楊菠 戚少博 宋方方

(1.泰爾融創(chuàng)(北京)科技有限公司, 北京 100191；2.銀河航天(北京)科技有限公司，北京100007)

0 引言

近年來(lái)，低軌互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在全球發(fā)展迅速，美國(guó)、英國(guó)、加拿大等西方國(guó)家積極推進(jìn)本國(guó)巨型低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃。預(yù)計(jì)10年內(nèi)，太空中活躍的衛(wèi)星數(shù)量將突破5萬(wàn)顆，且至少有4座巨型低軌星座提供全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

我國(guó)在2020年4月20日首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“新基建”范疇。2021年5月19日，國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局、中央軍委裝備發(fā)展部發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)微小衛(wèi)星有序發(fā)展和加強(qiáng)安全管理的通知》，鼓勵(lì)商業(yè)企業(yè)參與國(guó)家任務(wù)，積極促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，倡導(dǎo)微小衛(wèi)星企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新，避免低水平重復(fù)投入建設(shè)[1]。未來(lái)5年，我國(guó)將依托新成立的中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，加快國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的部署。

1 群雄逐鹿頻軌資源

目前，低軌互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)處于稀缺頻軌資源爭(zhēng)奪階段。2011年5月以來(lái)，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)收到申請(qǐng)頻軌資源的巨型星座網(wǎng)絡(luò)申報(bào)材料超過(guò)60份，主要來(lái)自法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、中國(guó)和加拿大等，申報(bào)星座所包含的衛(wèi)星數(shù)量近10萬(wàn)顆[2]。

近地頻軌資源所能容納的衛(wèi)星總數(shù)大概6萬(wàn)顆?！跋日加赖谩笔荌TU分配頻軌資源的國(guó)際規(guī)則，也就是說(shuō)，先獲得ITU批準(zhǔn)的星座計(jì)劃，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)快速提供服務(wù)，將永遠(yuǎn)占據(jù)該段不可再生的頻軌資源。在有限的頻軌資源與激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)雙重?cái)D壓下，最終低軌互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將聚集于少數(shù)幾個(gè)頭部企業(yè)。

目前最為搶眼的低軌星座當(dāng)數(shù)SpaceX公司的Starlink，該星座計(jì)劃由41 926顆衛(wèi)星組成，截至2021年10月底，已有2 000多顆衛(wèi)星發(fā)射成功，并向16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的近10萬(wàn)用戶提供服務(wù)。此外，超過(guò)50萬(wàn)用戶注冊(cè)了Starlink的服務(wù)并交付定金，預(yù)計(jì)在2022年系統(tǒng)覆蓋注冊(cè)人所在地后可享受服務(wù)[3]。

借助于領(lǐng)先的獵鷹9號(hào)可回收火箭發(fā)射技術(shù)，SpaceX已經(jīng)發(fā)射了近80%的全球在軌衛(wèi)星，目前正以每月180顆衛(wèi)星的生產(chǎn)速度和每月3～4次的火箭發(fā)射頻率快速部署Starlink星座。此外，正在研發(fā)的Starship重型運(yùn)載火箭可將獵鷹9號(hào)一箭60星的紀(jì)錄提升到一箭400星。

其他關(guān)注度較高的低軌星座有OneWeb、Telesat、Kuiper等，各星座性能特點(diǎn)各異(見(jiàn)表1)。OneWeb是Starlink目前最具競(jìng)爭(zhēng)力的對(duì)手，其星座計(jì)劃由6 372顆衛(wèi)星構(gòu)成，一期由648顆衛(wèi)星覆蓋全球，截至2021年9月底已發(fā)射322顆，預(yù)計(jì)2022年可提供覆蓋全球的服務(wù)[3]。

Telesat專注于商業(yè)客戶，其星座計(jì)劃約由1 671顆衛(wèi)星構(gòu)成，技術(shù)相對(duì)更加先進(jìn)，預(yù)計(jì)2023年發(fā)射第一批298顆衛(wèi)星，在高緯度提供服務(wù)，2024年提供全球服務(wù)[3]。

Kuiper由亞馬遜出資建設(shè)，其星座計(jì)劃約由3 236顆衛(wèi)星構(gòu)成[3]。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)要求其于2026年7月30日前完成一半的衛(wèi)星部署，另一半于2029年前完成部署。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)缺失

2.1 急需行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

隨著THALES公司主推的NR to Support NTN專項(xiàng)研究在3GPP立項(xiàng)通過(guò)，天地融合共建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代開(kāi)啟。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織的入局，使星地統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為了可能。

