4月20日,,國資委和發(fā)改委召開經(jīng)濟運行例行發(fā)布會,,明確新基建的范圍,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成功“晉級”新基建戰(zhàn)略,。 目前,,陸地移動通信服務(wù)的人口覆蓋率約為80%,,但受制于經(jīng)濟成本,、技術(shù)等因素,僅覆蓋了約20%的陸地面積,,小于6%的地表面積,。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以解決海洋,、森林、沙漠等偏遠地區(qū)船舶,、飛機,、科考的寬帶通信問題,成為地面移動通信的有益補充,。 根據(jù)軌道高度,,衛(wèi)星可以分為高度500至2000 km的低地球軌道(LEO)衛(wèi)星,高度2000至36000 km的中地球軌道(MEO)衛(wèi)星和高度約36000公里的對地靜止軌道(GEO)衛(wèi)星,。與中高軌道衛(wèi)星相比,,低軌衛(wèi)星傳輸延遲更短、路徑損耗更小,,因而受到廣泛關(guān)注,。 近日“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克給出SpaceX公司“星鏈計劃”(Starlink)具體時間表:3個月內(nèi)私人內(nèi)測,6個月內(nèi)公測,,隨后發(fā)射了多顆衛(wèi)星,。不少人認為,星鏈等低軌道衛(wèi)星星座就是6G,,甚至會顛覆5G,;也有人認為,“星鏈計劃”是摩托羅拉“銥星計劃”的2.0版本,,難逃失敗的命運,。一時間眾說紛紜,在通信行業(yè)內(nèi)外都引起不小的爭議,,為此C114通信網(wǎng)特別邀請到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陳山枝博士進行專訪,,就衛(wèi)星通信、特別是低軌衛(wèi)星通信進行深度解讀,。 陳山枝認為,,低軌星座不是6G,更不會顛覆5G,。從需求,、應(yīng)用、技術(shù)等多個維度判斷,,低軌衛(wèi)星與5G是互補關(guān)系,;而在6G時代,移動通信走向天地一體,低軌星座將與地面移動通信系統(tǒng)有機融合,,實現(xiàn)任何人,、任何物在任何地點和任何時間在全球無縫覆蓋和接入。 世易時移 低軌衛(wèi)星鳳凰涅槃 陳山枝毫不諱言,,馬斯克是個商業(yè)奇才,,在5G方興未艾、6G引發(fā)廣泛關(guān)注的當下明確“星鏈計劃”時間表,,賺足了眼球,。 摩托羅拉在上世紀90年代實現(xiàn)的銥星是第一個低軌道衛(wèi)星星座。他認為,,“銥星計劃”本身也是極具想象力的劃時代構(gòu)想,,但生不逢時?!靶擎溣媱潯钡拇_在某種程度可以看作是“銥星計劃”的重啟,,但兩者的命運將截然不同。 “銥星計劃”1987年提出,,1992年啟動,,1998年11月1日投入使用。66顆衛(wèi)星分布在6個極軌平面上,,在780公里高的軌道上,,每顆星100分鐘左右繞地球一圈,可以提供全球任何地點(包括南北兩極)的電話通信業(yè)務(wù),。然而,,此時2G移動通信系統(tǒng)(GSM和CDMA)已經(jīng)在光傳輸助攻下,用戶數(shù)快速增長,,占領(lǐng)了很大市場,。而銥星只獲得了5萬多用戶,與達到盈虧平衡的60多萬用戶相距甚遠,;并且只能在室外打電話,,室內(nèi)沒有信號;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力也很弱,,沒有考慮到當時正在興起的互聯(lián)網(wǎng)需求,。諸多因素導(dǎo)致其成為歷史的教訓(xùn),在1999年8月份宣告破產(chǎn),?!般炐怯媱潯迸c地面移動通信系統(tǒng)有點像“既生喻,何生亮”的故事,。 陳山枝認為相較于“銥星計劃”,,“星鏈計劃”可以說趕上了好時候,時代的變遷帶來需求的變化和技術(shù)的進步。從需求的角度出發(fā),,移動通信的服務(wù)范圍從傳統(tǒng)的人際通話已走向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)和萬物互聯(lián)的行業(yè)應(yīng)用,成為數(shù)字經(jīng)濟的新引擎,。 低軌衛(wèi)星與5G互補,將覆蓋5G因技術(shù)或經(jīng)濟因素無法建設(shè)運行的偏遠地區(qū),、空中,、海洋、沙漠,、山區(qū),、森林等 “技術(shù)發(fā)展從來不是一蹴而就的,‘星鏈計劃’雖然取得了長足進步,,但并非完美無缺,,其與5G的關(guān)系只能是互補而非替代。”陳山枝說,。