從1G到5G，移動(dòng)通信技術(shù)歷經(jīng)約40年的發(fā)展，終于從服務(wù)于人走向服務(wù)于行業(yè)，賦能經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。與此同時(shí)，衛(wèi)星通信再次成為關(guān)注的重點(diǎn)，特別是馬斯克提出的“星鏈計(jì)劃（Starlink）”：利用獵鷹9號(hào)可回收火箭重復(fù)使用，一箭60星低成本將12000顆衛(wèi)星送上軌道平面，實(shí)現(xiàn)星間組網(wǎng)，服務(wù)空間、海洋、森林和荒漠及偏遠(yuǎn)地區(qū)的移動(dòng)寬帶通信。針對(duì)低軌衛(wèi)星通信與5G/6G的關(guān)系，C114通信網(wǎng)再次特邀中國(guó)信息通信科技集團(tuán)副總經(jīng)理、專(zhuān)家委主任，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、IEEE Fellow陳山枝博士進(jìn)行專(zhuān)訪。陳山枝表示，從需求、應(yīng)用、技術(shù)等多個(gè)維度判斷，當(dāng)前低軌衛(wèi)星通信與5G是互補(bǔ)關(guān)系；而在6G時(shí)代，移動(dòng)通信走向天地一體，低軌星座將與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)任何人、任何物在任何時(shí)間和地點(diǎn)無(wú)縫覆蓋和接入。陳山枝進(jìn)一步建言加快我國(guó)低軌衛(wèi)星通信發(fā)展，提出我國(guó)發(fā)展低軌衛(wèi)星通信可以復(fù)用5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成果并分享5G相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，從而利用我國(guó)5G的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低成本，并為6G時(shí)代的天地融合通信打下基礎(chǔ)；我國(guó)發(fā)展低軌衛(wèi)星通信的策略是“兩個(gè)爭(zhēng)取，兩個(gè)合作”：爭(zhēng)取頻率資源和軌道資源，開(kāi)展國(guó)際合作與國(guó)內(nèi)合作。

　　低軌衛(wèi)星通信優(yōu)勢(shì)突出，局限性亦明顯，當(dāng)前與5G是互補(bǔ)關(guān)系

　　陳山枝分析說(shuō)，從1G到4G地面移動(dòng)通信的基站建設(shè)密度與在地理上的人口分布密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度成正比，基站建設(shè)優(yōu)先在人口稠密和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市和工業(yè)園區(qū)等，再擴(kuò)展到人口相對(duì)稀疏的郊區(qū)和農(nóng)村。目前地面移動(dòng)通信僅覆蓋約20%的陸地面積，小于地球表面積的6%。而5G的目標(biāo)是服務(wù)于千行百業(yè)和萬(wàn)物互聯(lián)，那么按道理說(shuō)未來(lái)5G基站分布將取決于人口分布以及行業(yè)應(yīng)用需求。而在行業(yè)應(yīng)用需求中，特別是空中、海洋、森林、沙漠地區(qū)及其他地廣人稀的區(qū)域，對(duì)于空中飛機(jī)及無(wú)人機(jī)、海上油井和船舶、森林防火及野生動(dòng)物的視頻監(jiān)控、電力線(xiàn)路和鐵路沿線(xiàn)的巡檢、邊境線(xiàn)的防控等應(yīng)用場(chǎng)景是5G很難實(shí)現(xiàn)的。即使是陸地的這類(lèi)應(yīng)用如果采用5G覆蓋，前期商業(yè)模式也面臨很大的挑戰(zhàn)，收入規(guī)模與5G建站和運(yùn)維成本不相匹配。這就給低軌衛(wèi)星通信帶來(lái)了商機(jī)，低軌衛(wèi)星通信全球覆蓋，且其成本敏感性與行業(yè)應(yīng)用的地理位置和通信接入點(diǎn)區(qū)域密度沒(méi)有直接相關(guān)性，特別是對(duì)于低密度用戶(hù)接入場(chǎng)景下的寬帶互聯(lián)和通信更具優(yōu)勢(shì)。

　　此外，衛(wèi)星通信是災(zāi)害突發(fā)時(shí)快捷有效的應(yīng)急保障手段，特別是在地震、海嘯等嚴(yán)重自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，地面基站受到嚴(yán)重破壞，衛(wèi)星通信便成為搶險(xiǎn)救災(zāi)唯一的通信手段。在2008年汶川地震及2010年玉樹(shù)地震等重大災(zāi)害發(fā)生后，國(guó)家相關(guān)部門(mén)和電信運(yùn)營(yíng)商緊急調(diào)用各種衛(wèi)星通信設(shè)備，切實(shí)保障了災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)暢通，為災(zāi)區(qū)開(kāi)展救援工作起到重要的促進(jìn)作用。

