專訪中國信科陳山枝：手機直連衛星熱度再起，星地融合成爲大勢所趨
信科視界 2022-12-02 10:30 發表於北京
以下文章來源於C114通信網 ，作者九九
——星地通信從競爭發展到互補，從5G體制兼容到6G系統融合
今年以來，衛星通信受到廣泛關注，從成立之初就主打衛星互聯網的SpaceX，今年8月份宣布推出Starlink 2.0版，通過和T-Mobile合作實現衛星直連手機；今年9月，華爲Mate50、蘋果iPhone14在新品營銷上都推出了衛星通信的概念，市場反應非常熱烈；近日，美國AST SpaceMobile公司宣稱，其在軌測試衛星BW3在近地軌道成功展开有史以來最大的商業相控陣天线（約64平方），號稱構建了第一個可通過普通手機直接訪問天基的蜂窩寬帶網絡。
對此，IEEE Fellow，中國信息通信科技集團有限公司副總經理、總工程師、專家委主任，無线移動通信國家重點實驗室主任，移動通信及車聯網國家工程研究中心主任陳山枝在接受C114專訪時指出，由於手機便攜性好且用戶基數大，手機直連衛星作爲星地融合的潛在典型應用得到了業界的高度重視；但當前宣稱的普通手機直連衛星通信是指在沒有蜂窩和WiFi覆蓋的情況下發送緊急救援短信，尚且不能實現無感知的連續通信；而傳統衛星手機能實現連續通話和中低速數據，卻是定制的，如銥星、Globalstar、Inmarsat等不兼容體制。與5G兼容的5G NTN星地融合標准方案可支持5G NTN手機直接接入衛星，也支持Ka/Ku的VSAT終端衛星通信行業應用，實現全球無縫移動通信，既契合當下發展需求，也將爲6G星地融合奠定基礎。
手機直連衛星由來已久
熱度再度興起依然面臨多重挑战
在20世紀90年代，低軌道衛星通信（銥星系統）和地面蜂窩移動通信（GSM）是競爭關系。
陳山枝介紹，手機直連衛星並不是新生事物，過去就有，最早的低軌衛星是銥星系統（Iridium），77顆衛星拉开低軌衛星通信的序幕，與地面蜂窩通信系統基本同期，銥星系統採用星上處理和星間鏈路技術，面向消費者，手持衛星終端（衛星手機）可以在地球任何地點提供無縫隙通信，並且解決了衛星網與地面蜂窩網之間的跨協議漫遊。最終，如此“高科技含量”的銥星系統因爲巨大的研發和系統建設費用申請破產，重組後轉向行業應用。而地面蜂窩移動通信從2G一路發展到5G，用戶規模不斷擴大，商業十分成功。
當前，隨着StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的衛星星座部署計劃逐步推進，低軌衛星通信再度興起。衛星通信和地面蜂窩通信之間“融合”的呼聲也越來越高，陳山枝認爲，其中的主要原因是技術進步和需求變化。
技術方面，一是衛星發射技術的進步，包括“一箭多星”、火箭回收利用等顛覆技術創新；二是衛星制造技術的進步，包括材料、電源、加工技術的進步；三是集成電路技術的進步，衛星的小型化、模塊化、組件化，以及星上處理能力的增強；四是通信技術的進步，隨着3G、4G、5G代際演進，大規模天线、毫米波技術、波束賦形等進步，地面蜂窩移動通信技術也可以應用到衛星上。
需求方面，隨着行業應用和人類活動範圍的拓展，衛星通信全球覆蓋和空間覆蓋的優勢开始顯現。到今天爲止，地面移動通信系統覆蓋的人口已經超過70%，但是受制於技術經濟因素，只覆蓋了20%的陸地面積，按地球表面積計算大概只有6%。隨着行業發展，航空、遠洋、漁業、石油、環境監測、戶外越野活動，還有國家战略和軍事通信等，在廣域和空間覆蓋方面的需求十分強勁。
陳山枝認爲，手機直連衛星意味着衛星通信將在從行業應用市場進入消費者市場。“但是，Starlink能夠取代甚至顛覆5G的說法也是十分荒謬的。”陳山枝指出，衛星通信有很多局限性。首先是區域的無效覆蓋，三個高軌同步衛星就可以覆蓋全球，成百上千個低軌衛星相對地面是高速運動的，只能均勻覆蓋，而很多區域無效的，因爲實際上並沒有用戶；第二，衛星信號無法覆蓋室內及有立交橋和山體樹林遮擋的室外；第三，衛星終端的小型化和天线間的矛盾，特別是人們已習慣於普通手機的內置天线（用戶無感），而目前的商用衛星手機還是外置天线；第四，衛星通信頻譜效率遠低於蜂窩移動通信，StarLink的下行頻譜效率是2.27bit/s/Hz，只達到3G水平，而5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz以上。最後也是最重要的，因爲涉及衛星制造、衛星發射、地面設備、衛星運營及服務等諸多環節，每顆通信衛星的建設和運維成本十倍甚至數百倍於地面基站，所以通信資費一定會高於5G地面蜂窩通信。
