陈山枝详解低轨卫星通信：与5G是互补关系

4月20日，国资委和发改委召开经济运行例行发布会，明确新基建的范围，卫星互联网成功“晋级”新基建战略。

目前，陆地移动通信服务的人口覆盖率约为80%，但受制于经济成本、技术等因素，仅覆盖了约20%的陆地面积，小于6%的地表面积。卫星互联网可以解决海洋、森林、沙漠等偏远地区船舶、飞机、科考的宽带通信问题，成为地面移动通信的有益补充。

根据轨道高度，卫星可以分为高度500至2000 km的低地球轨道(LEO)卫星，高度2000至36000 km的中地球轨道(MEO)卫星和高度约36000公里的对地静止轨道(GEO)卫星。与中高轨道卫星相比，低轨卫星传输延迟更短、路径损耗更小，因而受到广泛关注。

近日“钢铁侠”埃隆·马斯克给出SpaceX公司“星链计划”(Starlink)具体时间表：3个月内私人内测，6个月内公测，随后发射了多颗卫星。不少人认为，星链等低轨道卫星星座就是6G，甚至会颠覆5G;也有人认为，“星链计划”是摩托罗拉“铱星计划”的2.0版本，难逃失败的命运。一时间众说纷纭，在通信行业内外都引起不小的争议，为此，我们特别邀请到中国信息通信科技集团副总经理、专家委主任，无线移动通信国家重点实验室主任、IEEEFellow陈山枝博士进行专访，就卫星通信、特别是低轨卫星通信进行深度解读。

陈山枝认为，低轨星座不是6G，更不会颠覆5G。从需求、应用、技术等多个维度判断，低轨卫星与5G是互补关系;而在6G时代，移动通信走向天地一体，低轨星座将与地面移动通信系统有机融合，实现任何人、任何物在任何地点和任何时间在全球无缝覆盖和接入。

世易时移 低轨卫星凤凰涅槃

陈山枝毫不讳言，马斯克是个商业奇才，在5G方兴未艾、6G引发广泛关注的当下明确“星链计划”时间表，赚足了眼球。

摩托罗拉在上世纪90年代实现的铱星是第一个低轨道卫星星座。他认为，“铱星计划”本身也是极具想象力的划时代构想，但生不逢时。“星链计划”的确在某种程度可以看作是“铱星计划”的重启，但两者的命运将截然不同。

“铱星计划”1987年提出，1992年启动，1998年11月1日投入使用。66颗卫星分布在6个极轨平面上，在780公里高的轨道上，每颗星100分钟左右绕地球一圈，可以提供全球任何地点(包括南北两极)的电话通信业务。然而，此时2G移动通信系统(GSM和CDMA)已经在光传输助攻下，用户数快速增长，占领了很大市场。而铱星只获得了5万多用户，与达到盈亏平衡的60多万用户相距甚远;并且只能在室外打电话，室内没有信号;数据业务能力也很弱，没有考虑到当时正在兴起的互联网需求。诸多因素导致其成为历史的教训，在1999年8月份宣告破产。“铱星计划”与地面移动通信系统有点像“既生喻，何生亮”的故事。

陈山枝认为相较于“铱星计划”，“星链计划”可以说赶上了好时候，时代的变迁带来需求的变化和技术的进步。从需求的角度出发，移动通信的服务范围从传统的人际通话已走向宽带互联网和万物互联的行业应用，成为数字经济的新引擎。

陈山枝指出：相比“铱星计划”，20多年过去，技术进步十分明显，具体体现在卫星技术、集成电路技术和通信技术三个方面。就卫星技术进步而言，“星链计划”的核心是利用猎鹰9号可回收火箭，且一箭60星，可以低成本将12000颗卫星送到轨道平面，服务海洋、森林和荒漠及偏远区域;集成电路技术的进步，增强了卫星的星上处理能力，可以降低时延和实现星间组网，同时集成电路技术进步可以减少终端的成本和体积;就通信技术而言，基于毫米波、太赫兹、可见光通信的星际链路等逐渐成熟，可以实现卫星间大带宽直接组网。因此，上述需求的变化和技术的进步，使得低轨卫星通信成为近年来产业界的热点，所以，SpaceX与OneWeb才能够火起来。

