從1G到5G，移動通信技術歷經約40年的發展，終于從服務于人走向服務于行業，賦能經濟社會數字化轉型。

與此同時，衛星通信再次成為關注的重點，特別是馬斯克提出的“星鏈計劃（Starlink）”：利用獵鷹9號可回收火箭重復使用，一箭60星低成本將12000顆衛星送上軌道平面，實現星間組網，服務空間、海洋、森林和荒漠及偏遠地區的移動寬帶通信。

針對低軌衛星通信與5G/6G的關系，再次特邀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。陳山枝表示，從需求、應用、技術等多個維度判斷，當前低軌衛星通信與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、任何物在任何時間和地點無縫覆蓋和接入。

陳山枝進一步建言加快我國低軌衛星通信發展，提出我國發展低軌衛星通信可以復用5G技術標準成果并分享5G相關產業鏈，從而利用我國5G的產業優勢和規模經濟，降低成本，并為6G時代的天地融合通信打下基礎；我國發展低軌衛星通信的策略是“兩個爭取，兩個合作”：爭取頻率資源和軌道資源，開展國際合作與國內合作。

低軌衛星通信優勢突出，局限性亦明顯，當前與5G是互補關系

陳山枝分析說，從1G到4G地面移動通信的基站建設密度與在地理上的人口分布密度和經濟發達程度成正比，基站建設優先在人口稠密和經濟發達的城市和工業園區等，再擴展到人口相對稀疏的郊區和農村。目前地面移動通信僅覆蓋約20%的陸地面積，小于地球表面積的6%。而5G的目標是服務于千行百業和萬物互聯，那么按道理說未來5G基站分布將取決于人口分布以及行業應用需求。而在行業應用需求中，特別是空中、海洋、森林、沙漠地區及其他地廣人稀的區域，對于空中飛機及無人機、海上油井和船舶、森林防火及野生動物的視頻監控、電力線路和鐵路沿線的巡檢、邊境線的防控等應用場景是5G很難實現的。即使是陸地的這類應用如果采用5G覆蓋，前期商業模式也面臨很大的挑戰，收入規模與5G建站和運維成本不相匹配。這就給低軌衛星通信帶來了商機，低軌衛星通信全球覆蓋，且其成本敏感性與行業應用的地理位置和通信接入點區域密度沒有直接相關性，特別是對于低密度用戶接入場景下的寬帶互聯和通信更具優勢。

此外，衛星通信是災害突發時快捷有效的應急保障手段，特別是在地震、海嘯等嚴重自然災害發生時，地面基站受到嚴重破壞，衛星通信便成為搶險救災唯一的通信手段。在2008年汶川地震及2010年玉樹地震等重大災害發生后，國家相關部門和電信運營商緊急調用各種衛星通信設備，切實保障了災區的通信網絡暢通，為災區開展救援工作起到重要的促進作用。

陳山枝指出：由于技術和經濟因素，3G到4G的移動通信已經在全球造成了數字鴻溝問題，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，特別是發展中國家，也包括歐美。我國在普遍服務的政策支持上相對比較到位，三大電信運營商和廣電為“村村通”工程做出了巨大投入，其中也有衛星技術的貢獻。面對5G可能會進一步擴大數字鴻溝的趨勢，衛星互聯網成為能夠提供普遍服務且具有相對低成本優勢的好工具。

但陳山枝同時指出：任何事物都是辯證的，每個硬幣都有兩面，低軌衛星通信也不例外，可以說是優點突出、局限性明顯。首先是頻譜效率，由于衛星與地面終端的通信距離、功率密度、多天線部署等受到較多限制，衛星通信的頻譜效率遠低于同期的蜂窩移動通信系統。目前，包括SpaceX和OneWeb在內的低軌衛星，平均頻譜效率約在2.5bit/s/Hz，只達到3G水平；而5G的平均頻譜效率在10 bit/s/Hz 以上，是衛星通信的4倍以上。