衛星通信系統跟地面蜂窩移動通信系統相比，主要技術差異和挑战表現在：1）衛星信道和地面信道的傳播特性不同，衛星通信傳播距離遠，信號傳播路徑損耗大，且傳輸時延大，帶來鏈路預算、時序關系和傳輸方案的挑战；2）衛星高速移動，引發時間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤（多普勒效應）、移動性管理（頻繁波束切換和星間切換）、調制解調性能等挑战。如手機到地面基站只有幾百米到公裏級，5G能支持500km/h終端移動速度；而低軌衛星離地面手機約300到1500km，衛星相對地面移動速度約7.7到7.1km/s，超過25000km/h。
至於AST公司宣稱的“把目前每部智能手機變成一部衛星電話，在世界任何地方都可以寬帶上網”。陳山枝認爲，AST試圖將現有存量4G或5G普通手機不作改動直連接入衛星，由於沒有針對上述技術挑战做任何系統優化，存量手機沒有足夠的定時和頻率補償能力，所有問題的解決都需要在衛星上實現上，存在復雜度高、成本高、系統容量有限、低軌衛星的軌道高度也受限等缺點。另外，4G和5G手機的內置天线發射功率有限，典型值200mW，因此AST需要約64平方米超大規模相控陣天线，通過陣列天线增益去補償普通手機遠距離接入衛星的鏈路損耗，但超大規模相控陣天线造成了重量、體積、功耗、成本等方面的挑战與問題。
從辯證的角度看衛星通信，包括手機直連衛星，就5G的應用場景而言，兩者存在很大的互補性。5G主要服務於普通城市和鄉鎮用戶；衛星通信的優勢是偏遠地區及空中、海洋、森林、沙漠的通信覆蓋以及地震海嘯救災時應急通信，在農林牧漁業的應用前景值得期待。另外，對於偏遠地區的移動通信需求，我國三大運營商在村村通和普遍服務上是在全球做得最好的，既考慮了營收和利潤，也兼顧了社會公平；即使在發達的西方國家的偏遠地區，以及在東南亞、非洲、南美的一些發展中國家，地面移動通信覆蓋比較差，因而衛星系統對手機直連衛星通信服務是有很大市場發展空間的。另外，除了手機直連衛星以外，5G對許多行業應用由於覆蓋成本等因素難以實現，而寬帶衛星終端、衛星物聯網終端等潛在行業應用廣泛。
陳山枝認爲，衛星通信復用蜂窩移動產業鏈，降低衛星通信產業成本，並實現兩者間的覆蓋和服務互補，衛星通信和地面蜂窩通信有機融合是發展趨勢。因此，衛星通信與地面移動通信在5G/6G走向互補，共同構建覆蓋全球的星地融合移動通信網絡成爲大勢所趨。
5G NTN更具先進性
也將爲6G星地融合奠定基礎
從2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力开展並推動基於5G體制的衛星通信探索，3GPP 开始將衛星網絡劃入非地面網絡（NTN）开展研究與標准化，針對星地融合的上述技術挑战，开展了包括定時關系增強、時間和頻率的補償、針對大無线環回時延（RTT）的HARQ改進機制、移動性管理與切換增強等技術優化，這些舉措拉开了衛星通信體制與地面蜂窩通信體制走向融合的序幕。
陳山枝指出，5G在設計之初並沒有考慮衛星通信，3GPP R15版本是5G第一個商用版本。隨着技術和需求的演進，衛星通信的研究與標准化在R17 NTN才开始啓動，這就決定了星地融合在5G是體制兼容，即在已有5G標准的技術框架下實現星地融合的優化。但5G具有技術先進且成熟、產業鏈完整、規模經濟等優勢，低軌衛星通信與5G兼容，能夠利用和分享5G的產業鏈和規模經濟效應。並且，5G NTN星地融合方案應該比現有存量5G普通手機直連接入衛星的技術方案要優化，實現復雜度要低、建設和運維成本也要低，系統容量要大，更具有先進性。
