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衛星通信
2020/5/9 14:50

陳山枝詳解低軌衛星通信:與5G是互補關系,在6G時是融合

C114通信網  李亞利

C114訊 5月9日消息(李亞利)4月20日,國資委和發改委召開經濟運行例行發布會,明確新基建的范圍,衛星互聯網成功“晉級”新基建戰略。

目前,陸地移動通信服務的人口覆蓋率約為80%,但受制于經濟成本、技術等因素,僅覆蓋了約20%的陸地面積,小于6%的地表面積。衛星互聯網可以解決海洋、森林、沙漠等偏遠地區船舶、飛機、科考的寬帶通信問題,成為地面移動通信的有益補充。

根據軌道高度,衛星可以分為高度500至2000 km的低地球軌道(LEO)衛星,高度2000至36000 km的中地球軌道(MEO)衛星和高度約36000公里的對地靜止軌道(GEO)衛星。與中高軌道衛星相比,低軌衛星傳輸延遲更短、路徑損耗更小,因而受到廣泛關注。

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個月內私人內測,6個月內公測,隨后發射了多顆衛星。不少人認為,星鏈等低軌道衛星星座就是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,在通信行業內外都引起不小的爭議,為此C114通信網特別邀請到中國信息通信科技集團副總經理、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,就衛星通信、特別是低軌衛星通信進行深度解讀。

中國信息通信科技集團副總經理、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

陳山枝認為,低軌星座不是6G,更不會顛覆5G。從需求、應用、技術等多個維度判斷,低軌衛星與5G是互補關系;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有機融合,實現任何人、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 低軌衛星鳳凰涅槃

陳山枝毫不諱言,馬斯克是個商業奇才,在5G方興未艾、6G引發廣泛關注的當下明確“星鏈計劃”時間表,賺足了眼球。

摩托羅拉在上世紀90年代實現的銥星是第一個低軌道衛星星座。他認為,“銥星計劃”本身也是極具想象力的劃時代構想,但生不逢時。“星鏈計劃”的確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)的電話通信業務。然而,此時2G移動通信系統(GSMCDMA)已經在光傳輸助攻下,用戶數快速增長,占領了很大市場。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,室內沒有信號;數據業務能力也很弱,沒有考慮到當時正在興起的互聯網需求。諸多因素導致其成為歷史的教訓,在1999年8月份宣告破產。“銥星計劃”與地面移動通信系統有點像“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的進步。從需求的角度出發,移動通信的服務范圍從傳統的人際通話已走向寬帶互聯網和萬物互聯的行業應用,成為數字經濟的新引擎。

陳山枝指出:相比“銥星計劃”,20多年過去,技術進步十分明顯,具體體現在衛星技術、集成電路技術和通信技術三個方面。就衛星技術進步而言,“星鏈計劃”的核心是利用獵鷹9號可回收火箭,且一箭60星,可以低成本將12000顆衛星送到軌道平面,服務海洋、森林和荒漠及偏遠區域;集成電路技術的進步,增強了衛星的星上處理能力,可以降低時延和實現星間組網,同時集成電路技術進步可以減少終端的成本和體積;就通信技術而言,基于毫米波、太赫茲、可見光通信的星際鏈路等逐漸成熟,可以實現衛星間大帶寬直接組網。因此,上述需求的變化和技術的進步,使得低軌衛星通信成為近年來產業界的熱點,所以,SpaceX與OneWeb才能夠火起來。

低軌衛星與5G互補,將覆蓋5G因技術或經濟因素無法建設運行的偏遠地區、空中、海洋、沙漠、山區、森林等

“技術發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的關系只能是互補而非替代。”陳山枝說。以5G的三大業務應用場景為例:eMBB增強型移動寬帶方面,“星鏈計劃”首先服務的是地廣人稀地區的住戶,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、室內通信等因素,且5G的大帶寬仍具有絕對優勢;mMTC萬物互聯方面,針對沙漠與森林等野外作業與環境監測特殊應用場景,衛星具備一定的覆蓋和成本比較優勢;而在uRLLC低時延高可靠方面,衛星通信卻處于絕對的劣勢,5G的空口時延是1ms,而衛星的空口時延為數十毫秒,車聯網、實時工業互聯網等應用場景是其無法滿足的。

陳山枝指出,衛星和地面移動通信都是資源受限系統,頻率資源都像城市的商業土地一樣稀缺。據介紹,“星鏈計劃”使用的是Ku、Ka以及V波段衛星信號,需要專門的接收終端,“衛星終端的天線尺寸和一個Pad差不多大”,內置電機驅動的衛星追蹤裝置。資費預計是50-60美元每月,2025年將服務超過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,預計2020年5G用戶將達到17.7億。由此可見,其服務的目標并非主流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,衛星軌道也是受限資源。“星鏈計劃”的上萬顆低軌道衛星計劃分布在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星,和頻率資源一樣,軌道資源也需要國際電聯的批準和協調。

