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陈山枝:低轨卫星通信:与5G兼容,到6G融合——辩证看待卫星互联网

时间:2021-08-13 17:07:22
7月6日,在第九届中国指挥控制大会上,中国信息通信科技集团有限公司副总经理、专家委主任陈山枝教授应邀做大会主题报告。报告从卫星通信简介及等几个方面做出了精彩报告。陈山枝教授从专业的角度分析了低轨卫星通信系统、卫星通信产业链及成本构成、卫星通信的优势与局限性、卫星通信与 5G 的互补关系,也客观的分析了卫星互联网的未来发展趋势。

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《低轨卫星通信:与5G兼容,到6G融合——辩证看待卫星互联网》

中国信息通信科技集团有限公司副总经理、专家委主任、教授陈山枝

先讲个引子,去年国内许多自媒体大肆炒作:颠覆5G的,不是6G,而是星链(Starlink)卫星互联网。甚至还有专业媒体分析:星链的4万颗卫星,相当于在美国提供了40万个5G基站,而美国4G基站只20万个。这此都是在误导大众。

卫星通信简介及低轨卫星系统

从卫星轨道高度来说有高轨同步卫星、中轨卫星、低轨卫星等。卫星互联网就是通过一定数量的卫星,向地面和空中用户提供宽带互联网接入服务。卫星通信从1963年开始,从模拟卫星到数字卫星,从窄带到宽带、高通量卫星。

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最早的低轨卫星就是铱星系统(Iridium),77颗卫星,拉开了低轨卫星通信的序幕。跟当时地面蜂窝通信系统(GSM)基本差不多同期的。有点像“既生瑜何生亮”的故事,最后铱星系统申请破产并被分拆,而地面蜂窝移动通信从2G发展到今天的5G,用户规模不断扩大,商业十分成功。

从铱星系统到星链,低轨卫星通信(卫星互联网)的兴起的主要技术进步因素:一是卫星发射技术的进步,包括“一箭多星”、火箭回收利用等颠覆技术创新;二是卫星制造技术的进步,包括材料、电源、加工技术的进步;三是集成电路技术的进步,卫星的小型化、模块化、组件化,包括星上处理能力;四是通信技术的进步,从3G、4G、5G,包括多天线、毫米波、可见光技术的进步等。上述奠定了从铱星到星链的变革。

低轨卫星相对高轨而言需要更多数量的卫星才能覆盖全球,目前有几个比较典型的商业系统,Telesat、OneWeb、StarLink。我国也要发展低轨卫星,包括虹云、鸿雁等。从铱星系统到StarLink,卫星数量大概增加了100个倍,传输速率提升到1Gbps左右。有研究表明,不管是Telesat、OneWeb、SpaceX,下行频谱效率大概2.27 bit/s/Hz。可见只达到3G水平;而5G的下行链路平均频谱效率是10 bit/s/Hz 以上。

卫星通信的产业链及成本构成分析

卫星通信产业链包括四大环节:卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营及服务。可以看出,卫星制造和发射,SpaceX有颠覆性创新,一箭60星,包括火箭能够回收,批量生产带来成本的降低,这实际上是最大的创新和进步。

卫星平台本身包括了结构、供电、推进、测控系统、姿轨控制系统、热控系统等子系统。从通信系统来看,除卫星平台外,还有通信载荷,相当于基站,包括天线系统、转发器及其它组件。所以从总成本比较看,卫星通信的成本,包括地面段、空间段。空间段来说,包括了卫星的研制成本、发射成本、运维成本以及保险。卫星通信就是相当于地面的基站搬到了星上,卫星平台就相当于地面的铁塔系统,跟卫星平台比,地面的铁塔是非常便宜的。地面基站从地面搬到星上还需要抗辐噪特殊设计及严苛可靠性设计,成本大大增加。因此,每颗通信卫星面临的大概是十倍和数百倍地面基站的建设和运维的成本。

卫星互联网的优势与局限性

卫星通信的优势是覆盖比较广,可以全球覆盖。到今天为止地面移动通信系统,就是蜂窝移动通信系统,覆盖的人口大概已经超过了70%,但是受制于技术经济因素,只覆盖了20%的陆地面积。按地球表面积去算,大概只有6%,因为陆地面积占地球的29%,71%都是海洋。所以到今天为止,移动通信系统只覆盖了地面表面的6%。随着行业发展,航空、远洋、渔业、石油、环境监测、户外越野活动等,还有国家战略和军事通信等等,实际上这此方面的需求是十分强劲的。这是地面蜂窝移动通信在覆盖方面解决不了的。