因此，陳山枝早在2020年就建議當前我國應該建設和發展與5G兼容的衛星互聯網（具體可查閱陳山枝在2020年第六期《電信科學》上發表的論文《關於低軌衛星通信的分析及我國的發展建議》），5G NTN支持GEO/MEO/LEO場景，支持Ka/Ku/S等各種可用頻段，終端類型包括VSAT終端和普通手機終端，實現全球無縫移動通信。一方面，契合手機更迭周期短的特點，人們更換新手機就可實現，又能滿足行業應用需求；另一方面，該方案將爲我國引領6G星地融合奠定堅實的基礎。
陳山枝指出，6G在設計之初就考慮星地融合，能在系統級上實現星地融合的優化，因此6G星地融合將是系統融合。在6G時代，陸地移動通信跟高、中、低軌衛星的有機融合，實現任何人、任何地點、在任何時間無縫全球覆蓋和接入。需要對衛星、升空平台、無人機、地面蜂窩等組成異構接入，設計包含統一空口傳輸、統一接入控制、統一認證和統一組網協議，以用戶爲中心的智能網絡架構，支持終端在星地間無縫切換，滿足不同部署場景和多樣化的業務需求。
陳山枝早在2020年就發表相關論文，“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G: How to Tackle the Challenges of System Coverage, Capacity, User Data-Rate and Movement Speed”（IEEE Wireless Comm., April 2020）提出了星地融合是6G的重要方向，已是ESI高被引論文。System Integration of Terrestrial mobile communication and Satellite communication ---- the trends, challenges and key technologies in B5G and 6G （China Communications, Dec. 2020）進一步提出了“5G兼容”走向“6G融合”的星地融合移動通信演進路徑和關鍵技術。
陳山枝進一步指出，6G“星地融合”移動通信網絡是一個多維復雜的“巨系統”，是多個異構接入網絡融合，具有多層立體、動態時變的特點。多層復雜跨域組網導致網絡架構設計困難，大尺度空間傳播環境導致傳輸效率低，衛星的高速運動會導致網絡拓撲高動態變化和移動性管理挑战，進而導致業務質量和通信連續性難以保障。
對於6G星地融合組網所面臨的巨大挑战，
陳山枝提出關鍵技術突破的四個方向：
01
在6G星地融合的網絡架構方面
需研究衛星與地面蜂窩通信架構的統一設計。一是通過設計彈性可重構的靈活網絡架構，實現星地網絡節點間網絡功能的柔性分割；二是通過設計高效的多域多維度網絡管理架構，提高星地融合網絡中的資源管理效率。
02
在6G星地融合的空口傳輸方面
需研究衛星與地面蜂窩通信的統一無线空口設計方案，支持多種業務傳輸，讓終端可以極致簡單地接入最合適的星地網絡節點。
03
在6G星地融合的組網技術方面
需主要研究小區間頻率規劃、多層網絡間自適應路由和星地星間無縫切換、星地一體多級邊緣計算任務遷移等。
04
在6G星地融合的頻率管理方面
需研究基於統一管理的網絡頻譜資源、星地間頻譜的協調管理機制。通過頻譜共享和幹擾管理方案，提高頻譜資源利用率。
陳山枝介紹，中國信科及其無线移動通信國家重點實驗室是星地融合移動通信的重要技術貢獻者，也是5G衛星移動通信技術的引領者、6G星地融合關鍵技術的儲備者。中國信科在我國衛星互聯網新基建中正發揮着重要作用，積極开展透明轉發和星上處理衛星互聯網關鍵技術研究，帶領業界率先完成了業界首套5G融合體制的衛星互聯網系統標准體系和關鍵設備研制，爲國家衛星移動通信重大工程的建設提供技術支撐。在2020年和2021年連續兩年向業界發布了“全域覆蓋、場景智聯”的6G白皮書；承擔了多項重點研發計劃課題，聯合業界積極开展6G愿景與需求的研究、6G關鍵技術的研究與驗證，爲後續的6G標准化工作做好前期儲備工作。
來源：C114通信網

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