——星地通信從競爭發(fā)展到互補，從5G體制兼容到6G系統(tǒng)融合
C114訊 12月1日消息（九九）今年以來，衛(wèi)星通信受到廣泛關(guān)注，從成立之初就主打衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的SpaceX，今年8月份宣布推出Starlink 2.0版，通過和T-Mobile合作實現(xiàn)衛(wèi)星直連手機；今年9月，華為Mate50、蘋果iPhone14在新品營銷上都推出了衛(wèi)星通信的概念，市場反應(yīng)非常熱烈；近日，美國AST SpaceMobile公司宣稱，其在軌測試衛(wèi)星BW3在近地軌道成功展開有史以來最大的商業(yè)相控陣天線（約64平方），號稱構(gòu)建了第一個可通過普通手機直接訪問天基的蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)。
對此，IEEE Fellow，中國信息通信科技集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理、總工程師、專家委主任，無線移動通信國家重點實驗室主任，移動通信及車聯(lián)網(wǎng)國家工程研究中心主任陳山枝在接受C114專訪時指出，由于手機便攜性好且用戶基數(shù)大，手機直連衛(wèi)星作為星地融合的潛在典型應(yīng)用得到了業(yè)界的高度重視；但當(dāng)前宣稱的普通手機直連衛(wèi)星通信是指在沒有蜂窩和WiFi覆蓋的情況下發(fā)送緊急救援短信，尚且不能實現(xiàn)無感知的連續(xù)通信；而傳統(tǒng)衛(wèi)星手機能實現(xiàn)連續(xù)通話和中低速數(shù)據(jù)，卻是定制的，如銥星、Globalstar、Inmarsat等不兼容體制。與5G兼容的5G NTN星地融合標(biāo)準(zhǔn)方案可支持5G NTN手機直接接入衛(wèi)星，也支持Ka/Ku的VSAT終端衛(wèi)星通信行業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)全球無縫移動通信，既契合當(dāng)下發(fā)展需求，也將為6G星地融合奠定基礎(chǔ)。
手機直連衛(wèi)星由來已久，熱度再度興起依然面臨多重挑戰(zhàn)
在20世紀(jì)90年代，低軌道衛(wèi)星通信（銥星系統(tǒng)）和地面蜂窩移動通信（GSM）是競爭關(guān)系。
陳山枝介紹，手機直連衛(wèi)星并不是新生事物，過去就有，最早的低軌衛(wèi)星是銥星系統(tǒng)（Iridium），77顆衛(wèi)星拉開低軌衛(wèi)星通信的序幕，與地面蜂窩通信系統(tǒng)基本同期，銥星系統(tǒng)采用星上處理和星間鏈路技術(shù)，面向消費者，手持衛(wèi)星終端（衛(wèi)星手機）可以在地球任何地點提供無縫隙通信，并且解決了衛(wèi)星網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)之間的跨協(xié)議漫游。最終，如此“高科技含量”的銥星系統(tǒng)因為巨大的研發(fā)和系統(tǒng)建設(shè)費用申請破產(chǎn)，重組后轉(zhuǎn)向行業(yè)應(yīng)用。而地面蜂窩移動通信從2G一路發(fā)展到5G，用戶規(guī)模不斷擴大，商業(yè)十分成功。
當(dāng)前，隨著StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的衛(wèi)星星座部署計劃逐步推進(jìn)，低軌衛(wèi)星通信再度興起。衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信之間“融合”的呼聲也越來越高，陳山枝認(rèn)為，其中的主要原因是技術(shù)進(jìn)步和需求變化。
技術(shù)方面，一是衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，包括“一箭多星”、火箭回收利用等顛覆技術(shù)創(chuàng)新；二是衛(wèi)星制造技術(shù)的進(jìn)步，包括材料、電源、加工技術(shù)的進(jìn)步；三是集成電路技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星的小型化、模塊化、組件化，以及星上處理能力的增強；四是通信技術(shù)的進(jìn)步，隨著3G、4G、5G代際演進(jìn)，大規(guī)模天線、毫米波技術(shù)、波束賦形等進(jìn)步，地面蜂窩移動通信技術(shù)也可以應(yīng)用到衛(wèi)星上。