但卫星通信本身也有局限性。首先,卫星本身有区域的无效覆盖,三个高轨同步卫星就可以覆盖全地球,成百上千个低轨卫星相对地面是运动的,只能是均匀覆盖,在很多区域覆盖实际是没有用户的,跟地面蜂窝移动通信基站布局能跟人口密度分布强相关是不一样的。第二,卫星信号没法覆盖室内。第三,卫星终端的天线是比较大的,国内的自媒体误导,大家以为卫星终端像个手机似的,那是不可能的,最小也可能像个平板iPad一样的大小。目前星链地面终端的圆形平板天线直径0.5米,还要自动跟踪运动的卫星,需要电机驱动。第四,频谱效率远低于蜂窝移动通信,现在为止SpaceX下行的频谱效率是2.7比特/秒/赫兹,而5G下行的频谱效率已经达10比特/秒/赫兹。还有建设运维问题,卫星通信相当于地面铁塔上的基站搬到了卫星平台上,面临大概10倍到百倍于地面的成本,所以通信的资费一定会高于5G的。

相比高轨卫星,低轨卫星的优势是传输时间比较低,因为离地面比较近,路径损耗要少,卫星终端体积也要小,成本也低,系统容量能够更大。另外,相比 5G蜂窝移动通信系统来说,也有优势:空中、海洋、森林、沙漠这些地广人稀的覆盖,还有普遍服务以及应急通信,地震、海啸时的应急通信。

无线移动通信系统,我想讲一下系统容量。国内自媒体讲低轨卫星可以给全球普通老百姓提供随时随地宽带互联网接入,从系统容量分析看是不可能。无线移动通信容量跟它的通信频率的带宽和信道信噪比有关。地面移动通信,最早从1957年开始发展,一个城市用户数量少时,一个城市里只需要一个基站。有研究表明,从1957年到2008年,无线移动通信的系统容量增加了100万倍,其中:25倍来自于通信频率带宽的增加,25倍来自先进调制编码与干扰控制(即频谱利用率),而1600倍是由于小区分裂,即增加单位面积上的基站数量、扇区化和增加天线数量,即频率的空间复用原理。

如果这样类比一下,从移动通信发展去看,假设一下,刚开始是高轨卫星,就是3颗同步卫星覆盖全地球,提供通信服务;后来,由于用户数量增加,系统容量不够了,搞一套中轨卫星系统,可能就几十颗卫星;用户数量再发展,又不够,再搞低轨卫星通信系统,发上千颗星;用户数量更大,再不行就发展地面基站覆盖。这样,大家就能理解为什么说卫星移动通信不可能给全球普通大众提供一个宽带互联网接入。因为城市中宽带无线接入的用户数量巨大,不可能由低轨卫星提供接入,少数用户可以。铁塔上的基站搬到卫星平台上,要提升系统容量,同样面临地加频谱带宽、提升频谱利用率、缩小覆盖范围等问题。最有效最简单提升系统容量的方法就是缩小覆盖范围,对卫星通信而言是增加卫星数量,对地面蜂窝来说就是小区分裂增加基站数量。

根据香农定理,卫星与地面终端间的路径损耗、大气吸收损耗(如雨衰等)等都远大于地面蜂窝移动通信系统。如果想提高通信速率,可以通过加大发射功率和增大天线地面接收口径,但受限卫星太阳能电池的供电能力和卫星平台功耗问题。目前平均频谱效率只有2比特/秒/赫兹。另外还有同频干扰的问题,实际卫星的频段跟地面业务如果共用,要优先让于地面通信系统,这是国际电联的规定。

以OneWeb来分析,公开的数据,低轨卫星720个,系统总容量5.4Tbit/s,单用户大概可以达到400兆比特/秒,如果平均用户速率是100兆,OneWeb整个系统可以支持并发的用户数只有5.4万个。实际上,单颗卫星现在统计下来,包括SpaceX、OneWeb跟5G单基站的通信容量基本上在同一个数量级。所以可以想象一下,如果要实现一个5G相当的系统容量大概需要几百万颗的低轨卫星密布在城市群的上空,并且是人口密集的地方,这是不可能的,因为StarLink卫星是均匀分布在地球上空的。另外带来的通信干扰问题,带来卫星通信的点波束覆盖问题,是难以想象的。

某专业媒体报道:4万颗StarLink卫星提供了大概400多个T比特/秒容量,相当于40万个5G基站的容量,而美国4G的基站只有20万个,相当于构建了两张覆盖了美国的通信网。

我觉得这完全是错误的。单颗StarLink卫星跟5G基站的峰值速率都是约20G比特/秒,是基本相当的。因此,4万个StarLink卫星也就相当于4万个5G基站,更不是相当于在美国本土建了4万颗5G的基站,因为4万多颗Starlink卫星是均匀分布在全球的上空,不可能同时服务于美国本土用户,因为是卫星通信是视距通信。

