被误读的卫星互联网(附总编辑对话IEEE Fellow)
  发表时间:2024-05-19 03:19:07 | 作者:米乐首页 

  跟着火箭发射本钱的下降、卫星制作才干的前进、集成电路技能的前进等,相较高轨卫星具有低时延和低本钱优势的低轨卫星通讯体系悄然复苏,并遭到全球许多的互联网、通讯、航天航空等巨子企业喜爱。

  6月3日,当猎鹰9号和龙飞船获得NASA同意能够重复运用发射宇航员之后,由埃隆·马斯克提出的星链方案(Starlink)也正式被世人熟知,卫星互联网一时成为“热词”,“星链将推翻5G”与“卫星互联网将服务全球网民”等论题也引起业界广泛重视。

  “马斯克在技能层面并没有推翻卫星通讯。”近来,我国信息通讯科技集团副总经理、专家委主任,无线移动通讯国家要点试验室主任、IEEE Fellow陈山枝在与《通讯工业报》总编辑辛鹏骏对话时,就马斯克的星链方案与低轨卫星通讯和4G、5G等移动通讯技能的联系等论题沟通时表明,马斯克的“星链”从通讯体系视点剖析若其要服务全球网民还间隔太大,与5G的联系只能是互补而非代替。

  陈山枝指出,我国低轨卫星通讯起步较晚,但我国在卫星制作和火箭发射、卫星通讯、5G等方面具有杰出的技能堆集和工业根底,在相关工业链各环节均有布局,具有了大开展的根底。

  卫星互联网是指依据卫星通讯的互联网,经过必定数量的卫星构成规划组网,然后辐射全球,构建具有实时信息处理的巨星座体系,向地上和空中终端供给宽带互联网接入等通讯服务。

  据陈山枝介绍,依据轨迹高度,卫星能够分为典型高度为500~2000 km的低地球轨迹(LEO)卫星、典型高度为8000~20000 km的中地球轨迹(MEO)卫星和高度约35786 km的对地停止轨迹(GEO)卫星等。

  其间,中高轨迹卫星具有掩盖优势,单颗GEO卫星可掩盖近1/3地球表面积。比较之下,低轨卫星具有发射本钱低、间隔地上近、传输时延短、途径损耗小、数据传输率高级长处。有利于地上终端的小型化,能以更小的信号功率被低轨卫星接纳。

  可是,卫星轨迹是是一种有限的运用资源,卫星公司需求采纳申报的方法向相关组织请求运用资历。现在,世界规矩中的轨迹资源首要以“先占先得”的方法进行分配,后申报方不能对已申报的卫星产生晦气搅扰;申报者还有必要在申报资源后的一段时刻内发射卫星,启用所申报的资源,不然预订的资源会失效。

  而且,低轨卫星星座由很多小卫星组成,当一部分卫星无法作业时,能够发射新的卫星进行补网,不会将整个资源让出。所以在低轨星座范畴,国外公司纷繁推出规划巨大的低轨卫星体系抢占有限的低轨卫星轨迹和频谱资源,抢夺先发优势,抢夺太空优势,“跑马圈地”现象非常显着。

  到现在,包含OneWeb、O3b、SpaceX、Telesat等多家国外企业已推出卫星互联网方案。其间Space X公司具有现在最多的商业卫星数量,要点打造的Starlink(星链)方案将在LEO、极低轨别离发射4425、7518颗卫星进行组网,现在现已在轨的卫星数到达482颗。

  自2017年以来,我国也相继启动了多个卫星星座方案,包含航天科技的鸿雁星座、航天科工的虹云工程、国电高科的天启星座的“天启一号”等。

  “频谱资源像城市的商业土地相同稀缺,跟着卫星通讯、地上通讯以及勘探事务对频谱资源需求的继续添加以及各种使用关于高速移动通讯需求的不断前进,频谱资源缺少现象非常严峻,特别是关于低轨卫星,较宽的信道频率带宽有助于前进体系通讯容量。”陈山枝表明,低轨卫星轨迹和频谱资源是一种不行再生的战略资源,是卫星通讯体系的两大中心资源要素,也是完成商用的前提条件。估计频率更高的Q频段、V频段和太赫兹频段将成为下一代卫星通讯布局和抢夺的焦点。因而需求提早布置和请求频谱资源和卫星轨迹资源,为我国开展卫星通讯供给资源保证。

  陈山枝指出,我国作为后来者,须自动与已在轨卫星体系躲避卫星磕碰、通讯搅扰,这将构成星座规划、通讯搅扰操控或和谐的杂乱度增大,因而需求鼓舞和支撑企业开展低轨卫星去抢夺频谱资源和近地轨迹资源,共享“先登先占”的蛋糕。