　　陳山枝指出：由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，3G到4G的移動(dòng)通信已經(jīng)在全球造成了數(shù)字鴻溝問(wèn)題，如偏遠(yuǎn)地區(qū)居民沒(méi)有移動(dòng)通信服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)接入，這在國(guó)外很明顯，特別是發(fā)展中國(guó)家，也包括歐美。我國(guó)在普遍服務(wù)的政策支持上相對(duì)比較到位，三大電信運(yùn)營(yíng)商和廣電為“村村通”工程做出了巨大投入，其中也有衛(wèi)星技術(shù)的貢獻(xiàn)。面對(duì)5G可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)字鴻溝的趨勢(shì)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為能夠提供普遍服務(wù)且具有相對(duì)低成本優(yōu)勢(shì)的好工具。

　　但陳山枝同時(shí)指出：任何事物都是辯證的，每個(gè)硬幣都有兩面，低軌衛(wèi)星通信也不例外，可以說(shuō)是優(yōu)點(diǎn)突出、局限性明顯。首先是頻譜效率，由于衛(wèi)星與地面終端的通信距離、功率密度、多天線(xiàn)部署等受到較多限制，衛(wèi)星通信的頻譜效率遠(yuǎn)低于同期的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。目前，包括SpaceX和OneWeb在內(nèi)的低軌衛(wèi)星，平均頻譜效率約在2.5bit/s/Hz，只達(dá)到3G水平；而5G的平均頻譜效率在10 bit/s/Hz 以上，是衛(wèi)星通信的4倍以上。

　　其次是系統(tǒng)容量問(wèn)題，陳山枝分析指出：在頻率資源稀缺的限制情況下，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)是一樣的，通過(guò)小區(qū)分裂增加基站數(shù)量來(lái)提升系統(tǒng)容量，即頻率復(fù)用原理。從通信角度看，可以簡(jiǎn)單理解成衛(wèi)星通信是將地面基站搬到到空中。目前全球4G基站總數(shù)約830萬(wàn)，5G將建設(shè)2到3倍于4G的基站數(shù)量，而星鏈計(jì)劃的星座包含1.2萬(wàn)顆星。若像有些國(guó)內(nèi)自媒體說(shuō)的“星鏈將顛覆5G，服務(wù)于全球網(wǎng)民的寬帶互聯(lián)網(wǎng)需求”，那么低軌衛(wèi)星就必須實(shí)現(xiàn)與5G大體相當(dāng)?shù)目偼ㄐ湃萘?，同樣需要幾百萬(wàn)顆低軌衛(wèi)星密布在全球城市帶及附近上空的近地軌道，這在星座設(shè)計(jì)和衛(wèi)星發(fā)射上是完全不可想象的。即使是萬(wàn)顆星的星座，也會(huì)造成大量太空垃圾，同時(shí)引發(fā)干擾光學(xué)觀測(cè)、模糊宇宙視野等環(huán)保問(wèn)題。最后，還有建設(shè)和運(yùn)維成本問(wèn)題，盡管馬斯克大大降低了發(fā)射衛(wèi)星的成本和門(mén)檻，但是每顆衛(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。

　　此外，衛(wèi)星終端體積和功耗大，衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法覆蓋室內(nèi)，城市內(nèi)的樓宇遮擋也會(huì)造成用戶(hù)通信中斷，同時(shí)對(duì)天氣變化十分敏感。因而，衛(wèi)星通信只能作為地面移動(dòng)通信的有益補(bǔ)充，其服務(wù)的目標(biāo)并非主流5G市場(chǎng)，尤其是與我們城市中的普通消費(fèi)者無(wú)緣。

　　因此，城市等人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)等區(qū)域的移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入將以5G為主，低軌衛(wèi)星通信為輔；而空間、海洋、森林和荒漠及偏遠(yuǎn)地區(qū)的移動(dòng)寬帶通信將以低軌衛(wèi)星通信為主?，F(xiàn)在的需求與上世紀(jì)九十年代的“銥星”時(shí)也大不相同，移動(dòng)通信的服務(wù)范圍開(kāi)始從傳統(tǒng)的人際通話(huà)走向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)和萬(wàn)物互聯(lián)的行業(yè)應(yīng)用與數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，低軌衛(wèi)星通信面向特定的區(qū)域、特定用戶(hù)群和特定的應(yīng)用，市場(chǎng)前景仍是廣闊的。