以5G的三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景為例:eMBB增強型移動寬帶方面,,“星鏈計劃”首先服務(wù)的是地廣人稀地區(qū)的住戶,空中的飛機,,海洋與大湖中的輪船,,野外科考者和驢友,而對于我們城市普通用戶而言,,由于手機終端體積及資費,、室內(nèi)通信等因素,且5G的大帶寬仍具有絕對優(yōu)勢,;mMTC萬物互聯(lián)方面,,針對沙漠與森林等野外作業(yè)與環(huán)境監(jiān)測特殊應(yīng)用場景,衛(wèi)星具備一定的覆蓋和成本比較優(yōu)勢,;而在uRLLC低時延高可靠方面,,衛(wèi)星通信卻處于絕對的劣勢,5G的空口時延是1ms,,而衛(wèi)星的空口時延為數(shù)十毫秒,,車聯(lián)網(wǎng)、實時工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景是其無法滿足的,。 陳山枝指出,,衛(wèi)星和地面移動通信都是資源受限系統(tǒng),頻率資源都像城市的商業(yè)土地一樣稀缺,。據(jù)介紹,,“星鏈計劃”使用的是Ku、Ka以及V波段衛(wèi)星信號,,需要專門的接收終端,,“衛(wèi)星終端的天線尺寸和一個Pad差不多大”,內(nèi)置電機驅(qū)動的衛(wèi)星追蹤裝置,。資費預(yù)計是50-60美元每月,,2025年將服務(wù)超過4000萬用戶。相比之下,,目前全球有80多億手機用戶,,4G寬帶用戶超過50億,預(yù)計2020年5G用戶將達到17.7億,。由此可見,,其服務(wù)的目標并非主流5G市場,特別是與我們在城市的普通消費者無緣,,除非你是“驢友”,。 另外,,衛(wèi)星軌道也是受限資源?!靶擎溣媱潯钡纳先f顆低軌道衛(wèi)星計劃分布在340-1300公里之間,,但軌道位置是有限的,不可以無限制隨意部署衛(wèi)星,,和頻率資源一樣,,軌道資源也需要國際電聯(lián)的批準和協(xié)調(diào)。 陳山枝進一步指出,,所有通信系統(tǒng)容量上限都受制于香農(nóng)公式:C=Wlog2(1+S/N),,與采用的頻率帶寬及通信信道的信噪比有關(guān),。由于衛(wèi)星與地面終端的通信距離,、所受的噪聲和干擾都大于地面蜂窩移動通信系統(tǒng),結(jié)果是衛(wèi)星通信的頻譜效率遠低于同期的蜂窩移動通信系統(tǒng),,這是科學(xué),,不是馬斯克的商業(yè)奇才能夠顛覆。如目前低軌衛(wèi)星包括SpaceX和OneWeb,,平均頻譜效率約在2.5bit/s/Hz,,只達到3G水平;而目前5G是平均頻譜效率10 bit/s/Hz 以上,,約4倍以上,。即若采用相同波段的相同帶寬,如以200MHz帶寬為例,,則低軌衛(wèi)星的傳輸速率約500Mbps,,而5G的傳輸速率則會達到2Gbps。 日前,,有自媒體語出驚人,,稱“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將顛覆5G,取代6G,?!睂τ谶@種標準的標題黨陳山枝表示“很無語”。假設(shè)全球通信使用高軌衛(wèi)星,,只需要三顆3.6萬公里的高軌衛(wèi)星,,就可以實現(xiàn)全球覆蓋,但是時延長達500ms-800ms,,目前單星容量在20Gbps左右,,系統(tǒng)容量遠遠不夠供全球人民的互聯(lián)網(wǎng)接入使用。為降低時延和損耗,,低軌衛(wèi)星星座成為更優(yōu)選擇,,然而隨著用戶數(shù)量的增加和接入速率的提升,,系統(tǒng)容量也一樣成為最大的瓶頸。 陳山枝分析指出:在頻率資源稀缺的情況下,,若要提升系統(tǒng)容量意味著增加衛(wèi)星數(shù)量,,這與地面蜂窩通信系統(tǒng)是一樣,通過小區(qū)分裂增加基站數(shù)量來提升系統(tǒng)容量,,就是頻率復(fù)用原理,。目前,以O(shè)neWeb公開數(shù)據(jù)為例,,原計劃低軌星座數(shù)量是720個,,系統(tǒng)總?cè)萘?.4Tbit/s,單用戶峰值能達到400Mbit/s,。若按每用戶平均速率是100M bit/s,,則OneWeb系統(tǒng)能容納可同時通信的用戶數(shù)量才是5.4萬。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,,截至2020年3月底,,全球4G寬帶用戶數(shù)量已達50億,4G基站總數(shù)約830萬,,中國是551萬,。未來,5G為實現(xiàn)4G的10到100倍用戶接入速率,,基站數(shù)量將是4G的2到3倍,。目前,5G技術(shù)指標是每平方公里能支持到10 Tbit/s,,注意OneWeb 720個低軌星座時的全球系統(tǒng)總?cè)萘坎?.4Tbit/s,。如果低軌衛(wèi)星像某些自媒體所說的“星鏈為全球網(wǎng)民提供高速寬帶服務(wù)”,設(shè)想一下若要顛覆5G,,就得實現(xiàn)與5G大體相當?shù)耐ㄐ湃萘?,這樣是否同樣需要幾百萬顆低軌衛(wèi)星才行?因為地面移動通信的基站大多建設(shè)在人口密集的城市,,但僅覆蓋約20%的陸地面積,。