手機直連衛(wèi)星，技術(shù)不難但商業(yè)化不易

劉艷

近日，一則報道再次推高了坊間對手機直連衛(wèi)星的關(guān)注度。據(jù)參考消息，愛立信正在研發(fā)一種新的通信手段：在地球任意地點，無須大型地面設備或地面基站中轉(zhuǎn)，僅憑一部智能手機就能與人造衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。預計這種新的通信方式將于2025年實現(xiàn)商用，到2050年有望實現(xiàn)與目前5G規(guī)格相當?shù)耐ㄐ潘俣取?/p>

早在20世紀90年代，相關(guān)機構(gòu)就在設想“無處不在”的通信網(wǎng)絡，一眾研發(fā)機構(gòu)及商業(yè)公司為此目標前赴后繼。從2017年到2022年，3GPP等機構(gòu)大力開展并推動基于5G的衛(wèi)星通信探索。4月25日，美國衛(wèi)星通信初創(chuàng)公司AST SpaceMobile宣布打通了全球首個天基蜂窩語音通話。隨著3GPP將衛(wèi)星網(wǎng)絡劃入非地面網(wǎng)絡（NTN）并開展研究與標準化工作，星地融合序幕徐徐拉開。

技術(shù)與商業(yè)模式需要平衡

近期，能“上星”的高端手機一直吸引著人們的高度關(guān)注，衛(wèi)星與手機的連接或許不難，但走向商用卻并不容易，利用低軌道通信衛(wèi)星實現(xiàn)全球無死角移動通信的夢想很豐滿，但現(xiàn)實卻是骨感的。

1997～1998年，美國銥星衛(wèi)星通信公司（以下簡稱銥星公司）委托摩托羅拉公司設計了一套全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，由于72顆（其中6顆為備用星）人造衛(wèi)星的排布就像銥原子核外電子分布，因此該系統(tǒng)被稱為銥星。

作為商業(yè)化低軌道衛(wèi)星的鼻祖，銥星基本不依賴地面設施即可實現(xiàn)全球覆蓋。但是，這個全球最具創(chuàng)造力的系統(tǒng)，卻于2000年3月隨著銥星公司宣布破產(chǎn)而中場落幕。

回憶這段往事，中國信息通信科技集團有限公司副總經(jīng)理陳山枝分外感慨：“20世紀90年代，幾乎同期出現(xiàn)的銥星系統(tǒng)（低軌道衛(wèi)星通信）和地面蜂窩移動通信（GSM）彼此競爭，但銥星卻因為巨額的研發(fā)和系統(tǒng)建設費用導致公司申請破產(chǎn)，而地面蜂窩移動通信因為用戶基數(shù)大、成本優(yōu)勢明顯，從2G一路發(fā)展到5G，商業(yè)化之路十分成功。”

客觀地說，當時銥星已突破了星間鏈路等關(guān)鍵技術(shù)問題，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與規(guī)程初步建成，并開始提供包括移動電話、尋呼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎饕獦I(yè)務。從這個角度看，銥星成功了。但是，計劃總投資23億美元的銥星，到1998年組網(wǎng)完成時，實際耗資50多億美元，巨額的成本讓銥星公司破產(chǎn)時背負了40多億美元債務，但當時的客戶卻只有兩萬多家（據(jù)測算約100萬用戶才能實現(xiàn)盈利）。

不僅實際耗資遠超投資預算，價格不菲的銥星因產(chǎn)品質(zhì)量和服務未能滿足客戶需求，在市場上也遭受到了冷遇。尤為值得關(guān)注的是，摩托羅拉啟動銥星建設時，絕大部分城市、近郊農(nóng)村、交通干線、旅游勝地等人口密集的區(qū)域已被地面網(wǎng)絡覆蓋，摩托羅拉“人們愿意為一個號碼通全球而付出一點高價”的想法過于一廂情愿，導致初代銥星最終化為現(xiàn)代通信的一個里程碑。

“技術(shù)先進，價格不會成為障礙”，雖然這一觀點始終有市場賣點，但銥星留下的前車之鑒，是理念超前、技術(shù)先進難敵市場需求，技術(shù)與商業(yè)模式始終需要一個平衡點，這從銥星重組后轉(zhuǎn)向行業(yè)應用而涅槃重生可見一斑。

搭建5G非地面網(wǎng)絡

理想始終不會泯滅，愛立信計劃將5G帶出地球。

2022年7月，愛立信宣布，與法國泰雷茲、美國高通各自開展包括多重研究與仿真模擬的細致研究，三方計劃對5G非地面網(wǎng)絡進行以智能手機為重點的測試與驗證。

這意味著未來5G智能手機可以在地球上任何地方使用5G連接，同時寬帶數(shù)據(jù)服務實現(xiàn)完整的全球覆蓋，那些通常只能被數(shù)據(jù)連接能力有限的傳統(tǒng)衛(wèi)星電話系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域也在其中。

正如愛立信高級副總裁兼首席技術(shù)官艾瑞克所言，愛立信、泰雷茲和高通合作開展的這一測試和驗證將成為通信史上的一座重要里程碑，其最終結(jié)果可能會表明無論是在海洋中央還是在最偏遠的森林，用戶都可以在地球上的任何地方通過聯(lián)合搭建的5G衛(wèi)星與地面連接，獲得高端、安全和經(jīng)濟的通信服務。