  星链方案将经过很多低轨卫星对全球完成完好掩盖,在网速方面,星链供给约1Gbps/秒的峰值宽带服务。到时顾客只需求购买SpaceX的卫星终端设备,每个月花费几十美元就可享用这一网络服务。

  毋庸置疑,马斯克的这一幻想让很多业界人士以为星链终将推翻通讯技能,而卫星互联网也将服务全球网民。

  卫星互联网的开展初期能够追溯到上世纪80年代,以摩托罗拉公司“铱星”星座为代表的多个卫星星座方案提出,“铱星”星座经过66颗低轨卫星构建一个全球掩盖的卫星通讯网,这个阶段首要以供给语音、低速数据等服务为主。跟着地上蜂窝移动通讯体系快速开展,在通讯质量、资费价格等方面对卫星通讯全面占优,在与地上通讯网络的竞赛中宣告失利。

  经过二十余年的开展,卫星互联网也逐渐进入到了与地上通讯体系互补协作、交融开展的宽带互联网时期。

  陈山枝以为,马斯克在“一箭多星”、火箭收回使用等方面推翻技能立异,极大地下降了卫星发射本钱和职业进入门槛,但从通讯体系视点剖析低轨卫星通讯的频率与轨迹资源、体系容量、建造和运维本钱等,若其要服务全球互联网网民还间隔太大。

  因而,马斯克的星链方案最大的奉献在于下降了卫星的发射本钱,并没有在卫星通讯技能自身获得打破性的开展,这也是其星链方案无法代替5G的原因地点。

  “卫星互联网的呈现不会与5G等地上网络构成竞赛联系。”陈山枝以为,在时延方面,现在的卫星互联网能到达几十毫秒级其他延时,能够与4G网络比美,可是与5G网络10毫秒以内的延时比较间隔仍然巨大,无法满意自动驾驶、长途医疗等低延时场景使用。

  地上蜂窝通讯体系前进体系容量的手法首要有三种,一是经过添加体系频率带宽;二是经过更先进的调制和信道编码技能,前进频谱使用率;三是经过小区割裂添加单位面积上的基站数量、扇区化和添加天线数量,便是频率的空间复用原理。

  其实,卫星通讯也相同,在频谱资源稀缺下,若要前进体系容量意味着添加卫星数量及单颗星选用多波束技能,这与地上蜂窝通讯体系是相同的,便是经过频率复用原理来前进体系容量。

  而且,在带宽方面,虽然现在单颗卫星峰值通讯速率已能到达20Gbps,与5G基站容量在同一数量级。但与组网卫星数目比较,地上基站数量愈加巨大,现在全球4G基站总数已达约830万,可满意大规划终端产品的高速网络连接,卫星互联网在海量终端接入方面遭到限制。

  因而,陈山枝以为,未来卫星互联网的中心使用场景将首要包含偏远区域互联通讯、海洋作业、科考宽带、航空宽带和灾祸应急通讯等,这些当地地上网路建造难度大、本钱高,而卫星互联网将能够很好地处理这方面的问题,对地上网络构成重要弥补,极大地拓宽网络的掩盖规划。

  陈山枝特别说到,OneWeb的创始人兼董事长Greg Wyler在本年2月破产前后承受采访说:“我仍然信任卫星在很多用例中都扮演重要人物。以顾客住所为例,在每平方公里有25个住所以上的通讯需求或许用不上卫星;可是在满意每平方公里有25个以下住所的乡村和偏远区域,不管咱们发射多少卫星,顾客宽带的需求都远远超越卫星体系能供给的容量。”( OneWeb从本年3月底宣告进入破产保护, 7月被英国政府收买)。请注意Wyler讲的是为住所供给宽带互联网服务,而且首要对象是每平方公里有25个以下住所的乡村和偏远区域。

  陈山枝以为,现在全球卫星互联网尚处于起步阶段,在开展中仍有四大首要应战限制。

  榜首,卫星通讯的频谱使用率低于地上移动通讯,每比特能耗又高于地上移动通讯。

  依据香农定理给出了通讯体系容量上限与其选用的通讯频率带宽及信道信噪比的联系。因为卫星与地上终端间的途径损耗、大气吸收损耗等都远大于地上蜂窝移动通讯体系,若要前进传输率,就要加大发射功率及增大地上用户天线口径,结果是卫星通讯的频谱使用功率、每比特能耗两个要害目标远低于同期的蜂窝移动通讯体系。现在SpaceX的卫星到用户终端的下行链路均匀频谱功率为2.7 bit/s/Hz,只到达3G水平;而现在5G的下行链路均匀频谱功率是10 bit/s/Hz 以上。别的,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。