如果這部分區(qū)域全部采用衛(wèi)星通信密集覆蓋實現(xiàn)人們的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入,其最終結(jié)果就是城市上空近地軌道密布低軌衛(wèi)星星座,,由此將造成大量太空垃圾,,干擾光學(xué)觀測、模糊宇宙視野等環(huán)保問題,。 “理想很豐滿,,現(xiàn)實很骨感”。今年3月30日,,成功發(fā)射 34 顆衛(wèi)星還不到一周,,成立于2012年,,計劃通過數(shù)百顆低軌道衛(wèi)星為世界各地的人提供他們負擔得起的高速互聯(lián)網(wǎng)接入的OneWeb,申請破產(chǎn),,面臨收購命運,,成為新冠疫情擊倒的最大獨角獸。這是SpaceX的最大競爭對手,,也是軟銀投資的首批申請破產(chǎn)企業(yè)之一,。 馬斯克的原話是“星鏈將為那些接入不可靠、價格昂貴或完全無法使用的地區(qū),,提供高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)”,。因此,客觀講,,在大部分衛(wèi)星通信業(yè)內(nèi),,并沒有與地面移動通信去直面競爭用戶,去比系統(tǒng)的通信容量,。相比4G和5G,,衛(wèi)星便攜終端體積大,,衛(wèi)星信號無法覆蓋室內(nèi),,大樓也有遮擋,對天氣變化十分敏感,。每顆衛(wèi)星還面臨著數(shù)十倍甚至百倍于地面基站的建設(shè)和運行維護成本,,因此,需要找到精確的商業(yè)定位與運營模式,,以避免重蹈“銥星計劃”和OneWeb的覆轍,。 陳山枝指出:從通信能力看,一顆衛(wèi)星與一個地面基站的通信能力大體相當,,未來全球5G基站數(shù)將超過1000萬,,而低軌衛(wèi)星的數(shù)量在萬級,兩者相差千倍,。這就注定了衛(wèi)星的通信容量,、用戶規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面只能是5G的補充,。 當然,,現(xiàn)今時代與“銥星計劃”時也大不相同,低軌衛(wèi)星通信面向特定的區(qū)域,、特定用戶群和特定的應(yīng)用,,市場前景仍是廣闊的,如民航飛機部署低軌衛(wèi)星CPE終端,,支持機上乘客WiFi實現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)接入,,偏遠地區(qū)的居民也一樣,,還有海上與沙漠中的油氣開采區(qū)域及海島的4G/5G基站回傳中繼等等??傊?,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)唯一不可替代的優(yōu)勢在于全球無縫覆蓋,在成本可接受的情況下,,衛(wèi)星通信有其的獨特應(yīng)用價值,,但絕不是替代5G。因此,,SpaceX等低軌衛(wèi)星通信將與5G形成互補關(guān)系,。 陳山枝同時指出:從3G到4G移動通信由于技術(shù)和經(jīng)濟因素,已經(jīng)造成了人類數(shù)字鴻溝問題,,如偏遠地區(qū)居民沒有移動通信服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)接入,,這在國外很明顯,包括歐美,。我國在此方面解決得相對比較好,,三大電信運營商和廣電在“村村通”工程上做出巨大獻,其中也有衛(wèi)星技術(shù)的貢獻,。5G可能會進一步擴大數(shù)字鴻溝的趨勢,。而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是解決該問題且具有相對低成本優(yōu)勢的好工具。 6G:地面蜂窩通信與衛(wèi)星通信融合,,實現(xiàn)全球立體泛在覆蓋 衛(wèi)星通信離城市普通用戶還是有一段很長的距離,。短期來看地面基站,包括4G和5G,,仍然是主流,,將承擔絕大部分寬帶互聯(lián)網(wǎng)流量。展望下一代移動通信,,6G將真正向空,、天、海,、地的覆蓋擴展,,也將向高頻段擴展,爭取更多頻譜實現(xiàn)更高用戶接入速率,。 “6G技術(shù)將融合陸地無線移動通信,、高中低軌衛(wèi)星移動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,,實現(xiàn)全球泛在覆蓋的高速寬帶通信,。通過空天地一體化的發(fā)展,6G將實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò),、終端,、頻率、技術(shù)方面的高度融合,,為通信市場和應(yīng)用提供更廣闊的空間,。”陳山枝說,。 據(jù)了解,,陳山枝作為第一作者與中國信科團隊及國內(nèi)高校老師去年合作完成的一篇6G學(xué)術(shù)論文,已被權(quán)威期刊IEEE Wireless Communications錄用,,闡述了上述技術(shù)思路,,已經(jīng)可以在IEEE網(wǎng)站上下載閱讀。
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