需求方面，隨著行業(yè)應(yīng)用和人類活動范圍的拓展，衛(wèi)星通信全球覆蓋和空間覆蓋的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。到今天為止，地面移動通信系統(tǒng)覆蓋的人口已經(jīng)超過70%，但是受制于技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，只覆蓋了20%的陸地面積，按地球表面積計算大概只有6%。隨著行業(yè)發(fā)展，航空、遠(yuǎn)洋、漁業(yè)、石油、環(huán)境監(jiān)測、戶外越野活動，還有國家戰(zhàn)略和軍事通信等，在廣域和空間覆蓋方面的需求十分強勁。
陳山枝認(rèn)為，手機直連衛(wèi)星意味著衛(wèi)星通信將在從行業(yè)應(yīng)用市場進(jìn)入消費者市場。“但是，Starlink能夠取代甚至顛覆5G的說法也是十分荒謬的。”陳山枝指出，衛(wèi)星通信有很多局限性。首先是區(qū)域的無效覆蓋，三個高軌同步衛(wèi)星就可以覆蓋全球，成百上千個低軌衛(wèi)星相對地面是高速運動的，只能均勻覆蓋，而很多區(qū)域無效的，因為實際上并沒有用戶；第二，衛(wèi)星信號無法覆蓋室內(nèi)及有立交橋和山體樹林遮擋的室外；第三，衛(wèi)星終端的小型化和天線間的矛盾，特別是人們已習(xí)慣于普通手機的內(nèi)置天線（用戶無感），而目前的商用衛(wèi)星手機還是外置天線；第四，衛(wèi)星通信頻譜效率遠(yuǎn)低于蜂窩移動通信，StarLink的下行頻譜效率是2.27bit/s/Hz，只達(dá)到3G水平，而5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz以上。最后也是最重要的，因為涉及衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、地面設(shè)備、衛(wèi)星運營及服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)，每顆通信衛(wèi)星的建設(shè)和運維成本十倍甚至數(shù)百倍于地面基站，所以通信資費一定會高于5G地面蜂窩通信。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟地面蜂窩移動通信系統(tǒng)相比，主要技術(shù)差異和挑戰(zhàn)表現(xiàn)在：1）衛(wèi)星信道和地面信道的傳播特性不同，衛(wèi)星通信傳播距離遠(yuǎn)，信號傳播路徑損耗大，且傳輸時延大，帶來鏈路預(yù)算、時序關(guān)系和傳輸方案的挑戰(zhàn)；2）衛(wèi)星高速移動，引發(fā)時間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤(多普勒效應(yīng))、移動性管理（頻繁波束切換和星間切換）、調(diào)制解調(diào)性能等挑戰(zhàn)。如手機到地面基站只有幾百米到公里級，5G能支持500km/h終端移動速度；而低軌衛(wèi)星離地面手機約300到1500km，衛(wèi)星相對地面移動速度約7.7到7.1km/s，超過25000km/h。
至于AST公司宣稱的“把目前每部智能手機變成一部衛(wèi)星電話，在世界任何地方都可以寬帶上網(wǎng)”。陳山枝認(rèn)為，AST試圖將現(xiàn)有存量4G或5G普通手機不作改動直連接入衛(wèi)星，由于沒有針對上述技術(shù)挑戰(zhàn)做任何系統(tǒng)優(yōu)化，存量手機沒有足夠的定時和頻率補償能力，所有問題的解決都需要在衛(wèi)星上實現(xiàn)上，存在復(fù)雜度高、成本高、系統(tǒng)容量有限、低軌衛(wèi)星的軌道高度也受限等缺點。另外，4G和5G手機的內(nèi)置天線發(fā)射功率有限，典型值200mW，因此AST需要約64平方米超大規(guī)模相控陣天線，通過陣列天線增益去補償普通手機遠(yuǎn)距離接入衛(wèi)星的鏈路損耗，但超大規(guī)模相控陣天線造成了重量、體積、功耗、成本等方面的挑戰(zhàn)與問題。
從辯證的角度看衛(wèi)星通信，包括手機直連衛(wèi)星，就5G的應(yīng)用場景而言，兩者存在很大的互補性。5G主要服務(wù)于普通城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶；衛(wèi)星通信的優(yōu)勢是偏遠(yuǎn)地區(qū)及空中、海洋、森林、沙漠的通信覆蓋以及地震海嘯救災(zāi)時應(yīng)急通信，在農(nóng)林牧漁業(yè)的應(yīng)用前景值得期待。另外，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的移動通信需求，我國三大運營商在村村通和普遍服務(wù)上是在全球做得最好的，既考慮了營收和利潤，也兼顧了社會公平；即使在發(fā)達(dá)的西方國家的偏遠(yuǎn)地區(qū)，以及在東南亞、非洲、南美的一些發(fā)展中國家，地面移動通信覆蓋比較差，因而衛(wèi)星系統(tǒng)對手機直連衛(wèi)星通信服務(wù)是有很大市場發(fā)展空間的。另外，除了手機直連衛(wèi)星以外，5G對許多行業(yè)應(yīng)用由于覆蓋成本等因素難以實現(xiàn)，而寬帶衛(wèi)星終端、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端等潛在行業(yè)應(yīng)用廣泛。
