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卫星通信
2020/6/1 08:03

陈山枝建言我国低轨卫星通信发展:与5G兼容,到6G融合

C114通信网  李亚利

C114讯 6月1日消息(李亚利)从1G到5G移动通信技术历经约40年的发展,终于从服务于人走向服务于行业,赋能经济社会数字化转型

与此同时,卫星通信再次成为关注的重点,特别是马斯克提出的“星链计划(Starlink)”:利用猎鹰9号可回收火箭重复使用,一箭60星低成本将12000颗卫星送上轨道平面,实现星间组网,服务空间、海洋、森林和荒漠及偏远地区的移动宽带通信。

针对低轨卫星通信与5G/6G的关系,C114通信网再次特邀中国信息通信科技集团副总经理、专家委主任,无线移动通信国家重点实验室主任、IEEE Fellow陈山枝博士进行专访。陈山枝表示,从需求、应用、技术等多个维度判断,当前低轨卫星通信与5G是互补关系;而在6G时代,移动通信走向天地一体,低轨星座将与地面移动通信系统有机融合,实现任何人、任何物在任何时间和地点无缝覆盖和接入。

陈山枝进一步建言加快我国低轨卫星通信发展,提出我国发展低轨卫星通信可以复用5G技术标准成果并分享5G相关产业链,从而利用我国5G的产业优势和规模经济,降低成本,并为6G时代的天地融合通信打下基础;我国发展低轨卫星通信的策略是“两个争取,两个合作”:争取频率资源和轨道资源,开展国际合作与国内合作。

中国信息通信科技集团副总经理、专家委主任,无线移动通信国家重点实验室主任、IEEE Fellow陈山枝博士

低轨卫星通信优势突出,局限性亦明显,当前与5G是互补关系

陈山枝分析说,从1G到4G地面移动通信的基站建设密度与在地理上的人口分布密度和经济发达程度成正比,基站建设优先在人口稠密和经济发达的城市和工业园区等,再扩展到人口相对稀疏的郊区和农村。目前地面移动通信仅覆盖约20%的陆地面积,小于地球表面积的6%。而5G的目标是服务于千行百业和万物互联,那么按道理说未来5G基站分布将取决于人口分布以及行业应用需求。而在行业应用需求中,特别是空中、海洋、森林、沙漠地区及其他地广人稀的区域,对于空中飞机及无人机、海上油井和船舶、森林防火及野生动物的视频监控、电力线路和铁路沿线的巡检、边境线的防控等应用场景是5G很难实现的。即使是陆地的这类应用如果采用5G覆盖,前期商业模式也面临很大的挑战,收入规模与5G建站和运维成本不相匹配。这就给低轨卫星通信带来了商机,低轨卫星通信全球覆盖,且其成本敏感性与行业应用的地理位置和通信接入点区域密度没有直接相关性,特别是对于低密度用户接入场景下的宽带互联和通信更具优势。

此外,卫星通信是灾害突发时快捷有效的应急保障手段,特别是在地震、海啸等严重自然灾害发生时,地面基站受到严重破坏,卫星通信便成为抢险救灾唯一的通信手段。在2008年汶川地震及2010年玉树地震等重大灾害发生后,国家相关部门和电信运营商紧急调用各种卫星通信设备,切实保障了灾区的通信网络畅通,为灾区开展救援工作起到重要的促进作用。

陈山枝指出:由于技术和经济因素,3G到4G的移动通信已经在全球造成了数字鸿沟问题,如偏远地区居民没有移动通信服务和互联网接入,这在国外很明显,特别是发展中国家,也包括欧美。我国在普遍服务的政策支持上相对比较到位,三大电信运营商和广电为“村村通”工程做出了巨大投入,其中也有卫星技术的贡献。面对5G可能会进一步扩大数字鸿沟的趋势,卫星互联网成为能够提供普遍服务且具有相对低成本优势的好工具。

但陈山枝同时指出:任何事物都是辩证的,每个硬币都有两面,低轨卫星通信也不例外,可以说是优点突出、局限性明显。首先是频谱效率,由于卫星与地面终端的通信距离、功率密度、多天线部署等受到较多限制,卫星通信的频谱效率远低于同期的蜂窝移动通信系统。目前,包括SpaceX和OneWeb在内的低轨卫星,平均频谱效率约在2.5bit/s/Hz,只达到3G水平;而5G的平均频谱效率在10 bit/s/Hz 以上,是卫星通信的4倍以上。

