手機(jī)直連衛(wèi)星，技術(shù)不難但商業(yè)化不易

劉艷

近日，一則報(bào)道再次推高了坊間對(duì)手機(jī)直連衛(wèi)星的關(guān)注度。據(jù)參考消息，愛立信正在研發(fā)一種新的通信手段：在地球任意地點(diǎn)，無須大型地面設(shè)備或地面基站中轉(zhuǎn)，僅憑一部智能手機(jī)就能與人造衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。預(yù)計(jì)這種新的通信方式將于2025年實(shí)現(xiàn)商用，到2050年有望實(shí)現(xiàn)與目前5G規(guī)格相當(dāng)?shù)耐ㄐ潘俣取?/p>

早在20世紀(jì)90年代，相關(guān)機(jī)構(gòu)就在設(shè)想“無處不在”的通信網(wǎng)絡(luò)，一眾研發(fā)機(jī)構(gòu)及商業(yè)公司為此目標(biāo)前赴后繼。從2017年到2022年，3GPP等機(jī)構(gòu)大力開展并推動(dòng)基于5G的衛(wèi)星通信探索。4月25日，美國衛(wèi)星通信初創(chuàng)公司AST SpaceMobile宣布打通了全球首個(gè)天基蜂窩語音通話。隨著3GPP將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃入非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）并開展研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作，星地融合序幕徐徐拉開。

技術(shù)與商業(yè)模式需要平衡

近期，能“上星”的高端手機(jī)一直吸引著人們的高度關(guān)注，衛(wèi)星與手機(jī)的連接或許不難，但走向商用卻并不容易，利用低軌道通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球無死角移動(dòng)通信的夢想很豐滿，但現(xiàn)實(shí)卻是骨感的。

1997～1998年，美國銥星衛(wèi)星通信公司（以下簡稱銥星公司）委托摩托羅拉公司設(shè)計(jì)了一套全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，由于72顆（其中6顆為備用星）人造衛(wèi)星的排布就像銥原子核外電子分布，因此該系統(tǒng)被稱為銥星。

作為商業(yè)化低軌道衛(wèi)星的鼻祖，銥星基本不依賴地面設(shè)施即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。但是，這個(gè)全球最具創(chuàng)造力的系統(tǒng)，卻于2000年3月隨著銥星公司宣布破產(chǎn)而中場落幕。

回憶這段往事，中國信息通信科技集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理陳山枝分外感慨：“20世紀(jì)90年代，幾乎同期出現(xiàn)的銥星系統(tǒng)（低軌道衛(wèi)星通信）和地面蜂窩移動(dòng)通信（GSM）彼此競爭，但銥星卻因?yàn)榫揞~的研發(fā)和系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用導(dǎo)致公司申請(qǐng)破產(chǎn)，而地面蜂窩移動(dòng)通信因?yàn)橛脩艋鶖?shù)大、成本優(yōu)勢明顯，從2G一路發(fā)展到5G，商業(yè)化之路十分成功?！?/p>

客觀地說，當(dāng)時(shí)銥星已突破了星間鏈路等關(guān)鍵技術(shù)問題，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與規(guī)程初步建成，并開始提供包括移動(dòng)電話、尋呼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎饕獦I(yè)務(wù)。從這個(gè)角度看，銥星成功了。但是，計(jì)劃總投資23億美元的銥星，到1998年組網(wǎng)完成時(shí)，實(shí)際耗資50多億美元，巨額的成本讓銥星公司破產(chǎn)時(shí)背負(fù)了40多億美元債務(wù)，但當(dāng)時(shí)的客戶卻只有兩萬多家（據(jù)測算約100萬用戶才能實(shí)現(xiàn)盈利）。