陳山枝認(rèn)為，衛(wèi)星通信復(fù)用蜂窩移動產(chǎn)業(yè)鏈，降低衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)成本，并實現(xiàn)兩者間的覆蓋和服務(wù)互補，衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信有機融合是發(fā)展趨勢。因此，衛(wèi)星通信與地面移動通信在5G/6G走向互補，共同構(gòu)建覆蓋全球的星地融合移動通信網(wǎng)絡(luò)成為大勢所趨。
5G NTN更具先進(jìn)性，也將為6G星地融合奠定基礎(chǔ)
從2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力開展并推動基于5G體制的衛(wèi)星通信探索，3GPP 開始將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃入非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）開展研究與標(biāo)準(zhǔn)化，針對星地融合的上述技術(shù)挑戰(zhàn)，開展了包括定時關(guān)系增強、時間和頻率的補償、針對大無線環(huán)回時延（RTT）的HARQ改進(jìn)機制、移動性管理與切換增強等技術(shù)優(yōu)化，這些舉措拉開了衛(wèi)星通信體制與地面蜂窩通信體制走向融合的序幕。
陳山枝指出，5G在設(shè)計之初并沒有考慮衛(wèi)星通信，3GPP R15版本是5G第一個商用版本。隨著技術(shù)和需求的演進(jìn)，衛(wèi)星通信的研究與標(biāo)準(zhǔn)化在R17 NTN才開始啟動，這就決定了星地融合在5G是體制兼容，即在已有5G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)框架下實現(xiàn)星地融合的優(yōu)化。但5G具有技術(shù)先進(jìn)且成熟、產(chǎn)業(yè)鏈完整、規(guī)模經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，低軌衛(wèi)星通信與5G兼容，能夠利用和分享5G的產(chǎn)業(yè)鏈和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。并且，5G NTN星地融合方案應(yīng)該比現(xiàn)有存量5G普通手機直連接入衛(wèi)星的技術(shù)方案要優(yōu)化，實現(xiàn)復(fù)雜度要低、建設(shè)和運維成本也要低，系統(tǒng)容量要大，更具有先進(jìn)性。
因此，陳山枝早在2020年就建議當(dāng)前我國應(yīng)該建設(shè)和發(fā)展與5G兼容的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)（具體可查閱陳山枝在2020年第六期《電信科學(xué)》上發(fā)表的論文《關(guān)于低軌衛(wèi)星通信的分析及我國的發(fā)展建議》），5G NTN支持GEO/MEO/LEO場景，支持Ka/Ku/S等各種可用頻段，終端類型包括VSAT終端和普通手機終端，實現(xiàn)全球無縫移動通信。一方面，契合手機更迭周期短的特點，人們更換新手機就可實現(xiàn)，又能滿足行業(yè)應(yīng)用需求；另一方面，該方案將為我國引領(lǐng)6G星地融合奠定堅實的基礎(chǔ)。
陳山枝指出，6G在設(shè)計之初就考慮星地融合，能在系統(tǒng)級上實現(xiàn)星地融合的優(yōu)化，因此6G星地融合將是系統(tǒng)融合。在6G時代，陸地移動通信跟高、中、低軌衛(wèi)星的有機融合，實現(xiàn)任何人、任何地點、在任何時間無縫全球覆蓋和接入。需要對衛(wèi)星、升空平臺、無人機、地面蜂窩等組成異構(gòu)接入，設(shè)計包含統(tǒng)一空口傳輸、統(tǒng)一接入控制、統(tǒng)一認(rèn)證和統(tǒng)一組網(wǎng)協(xié)議，以用戶為中心的智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持終端在星地間無縫切換，滿足不同部署場景和多樣化的業(yè)務(wù)需求。
