超2萬顆衛(wèi)星實現(xiàn)6G太空組網(wǎng)

邱林

高科技企業(yè)提前布局6G

環(huán)繞地球的低軌通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

近日，英國電信集團首席網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師尼爾·邁克萊對6G通信的發(fā)展前景進行了展望，掀起了業(yè)界關(guān)于將通信衛(wèi)星引入6G網(wǎng)絡(luò)的討論。尼爾·邁克萊認為，6G將通過“5G+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”來實現(xiàn)，即在5G通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)全球信號覆蓋。該系統(tǒng)有望在2025年投入商用。

低軌通信衛(wèi)星將加入6G網(wǎng)絡(luò)

據(jù)英國《新科學家》雜志報道，未來應(yīng)用于6G通信網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星，將是低軌通信衛(wèi)星。

按照軌道高度的不同，通信衛(wèi)星可以分為低軌通信衛(wèi)星（LEO）、中軌通信衛(wèi)星（MEO）和高軌地球同步通信衛(wèi)星（GEO）。LEO的軌道高度為500千米—2000千米。

GEO在通信、電視轉(zhuǎn)播等方面的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但它的缺點比較明顯，例如體積和重量較大，不易小型化，需要大型火箭來發(fā)射，發(fā)射準備時間長;只有一個軌道面供這類衛(wèi)星運行，可容納衛(wèi)星的數(shù)量有限;衛(wèi)星信號難以覆蓋地球的兩極;衛(wèi)星距地球遙遠，通信延時長，頻譜利用率低;等等。

相對于GEO系統(tǒng)，LEO系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢。對用戶而言，LEO的信號傳輸延時短，損耗小，數(shù)據(jù)傳輸效率較高;衛(wèi)星內(nèi)置的通信設(shè)備的重量、體積和發(fā)射功率，與陸地上的移動通信終端（例如手機）相差無幾，還可以與陸地通信系統(tǒng)兼容;多顆LEO組成的星座可以實現(xiàn)全球信號覆蓋，真正做到無縫連接。對運營商而言，LEO的體積較小、重量較輕，利用先進發(fā)射技術(shù)可以實現(xiàn)“一箭多星”同步發(fā)射入軌;系統(tǒng)頻譜利用率較高，容量較大。另外，蜂窩通信、多址發(fā)送、點波束、頻率復用等新技術(shù)，為LEO接入手機通信網(wǎng)絡(luò)提供了保障。

因此，LEO系統(tǒng)被認為是最有應(yīng)用前景的移動通信技術(shù)之一。隨著衛(wèi)星制造技術(shù)的升級和市場需求的逐漸擴大，LEO系統(tǒng)的發(fā)展方興未艾。

“老技術(shù)”煥發(fā)“新活力”

據(jù)英國《衛(wèi)報》報道，尼爾·邁克萊等專家倡導的LEO系統(tǒng)，其實并不是新興技術(shù)。衛(wèi)星通信技術(shù)（Satellite communication technology）是一種利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，從而進行兩個或多個終端之間通信的技術(shù)。衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、信號質(zhì)量高、組網(wǎng)迅速、便于實現(xiàn)全球無縫連接等諸多優(yōu)點，被認為是建立全球個人通信網(wǎng)絡(luò)必不可少的一種重要手段。

把衛(wèi)星應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)，始于20世紀70年代。早期的通信衛(wèi)星，設(shè)計和功能較為簡單，由于當時人們對衛(wèi)星移動通信技術(shù)的理解不夠深入，以及移動終端小型化的技術(shù)不夠成熟，因此，該技術(shù)只能用于車輛和飛行器的通信，不能支持大量的小型終端用戶。

在之后的數(shù)十年中，很多研究機構(gòu)和高等學府對衛(wèi)星移動通信開展了大量的實驗和研究。自20世紀90年代以來，電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展推動了衛(wèi)星移動通信技術(shù)的進步。為了實現(xiàn)全球通信，相繼有多個LEO系統(tǒng)被開發(fā)出來并投入運行。比較有代表性的LEO系統(tǒng)是銥星（Iridium）和全球星（Globalstar）。本世紀初，銥星、全球星在運營費用、終端成本、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面都不占優(yōu)勢，難以普及，只能應(yīng)用于緊急救援、海事通信、軍事通信等特殊領(lǐng)域。