不僅實(shí)際耗資遠(yuǎn)超投資預(yù)算，價(jià)格不菲的銥星因產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)未能滿足客戶需求，在市場上也遭受到了冷遇。尤為值得關(guān)注的是，摩托羅拉啟動(dòng)銥星建設(shè)時(shí)，絕大部分城市、近郊農(nóng)村、交通干線、旅游勝地等人口密集的區(qū)域已被地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，摩托羅拉“人們愿意為一個(gè)號(hào)碼通全球而付出一點(diǎn)高價(jià)”的想法過于一廂情愿，導(dǎo)致初代銥星最終化為現(xiàn)代通信的一個(gè)里程碑。

“技術(shù)先進(jìn)，價(jià)格不會(huì)成為障礙”，雖然這一觀點(diǎn)始終有市場賣點(diǎn)，但銥星留下的前車之鑒，是理念超前、技術(shù)先進(jìn)難敵市場需求，技術(shù)與商業(yè)模式始終需要一個(gè)平衡點(diǎn)，這從銥星重組后轉(zhuǎn)向行業(yè)應(yīng)用而涅槃重生可見一斑。

搭建5G非地面網(wǎng)絡(luò)

理想始終不會(huì)泯滅，愛立信計(jì)劃將5G帶出地球。

2022年7月，愛立信宣布，與法國泰雷茲、美國高通各自開展包括多重研究與仿真模擬的細(xì)致研究，三方計(jì)劃對(duì)5G非地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行以智能手機(jī)為重點(diǎn)的測試與驗(yàn)證。

這意味著未來5G智能手機(jī)可以在地球上任何地方使用5G連接，同時(shí)寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)完整的全球覆蓋，那些通常只能被數(shù)據(jù)連接能力有限的傳統(tǒng)衛(wèi)星電話系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域也在其中。

正如愛立信高級(jí)副總裁兼首席技術(shù)官艾瑞克所言，愛立信、泰雷茲和高通合作開展的這一測試和驗(yàn)證將成為通信史上的一座重要里程碑，其最終結(jié)果可能會(huì)表明無論是在海洋中央還是在最偏遠(yuǎn)的森林，用戶都可以在地球上的任何地方通過聯(lián)合搭建的5G衛(wèi)星與地面連接，獲得高端、安全和經(jīng)濟(jì)的通信服務(wù)。

此次測試的目標(biāo)是驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)5G非地面網(wǎng)絡(luò)所需的各種技術(shù)組件，包括5G智能手機(jī)、衛(wèi)星有效載荷和地面5G網(wǎng)絡(luò)部件，以及智能手機(jī)的外形尺寸是否可以支持5G非地面網(wǎng)絡(luò)，從而使未來的5G智能手機(jī)成功轉(zhuǎn)變?yōu)樾l(wèi)星手機(jī)。

愛立信將驗(yàn)證一個(gè)5G虛擬RAN（vRAN）堆棧，該堆棧為了處理通過低地球軌道衛(wèi)星傳播的無線電信號(hào)而經(jīng)過了專門修改（模擬5G無線電波在太空真空和地球大氣層中的傳播情況），泰雷茲將驗(yàn)證適合在低地球軌道衛(wèi)星上部署的5G無線衛(wèi)星有效載荷，高通則提供用于驗(yàn)證未來5G智能手機(jī)是否可以接入5G非地面網(wǎng)絡(luò)的測試手機(jī)。

艾瑞克補(bǔ)充道，現(xiàn)在討論何時(shí)能夠?qū)⒋舜魏献魉a(chǎn)生的5G原型衛(wèi)星發(fā)射到軌道上并投入使用還為時(shí)過早，但愛立信、泰雷茲和高通計(jì)劃進(jìn)行的這項(xiàng)具有高技術(shù)含量的地面測試和驗(yàn)證工作是使之成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。

用于通信的衛(wèi)星將沿近地軌道運(yùn)行，其與距地表約3.6萬公里的靜止衛(wèi)星相比離地球更近，如果搭載在智能手機(jī)上的通信半導(dǎo)體的性能得到提高，即便不利用地面固定大型天線也能聯(lián)通衛(wèi)星。