　　我國(guó)當(dāng)前發(fā)展低軌衛(wèi)星通信：復(fù)用與兼容5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　陳山枝指出，馬斯克的“星鏈計(jì)劃”從本質(zhì)上講并不是對(duì)通信技術(shù)的貢獻(xiàn)，其最大的貢獻(xiàn)在于衛(wèi)星的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)：一箭多星和火箭回收。對(duì)于通信技術(shù)而言，天空與地面的技術(shù)最大復(fù)用與兼容才是5G時(shí)代的正確走向。

　　陳山枝介紹，目前的低軌衛(wèi)星通信大多數(shù)采用歐盟ETSI的第三代數(shù)字衛(wèi)星電視廣播標(biāo)準(zhǔn)（DVB-S2/S2X）并做改進(jìn)。該DVB標(biāo)準(zhǔn)最初僅支持廣播，后來(lái)升級(jí)支持雙向通信（即交互式互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)）。DVB不具備移動(dòng)性管理功能，沒(méi)有核心網(wǎng)，頻譜利用效率也不高，可以認(rèn)為是類(lèi)似地面固定無(wú)線(xiàn)接入通信（與十多年前的WiMAX類(lèi)似）。DVB可以支持廣播業(yè)務(wù)(BSS，Broadcasting Satellite Service)和固定業(yè)務(wù)（FSS，F(xiàn)ixed Satellite Service），但支持移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS，Mobile Satellite Service）能力差。

　　陳山枝分析指出，隨著5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定完成和商用啟動(dòng)，5G從技術(shù)與產(chǎn)業(yè)兩個(gè)角度都將對(duì)衛(wèi)星通信起到重要的借鑒作用。如果低軌衛(wèi)星通信能夠最大程度地復(fù)用地面5G通信的關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，包括大帶寬、靈活幀結(jié)構(gòu)、信號(hào)波形、信道編碼、波束賦形與控制、移動(dòng)性管理、服務(wù)架構(gòu)以及組網(wǎng)方式等方面，將十分有利于衛(wèi)星通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，從3G突破到4G并跑再到5G引領(lǐng)，我國(guó)移動(dòng)通信的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)發(fā)展得十分完整，包括核心網(wǎng)系統(tǒng)、基站設(shè)備、手機(jī)終端、芯片、測(cè)試儀表等。目前，5G已經(jīng)正式進(jìn)入商用，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈成熟度高。當(dāng)前，我國(guó)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)正處于起步階段，如果能夠最大程度地復(fù)用和兼容5G，低軌衛(wèi)星通信的信關(guān)站、衛(wèi)星通信終端等產(chǎn)業(yè)可以復(fù)用5G基站和芯片等成果。一方面引入最先進(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)，同時(shí)很大程度上降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；另一方面可以利用和分享5G的規(guī)模經(jīng)濟(jì)來(lái)降低成本，實(shí)現(xiàn)差異化競(jìng)爭(zhēng)。成熟的5G技術(shù)和規(guī)模產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)低軌衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展大有裨益。

　　但陳山枝同時(shí)也分析指出，雖然說(shuō)低軌衛(wèi)星通信可以復(fù)用和借鑒5G關(guān)鍵技術(shù)，比DVB技術(shù)更先進(jìn)，但是由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟地面移動(dòng)通信系統(tǒng)相比有很多獨(dú)特性和差異，低軌衛(wèi)星通信無(wú)法直接完全復(fù)制目前5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。主要差異表現(xiàn)在：1）衛(wèi)星信道和地面信道的傳播特性不同，衛(wèi)星通信更容易受天氣等因素影響；2）衛(wèi)星高速移動(dòng)，引發(fā)時(shí)間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤(多普勒效應(yīng))、移動(dòng)性管理、調(diào)制解調(diào)性能等更多挑戰(zhàn)；3）通信傳播距離不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳播距離遠(yuǎn)，損耗大，傳輸時(shí)延大，對(duì)于時(shí)序關(guān)系和傳輸方案造成新影響；4）衛(wèi)星通信必須采用高指向波束以抵消傳播損耗，而衛(wèi)星的姿態(tài)和用戶(hù)的天線(xiàn)方向隨時(shí)都在發(fā)生變化，導(dǎo)致天線(xiàn)面會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)新挑戰(zhàn)。因此，基于上述差異和特殊性，基于5G的低軌衛(wèi)星通信必須對(duì)5G部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性的改進(jìn)和針對(duì)性的優(yōu)化。

