总编辑对话IEEE Fellow陈山枝:卫星互联网究竟是什么?

通信产业网|2020-07-10 14:18:12
作者:高超 来源:通信产业网

【通信产业网讯】(记者 高超)今年上半年,马斯克分七次将420颗卫星发射升空,进一步完善其星链计划卫星互联网星座,再次引发关注。与此同时,在今年全国两会期间,代表委员提交了多份关于卫星互联网的建议提案,以期推动中国卫星互联网产业加速发展。那么,什么是卫星互联网?全球卫星互联网发展到哪个阶段?中国卫星互联网如何发展?围绕上述问题,IEEE Fellow陈山枝接受了《通信产业报》全媒体总编辑辛鹏骏独家专访。

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1. 《通信产业报》全媒体:马斯克的星链计划以及由此引发的卫星互联网近来收到广泛关注,甚至有人提出卫星互联网替代 5G、6G、地面通信。您怎么看卫星互联网?

陈山枝:卫星互联网,在国外也称作空间互联网(Space Internet),是指利用卫星通信技术为全球,乃至外太空提供互联网接入服务的网络,是继移动互联网(Mobile Internet)、物联网(Internet of Thing)之后的新名词。

2. 《通信产业报》全媒体:全球卫星互联网发展状况如何?中国卫星互联网整体概况是什么?

陈山枝:根据轨道高度,卫星可以分为低地球轨道(LEO)卫星、中地球轨道(MEO)卫星和对地静止轨道(GEO)卫星等。中高轨道卫星具有覆盖优势,单颗GEO卫星可覆盖近1/3地球表面积。相比之下,低轨卫星具有发射成本低、距离地面近、传输时延短、路径损耗小、数据传输率高等优点,有利于地面终端的小型化,能以更小的信号功率被低轨卫星接收。但由于低轨卫星相对于地表的移动速度超过5700 m/s,一颗卫星的可视时间约10分钟,而用户在一个波束的驻留时间可能只有1分钟,因此发生波束切换和星间切换的频度较高,其移动性管理与控制更为复杂。

不过,随着卫星通信成为数字经济的新型基础设施,卫星通信技术不断进步,以及卫星制造及发射成本降低,低轨卫星通信成为近年来产业界的热点,受到广泛关注。近年来,全球兴起了LEO星座建设热潮,先后有Starlink(星链)、OneWeb、O3b、波音、TeleSat、LeoSat等多个星座计划。中国企业也推出了“虹云”“鸿雁”“天地一体化”等LEO星座。

3. 《通信产业报》全媒体:卫星通信能不能替代5G、6G、地面固定通信?卫星通信该如何定位,核心优势是什么?与地面通信应该是什么关系?

陈山枝:从通信系统角度分析低轨卫星通信的频率与轨道资源、系统容量、建设和运维成本等,若其要服务全球网民还差距太大,与5G的关系只能是互补而非替代。

低轨卫星通信唯一不可替代的优势在于全球无缝覆盖,可以解决陆地移动通信解决不了的偏远地区、海洋、空间、荒漠与山区等宽带通信问题。另外,发生地震、海啸等严重自然灾害时,地面移动通信网络容易受损而导致通信中断,卫星通信成为重要的应急通信手段。

未来,6G技术将融合陆地无线通信、高中低轨卫星通信以及短距离直接通信等技术,融合通信与计算、导航、感知、智能等技术,通过智能化移动性管理控制,实现全球立体泛在覆盖空、天、地、海的高速宽带通信。

4. 《通信产业报》全媒体:目前全球卫星通信面临那些技术难点与挑战?未来技术创新方向是什么?

陈山枝:第一,卫星通信的频谱利用率低于地面移动通信,每比特能耗又高于地面移动通信。由于卫星与地面终端间的路径损耗、大气吸收损耗等都远大于地面蜂窝移动通信系统,若要提高传输率,就要加大发射功率及增大地面用户天线口径,结果是卫星通信的频谱利用效率、每比特能耗两个关键指标远低于同期的蜂窝移动通信系统。目前SpaceX的卫星到用户终端的下行链路平均频谱效率为2.7 bit/s/Hz,只达到3G水平;而目前5G的下行链路平均频谱效率是10 bit/s/Hz 以上。另外,低轨卫星终端的每比特能耗要比5G手机至少差一个数量级以上。

第二,通信卫星建设和运维成本高。尽管马斯克的颠覆性创新大大降低了发射卫星的成本和门槛,但是没有改变卫星通信技术本身。可以简单理解为卫星通信是将地面铁塔平台上的基站搬到空中的卫星平台。可见,地面铁塔的建设成本和维护成本,与卫星发射及维护的成本相比,基本可以忽略不计。并且卫星平台上的基站还有面临空间电磁环境和可靠性等特殊设计要求,又大大抬高了研制成本。根据当前测算,这就意味着每颗通信卫星仍面临着数十倍甚至百倍于地面基站的建设和运行维护成本,资费肯定高于5G。

