衛星互聯網存在的四大挑戰

隨著火箭發射成本的降低、衛星制造能力的提升、集成電路技術的進步等，相較高軌衛星具有低時延和低成本優勢的低軌衛星通信系統悄然復蘇，并受到全球諸多的互聯網、通信、航天航空等巨頭企業青睞。

日前，當獵鷹9號和龍飛船獲得NASA批準可以重復使用發射宇航員之后，由埃隆·馬斯克提出的星鏈計劃（Starlink）也正式被眾人熟知，衛星互聯網一時成為“熱詞”，“星鏈將顛覆5G”與“衛星互聯網將服務全球網民”等話題也引起業界廣泛關注。

“馬斯克在技術層面并沒有顛覆衛星通信?！苯?，中國信息通信科技集團副總經理、專家委主任，無線移動通信國家重點實驗室主任、IEEE Fellow陳山枝在與記者就馬斯克的星鏈計劃與低軌衛星通信和4G、5G等移動通信技術的關系等話題交流時表示，馬斯克的“星鏈”從通信系統角度分析若其要服務全球網民還差距太大，與5G的關系只能是互補而非替代。

陳山枝指出，我國低軌衛星通信起步較晚，但我國在衛星制造和火箭發射、衛星通信、5G等方面具有良好的技術積累和產業基礎，在相關產業鏈各環節均有布局，具備了大發展的基礎。

衛星互聯網就是低軌衛星通信

衛星互聯網是指基于衛星通信的互聯網，通過一定數量的衛星形成規模組網，從而輻射全球，構建具備實時信息處理的巨星座系統，向地面和空中終端提供寬帶互聯網接入等通信服務。

據陳山枝介紹，根據軌道高度，衛星可以分為典型高度為500~2000 km的低地球軌道（LEO）衛星、典型高度為8000~20000 km的中地球軌道（MEO）衛星和高度約35786 km的對地靜止軌道（GEO）衛星等。

其中，中高軌道衛星具有覆蓋優勢，單顆GEO衛星可覆蓋近1/3地球表面積。相比之下，低軌衛星具有發射成本低、距離地面近、傳輸時延短、路徑損耗小、數據傳輸率高等優點。有利于地面終端的小型化，能以更小的信號功率被低軌衛星接收。

然而，衛星軌道是是一種有限的使用資源，衛星公司需要采取申報的方式向相關機構申請使用資格。目前，國際規則中的軌道資源主要以“先占先得”的方式進行分配，后申報方不能對已申報的衛星產生不利干擾;申報者還必須在申報資源后的一段時間內發射衛星，啟用所申報的資源，否則預定的資源會失效。

并且，低軌衛星星座由眾多小衛星組成，當一部分衛星無法工作時，可以發射新的衛星進行補網，不會將整個資源讓出。所以在低軌星座領域，國外公司紛紛推出規模龐大的低軌衛星系統搶占有限的低軌衛星軌道和頻譜資源，爭取先發優勢，爭奪太空優勢，“跑馬圈地”現象十分明顯。

截至目前，包括OneWeb、O3b、SpaceX、Telesat等多家國外企業已推出衛星互聯網計劃。其中Space X公司擁有目前最多的商業衛星數量，重點打造的Starlink（星鏈）計劃將在LEO、極低軌分別發射4425、7518顆衛星進行組網，目前已經在軌的衛星數達到482顆。

自2017年以來，我國也相繼啟動了多個衛星星座計劃，包括航天科技的鴻雁星座、航天科工的虹云工程、國電高科的天啟星座的“天啟一號”等。

“頻譜資源像城市的商業土地一樣稀缺，隨著衛星通信、地面通信以及探測業務對頻譜資源需求的持續增加以及各種應用對于高速移動通信需求的不斷提升，頻譜資源短缺現象十分嚴重，特別是對于低軌衛星，較寬的信道頻率帶寬有助于提升系統通信容量?！标惿街Ρ硎?，低軌衛星軌道和頻譜資源是一種不可再生的戰略資源，是衛星通信系統的兩大核心資源要素，也是實現商用的前提條件。預計頻率更高的Q頻段、V頻段和太赫茲頻段將成為下一代衛星通信布局和爭奪的焦點。因此需要提前部署和申請頻譜資源和衛星軌道資源，為我國發展衛星通信提供資源保障。