目前已經(jīng)商用或者即將商用的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大多使用“星上透明轉(zhuǎn)發(fā)”技術(shù)類型，即用于發(fā)生調(diào)制完成的無(wú)線信號(hào)基帶設(shè)備置于地面衛(wèi)星信關(guān)站，通過(guò)信關(guān)站的星地間傳輸通道，將信號(hào)發(fā)射到衛(wèi)星，再由衛(wèi)星變頻轉(zhuǎn)發(fā)至地面的衛(wèi)星終端，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信(見(jiàn)圖1)。這種方案使衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)迭代更為便利，為進(jìn)一步升級(jí)改造預(yù)留了更多的可能性。Starlink和OneWeb都采用了此技術(shù)方案，THALES也在3GPP中主推此方案(見(jiàn)圖2)。這些現(xiàn)象反映了行業(yè)對(duì)于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的期盼，同時(shí)也反映出衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重缺失。長(zhǎng)期的封閉生態(tài)運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致衛(wèi)星行業(yè)更多的是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺少足夠的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)缺失影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展

一張由星與星之間直連的星間鏈路組成的低軌天基網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)夢(mèng)想，這就需要衛(wèi)星具備“數(shù)字信號(hào)星上再生處理”能力(見(jiàn)圖3)，這是低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的理想形態(tài)。而事實(shí)是這種組網(wǎng)方式僅應(yīng)用于部分中高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。這些通信系統(tǒng)具有星少、應(yīng)用帶寬較窄的特點(diǎn)。低軌寬帶數(shù)字再生衛(wèi)星也是各個(gè)國(guó)家或組織在未來(lái)形態(tài)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)階段重點(diǎn)發(fā)力的對(duì)象。

圖1 透明轉(zhuǎn)發(fā)通信模式示意圖

制約低軌寬帶數(shù)字再生衛(wèi)星發(fā)展的產(chǎn)業(yè)難題是關(guān)鍵技術(shù)的缺失，這也進(jìn)一步加大了統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的難度。具體缺失的技術(shù)有：適用于星間交互的組網(wǎng)技術(shù)、適用于通信基帶上星的低軌衛(wèi)星數(shù)字載荷技術(shù)、適用于衛(wèi)星鏈路的高頻寬帶多址通信基帶技術(shù)。這也是3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織和Starlink等商業(yè)公司在初期選擇“星上透明轉(zhuǎn)發(fā)”這一技術(shù)類型的原因之一。它可以暫時(shí)避開(kāi)這些缺失的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 THALES提案星座網(wǎng)絡(luò)工作模式示意圖

圖3 星上數(shù)字再生通信模式示意圖

這些問(wèn)題的根源之一是缺少用于星間組網(wǎng)的彈性路由技術(shù)。星間傳輸會(huì)導(dǎo)致信令風(fēng)暴和數(shù)據(jù)匯聚擁塞。因而Starlink和OneWeb等低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)目前都沒(méi)有商用星間鏈路技術(shù)。其應(yīng)用范圍和服務(wù)質(zhì)量受限于信關(guān)站的部署數(shù)量。

通信基帶上星不僅是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，更是一個(gè)商業(yè)問(wèn)題。接入的用戶數(shù)少了，基帶上星也就沒(méi)有了意義。通信成本不僅不會(huì)降低，反而會(huì)進(jìn)一步增加。星上的數(shù)字載荷需要能夠具備寬帶多址通信基帶技術(shù)，這就帶來(lái)了衛(wèi)星功耗、散熱和重量之間的矛盾難題，需要巧妙地設(shè)計(jì)低軌衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)。

缺少適用于衛(wèi)星鏈路的高頻寬帶多址通信基帶技術(shù)，直接導(dǎo)致衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)量下降，并間接導(dǎo)致衛(wèi)星終端成本居高不下。大多數(shù)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系為DVB-S2/DVB-RCS2。

該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為衛(wèi)星電視廣播應(yīng)用而設(shè)計(jì)，僅反向鏈路使用了MF-TDMA的多址技術(shù)，前向鏈路缺少多址技術(shù)。MF-TDMA的頻譜利用率和靈活性都不足以滿足大量用戶的無(wú)線資源調(diào)度，因此制約了用戶數(shù)量的上升。缺少信道化和隨機(jī)接入流程也導(dǎo)致用戶開(kāi)戶困難和動(dòng)中通特性的受限。

缺少這種技術(shù)的直接表現(xiàn)就是Starlink的初期用戶只能在開(kāi)戶時(shí)提供具體的坐標(biāo)和可能的應(yīng)用范圍，并且在移動(dòng)過(guò)程中信號(hào)質(zhì)量沒(méi)有保障。逐步從高層到底層引入3GPP系列標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，補(bǔ)充或替換現(xiàn)有的DVB系列標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)體系，或可以解決多址通信基帶的技術(shù)難題。

3 商業(yè)模式逐漸清晰

在地基通信系統(tǒng)已建設(shè)非常完善的地區(qū)和領(lǐng)域，低軌互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。馬斯克多次強(qiáng)調(diào)，Starlink將與5G和光纖網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)發(fā)展，與傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展合作，幫助其在偏遠(yuǎn)地區(qū)快速提供服務(wù)。Starlink將努力消除5G和光纖未到達(dá)地區(qū)的數(shù)字鴻溝，提高人類福祉。

