)構(gòu)、信號波形等許多方面擁有較大的優(yōu)勢。不過，由于與地面通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較大的獨(dú)特性和差異性，所以基于5G的低軌衛(wèi)星通信必須對5G部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性的改進(jìn)和針對性的優(yōu)化設(shè)計。

不過，需要指出的是，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。根據(jù)ITU規(guī)則，低軌道和頻譜資源實(shí)行“先登先占”的原則，而國外公司近年來紛紛推出規(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，因此中國企業(yè)也應(yīng)向ITU申請和爭取衛(wèi)星通信的頻譜資源和軌道資源。此為兩個爭取。

當(dāng)然也要積極推進(jìn)國際合作與國內(nèi)合作，即兩個合作。在國際合作方面，建議重點(diǎn)與3GPP和ITU等國際組織合作推進(jìn)低軌衛(wèi)星通信國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。在國內(nèi)合作方面，重點(diǎn)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(jìn)衛(wèi)星制造技術(shù)、火箭發(fā)射技術(shù)、移動通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的協(xié)同進(jìn)步，通過產(chǎn)業(yè)合作來打造一個融合的新產(chǎn)業(yè)，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)模式的創(chuàng)新。