　　陳山枝介紹，從2016年，中國(guó)信科（大唐）開(kāi)始參與3GPP的非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）標(biāo)準(zhǔn)研究工作，開(kāi)展了基于5G的低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究、通信體制和協(xié)議設(shè)計(jì)，并研制原理樣機(jī)參與關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，與國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界合作也取得了積極進(jìn)展。

　　我國(guó)發(fā)展衛(wèi)星通信策略：兩個(gè)爭(zhēng)取，兩個(gè)合作

　　針對(duì)我國(guó)當(dāng)前發(fā)展基于5G的低軌衛(wèi)星通信策略，陳山枝提出“兩個(gè)爭(zhēng)取和兩個(gè)合作”：爭(zhēng)取頻率資源和軌道資源，分別進(jìn)行國(guó)際合作與國(guó)內(nèi)合作。

　　首先是向國(guó)際電聯(lián)聯(lián)盟（ITU）爭(zhēng)取衛(wèi)星通信的頻率資源和軌道資源。頻率資源像城市的商業(yè)土地一樣稀缺，隨著衛(wèi)星通信、地面通信以及探測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)低頻段頻譜資源的持續(xù)增加的占用以及各種應(yīng)用對(duì)于高速移動(dòng)通信需求的不斷提升，現(xiàn)有的Ku、Ka等高頻段資源逐漸枯竭，將難以滿(mǎn)足巨大的頻譜需求。預(yù)計(jì)頻率更高的Q頻段、V頻段和太赫茲頻段將成為下一代通信衛(wèi)星布局和爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。因此需要提前部署和申請(qǐng)頻率資源，為我國(guó)發(fā)展衛(wèi)星通信提供資源保障。

　　另外，衛(wèi)星軌道也是受限資源。“星鏈”的上萬(wàn)顆低軌道衛(wèi)星計(jì)劃分布在340-1300公里之間，但衛(wèi)星軌道位置是有限的，不可以無(wú)限制隨意部署衛(wèi)星，和頻率資源一樣，軌道資源也需要國(guó)際電聯(lián)的批準(zhǔn)和協(xié)調(diào)。

　　在國(guó)際合作方面，重點(diǎn)參與在3GPP等推進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。陳山枝指出，當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信的最大問(wèn)題是技術(shù)體制太多且不能互聯(lián)互通，沒(méi)有形成像地面移動(dòng)通信一樣的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，不同衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商間互聯(lián)互通及漫游難。因此，需要盡快形成基于5G的統(tǒng)一的低軌衛(wèi)星通信技術(shù)體制，推動(dòng)中國(guó)的衛(wèi)星通信走向海外市場(chǎng)，參與國(guó)際合作，同時(shí)也能服務(wù)于“一帶一路”的發(fā)展中國(guó)家，既服務(wù)經(jīng)濟(jì)合作，又解決數(shù)字鴻溝問(wèn)題。

　　在國(guó)內(nèi)合作方面，重點(diǎn)推動(dòng)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)與移動(dòng)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)星發(fā)射技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)產(chǎn)業(yè)合作來(lái)推進(jìn)打造一個(gè)融合的新產(chǎn)業(yè)，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)模式的創(chuàng)新。

　　未來(lái)的衛(wèi)星通信：融合到6G中

　　移動(dòng)通信十年一代，本著“開(kāi)發(fā)和商用一代，預(yù)研下一代的原則”，在5G剛剛商用、方興未艾之際，開(kāi)啟6G研究適逢其時(shí)。目前，中國(guó)信科、華為、中興等設(shè)備商，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商，北郵、清華、東南大學(xué)等通信院校，都已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行B5G和6G相關(guān)研究。

　　陳山枝認(rèn)為6G將建立空、天、地、海泛在的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)在衛(wèi)星通信與5G兼容方面的前期探索，將為未來(lái)的6G有機(jī)融合高中低軌衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來(lái)6G融合是指一種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體制包容衛(wèi)星移動(dòng)通信與地面移動(dòng)通信，并且用戶(hù)終端采用全網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和接入，不再區(qū)分衛(wèi)星與地面系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理。