其次是系统容量问题,陈山枝分析指出:在频率资源稀缺的限制情况下,若要提升系统容量意味着增加卫星数量,这与地面蜂窝通信系统是一样的,通过小区分裂增加基站数量来提升系统容量,即频率复用原理。从通信角度看,可以简单理解成卫星通信是将地面基站搬到到空中。目前全球4G基站总数约830万,5G将建设2到3倍于4G的基站数量,而星链计划的星座包含1.2万颗星。若像有些国内自媒体说的“星链将颠覆5G,服务于全球网民的宽带互联网需求”,那么低轨卫星就必须实现与5G大体相当的总通信容量,同样需要几百万颗低轨卫星密布在全球城市带及附近上空的近地轨道,这在星座设计和卫星发射上是完全不可想象的。即使是万颗星的星座,也会造成大量太空垃圾,同时引发干扰光学观测、模糊宇宙视野等环保问题。最后,还有建设和运维成本问题,尽管马斯克大大降低了发射卫星的成本和门槛,但是每颗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。

此外,卫星终端体积和功耗大,卫星信号无法覆盖室内,城市内的楼宇遮挡也会造成用户通信中断,同时对天气变化十分敏感。因而,卫星通信只能作为地面移动通信的有益补充,其服务的目标并非主流5G市场,尤其是与我们城市中的普通消费者无缘。

因此,城市等人口密集和经济发达等区域的移动宽带互联网接入将以5G为主,低轨卫星通信为辅;而空间、海洋、森林和荒漠及偏远地区的移动宽带通信将以低轨卫星通信为主。现在的需求与上世纪九十年代的“铱星”时也大不相同,移动通信的服务范围开始从传统的人际通话走向宽带互联网和万物互联的行业应用与数字经济时代,低轨卫星通信面向特定的区域、特定用户群和特定的应用,市场前景仍是广阔的。

我国当前发展低轨卫星通信:复用与兼容5G技术标准

陈山枝指出,马斯克的“星链计划”从本质上讲并不是对通信技术的贡献,其最大的贡献在于卫星的颠覆性创新技术:一箭多星和火箭回收。对于通信技术而言,天空与地面的技术最大复用与兼容才是5G时代的正确走向。

陈山枝介绍,目前的低轨卫星通信大多数采用欧盟ETSI的第三代数字卫星电视广播标准(DVB-S2/S2X)并做改进。该DVB标准最初仅支持广播,后来升级支持双向通信(即交互式互联网业务)。DVB不具备移动性管理功能,没有核心网,频谱利用效率也不高,可以认为是类似地面固定无线接入通信(与十多年前的WiMAX类似)。DVB可以支持广播业务(BSS,Broadcasting Satellite Service)和固定业务(FSS,Fixed Satellite Service),但支持移动卫星业务(MSS,Mobile Satellite Service)能力差。

陈山枝分析指出,随着5G技术标准制定完成和商用启动,5G从技术与产业两个角度都将对卫星通信起到重要的借鉴作用。如果低轨卫星通信能够最大程度地复用地面5G通信的关键技术和标准,包括大带宽、灵活帧结构、信号波形、信道编码、波束赋形与控制、移动性管理、服务架构以及组网方式等方面,将十分有利于卫星通信技术与产业的发展。另外,从3G突破到4G并跑再到5G引领,我国移动通信的产业链已经发展的十分完整,包括核心网系统、基站设备、手机终端、芯片、测试仪表等。目前,5G已经正式进入商用,技术和产业链成熟度高。当前,我国的低轨卫星通信系统正处于起步阶段,如果能够最大程度地复用和兼容5G,低轨卫星通信的信关站、卫星通信终端等产业可以复用5G基站和芯片等成果。一方面引入最先进移动通信技术,同时很大程度上降低技术风险;另一方面可以利用和分享5G的规模经济来降低成本,实现差异化竞争。成熟的5G技术和规模产业对我国低轨卫星通信产业发展大有裨益。