  因而,卫星互联网假如要满意全球网民的宽带互联网需求,低轨卫星体系就有必要完成与5G大体相当的总通讯容量,相同需求几百万颗低轨卫星布满在全球城市带及邻近上空的近地轨迹,可是低轨卫星又相对地上是高速运动的、非固定的,这在星座规划的应战和体系出资上是彻底不行幻想的。别的,城市里每平方千米的几百个用户的宽带互联网接入需求给卫星通讯的点波束掩盖及其搅扰操控带来巨大难题。

  而回看此前有关媒体报道所指出的:“完好的41927颗Starlink卫星组成的网络将供给407.09Tbps,这就相当于40.7万个5G基站的网络容量,而美国4G网络的基站约20万个,相当于构建了两张能承载美国区域的卫星互联网。”这句话也有失偏颇,误导读者。陈博士剖析说:榜首,当时单颗Starlink卫星与5G单基站的峰值速率都在20 Gbit/s左右,处在同一个数量,那么4万多颗Starlink卫星也就相当于4万多个5G基站;第二,4万多颗Starlink卫星也不是相当于在美国构建了4万多个5G基站,因为4万多颗Starlink卫星是散布在全球的上空,不行能一起服务于美国本乡用户,因为是卫星通讯是视距通讯。

  第二,通讯卫星建造和运维本钱高。虽然马斯克的推翻性立异大大下降了发射卫星的本钱和门槛,可是没有改动卫星通讯技能自身。能够简略了解为卫星通讯是将地上铁塔平台上的基站搬到空中的卫星平台。可见,与卫星发射及保护的本钱比较,地上铁塔的建造本钱和保护本钱根本能够忽略不计。而且卫星平台上的基站还有面对空间电磁环境和可靠性等特别规划要求,又抬高了研发本钱。依据当时测算,每颗通讯卫星仍面对着数十倍乃至百倍于地上基站的建造和运转保护本钱,因而资费必定高于5G。

  第三,卫星通讯存在很多无效掩盖问题。低轨卫星体系若要完成与5G大体相当的总通讯容量,那就需求几百万颗低轨卫星布满在全球城市带(人口布满区域)及邻近上空的近地轨迹。而低轨卫星相对地上是高速运动的,会经过一些地广人稀区域、海洋等,掩盖与通讯密度不成正比,构成很多的无效掩盖问题,一起给星座规划和体系出资提出了较大应战。

  第四,卫星终端体积大、功耗大,通讯资费较高,吸引力有限。低轨卫星便携终端选用相控阵天线,则其面天线和一个iPad差不多大。与4G和5G手机比较,便携卫星终端体积大和功耗大,且卫星信号无法掩盖室内,城市大楼遮挡直视径信道(LOS),对雨、雪、雾、云等气候非常灵敏,峰值通讯速率(媒体宣扬的速率)和均匀通讯速率相差较大,加上资费要素,对城市一般顾客没有吸引力。

  陈山枝表明,鉴于上述应战,卫星通讯的未来技能立异有四个重要方向:一个是卫星星间链路组网技能,前进灵敏性和通讯质量;二是卫星终端天线技能,前进接纳增益、削减体积;三是开辟更高频段的技能,前进体系容量;四是卫星星座规划和卫星轨迹歪斜技能,下降无效掩盖。

  2020年4月20日,国务院国有资产监督办理委员会、国家开展和变革委员会举行经济运转例行发布会,清晰新式根底设施建造的规划,初次归入“新基建”范畴的卫星互联网建造现已上升为国家战略性工程。

  从“3G打破”到“4G并跑”再到“5G引领”,我国移动通讯的工业链现已相对完好,包含中心网体系、基站设备、手机终端、芯片、测验外表等。

  “因为移动通讯体系非常杂乱,技能含量高,研发投入巨大,5G工业链各个环节,都需求极强的规划经济效应才干商用成功。”陈山枝表明,我国5G发牌已有一年,而我国的低轨卫星通讯体系正处于起步阶段,假如能够最大程度地复用和兼容5G,低轨卫星通讯的信关站、卫星通讯终端等工业能够复用5G基站和芯片等效果,依据5G的卫星通讯能最大程度地使用地上基站基带处理、终端芯片的技能效果,并共享5G规划经济效应,下降本钱,也更易推进卫星通讯开展。