第三,卫星通信存在大量无效覆盖问题。低轨卫星系统若要实现与5G大体相当的总通信容量,那就需要几百万颗低轨卫星密布在全球城市带(人口密集区域)及附近上空的近地轨道。而低轨卫星相对地面是高速运动的,会经过一些地广人稀地区、海洋等,卫星覆盖与通信密度不成正比,造成大量无效覆盖问题,给星座设计和系统投资提出了较大挑战。

第四,卫星终端体积大、功耗大,通信资费较高,吸引力有限。低轨卫星便携终端采用相控阵天线,则其面天线和一个iPad差不多大。与4G和5G手机相比,便携卫星终端体积大和功耗大,且卫星信号无法覆盖室内,城市大楼遮挡直视径信道(LOS),对雨、雪、雾、云等天气十分敏感,峰值通信速率(媒体宣传的速率)和平均通信速率相差较大,加上资费因素,对城市普通消费者没有吸引力。

鉴于上述挑战,卫星通信的未来技术创新方向有四个重要方面:一个是卫星星间链路组网技术,提高灵活性和通信质量;二是卫星终端天线技术,提高接收增益、减少体积;三是开拓更高频段的技术,提高系统容量,四是卫星星座设计和卫星轨道倾斜技术,降低无效覆盖。

5. 《通信产业报》全媒体:当前卫星通信已经被列入新基建范畴,而在今年两会上雷军代表也提出让民营企业也更多参与卫星互联网。您觉得中国应该如何布局卫星通信?下一步着力点应该在哪些方面?您讲过两个“争取”两个“合作”如何理解?

陈山枝:中国的海事、铁路、林业、矿业等各行各业,在空间、海洋、荒漠、森林、山区等都有宽带移动通信的强烈需求。另外,中国企业在参与“一带一路”经济建设,也需要信息通信技术的支撑。针对上述需求,中国低轨卫星通信应重点布局上述行业,利用低轨卫星通信广覆盖、大带宽的技术优势,在地面移动通信网络难以覆盖区域提供通信服务。

与此同时,针对当前全球卫星互联网发展形势,中国应该采用5G关键技术设计,加快发展基于5G的低轨卫星通信。这是因为中国5G技术和产业在全球领先,5G已开始商用;同时,与目前大部分商用低轨卫星的通信技术相比,5G技术在大带宽、灵活帧结构、信号波形等许多方面拥有较大的优势。不过,由于与地面通信系统相比,卫星通信系统具有较大的独特性和差异性,所以基于5G的低轨卫星通信必须对5G部分关键技术进行适应性的改进和针对性的优化设计。

不过,需要指出的是,低轨卫星轨道和频谱资源是一种不可再生的战略资源,是卫星通信系统的两大核心资源要素,也是实现商用的前提条件。根据ITU规则,低轨道和频谱资源实行“先登先占”的原则,而国外公司近年来纷纷推出规模庞大的低轨卫星系统抢占有限的低轨卫星轨道和频谱资源,争取先发优势,争夺太空优势,因此中国企业也应向ITU申请和争取卫星通信的频谱资源和轨道资源。此为两个争取。

当然也要积极推进国际合作与国内合作,即两个合作。在国际合作方面,建议重点与3GPP和ITU等国际组织合作推进低轨卫星通信国际标准的制定。在国内合作方面,重点推动商业航天产业与移动通信产业、集成电路产业的“跨界”合作,共同推进卫星制造技术、火箭发射技术、移动通信技术、集成电路技术的协同进步,通过产业合作来打造一个融合的新产业,并实现商业模式的创新。

总结:

马斯克的星链计划是一个大胆的奇思妙想。在这个计划里,他要在低地球轨道上部署一张由1.2万颗卫星(另有3万颗卫星尚在申请中)组成的卫星星座,为全球提供卫星互联网接入服务。其实,在此之前,卫星通信早已有之,但是与星链计划相比,早先的通信卫星发射成本高、距离地面远、传输时延长、路径损耗大、数据传输率低等劣势,更适用于广播通信和应急通信。马斯克的星链计划改变了这一切。

不过需要指出的是,马斯克的星链计划最大的贡献在于降低了卫星的发射成本,并没有在卫星通信技术本身取得突破性的进展,这也是其星链计划无法取代5G的原因所在。

尽管如此,在很多国家和地区,低轨卫星通信已经上升为国家战略,成为各国攻克卫星通信技术的重点方向。在这方面,中国起步较晚,规划的卫星数量相对较少,同时参与相关开发研究的仍以国家队为主。

因此,中国在低轨卫星通信领域要加快发展脚步,争取更多的卫星通信频谱资源和轨道资源,加强与国内外有关机构和企业的广泛合作,共同推动卫星互联网发展。

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