其次是系統容量問題，陳山枝分析指出：在頻率資源稀缺的限制情況下，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的，通過小區分裂增加基站數量來提升系統容量，即頻率復用原理。從通信角度看，可以簡單理解成衛星通信是將地面基站搬到到空中。目前全球4G基站總數約830萬，5G將建設2到3倍于4G的基站數量，而星鏈計劃的星座包含1.2萬顆星。若像有些國內自媒體說的“星鏈將顛覆5G，服務于全球網民的寬帶互聯網需求”，那么低軌衛星就必須實現與5G大體相當的總通信容量，同樣需要幾百萬顆低軌衛星密布在全球城市帶及附近上空的近地軌道，這在星座設計和衛星發射上是完全不可想象的。即使是萬顆星的星座，也會造成大量太空垃圾，同時引發干擾光學觀測、模糊宇宙視野等環保問題。最后，還有建設和運維成本問題，盡管馬斯克大大降低了發射衛星的成本和門檻，但是每顆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。

此外，衛星終端體積和功耗大，衛星信號無法覆蓋室內，城市內的樓宇遮擋也會造成用戶通信中斷，同時對天氣變化十分敏感。因而，衛星通信只能作為地面移動通信的有益補充，其服務的目標并非主流5G市場，尤其是與我們城市中的普通消費者無緣。

因此，城市等人口密集和經濟發達等區域的移動寬帶互聯網接入將以5G為主，低軌衛星通信為輔；而空間、海洋、森林和荒漠及偏遠地區的移動寬帶通信將以低軌衛星通信為主。現在的需求與上世紀九十年代的“銥星”時也大不相同，移動通信的服務范圍開始從傳統的人際通話走向寬帶互聯網和萬物互聯的行業應用與數字經濟時代，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。

我國當前發展低軌衛星通信：復用與兼容5G技術標準

陳山枝指出，馬斯克的“星鏈計劃”從本質上講并不是對通信技術的貢獻，其最大的貢獻在于衛星的顛覆性創新技術：一箭多星和火箭回收。對于通信技術而言，天空與地面的技術最大復用與兼容才是5G時代的正確走向。

陳山枝介紹，目前的低軌衛星通信大多數采用歐盟ETSI的第三代數字衛星電視廣播標準（DVB-S2/S2X）并做改進。該DVB標準最初僅支持廣播，后來升級支持雙向通信（即交互式互聯網業務）。DVB不具備移動性管理功能，沒有核心網，頻譜利用效率也不高，可以認為是類似地面固定無線接入通信（與十多年前的WiMAX類似）。DVB可以支持廣播業務（BSS，Broadcasting Satellite Service）和固定業務（FSS，Fixed Satellite Service），但支持移動衛星業務（MSS，Mobile Satellite Service）能力差。

陳山枝分析指出，隨著5G技術標準制定完成和商用啟動，5G從技術與產業兩個角度都將對衛星通信起到重要的借鑒作用。如果低軌衛星通信能夠最大程度地復用地面5G通信的關鍵技術和標準，包括大帶寬、靈活幀結構、信號波形、信道編碼、波束賦形與控制、移動性管理、服務架構以及組網方式等方面，將十分有利于衛星通信技術與產業的發展。另外，從3G突破到4G并跑再到5G引領，我國移動通信的產業鏈已經發展的十分完整，包括核心網系統、基站設備、手機終端、芯片、測試儀表等。目前，5G已經正式進入商用，技術和產業鏈成熟度高。當前，我國的低軌衛星通信系統正處于起步階段，如果能夠最大程度地復用和兼容5G，低軌衛星通信的信關站、衛星通信終端等產業可以復用5G基站和芯片等成果。一方面引入最先進移動通信技術，同時很大程度上降低技術風險；另一方面可以利用和分享5G的規模經濟來降低成本，實現差異化競爭。成熟的5G技術和規模產業對我國低軌衛星通信產業發展大有裨益。