Starlink下行鏈路平均頻譜效率為2.7 bit/s/Hz，基本是3G移動(dòng)通信的水平，5G移動(dòng)通信的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz以上。此外，低軌衛(wèi)星終端每比特能耗要比5G設(shè)計(jì)至少少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)MIT研究團(tuán)隊(duì)公布的測(cè)試評(píng)估，Starlink、OneWeb、Telesat、Kuiper 4個(gè)巨型星座可以提供大約數(shù)十個(gè)Tbit/s 的總?cè)萘浚@種量級(jí)的數(shù)據(jù)速率無(wú)法與目前的地基通信網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)，地基通信網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘考s數(shù)千Tbit/s[5]。

由于SpaceX的第二代(理解為使用e波段饋線連接的3萬(wàn)顆衛(wèi)星系統(tǒng))是一個(gè)新的應(yīng)用，所以MIT的分析中沒(méi)有包含這部分衛(wèi)星。

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面通信網(wǎng)絡(luò)都有各自的特點(diǎn)，地面網(wǎng)絡(luò)適合為人口密集的大陸城市提供服務(wù)，地面基站的鋪設(shè)數(shù)量與人口和經(jīng)濟(jì)活力成正相關(guān)，而低軌互聯(lián)網(wǎng)主要用于需要花費(fèi)大量人力物力成本才能鋪設(shè)光纖的區(qū)域，或者光纖無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，如農(nóng)村地區(qū)、沙漠、森林、山脈、孤立的沿海和島嶼地區(qū)以及空中和海上移動(dòng)用戶。

在移動(dòng)寬帶應(yīng)用需求場(chǎng)景下，低軌衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)是服務(wù)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的住戶、空中的飛機(jī)乘客、海洋與大湖中船舶的乘客、穿越荒漠的火車乘客、野外科考者等。目前低軌衛(wèi)星的終端形態(tài)多為機(jī)載、船載、車載等CPE設(shè)備，體積較大，提供Wi-Fi接入。野外科考隊(duì)員會(huì)配備較為笨重的便攜衛(wèi)星電話，而對(duì)于城市普通用戶而言，更傾向使用體積小、大帶寬、低資費(fèi)的手機(jī)終端。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求場(chǎng)景下，針對(duì)海洋及沙漠地區(qū)的油氣田開(kāi)采、煤區(qū)礦區(qū)等野外開(kāi)采、環(huán)境和氣候監(jiān)測(cè)、貨運(yùn)與交通長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)跟蹤、邊境和邊防的電子圍欄等行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，低軌衛(wèi)星具有全球覆蓋和成本比較優(yōu)勢(shì)。

在高可靠低延時(shí)應(yīng)用需求場(chǎng)景下，低軌互聯(lián)網(wǎng)處于劣勢(shì)。地面通信時(shí)延可低至毫秒級(jí)；而低軌互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)延高達(dá)數(shù)十毫秒，自動(dòng)駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等對(duì)可靠性和時(shí)延要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)法滿足。

在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，某些行業(yè)應(yīng)用通過(guò)地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)較難實(shí)現(xiàn)，特別是空中飛機(jī)及無(wú)人機(jī)、海上油井和船舶、森林防火及野生動(dòng)物的視頻監(jiān)控、天然氣管道及電力線路和鐵路沿線的巡檢、邊境線的防控等應(yīng)用場(chǎng)景。此外，在前期商業(yè)模式不明朗的地面物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，建設(shè)地面基站初期成本較高，給低軌互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了商機(jī)，低軌互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與區(qū)域覆蓋成本敏感性及通信接入點(diǎn)區(qū)域密度沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)性，特別是在低密度用戶接入場(chǎng)景下，寬帶互聯(lián)和通信更具優(yōu)勢(shì)。

地面移動(dòng)通信的覆蓋率與人口密度和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)正相關(guān)，目前全球移動(dòng)通信服務(wù)的人口覆蓋率近70%，受到經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)等因素制約，僅覆蓋<20%的陸地面積和<6%的地表面積。地面移動(dòng)通信已經(jīng)在全球造成了難以逾越的數(shù)字鴻溝。面對(duì)5G可能進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)字鴻溝的趨勢(shì)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將在普遍服務(wù)領(lǐng)域大有前景[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)10年，隨著各國(guó)企業(yè)間標(biāo)準(zhǔn)的逐步統(tǒng)一與技術(shù)難題的不斷破解，低軌互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將步入高速發(fā)展期。天基通信系統(tǒng)與地基通信系統(tǒng)的融合勢(shì)不可擋，人們將進(jìn)一步享受科技進(jìn)步帶來(lái)的紅利。不久的將來(lái)，人們會(huì)體驗(yàn)到真正意義上無(wú)處不在的移動(dòng)通信服務(wù)，這將進(jìn)一步推動(dòng)人們探索自然世界的決心與步伐，同時(shí)，也有助于消除城市與偏遠(yuǎn)地區(qū)之間的數(shù)字鴻溝。