  此外,政府需求从微观层面继续予以方针扶持,相关企业要立异商业模式,组网建造工程要按部就班,逐渐拓宽商场空间,构成良性开展。

  在使用层面,也需求全面拓宽卫星导航在车联网、建筑工程、测绘等职业范畴以及群众商场的运营服务,推进事务向附加值较高的使用服务端延伸。

  “卫星互联网工业链环节很多,需求打造杰出的工业生态,不断打破工业链中心环节,构成要害技能的中心知识产权。”陈山枝指出,假如我国开展低轨卫星通讯能够最大程度地复用地上5G的要害技能和规范,将非常有利于卫星通讯技能与工业的开展,一方面引进最早进移动通讯技能,并下降技能危险,另一方面能够使用和共享5G的规划经济来下降本钱,完成差异化竞赛。

  本年上半年,马斯克分七次将420颗卫星发射升空,进一步完善其星链方案卫星互联网星座,再次引发重视。与此一起,在本年全国两会期间,代表委员提交了多份关于卫星互联网的主张提案,以期推进我国卫星互联网工业加速开展。那么,什么是卫星互联网?全球卫星互联网开展到哪个阶段?我国卫星互联网怎么开展?环绕上述问题,IEEE Fellow陈山枝与《通讯工业报》全媒体总编辑辛鹏骏展开了对话。

  辛鹏骏:马斯克的星链方案以及由此引发的卫星互联网近来遭到广泛重视,乃至有人提出卫星互联网代替 5G、6G、地上通讯。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),是指使用卫星通讯技能为全球,乃至外太空供给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。

  陈山枝:依据轨迹高度,卫星能够分为低地球轨迹(LEO)卫星、中地球轨迹(MEO)卫星和对地停止轨迹(GEO)卫星等。中高轨迹卫星具有掩盖优势,单颗GEO卫星可掩盖近1/3地球表面积。比较之下,低轨卫星具有发射本钱低、间隔地上近、传输时延短、途径损耗小、数据传输率高级长处,有利于地上终端的小型化,能以更小的信号功率被低轨卫星接纳。但因为低轨卫星相关于地表的移动速度超越5700 m/s,一颗卫星的可视时刻约10分钟,而用户在一个波束的驻留时刻或许只要1分钟,因而产生波束切换和星间切换的频度较高,其移动性办理与操控更为杂乱。

  不过,跟着卫星通讯成为数字经济的新式根底设施,卫星通讯技能不断前进,以及卫星制作及发射本钱下降,低轨卫星通讯成为近年来工业界的热门,遭到广泛重视。近年来,全球兴起了LEO星座建造热潮,先后有Starlink(星链)、OneWeb、O3b、波音、TeleSat、LeoSat等多个星座方案。我国企业也推出了“虹云”“鸿雁”“六合一体化”等LEO星座。

  辛鹏骏:卫星通讯能不能代替5G、6G、地上固定通讯?卫星通讯该怎么定位,中心优势是什么?与地上通讯应该是什么联系?

  陈山枝:从通讯体系视点剖析低轨卫星通讯的频率与轨迹资源、体系容量、建造和运维本钱等,若其要服务全球网民还间隔太大,与5G的联系只能是互补而非代替。

  低轨卫星通讯仅有不行代替的优势在于全球无缝掩盖,能够处理陆地移动通讯处理不了的偏远区域、海洋、空间、荒漠与山区等宽带通讯问题。别的,产生地震、海啸等严峻自然灾害时,地上移动通讯网络简略受损而导致通讯中止,卫星通讯成为重要的应急通讯手法。

  未来,6G技能将交融陆地无线通讯、高中低轨卫星通讯以及短间隔直接通讯等技能,交融通讯与核算、导航、感知、智能等技能,经过智能化移动性办理操控,完成全球立体泛在掩盖空、天、地、海的高速宽带通讯。

  辛鹏骏:现在全球卫星通讯面对哪些技能难点与应战?未来技能立异方向是什么?

  陈山枝:榜首,卫星通讯的频谱使用率低于地上移动通讯,每比特能耗又高于地上移动通讯。因为卫星与地上终端间的途径损耗、大气吸收损耗等都远大于地上蜂窝移动通讯体系,若要前进传输率,就要加大发射功率及增大地上用户天线口径,结果是卫星通讯的频谱使用功率、每比特能耗两个要害目标远低于同期的蜂窝移动通讯体系。现在SpaceX的卫星到用户终端的下行链路均匀频谱功率为2.7 bit/s/Hz,只到达3G水平;而现在5G的下行链路均匀频谱功率是10 bit/s/Hz 以上。别的,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,通讯卫星建造和运维本钱高。虽然马斯克的推翻性立异大大下降了发射卫星的本钱和门槛,可是没有改动卫星通讯技能自身。能够简略了解为卫星通讯是将地上铁塔平台上的基站搬到空中的卫星平台。可见,地上铁塔的建造本钱和保护本钱,与卫星发射及保护的本钱比较,根本能够忽略不计。而且卫星平台上的基站还有面对空间电磁环境和可靠性等特别规划要求,又大大抬高了研发本钱。依据当时测算,这就意味着每颗通讯卫星仍面对着数十倍乃至百倍于地上基站的建造和运转保护本钱,资费必定高于5G。