但陳山枝同時也分析指出，雖然說低軌衛星通信可以復用和借鑒5G關鍵技術，比DVB技術更先進，但是由于衛星通信系統跟地面移動通信系統相比有很多獨特性和差異，低軌衛星通信無法直接完全復制目前5G技術標準。主要差異表現在：1）衛星信道和地面信道的傳播特性不同，衛星通信更容易受天氣等因素影響；2）衛星高速移動，引發時間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤（多普勒效應）、移動性管理、調制解調性能等更多挑戰；3）通信傳播距離不同，衛星通信系統傳播距離遠，損耗大，傳輸時延大，對于時序關系和傳輸方案造成新影響；4）衛星通信必須采用高指向波束以抵消傳播損耗，而衛星的姿態和用戶的天線方向隨時都在發生變化，導致天線面會隨時發生變化，對系統設計帶來新挑戰。因此，基于上述差異和特殊性，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。

陳山枝介紹，從2016年，中國信科（大唐）開始參與3GPP的非地面網絡（NTN）標準研究工作，開展了基于5G的低軌衛星通信關鍵技術研究、通信體制和協議設計，并研制原理樣機參與關鍵技術驗證，與國內產業界合作也取得了積極進展。

我國發展衛星通信策略：兩個爭取，兩個合作

針對我國當前發展基于5G的低軌衛星通信策略，陳山枝提出“兩個爭取和兩個合作”：爭取頻率資源和軌道資源，分別進行國際合作與國內合作。

首先是向國際電聯聯盟（ITU）爭取衛星通信的頻率資源和軌道資源。頻率資源像城市的商業土地一樣稀缺，隨著衛星通信、地面通信以及探測業務對低頻段頻譜資源的持續增加的占用以及各種應用對于高速移動通信需求的不斷提升，現有的Ku、Ka等高頻段資源逐漸枯竭，將難以滿足巨大的頻譜需求。預計頻率更高的Q頻段、V頻段和太赫茲頻段將成為下一代通信衛星布局和爭奪的焦點。因此需要提前部署和申請頻率資源，為我國發展衛星通信提供資源保障。

另外，衛星軌道也是受限資源。“星鏈”的上萬顆低軌道衛星計劃分布在340-1300公里之間，但衛星軌道位置是有限的，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。

在國際合作方面，重點參與在3GPP等推進國際標準的制定。陳山枝指出，當前衛星移動通信的最大問題是技術體制太多且不能互聯互通，沒有形成像地面移動通信一樣的規模經濟效應，不同衛星運營商間互聯互通及漫游難。因此，需要盡快形成基于5G的統一的低軌衛星通信技術體制，推動中國的衛星通信走向海外市場，參與國際合作，同時也能服務于“一帶一路”的發展中國家，既服務經濟合作，又解決數字鴻溝問題。

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，共同推進衛星發射技術和移動通信技術、集成電路技術的進步，通過產業合作來推進打造一個融合的新產業，并實現商業模式的創新。

未來的衛星通信：融合到6G中

移動通信十年一代，本著“開發和商用一代，預研下一代的原則”，在5G剛剛商用、方興未艾之際，開啟6G研究適逢其時。目前，中國信科、華為、中興等設備商，我國三大運營商，北郵、清華、東南大學等通信院校，都已經開始進行B5G和6G相關研究。

陳山枝認為6G將建立空、天、地、海泛在的移動通信網絡，我國在衛星通信與5G兼容方面的前期探索，將為未來的6G有機融合高中低軌衛星通信與地面移動通信發展打下堅實的基礎。未來6G融合是指一種通信技術標準體制包容衛星移動通信與地面移動通信，并且用戶終端采用全網統一標識和接入，不再區分衛星與地面系統，進行統一管理。

圖1. 6G將有機融合衛星通信與地面移動通信

陳山枝介紹，中國信科集團還成立了6G技術預研團隊，聚焦陸地與衛星通信的融合組網等關鍵技術預研，推動天地協同通信發展。

今年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，衛星通信與5G兼容復用迎來政策東風，也將在6G開啟融合通信的新時代。
責任編輯：pj