还有自媒体报道说星链终端+WiFI等于5G基站,这是完全错误的,实际上相当于5G终端+WiFI。最近SpaceX销售的星链终端大概是500美金,马斯克宣布,其成本大概是1000美金。 

卫星通信与5G的互补关系

从5G的三大典型应用场景来说,与低轨卫星确实有很大的互补性。从增强宽带通信来说,5G主要服务于城市的普通用户,5G手机体积比较小、通信带宽比较大,但对于偏远地区的住宅用户、空中、海洋、野外的用户,机载的、船载的、车载的的通信是低轨卫星的优势。就万物互联来说,对5G是很大的挑战,现在运营商建网的思路还是延续了3G到4G的思路,基站建在经济发达、人口覆盖密度比较高的地区,但真正的万物互联按道理跟人口覆盖的密度不是正相关的,所以反过来说低轨卫星在全球覆盖具有相对的比较成本优势。从低时延、高可靠通信来说,卫星的传输距离决定了数十毫秒是需要的,而5G基站因为距离短,可以达到毫秒级,卫星的优势不明显。所以卫星互联网的优势和定位实际上是空中、海洋、森林、沙漠这些地广人稀的地方,包括普遍服务。当然中国的普遍服务确实做得很好,像西方和发展中国家的偏远地区都是没有移动通信覆盖的。还有应急通信,这是卫星通信的优势。

从卫星数量和基站数量相比,数量级差的非常大,StarLink 是4万颗星,目前全球4G基站数量是830万个,中国大概550万,美国是40万个。所以为什么在中国感觉到哪儿都有4G信号覆盖,在国外很多时候是打不通的。卫星数量跟现在地面基站规模是完全没法比的。两者用户数差距也很大,现在全球4G用户数超过50亿。爱立信估计今年年底5G用户数大概5.8亿,中国到2025年5G连续数会达到8亿。马斯克在今年的全球移动大会上说,8月起StarLink卫星网络覆盖全世界,预计1年内用户破50万,目前终端的成本超过1000美金,以500美金出售给个人用户,星链估计到2025年服务超过4000万用户。对于中国用户来说,除非你是驴友才要用到卫星通信系统;当然对行业应用,卫星通信是十分有价值的,但重要的是连接数量,而不是强调系统容量。

OneWeb 的CEO说“卫星在很多用例中还是很重要的,以消费者住宅为例,每平方公里如果有25个住宅以上的通信可能就不需要卫星,但是每平方公里有25个以下住宅的农村和偏远地区就需要。”但中国不一样,中国的移动通信做得很好,对西方国家来说,包括发展中国家,非洲、南美,地面移动通信覆盖都非常差,所以卫星系统在海外对住宅用户服务有巨大的消费空间。

发展低轨卫星通信的建议:与5G兼容、到6G融合

首先要看到卫星通信和地面蜂窝的差异性:

1、信道传播特性不一样,卫星到地面和基站到地面的信道传播模型不一样。

2、卫星高速移动对同步性能影响。低轨卫星相对地面是高速移动的;而5G基站不移动,人在移动。卫星低轨卫星地面是高速移动的,地面开车时的移动,对于卫星来说可以忽略不计。

3、卫星高速移动对调制解调方案性能影响,卫星高速移动对于多普勒频偏、对于调制解调影响很大。

4、传播距离和时延对于信号波形和传输方案影响。

5、卫星高速移动带来的移动性管理以及寻呼方案的影响。

6、系统网络架构影响。

需要考虑的关键技术:

1、基础问题:信道建模、链路&系统评估方法、链路预算、频率复用等。

2、网络架构:透明转发、星上处理、星间链路等。

3、物理层关键技术:波形、传输参数、调制、参考信号、信道设计、物理层过程等。

4、高层关键技术:寻呼、移动性管理、路由、用户面协议等

第一个建议:与5G兼容。

5G的技术很成熟、产业链很完整,若低轨卫星通信体制兼容5G,相对来说能够利用和分享5G的规模经济,5G基站增加抗辐噪和可靠性设计,可以放到卫星平台上。另外,地面星关站,基本上5G基站的基带池方案,很成熟。卫星的终端芯片,与5G兼容,相对来说在物理层上大部分兼容,有一些可能重新设计,整个项目的风险也会降低。我的建议是,与5G兼容,发展基于5G 的低轨卫星通信系统,这个阶段的探索也会为未来6G融合高、中、低轨的卫星和地面通信打下基础,提升我国在6G的国际竞争力。

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这张图是3GPP的图,有两个方案:透明转发、星上处理。区别是,透明转发,地面区域内的卫星用户终端需要有相应的星关站才能通信。而星关站就需要落地,其实我们国家现在面临很大的问题,在全球建设星关站很难。看来,需要在星上处理,这样在全球任何一个接入点,地面区域上没有星关站也可以通信。