此次測試的目標是驗證實現(xiàn)5G非地面網(wǎng)絡所需的各種技術(shù)組件，包括5G智能手機、衛(wèi)星有效載荷和地面5G網(wǎng)絡部件，以及智能手機的外形尺寸是否可以支持5G非地面網(wǎng)絡，從而使未來的5G智能手機成功轉(zhuǎn)變?yōu)樾l(wèi)星手機。

愛立信將驗證一個5G虛擬RAN（vRAN）堆棧，該堆棧為了處理通過低地球軌道衛(wèi)星傳播的無線電信號而經(jīng)過了專門修改（模擬5G無線電波在太空真空和地球大氣層中的傳播情況），泰雷茲將驗證適合在低地球軌道衛(wèi)星上部署的5G無線衛(wèi)星有效載荷，高通則提供用于驗證未來5G智能手機是否可以接入5G非地面網(wǎng)絡的測試手機。

艾瑞克補充道，現(xiàn)在討論何時能夠?qū)⒋舜魏献魉a(chǎn)生的5G原型衛(wèi)星發(fā)射到軌道上并投入使用還為時過早，但愛立信、泰雷茲和高通計劃進行的這項具有高技術(shù)含量的地面測試和驗證工作是使之成為現(xiàn)實的關(guān)鍵。

用于通信的衛(wèi)星將沿近地軌道運行，其與距地表約3.6萬公里的靜止衛(wèi)星相比離地球更近，如果搭載在智能手機上的通信半導體的性能得到提高，即便不利用地面固定大型天線也能聯(lián)通衛(wèi)星。

顯然，借助低軌道衛(wèi)星建立5G連接將大大增強5G智能手機的漫游服務能力。

星地融合是未來主流方向

地面蜂窩移動通信一路發(fā)展到5G，用戶規(guī)模不斷擴大，商業(yè)化程度較高。相比之下，衛(wèi)星通信的商業(yè)化程度與地面蜂窩移動通信系統(tǒng)顯然不在一個量級。

目前較為成熟的星鏈計劃，聚焦于通過其低軌道衛(wèi)星為用戶直接提供通信服務，雖然是地面移動通信的一個補充，但并未考慮兩者之間的深度融合。

而已經(jīng)得到了主流智能手機芯片和終端廠商支持的5G R17版本標準家族中的非地面網(wǎng)絡，其目的是將衛(wèi)星通信等非地面網(wǎng)絡納入到移動通信的體系中，實現(xiàn)與地面移動通信的融合和共同商用，絕非地面移動通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡“兩張皮”發(fā)展。

英國薩里大學教授孫智立表示，蜂窩移動通信一直面向地面用戶，直到全球覆蓋的需求對地面蜂窩移動通信提出了巨大的挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信的優(yōu)勢才顯示出來，從而成為5G以及未來6G技術(shù)不可或缺的一部分。

孫智立進一步指出：“為支持5G/6G在大連接、低時延、高可靠性方面的需求，衛(wèi)星通信從高軌走向全軌（高中低軌）、從窄帶走向?qū)拵б咽潜厝弧臉藴驶彤a(chǎn)業(yè)化角度看，地面通信和衛(wèi)星通信這兩個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的演進路徑將完美融合。”

華為則認為以蜂窩為主、衛(wèi)星通信為輔，才能建立起覆蓋全球的、適合各種應用場景的網(wǎng)絡。但是，即便是構(gòu)建起這樣一張通信網(wǎng)絡，仍存在一定的挑戰(zhàn)，華為6G首席科學家王俊在2023全球6G技術(shù)大會上曾指出，衛(wèi)星直連手機具備可行性，但提升頻譜效率和運維管理是難點。

“高軌道衛(wèi)星離地球遠，覆蓋面積大，但時延長；低軌道衛(wèi)星離地球近，時延小，但覆蓋面積小。因此要用許多衛(wèi)星形成星座來實現(xiàn)全球覆蓋。空間軌道和頻譜是稀缺資源，多種衛(wèi)星相結(jié)合可以增加頻譜利用率，有效利用珍貴的頻譜資源。”孫智立進一步指出，能夠用于衛(wèi)星通信的頻譜資源比較有限，同時衛(wèi)星產(chǎn)生的波束遠大于地面無線網(wǎng)絡，使得頻譜的利用率遠不如地面無線網(wǎng)絡，這將直接影響通信的容量。

孫智立強調(diào)，在引入低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡時，要做好衛(wèi)星數(shù)量和覆蓋范圍的權(quán)衡。對衛(wèi)星網(wǎng)絡進行動態(tài)管理可降低衛(wèi)星網(wǎng)絡傳輸成本，有利于滿足網(wǎng)絡服務質(zhì)量的要求。

王俊則特別指出：“現(xiàn)在低軌衛(wèi)星每顆星基本上只有幾分鐘的服務時間，每幾分鐘就會發(fā)生一次大規(guī)模用戶切換。在大規(guī)模用戶管理和運營時，如何在星星和星地之間實現(xiàn)無縫切換，在未來很長一段時間內(nèi)都是較大的挑戰(zhàn)。”