低轨卫星与5G互补，将覆盖5G因技术或经济因素无法建设运行的偏远地区、空中、海洋、沙漠、山区、森林等

“技术发展从来不是一蹴而就的，‘星链计划’虽然取得了长足进步，但并非完美无缺，其与5G的关系只能是互补而非替代。”陈山枝说。以5G的三大业务应用场景为例：eMBB增强型移动宽带方面，“星链计划”首先服务的是地广人稀地区的住户，空中的飞机，海洋与大湖中的轮船，野外科考者和驴友，而对于我们城市普通用户而言，由于手机终端体积及资费、室内通信等因素，且5G的大带宽仍具有绝对优势;mMTC万物互联方面，针对沙漠与森林等野外作业与环境监测特殊应用场景，卫星具备一定的覆盖和成本比较优势;而在uRLLC低时延高可靠方面，卫星通信却处于绝对的劣势，5G的空口时延是1ms，而卫星的空口时延为数十毫秒，车联网、实时工业互联网等应用场景是其无法满足的。

陈山枝指出，卫星和地面移动通信都是资源受限系统，频率资源都像城市的商业土地一样稀缺。据介绍，“星链计划”使用的是Ku、Ka以及V波段卫星信号，需要专门的接收终端，“卫星终端的天线尺寸和一个Pad差不多大”，内置电机驱动的卫星追踪装置。资费预计是50-60美元每月，2025年将服务超过4000万用户。相比之下，目前全球有80多亿手机用户，4G宽带用户超过50亿，预计2020年5G用户将达到17.7亿。由此可见，其服务的目标并非主流5G市场，特别是与我们在城市的普通消费者无缘，除非你是“驴友”。

另外，卫星轨道也是受限资源。“星链计划”的上万颗低轨道卫星计划分布在340-1300公里之间，但轨道位置是有限的，不可以无限制随意部署卫星，和频率资源一样，轨道资源也需要国际电联的批准和协调。

陈山枝进一步指出，所有通信系统容量上限都受制于香农公式：C=Wlog2(1+S/N)，与采用的频率带宽及通信信道的信噪比有关。由于卫星与地面终端的通信距离、所受的噪声和干扰都大于地面蜂窝移动通信系统，结果是卫星通信的频谱效率远低于同期的蜂窝移动通信系统，这是科学，不是马斯克的商业奇才能够颠覆。如目前低轨卫星包括SpaceX和OneWeb，平均频谱效率约在2.5bit/s/Hz，只达到3G水平;而目前5G是平均频谱效率10 bit/s/Hz 以上，约4倍以上。即若采用相同波段的相同带宽，如以200MHz带宽为例，则低轨卫星的传输速率约500Mbps，而5G的传输速率则会达到2Gbps。

日前，有自媒体语出惊人，称“卫星互联网将颠覆5G，取代6G。”对于这种标准的标题党陈山枝表示“很无语”。假设全球通信使用高轨卫星，只需要三颗3.6万公里的高轨卫星，就可以实现全球覆盖，但是时延长达500ms-800ms，目前单星容量在20Gbps左右，系统容量远远不够供全球人民的互联网接入使用。为降低时延和损耗，低轨卫星星座成为更优选择，然而随着用户数量的增加和接入速率的提升，系统容量也一样成为最大的瓶颈。

陈山枝分析指出：在频率资源稀缺的情况下，若要提升系统容量意味着增加卫星数量，这与地面蜂窝通信系统是一样，通过小区分裂增加基站数量来提升系统容量，就是频率复用原理。目前，以OneWeb公开数据为例，原计划低轨星座数量是720个，系统总容量5.4Tbit/s，单用户峰值能达到400Mbit/s。若按每用户平均速率是100M bit/s，则OneWeb系统能容纳可同时通信的用户数量才是5.4万。统计数据显示，截至2020年3月底，全球4G宽带用户数量已达50亿，4G基站总数约830万，中国是551万。未来，5G为实现4G的10到100倍用户接入速率，基站数量将是4G的2到3倍。目前，5G技术指标是每平方公里能支持到10 Tbit/s，注意OneWeb 720个低轨星座时的全球系统总容量才5.4Tbit/s。如果低轨卫星像某些自媒体所说的“星链为全球网民提供高速宽带服务”，设想一下若要颠覆5G，就得实现与5G大体相当的通信容量，这样是否同样需要几百万颗低轨卫星才行?因为地面移动通信的基站大多建设在人口密集的城市，但仅覆盖约20%的陆地面积。如果这部分区域全部采用卫星通信密集覆盖实现人们的宽带互联网接入，其最终结果就是城市上空近地轨道密布低轨卫星星座，由此将造成大量太空垃圾，干扰光学观测、模糊宇宙视野等环保问题。

