衛星互聯網究竟是什么？

高超

今年上半年，馬斯克分七次將420顆衛星發射升空，進一步完善其星鏈計劃衛星互聯網星座，再次引發關注。與此同時，在今年全國兩會上，代表委員提交了多份關于衛星互聯網的建議提案，推動中國衛星互聯網產業加速發展。那么，什么是衛星互聯網？全球衛星互聯網發展到了哪個階段？中國衛星互聯網該如何發展？圍繞上述問題，IEEE Fellow陳山枝與《通信產業報》全媒體總編輯辛鵬駿展開了對話。

辛鵬駿：馬斯克的星鏈計劃以及由此引發的衛星互聯網近來受到廣泛關注，甚至有人提出衛星互聯網替代 5G、6G、地面通信。您怎么看衛星互聯網？

陳山枝：衛星互聯網，在國外也稱作空間互聯網（Space Internet），是指利用衛星通信技術為全球，乃至外太空提供互聯網接入服務的網絡，是繼移動互聯網（Mobile Internet）、物聯網（Internet of Thing）之后的新名詞。

辛鵬駿：全球衛星互聯網發展狀況如何？中國衛星互聯網整體概況是什么？

陳山枝：根據軌道高度，衛星可以分為低地球軌道（LEO）衛星、中地球軌道（MEO）衛星和對地靜止軌道（GEO）衛星等。中高軌道衛星具有覆蓋優勢，單顆GEO衛星可覆蓋近1/3地球表面積。相比之下，低軌衛星具有發射成本低、距離地面近、傳輸時延短、路徑損耗小、數據傳輸率高等優點，有利于地面終端的小型化，能以更小的信號功率被低軌衛星接收。但由于低軌衛星相對于地表的移動速度超過5700m/s，一顆衛星的可視時間約10分鐘，而用戶在一個波束的駐留時間可能只有1分鐘，因此發生波束切換和星間切換的頻度較高，其移動性管理與控制更為復雜。

不過，隨著衛星通信成為數字經濟的新型基礎設施，衛星通信技術不斷進步，以及衛星制造及發射成本降低，低軌衛星通信成為近年來產業界的熱點，受到廣泛關注。近年來，全球興起了LEO星座建設熱潮，先后有Starlink（星鏈）、OneWeb、O3b、波音、TeleSat、LeoSat等多個星座計劃。中國企業也推出了“虹云”“鴻雁”“天地一體化”等LEO星座。

辛鵬駿：衛星通信能不能替代5G、6G、地面固定通信？衛星通信該如何定位，核心優勢是什么？與地面通信應該是什么關系？

陳山枝：從通信系統角度分析低軌衛星通信的頻率與軌道資源、系統容量、建設和運維成本等，其低軌衛星通信系統要服務全球網民還有很大差距，與5G的關系只能是互補而非替代。

低軌衛星通信唯一不可替代的優勢在于全球無縫覆蓋，可以解決陸地移動通信解決不了的偏遠地區、海洋、空間、荒漠與山區等寬帶通信問題。另外，發生地震、海嘯等嚴重自然災害時，地面移動通信網絡容易受損而導致通信中斷，衛星通信成為重要的應急通信手段。

未來，6G技術將融合陸地無線通信、高中低軌衛星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，實現全球立體泛在覆蓋空、天、地、海的高速寬帶通信。

辛鵬駿：目前全球衛星通信面臨哪些技術難點與挑戰？未來技術創新方向是什么？

陳山枝：第一，衛星通信的頻譜利用率低于地面移動通信，每比特能耗又高于地面移動通信。目前SpaceX的衛星到用戶終端的下行鏈路平均頻譜效率為2.7bit/s/Hz，只達到3G水平;而目前5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz 以上。另外，低軌衛星終端的每比特能耗要比5G手機至少差一個數量級以上。

第二，通信衛星建設和運維成本高。盡管馬斯克的顛覆性創新大大降低了發射衛星的成本和門檻，但是沒有改變衛星通信技術本身。衛星平臺上的基站面臨空間電磁環境和可靠性等特殊設計要求，又大大抬高了研制成本。根據當前測算，這就意味著每顆通信衛星仍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，資費肯定高于5G。

第三，衛星通信存在大量無效覆蓋問題。低軌衛星相對地面是高速運動的，會經過一些地廣人稀地區、海洋等，衛星覆蓋與通信密度不成正比，造成大量無效覆蓋，給星座設計和系統投資提出了較大挑戰。

第四，衛星終端體積大、功耗大，通信資費較高，吸引力有限。與4G和5G手機相比，便攜衛星終端體積大和功耗大，且衛星信號無法覆蓋室內，城市大樓遮擋直視徑信道（LOS），對雨、雪、霧、云等天氣十分敏感，峰值通信速率（媒體宣傳的速率）和平均通信速率相差較大，加上資費因素，對城市普通消費者沒有吸引力。

鑒于上述挑戰，衛星通信的未來技術創新有四個重要方面：一個是衛星星間鏈路組網技術，二是衛星終端天線技術，三是開拓更高頻段的技術，四是衛星星座設計和衛星軌道傾斜技術，減少無效覆蓋。

辛鵬駿：當前衛星通信已經被列入新基建范疇，而在今年兩會上雷軍代表也提出讓民營企業更多參與衛星互聯網。您覺得中國應該如何布局衛星通信？下一步著力點應該在哪些方面？您講過兩個“爭取”兩個“合作”如何理解？

陳山枝：中國的海事、鐵路、林業、礦業等各行各業，在空間、海洋、荒漠、森林、山區等都有寬帶移動通信的強烈需求。另外，中國企業參與“一帶一路”經濟建設也需要信息通信技術的支撐。針對上述需求，中國低軌衛星通信應重點布局上述行業，利用低軌衛星通信廣覆蓋、大帶寬的技術優勢，在地面移動通信網絡難以覆蓋區域提供通信服務。

與此同時，針對當前全球衛星互聯網發展形勢，中國應該采用5G關鍵技術設計，加快發展基于5G的低軌衛星通信。這是因為中國5G技術和產業在全球領先，5G已開始商用;同時，與目前大部分商用低軌衛星的通信技術相比，5G技術在大帶寬、靈活幀結構、信號波形等許多方面擁有較大的優勢。不過，由于與地面通信系統相比，衛星通信系統具有較大的獨特性和差異性，所以基于5G的低軌衛星通信必須對5G部分關鍵技術進行適應性的改進和針對性的優化設計。

不過，需要指出的是，低軌衛星軌道和頻譜資源是一種不可再生的戰略資源，是衛星通信系統的兩大核心資源要素，也是實現商用的前提條件。根據ITU規則，低軌道和頻譜資源實行“先登先占”的原則，而國外公司近年來紛紛推出規模龐大的低軌衛星系統搶占有限的低軌衛星軌道和頻譜資源，爭取先發優勢，爭奪太空優勢，因此中國企業也應向ITU申請和爭取衛星通信的頻譜資源和軌道資源。此為兩個爭取。

當然也要積極推進國際合作與國內合作，即兩個合作。在國際合作方面，建議重點與3GPP和ITU等國際組織合作推進低軌衛星通信國際標準的制定。在國內合作方面，重點推動商業航天產業與移動通信產業、集成電路產業的“跨界”合作，共同推進衛星制造技術、火箭發射技術、移動通信技術、集成電路技術的協同進步，通過產業合作來打造一個融合的新產業，并實現商業模式的創新。