超2萬顆衛星實現6G太空組網

邱林

高科技企業提前布局6G

環繞地球的低軌通信衛星網絡

近日，英國電信集團首席網絡架構師尼爾·邁克萊對6G通信的發展前景進行了展望，掀起了業界關于將通信衛星引入6G網絡的討論。尼爾·邁克萊認為，6G將通過“5G+衛星網絡”來實現，即在5G通信系統的基礎上集成衛星網絡，以實現全球信號覆蓋。該系統有望在2025年投入商用。

低軌通信衛星將加入6G網絡

據英國《新科學家》雜志報道，未來應用于6G通信網絡的衛星，將是低軌通信衛星。

按照軌道高度的不同，通信衛星可以分為低軌通信衛星（LEO）、中軌通信衛星（MEO）和高軌地球同步通信衛星（GEO）。LEO的軌道高度為500千米—2000千米。

GEO在通信、電視轉播等方面的應用已經趨于成熟，但它的缺點比較明顯，例如體積和重量較大，不易小型化，需要大型火箭來發射，發射準備時間長;只有一個軌道面供這類衛星運行，可容納衛星的數量有限;衛星信號難以覆蓋地球的兩極;衛星距地球遙遠，通信延時長，頻譜利用率低;等等。

相對于GEO系統，LEO系統有諸多優勢。對用戶而言，LEO的信號傳輸延時短，損耗小，數據傳輸效率較高;衛星內置的通信設備的重量、體積和發射功率，與陸地上的移動通信終端（例如手機）相差無幾，還可以與陸地通信系統兼容;多顆LEO組成的星座可以實現全球信號覆蓋，真正做到無縫連接。對運營商而言，LEO的體積較小、重量較輕，利用先進發射技術可以實現“一箭多星”同步發射入軌;系統頻譜利用率較高，容量較大。另外，蜂窩通信、多址發送、點波束、頻率復用等新技術，為LEO接入手機通信網絡提供了保障。

因此，LEO系統被認為是最有應用前景的移動通信技術之一。隨著衛星制造技術的升級和市場需求的逐漸擴大，LEO系統的發展方興未艾。

“老技術”煥發“新活力”

據英國《衛報》報道，尼爾·邁克萊等專家倡導的LEO系統，其實并不是新興技術。衛星通信技術（Satellite communication technology）是一種利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波，從而進行兩個或多個終端之間通信的技術。衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、信號質量高、組網迅速、便于實現全球無縫連接等諸多優點，被認為是建立全球個人通信網絡必不可少的一種重要手段。

把衛星應用于移動通信網絡，始于20世紀70年代。早期的通信衛星，設計和功能較為簡單，由于當時人們對衛星移動通信技術的理解不夠深入，以及移動終端小型化的技術不夠成熟，因此，該技術只能用于車輛和飛行器的通信，不能支持大量的小型終端用戶。

在之后的數十年中，很多研究機構和高等學府對衛星移動通信開展了大量的實驗和研究。自20世紀90年代以來，電子信息技術的迅猛發展推動了衛星移動通信技術的進步。為了實現全球通信，相繼有多個LEO系統被開發出來并投入運行。比較有代表性的LEO系統是銥星（Iridium）和全球星（Globalstar）。本世紀初，銥星、全球星在運營費用、終端成本、數據傳輸速率等方面都不占優勢，難以普及，只能應用于緊急救援、海事通信、軍事通信等特殊領域。

如今，情況有了很大改觀。航天科技和電子信息技術的發展降低了衛星研制、量產和發射的成本。衛星通信資費的降低和數據傳輸速率的提升，催生出每時每刻的互聯網接入需求和大數據需求。面對廣闊的市場，LEO這項“老技術”迎來復興，將煥發出新的活力。

高科技企業提前布局6G

按照英國電信集團專家的規劃，LEO系統主要由空間段、用戶段、地面段、公用及專用網絡等4部分組成。在若干太空軌道平面上布置多顆衛星，由通信鏈路將多個軌道平面上的衛星聯結起來。整個星座就如同連成一體的大型平臺，可以在地球表面形成蜂窩狀服務區，每個服務區內的用戶都可以接受至少1顆衛星的服務，用戶的手機隨時可以接入通信系統。LEO可以在用戶段直接與單一的地面終端（手機）連接，也可以通過地面關口站與公共網絡連接。

隨著5G技術的日益成熟，包括3GPP、ITU在內的國際標準化組織都成立了專門的工作組，著手研究LEO與5G網絡融合的問題。業內的一些企業和研究組織已經開啟星地一體化研究工作。

從5G向6G的過渡階段，將是LEO與地面通信網絡實現互補及融合的過程。這既需要利用地面基礎設施，也需要衛星運營商的配合。先行一步的國家將設立專門的天地一體化通信運營機構，或者將其融合到傳統運營服務體系中。

在企業界，波音、空客、亞馬遜、谷歌、“臉書”和SpaceX等公司已經紛紛投資LEO領域，提出了OneWeb、Starlink等十余個LEO系統方案，提前布局6G通信網絡。根據這些方案，未來5年內全球將有2萬余顆LEO進入太空，從而完成6G的太空組網。

對地面通信網絡的有效補充

據美國《連線》雜志報道，LEO系統存在一些缺點，例如需要的衛星數量較多，由此造成地面控制、維護系統比較復雜。對通信而言，影響較大的問題是波束切換和星間信號切換。

LEO相對于地球高速運動，使得手機終端在通信過程中，需要頻繁地切換波束和衛星。以銥星為例，其最小的切換時間間隔為10.3秒，平均切換時間間隔為277.7秒。

手機通信實現波束切換需要一系列信號指令，頻繁切換加重了系統的信號指令負荷。切換越頻繁，“掉線”的概率就越大。銥星系統在運行初期的切換成功率只有85%，后來經過改進，達到92%—98%，這與陸地移動通信系統的切換成功率相比仍有一定差距。

信號切換發生“掉線”的主要原因，是早期LEO系統的帶寬資源無法滿足要求。隨著通信技術、微電子技術的發展，通信系統信號處理能力提升，帶寬增大。從目前運行的銥星二代、全球星等LEO系統的使用情況來看，困擾早期LEO系統的“掉線”率高等技術問題已經在一定程度上得到了解決，為LEO的普及掃清了障礙。

另外需要指出的是，通信衛星使用的無線頻譜，目前仍無法覆蓋一些有遮擋物的區域。在城市中，遮擋物可以說是無處不在的。所以，在早期的6G通信網絡中，衛星將主要向無遮擋物的偏遠地區提供信號，這樣可以大幅減少地面基站的建設和維護成本。在城市中的室內等區域，還必須依靠基站來實現信號覆蓋。

未來一段時間，LEO是對地面通信網絡的有效補充，試圖用LEO完全取代地面基站，在短期內是不現實的。不過，隨著科技的發展，不依賴地面基站的衛星通信系統，總有一天會成為現實。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com

未來6G網絡需要通信衛星