陳山枝進一步指出,所有通信系統容量上限都受制于香農公式:C=Wlog2(1+S/N),與采用的頻率帶寬及通信信道的信噪比有關。由于衛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,結果是衛星通信的頻譜效率遠低于同期的蜂窩移動通信系統,這是科學,不是馬斯克的商業奇才能夠顛覆。如目前低軌衛星包括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“衛星互聯網將顛覆5G,取代6G。”對于這種標準的標題黨陳山枝表示“很無語”。假設全球通信使用高軌衛星,只需要三顆3.6萬公里的高軌衛星,就可以實現全球覆蓋,但是時延長達500ms-800ms,目前單星容量在20Gbps左右,系統容量遠遠不夠供全球人民的互聯網接入使用。為降低時延和損耗,低軌衛星星座成為更優選擇,然而隨著用戶數量的增加和接入速率的提升,系統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,若要提升系統容量意味著增加衛星數量,這與地面蜂窩通信系統是一樣,通過小區分裂增加基站數量來提升系統容量,就是頻率復用原理。目前,以OneWeb公開數據為例,原計劃低軌星座數量是720個,系統總容量5.4Tbit/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系統能容納可同時通信的用戶數量才是5.4萬。統計數據顯示,截至2020年3月底,全球4G寬帶用戶數量已達50億,4G基站總數約830萬,中國是551萬。未來,5G為實現4G的10到100倍用戶接入速率,基站數量將是4G的2到3倍。目前,5G技術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總容量才5.4Tbit/s。如果低軌衛星像某些自媒體所說的“星鏈為全球網民提供高速寬帶服務”,設想一下若要顛覆5G,就得實現與5G大體相當的通信容量,這樣是否同樣需要幾百萬顆低軌衛星才行?因為地面移動通信的基站大多建設在人口密集的城市,但僅覆蓋約20%的陸地面積。如果這部分區域全部采用衛星通信密集覆蓋實現人們的寬帶互聯網接入,其最終結果就是城市上空近地軌道密布低軌衛星星座,由此將造成大量太空垃圾,干擾光學觀測、模糊宇宙視野等環保問題。

“理想很豐滿,現實很骨感”。今年3月30日,成功發射 34 顆衛星還不到一周,成立于2012年,計劃通過數百顆低軌道衛星為世界各地的人提供他們負擔得起的高速互聯網接入的OneWeb,申請破產,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企業之一。

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,提供高速寬帶互聯網業務”。因此,客觀講,在大部分衛星通信業內,并沒有與地面移動通信去直面競爭用戶,去比系統的通信容量。相比4G和5G,衛星便攜終端體積大,衛星信號無法覆蓋室內,大樓也有遮擋,對天氣變化十分敏感。每顆衛星還面臨著數十倍甚至百倍于地面基站的建設和運行維護成本,因此,需要找到精確的商業定位與運營模式,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基站數將超過1000萬,而低軌衛星的數量在萬級,兩者相差千倍。這就注定了衛星的通信容量、用戶規模、產業規模等方面只能是5G的補充。

當然,現今時代與“銥星計劃”時也大不相同,低軌衛星通信面向特定的區域、特定用戶群和特定的應用,市場前景仍是廣闊的,如民航飛機部署低軌衛星CPE終端,支持機上乘客WiFi實現高速互聯網接入,偏遠地區的居民也一樣,還有海上與沙漠中的油氣開采區域及海島的4G/5G基站回傳中繼等等?傊,衛星互聯網唯一不可替代的優勢在于全球無縫覆蓋,在成本可接受的情況下,衛星通信有其的獨特應用價值,但絕不是替代5G。因此,SpaceX等低軌衛星通信將與5G形成互補關系。

陳山枝同時指出:從3G到4G移動通信由于技術和經濟因素,已經造成了人類數字鴻溝問題,如偏遠地區居民沒有移動通信服務和互聯網接入,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,三大電信運營商廣電在“村村通”工程上做出巨大獻,其中也有衛星技術的貢獻。5G可能會進一步擴大數字鴻溝的趨勢。而衛星互聯網是解決該問題且具有相對低成本優勢的好工具。

6G:地面蜂窩通信與衛星通信融合,實現全球立體泛在覆蓋

衛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網流量。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,爭取更多頻譜實現更高用戶接入速率。

“6G技術將融合陸地無線移動通信、高中低軌衛星移動通信以及短距離直接通信等技術,融合通信與計算、導航、感知、智能等技術,通過智能化移動性管理控制,實現全球泛在覆蓋的高速寬帶通信。通過空天地一體化的發展,6G將實現在網絡、終端、頻率、技術方面的高度融合,為通信市場和應用提供更廣闊的空間。”陳山枝說。

據了解,陳山枝作為第一作者與中國信科團隊及國內高校老師去年合作完成的一篇6G學術論文,已被權威期刊IEEE Wireless Communications錄用,闡述了上述技術思路,已經可以在IEEE網站上下載閱讀。

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寫得不太好

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