  第三,卫星通讯存在很多无效掩盖问题。低轨卫星体系若要完成与5G大体相当的总通讯容量,那就需求几百万颗低轨卫星布满在全球城市带(人口布满区域)及邻近上空的近地轨迹。而低轨卫星相对地上是高速运动的,会经过一些地广人稀区域、海洋等,卫星掩盖与通讯密度不成正比,构成很多无效掩盖问题,给星座规划和体系出资提出了较大应战。

  第四,卫星终端体积大、功耗大,通讯资费较高,吸引力有限。低轨卫星便携终端选用相控阵天线,则其面天线和一个iPad差不多大。与4G和5G手机比较,便携卫星终端体积大和功耗大,且卫星信号无法掩盖室内,城市大楼遮挡直视径信道(LOS),对雨、雪、雾、云等气候非常灵敏,峰值通讯速率(媒体宣扬的速率)和均匀通讯速率相差较大,加上资费要素,对城市一般顾客没有吸引力。

  鉴于上述应战,卫星通讯的未来技能立异方向有四个重要方面:一个是卫星星间链路组网技能,前进灵敏性和通讯质量;二是卫星终端天线技能,前进接纳增益、削减体积;三是开辟更高频段的技能,前进体系容量,四是卫星星座规划和卫星轨迹歪斜技能,下降无效掩盖。

  辛鹏骏:当时卫星通讯现已被列入新基建范畴,而在本年两会上雷军代表也提出让民营企业也更多参加卫星互联网。您觉得我国应该怎么布局卫星通讯?下一步着力点应该在哪些方面?您讲过两个“抢夺”两个“协作”怎么了解?

  陈山枝:我国的海事、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讯的激烈需求。别的,我国企业在参加“一带一路”经济建造,也需求信息通讯技能的支撑。针对上述需求,我国低轨卫星通讯应要点布局上述职业,使用低轨卫星通讯广掩盖、大带宽的技能优势,在地上移动通讯网络难以掩盖区域供给通讯服务。

  与此一起,针对当时全球卫星互联网开展局势,我国应该选用5G要害技能规划,加速开展依据5G的低轨卫星通讯。这是因为我国5G技能和工业在全球抢先,5G已开端商用;一起,与现在大部分商用低轨卫星的通讯技能比较,5G技能在大带宽、灵敏帧结构、信号波形等许多方面具有较大的优势。不过,因为与地上通讯体系比较,卫星通讯体系具有较大的独特性和差异性,所以依据5G的低轨卫星通讯有必要对5G部分要害技能进行适应性的改善和针对性的优化规划。

  不过,需求指出的是,低轨卫星轨迹和频谱资源是一种不行再生的战略资源,是卫星通讯体系的两大中心资源要素,也是完成商用的前提条件。依据ITU规矩,低轨迹和频谱资源实施“先登先占”的准则,而国外公司近年来纷繁推出规划巨大的低轨卫星体系抢占有限的低轨卫星轨迹和频谱资源,抢夺先发优势,抢夺太空优势,因而我国企业也应向ITU请求和抢夺卫星通讯的频谱资源和轨迹资源。此为两个抢夺。

  当然也要活跃推进世界协作与国内协作,即两个协作。在世界协作方面,主张要点与3GPP和ITU等世界组织协作推进低轨卫星通讯世界规范的拟定。在国内协作方面,要点推进商业航天工业与移动通讯工业、集成电路工业的“跨界”协作,一起推进卫星制作技能、火箭发射技能、移动通讯技能、集成电路技能的协同前进,经过工业协作来打造一个交融的新工业,并完成商业模式的立异。

  辛鹏骏:本年以来,马斯克总共发射了420颗卫星,加速布置星链方案,这预示着全球各国在低轨卫星通讯范畴的竞赛进一步加重。因而,在这一布景下,我国更要加速低轨卫星通讯的开展脚步,在卫星轨迹、通讯频谱方面获取更多的资源,一起也期望我国企业加强国内、世界间的广泛协作,一起推进卫星互联网开展。

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