顯然，借助低軌道衛(wèi)星建立5G連接將大大增強(qiáng)5G智能手機(jī)的漫游服務(wù)能力。

星地融合是未來主流方向

地面蜂窩移動(dòng)通信一路發(fā)展到5G，用戶規(guī)模不斷擴(kuò)大，商業(yè)化程度較高。相比之下，衛(wèi)星通信的商業(yè)化程度與地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)顯然不在一個(gè)量級(jí)。

目前較為成熟的星鏈計(jì)劃，聚焦于通過其低軌道衛(wèi)星為用戶直接提供通信服務(wù)，雖然是地面移動(dòng)通信的一個(gè)補(bǔ)充，但并未考慮兩者之間的深度融合。

而已經(jīng)得到了主流智能手機(jī)芯片和終端廠商支持的5G R17版本標(biāo)準(zhǔn)家族中的非地面網(wǎng)絡(luò)，其目的是將衛(wèi)星通信等非地面網(wǎng)絡(luò)納入到移動(dòng)通信的體系中，實(shí)現(xiàn)與地面移動(dòng)通信的融合和共同商用，絕非地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)“兩張皮”發(fā)展。

英國薩里大學(xué)教授孫智立表示，蜂窩移動(dòng)通信一直面向地面用戶，直到全球覆蓋的需求對(duì)地面蜂窩移動(dòng)通信提出了巨大的挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信的優(yōu)勢才顯示出來，從而成為5G以及未來6G技術(shù)不可或缺的一部分。

孫智立進(jìn)一步指出：“為支持5G/6G在大連接、低時(shí)延、高可靠性方面的需求，衛(wèi)星通信從高軌走向全軌（高中低軌）、從窄帶走向?qū)拵б咽潜厝弧臉?biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化角度看，地面通信和衛(wèi)星通信這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的演進(jìn)路徑將完美融合?！?/p>

華為則認(rèn)為以蜂窩為主、衛(wèi)星通信為輔，才能建立起覆蓋全球的、適合各種應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)。但是，即便是構(gòu)建起這樣一張通信網(wǎng)絡(luò)，仍存在一定的挑戰(zhàn)，華為6G首席科學(xué)家王俊在2023全球6G技術(shù)大會(huì)上曾指出，衛(wèi)星直連手機(jī)具備可行性，但提升頻譜效率和運(yùn)維管理是難點(diǎn)。

“高軌道衛(wèi)星離地球遠(yuǎn)，覆蓋面積大，但時(shí)延長；低軌道衛(wèi)星離地球近，時(shí)延小，但覆蓋面積小。因此要用許多衛(wèi)星形成星座來實(shí)現(xiàn)全球覆蓋?？臻g軌道和頻譜是稀缺資源，多種衛(wèi)星相結(jié)合可以增加頻譜利用率，有效利用珍貴的頻譜資源?！睂O智立進(jìn)一步指出，能夠用于衛(wèi)星通信的頻譜資源比較有限，同時(shí)衛(wèi)星產(chǎn)生的波束遠(yuǎn)大于地面無線網(wǎng)絡(luò)，使得頻譜的利用率遠(yuǎn)不如地面無線網(wǎng)絡(luò)，這將直接影響通信的容量。

孫智立強(qiáng)調(diào)，在引入低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要做好衛(wèi)星數(shù)量和覆蓋范圍的權(quán)衡。對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理可降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸成本，有利于滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求。

王俊則特別指出：“現(xiàn)在低軌衛(wèi)星每顆星基本上只有幾分鐘的服務(wù)時(shí)間，每幾分鐘就會(huì)發(fā)生一次大規(guī)模用戶切換。在大規(guī)模用戶管理和運(yùn)營時(shí)，如何在星星和星地之間實(shí)現(xiàn)無縫切換，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)都是較大的挑戰(zhàn)?！?/p>