卫星通信系统跟地面蜂窝通信还是有很大差异的,所以没法简单直接复用目前5G技术标准,传播特性的不同、传输距离不同、卫星的高速移动等。现在的卫星通信采用高指向性的波束抵销传播的损耗,而卫星的姿态和用户的天线方向是随时发生变化的,这对系统设计带来很大的挑战,这是技术进步带来的复杂度。如果要实现星间链路,还面临卫星星座动态的重构、瞄准和跟踪的问题。
 

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我的这张图给出地面和低轨卫星结合时面临的关键问题和系统设计问题,系统架构设计与物理层融合、接入与传输控制、移动性管理与资源管理、宽带卫星组网与路由、星间链路和空间光通信等,都需要研究的。

基于5G的卫星通信需要根据这些差异进行适应性改造和设计,涉及到卫星通信的大损耗、大时延、多普达频偏、快速的多普勒频偏变化率、LOS、频繁波束切换和星间切换、卫星姿态变化、毫米波信号的空间特性、高频相噪等等。低轨卫星通信系统建议在空口技术采用双向时延无关的FDD的双工模式,采用较低峰均比的DFT-s-OFDM波形。

目前5G的核心网很复杂,到了卫星移动通信就一定要简化掉,因为没有像地面那么复杂灵活的业务,且受限于卫星平台的处理能力与功耗,所以需要核心网的轻量化、高效化。

第二个建议:到6G融合。

现在已经业界开始研究6G,我认为6G是陆地移动通信跟高、中、低轨卫星的有机融合,实现任何人、任何地点、在任何时间无缝全球覆盖和接入。需要对卫星、升空平台、无人机、地面蜂窝等组成异构接入,设计包含统一空口协议和组网协议,以用户为中心的智能网络架构,满足不同部署场景和多样化的业务需求。

6G面临工程科学问题,包括:一是立体融合网络容量分析与建模,有地面系统,有高、中、低轨卫星,系统容量跟用户分布与需求相匹配的最佳容量和建模还是很重要的。二是按需多尺度可重构的立体网络体系架构。三是异构随遇接入的大容量无线传输技术。四是支持高动态和保障业务连续性的移动性管理技术,比地面蜂窝移动性管理复杂,地面移动性管理从一个基站切换到另外一个基站,而6G在卫星之间要切换,波束之间要切换,可能卫星跟地面基站之间要切换,所以带来移动性管理和切换是全新的挑战。

对我们国家发展低轨卫星通信在战略层面上有两个建议,即“两个争取、两个合作”。

两个争取就是争取频谱资源和争取轨道资源,因为低轨卫星轨道资源和频谱资源是不可再生的资源。在国际电联(ITU)无线电规则中规定,对轨道先登先占,实际这个结果就相当于先占永得,因为先登先占的时候,4万颗星轨道一占,如果有颗卫星作废了,生命周期过了,再补一颗卫星上去就可以了,实际上先占永得。确实这个规则不是很公平的,其实对发达国家是有利的,只要放上去,这个轨道就永远给占了。另外,后上的还要规避它,是它在那儿了你后来必须规避它的,不能对它造成影响。无线电干扰也是这样的,后来的必须规避前者的。这种情况下,还是鼓励我国企业向ITU申请卫星的频谱资源和轨道资源。

两个合作就是国际合作、国内合作。国际合作上重点在3GPP和ITU等合作推进低轨卫星通信国际标准的制定。在国内合作方面,重点推进商业航天跟移动通信产业、集成电路产业的跨界合作。

本人有个关于SpaceX的思考。如果StarLink的4万多颗星都只用来卫星互联网接入,我还是怀疑它的投资回收周期和盈利能力的。另外,马斯克对外说过StarLink只搭载通信载荷吗?好象没有。一个卫星平台可以搭载很多的其它系统,如遥感遥测等其它载荷,这个实际上也是值得我们去思考的。

总之,低轨卫星系统优势还是很突出的,局限性也很明显,所以我今天讲要辩证的去看。低轨卫星通信,当前和5G是互补的关系,未来是6G的重要组成部分。低轨卫星通信跟5G是差异化定位,当前在我国战略需求是十分明显的,市场和发展空间潜力还是巨大的,我们国家需要大力发展低轨卫星系统。发展低轨卫星通信系统的建议是:跟5G兼容,到6G融合。

最后说一句:马斯克是一个商业奇才,其颠覆性创新是大大降低了发射卫星的成本和门槛,但并没有颠覆通信系统的香农定理。大家一定要知道,4万颗星要给全球老百姓提供低廉的宽带互联网接入业务,那是不可能的,星链也颠覆不了5G。

 



  来源:CICC  
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