如今，情況有了很大改觀。航天科技和電子信息技術(shù)的發(fā)展降低了衛(wèi)星研制、量產(chǎn)和發(fā)射的成本。衛(wèi)星通信資費的降低和數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，催生出每時每刻的互聯(lián)網(wǎng)接入需求和大數(shù)據(jù)需求。面對廣闊的市場，LEO這項“老技術(shù)”迎來復興，將煥發(fā)出新的活力。

高科技企業(yè)提前布局6G

按照英國電信集團專家的規(guī)劃，LEO系統(tǒng)主要由空間段、用戶段、地面段、公用及專用網(wǎng)絡(luò)等4部分組成。在若干太空軌道平面上布置多顆衛(wèi)星，由通信鏈路將多個軌道平面上的衛(wèi)星聯(lián)結(jié)起來。整個星座就如同連成一體的大型平臺，可以在地球表面形成蜂窩狀服務(wù)區(qū)，每個服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶都可以接受至少1顆衛(wèi)星的服務(wù)，用戶的手機隨時可以接入通信系統(tǒng)。LEO可以在用戶段直接與單一的地面終端（手機）連接，也可以通過地面關(guān)口站與公共網(wǎng)絡(luò)連接。

隨著5G技術(shù)的日益成熟，包括3GPP、ITU在內(nèi)的國際標準化組織都成立了專門的工作組，著手研究LEO與5G網(wǎng)絡(luò)融合的問題。業(yè)內(nèi)的一些企業(yè)和研究組織已經(jīng)開啟星地一體化研究工作。

從5G向6G的過渡階段，將是LEO與地面通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互補及融合的過程。這既需要利用地面基礎(chǔ)設(shè)施，也需要衛(wèi)星運營商的配合。先行一步的國家將設(shè)立專門的天地一體化通信運營機構(gòu)，或者將其融合到傳統(tǒng)運營服務(wù)體系中。

在企業(yè)界，波音、空客、亞馬遜、谷歌、“臉書”和SpaceX等公司已經(jīng)紛紛投資LEO領(lǐng)域，提出了OneWeb、Starlink等十余個LEO系統(tǒng)方案，提前布局6G通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)這些方案，未來5年內(nèi)全球?qū)⒂?萬余顆LEO進入太空，從而完成6G的太空組網(wǎng)。

對地面通信網(wǎng)絡(luò)的有效補充

據(jù)美國《連線》雜志報道，LEO系統(tǒng)存在一些缺點，例如需要的衛(wèi)星數(shù)量較多，由此造成地面控制、維護系統(tǒng)比較復雜。對通信而言，影響較大的問題是波束切換和星間信號切換。

LEO相對于地球高速運動，使得手機終端在通信過程中，需要頻繁地切換波束和衛(wèi)星。以銥星為例，其最小的切換時間間隔為10.3秒，平均切換時間間隔為277.7秒。

手機通信實現(xiàn)波束切換需要一系列信號指令，頻繁切換加重了系統(tǒng)的信號指令負荷。切換越頻繁，“掉線”的概率就越大。銥星系統(tǒng)在運行初期的切換成功率只有85%，后來經(jīng)過改進，達到92%—98%，這與陸地移動通信系統(tǒng)的切換成功率相比仍有一定差距。

信號切換發(fā)生“掉線”的主要原因，是早期LEO系統(tǒng)的帶寬資源無法滿足要求。隨著通信技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)信號處理能力提升，帶寬增大。從目前運行的銥星二代、全球星等LEO系統(tǒng)的使用情況來看，困擾早期LEO系統(tǒng)的“掉線”率高等技術(shù)問題已經(jīng)在一定程度上得到了解決，為LEO的普及掃清了障礙。

另外需要指出的是，通信衛(wèi)星使用的無線頻譜，目前仍無法覆蓋一些有遮擋物的區(qū)域。在城市中，遮擋物可以說是無處不在的。所以，在早期的6G通信網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星將主要向無遮擋物的偏遠地區(qū)提供信號，這樣可以大幅減少地面基站的建設(shè)和維護成本。在城市中的室內(nèi)等區(qū)域，還必須依靠基站來實現(xiàn)信號覆蓋。

未來一段時間，LEO是對地面通信網(wǎng)絡(luò)的有效補充，試圖用LEO完全取代地面基站，在短期內(nèi)是不現(xiàn)實的。不過，隨著科技的發(fā)展，不依賴地面基站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，總有一天會成為現(xiàn)實。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com

未來6G網(wǎng)絡(luò)需要通信衛(wèi)星