但陈山枝同时也分析指出,虽然说低轨卫星通信可以复用和借鉴5G关键技术,比DVB技术更先进,但是由于卫星通信系统跟地面移动通信系统相比有很多独特性和差异,低轨卫星通信无法直接完全复制目前5G技术标准。主要差异表现在:1)卫星信道和地面信道的传播特性不同,卫星通信更容易受天气等因素影响;2)卫星高速移动,引发时间同步跟踪性能、频率同步跟踪(多普勒效应)、移动性管理、调制解调性能等更多挑战;3)通信传播距离不同,卫星通信系统传播距离远,损耗大,传输时延大,对于时序关系和传输方案造成新影响;4)卫星通信必须采用高指向波束以抵消传播损耗,而卫星的姿态和用户的天线方向随时都在发生变化,导致天线面会随时发生变化,对系统设计带来新挑战。因此,基于上述差异和特殊性,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。

陈山枝介绍,从2016年,中国信科大唐)开始参与3GPP的非地面网络(NTN)标准研究工作,开展了基于5G的低轨卫星通信关键技术研究、通信体制和协议设计,并研制原理样机参与关键技术验证,与国内产业界合作也取得了积极进展。

我国发展卫星通信策略:两个争取,两个合作

针对我国当前发展基于5G的低轨卫星通信策略,陈山枝提出“两个争取和两个合作”:争取频率资源和轨道资源,分别进行国际合作与国内合作。

首先是向国际电联联盟(ITU)争取卫星通信的频率资源和轨道资源。频率资源像城市的商业土地一样稀缺,随着卫星通信、地面通信以及探测业务对低频段频谱资源的持续增加的占用以及各种应用对于高速移动通信需求的不断提升,现有的Ku、Ka等高频段资源逐渐枯竭,将难以满足巨大的频谱需求。预计频率更高的Q频段、V频段和太赫兹频段将成为下一代通信卫星布局和争夺的焦点。因此需要提前部署和申请频率资源,为我国发展卫星通信提供资源保障。

另外,卫星轨道也是受限资源。“星链”的上万颗低轨道卫星计划分布在340-1300公里之间,但卫星轨道位置是有限的,不可以无限制随意部署卫星,和频率资源一样,轨道资源也需要国际电联的批准和协调。

在国际合作方面,重点参与在3GPP等推进国际标准的制定。陈山枝指出,当前卫星移动通信的最大问题是技术体制太多且不能互联互通,没有形成像地面移动通信一样的规模经济效应,不同卫星运营商间互联互通及漫游难。因此,需要尽快形成基于5G的统一的低轨卫星通信技术体制,推动中国的卫星通信走向海外市场,参与国际合作,同时也能服务于“一带一路”的发展中国家,既服务经济合作,又解决数字鸿沟问题。

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,共同推进卫星发射技术和移动通信技术、集成电路技术的进步,通过产业合作来推进打造一个融合的新产业,并实现商业模式的创新。

未来的卫星通信:融合到6G中

移动通信十年一代,本着“开发和商用一代,预研下一代的原则”,在5G刚刚商用、方兴未艾之际,开启6G研究适逢其时。目前,中国信科、华为中兴等设备商,我国三大运营商,北邮、清华、东南大学等通信院校,都已经开始进行B5G和6G相关研究。

陈山枝认为6G将建立空、天、地、海泛在的移动通信网络,我国在卫星通信与5G兼容方面的前期探索,将为未来的6G有机融合高中低轨卫星通信与地面移动通信发展打下坚实的基础。未来6G融合是指一种通信技术标准体制包容卫星移动通信与地面移动通信,并且用户终端采用全网统一标识和接入,不再区分卫星与地面系统,进行统一管理。

图1. 6G将有机融合卫星通信与地面移动通信

(源自Shanzhi Chen, et.al., “Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G ---- How to Tackle the Challenges of System Coverage, Capacity, User Data-rate and Movement Speed,” IEEE Wireless Communications, vol. 27, no. 2, pp. 218-228, April 2020)

陈山枝介绍,中国信科集团还成立了6G技术预研团队,聚焦陆地与卫星通信的融合组网等关键技术预研,推动天地协同通信发展。

今年4月20日,国资委和发改委召开经济运行例行发布会,明确新基建的范围,卫星互联网成功“晋级”新基建战略,卫星通信与5G兼容复用迎来政策东风,也将在6G开启融合通信的新时代。

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