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陈山枝建言我国低轨卫星通信发展:与5G兼容,到6G融合

2020-06-01 09:47
C114通信网
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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。

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