“理想很丰满，现实很骨感”。今年3月30日，成功发射34颗卫星还不到一周，成立于2012年，计划通过数百颗低轨道卫星为世界各地的人提供他们负担得起的高速互联网接入的OneWeb，申请破产，面临收购命运，成为新冠疫情击倒的最大独角兽。这是SpaceX的最大竞争对手，也是软银投资的首批申请破产企业之一。

马斯克的原话是“星链将为那些接入不可靠、价格昂贵或完全无法使用的地区，提供高速宽带互联网业务”。因此，客观讲，在大部分卫星通信业内，并没有与地面移动通信去直面竞争用户，去比系统的通信容量。相比4G和5G，卫星便携终端体积大，卫星信号无法覆盖室内，大楼也有遮挡，对天气变化十分敏感。每颗卫星还面临着数十倍甚至百倍于地面基站的建设和运行维护成本，因此，需要找到精确的商业定位与运营模式，以避免重蹈“铱星计划”和OneWeb的覆辙。

陈山枝指出：从通信能力看，一颗卫星与一个地面基站的通信能力大体相当，未来全球5G基站数将超过1000万，而低轨卫星的数量在万级，两者相差千倍。这就注定了卫星的通信容量、用户规模、产业规模等方面只能是5G的补充。

当然，现今时代与“铱星计划”时也大不相同，低轨卫星通信面向特定的区域、特定用户群和特定的应用，市场前景仍是广阔的，如民航飞机部署低轨卫星CPE终端，支持机上乘客WiFi实现高速互联网接入，偏远地区的居民也一样，还有海上与沙漠中的油气开采区域及海岛的4G/5G基站回传中继等等。总之，卫星互联网唯一不可替代的优势在于全球无缝覆盖，在成本可接受的情况下，卫星通信有其的独特应用价值，但绝不是替代5G。因此，SpaceX等低轨卫星通信将与5G形成互补关系。

陈山枝同时指出：从3G到4G移动通信由于技术和经济因素，已经造成了人类数字鸿沟问题，如偏远地区居民没有移动通信服务和互联网接入，这在国外很明显，包括欧美。我国在此方面解决得相对比较好，三大电信运营商和广电在“村村通”工程上做出巨大献，其中也有卫星技术的贡献。5G可能会进一步扩大数字鸿沟的趋势。而卫星互联网是解决该问题且具有相对低成本优势的好工具。

6G：地面蜂窝通信与卫星通信融合，实现全球立体泛在覆盖

卫星通信离城市普通用户还是有一段很长的距离。短期来看地面基站，包括4G和5G，仍然是主流，将承担绝大部分宽带互联网流量。展望下一代移动通信，6G将真正向空、天、海、地的覆盖扩展，也将向高频段扩展，争取更多频谱实现更高用户接入速率。

“6G技术将融合陆地无线移动通信、高中低轨卫星移动通信以及短距离直接通信等技术，融合通信与计算、导航、感知、智能等技术，通过智能化移动性管理控制，实现全球泛在覆盖的高速宽带通信。通过空天地一体化的发展，6G将实现在网络、终端、频率、技术方面的高度融合，为通信市场和应用提供更广阔的空间。”陈山枝说。

据了解，陈山枝作为第一作者与中国信科团队及国内高校老师去年合作完成的一篇6G学术论文，已被权威期刊IEEE Wireless Communications录用，阐述了上述技术思路，已经可以在IEEE网站上下载阅读。

关键词： 低轨卫星通信