陳山枝早在2020年就發(fā)表相關(guān)論文，“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G: How to Tackle the Challenges of System Coverage, Capacity, User Data-Rate and Movement Speed”（IEEE Wireless Comm., April 2020）提出了星地融合是6G的重要方向，已是ESI高被引論文。System Integration of Terrestrial mobile communication and Satellite communication ---- the trends, challenges and key technologies in B5G and 6G （China Communications, Dec. 2020）進(jìn)一步提出了“5G兼容”走向“6G融合”的星地融合移動通信演進(jìn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)。
陳山枝進(jìn)一步指出，6G“星地融合”移動通信網(wǎng)絡(luò)是一個多維復(fù)雜的“巨系統(tǒng)”，是多個異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)融合，具有多層立體、動態(tài)時變的特點。多層復(fù)雜跨域組網(wǎng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計困難，大尺度空間傳播環(huán)境導(dǎo)致傳輸效率低，衛(wèi)星的高速運動會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉討B(tài)變化和移動性管理挑戰(zhàn)，進(jìn)而導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量和通信連續(xù)性難以保障。
對于6G星地融合組網(wǎng)所面臨的巨大挑戰(zhàn)，陳山枝提出關(guān)鍵技術(shù)突破的四個方向：
在6G星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，需研究衛(wèi)星與地面蜂窩通信架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計。一是通過設(shè)計彈性可重構(gòu)的靈活網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間網(wǎng)絡(luò)功能的柔性分割；二是通過設(shè)計高效的多域多維度網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，提高星地融合網(wǎng)絡(luò)中的資源管理效率。
在6G星地融合的空口傳輸方面，需研究衛(wèi)星與地面蜂窩通信的統(tǒng)一無線空口設(shè)計方案，支持多種業(yè)務(wù)傳輸，讓終端可以極致簡單地接入最合適的星地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
在6G星地融合的組網(wǎng)技術(shù)方面，需主要研究小區(qū)間頻率規(guī)劃、多層網(wǎng)絡(luò)間自適應(yīng)路由和星地星間無縫切換、星地一體多級邊緣計算任務(wù)遷移等。
在6G星地融合的頻率管理方面，需研究基于統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源、星地間頻譜的協(xié)調(diào)管理機制。通過頻譜共享和干擾管理方案，提高頻譜資源利用率。
陳山枝介紹，中國信科及其無線移動通信國家重點實驗室是星地融合移動通信的重要技術(shù)貢獻(xiàn)者，也是5G衛(wèi)星移動通信技術(shù)的引領(lǐng)者、6G星地融合關(guān)鍵技術(shù)的儲備者。中國信科在我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新基建中正發(fā)揮著重要作用，積極開展透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上處理衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，帶領(lǐng)業(yè)界率先完成了業(yè)界首套5G融合體制的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系和關(guān)鍵設(shè)備研制，為國家衛(wèi)星移動通信重大工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐。在2020年和2021年連續(xù)兩年向業(yè)界發(fā)布了“全域覆蓋、場景智聯(lián)”的6G白皮書；承擔(dān)了多項重點研發(fā)計劃課題，聯(lián)合業(yè)界積極開展6G愿景與需求的研究、6G關(guān)鍵技術(shù)的研究與驗證，為后續(xù)的6G標(biāo)準(zhǔn)化工作做好前期儲備工作。 