陳山枝指出，我國作為后來者，須主動與已在軌衛星系統規避衛星碰撞、通信干擾，這將造成星座設計、通信干擾控制或協調的復雜度增大，因此需要鼓勵和支持企業發展低軌衛星去爭取頻譜資源和近地軌道資源，分享“先登先占”的蛋糕。

衛星互聯網并未顛覆通信技術

星鏈計劃將通過大量低軌衛星對全球實現完整覆蓋，在網速方面，星鏈提供約1Gbps/秒的峰值寬帶服務。屆時消費者只需要購買SpaceX的衛星終端設備，每個月花費幾十美元就可享受這一網絡服務。

毋庸置疑，馬斯克的這一設想讓無數業界人士認為星鏈終將顛覆通信技術，而衛星互聯網也將服務全球網民。

首先讓我們回顧衛星互聯網的發展史。

衛星互聯網的發展初期可以追溯到上世紀80年代，以摩托羅拉公司“銥星”星座為代表的多個衛星星座計劃提出，“銥星”星座通過66顆低軌衛星構建一個全球覆蓋的衛星通信網，這個階段主要以提供語音、低速數據等服務為主。隨著地面蜂窩移動通信系統快速發展，在通信質量、資費價格等方面對衛星通信全面占優，在與地面通信網絡的競爭中宣告失敗。

經過二十余年的發展，衛星互聯網也逐步進入到了與地面通信系統互補合作、融合發展的寬帶互聯網時期。

陳山枝認為，馬斯克在“一箭多星”、火箭回收利用等方面顛覆技術創新，極大地降低了衛星發射成本和行業進入門檻，但從通信系統角度分析低軌衛星通信的頻率與軌道資源、系統容量、建設和運維成本等，若其要服務全球互聯網網民還差距太大。

因此，馬斯克的星鏈計劃最大的貢獻在于降低了衛星的發射成本，并沒有在衛星通信技術本身取得突破性的進展，這也是其星鏈計劃無法取代5G的原因所在。

衛星互聯網無法代替5G

“衛星互聯網的出現不會與5G等地面網絡構成競爭關系?！标惿街φJ為，在時延方面，目前的衛星互聯網能達到幾十毫秒級別的延時，可以與4G網絡媲美，但是與5G網絡10毫秒以內的延時相比差距仍然巨大，無法滿足自動駕駛、遠程醫療等低延時場景應用。

地面蜂窩通信系統提升系統容量的手段主要有三種，一是通過增加系統頻率帶寬;二是通過更先進的調制和信道編碼技術，提升頻譜利用率;三是通過小區分裂增加單位面積上的基站數量、扇區化和增加天線數量，就是頻率的空間復用原理。

其實，衛星通信也一樣，在頻譜資源稀缺下，若要提升系統容量意味著增加衛星數量及單顆星采用多波束技術，這與地面蜂窩通信系統是一樣的，就是通過頻率復用原理來提升系統容量。

并且，在帶寬方面，雖然目前單顆衛星峰值通信速率已能達到20Gbps，與5G基站容量在同一數量級。但與組網衛星數目相比，地面基站數量更加龐大，目前全球4G基站總數已達約830萬，可滿足大規模終端產品的高速網絡連接，衛星互聯網在海量終端接入方面受到限制。

因此，陳山枝認為，未來衛星互聯網的核心應用場景將主要包括偏遠地區互聯通信、海洋作業、科考寬帶、航空寬帶和災難應急通信等，這些地方地面網路建設難度大、成本高，而衛星互聯網將可以很好地解決這方面的問題，對地面網絡形成重要補充，極大地拓展網絡的覆蓋范圍。

陳山枝特別提到，OneWeb的創始人兼董事長Greg Wyler在今年2月破產前后接受采訪說：“我依然相信衛星在很多用例中都扮演重要角色。以消費者住宅為例，在每平方公里有25個住宅以上的通信需求可能用不上衛星;但是在滿足每平方公里有25個以下住宅的農村和偏遠地區，無論我們發射多少衛星，消費者寬帶的需求都遠遠超過衛星系統能提供的容量?！保?OneWeb從今年3月底宣布進入破產保護， 7月被英國政府收購）。請注意Wyler講的是為住宅提供寬帶互聯網服務，而且主要對象是每平方公里有25個以下住宅的農村和偏遠地區。

衛星互聯網尚存四大挑戰

陳山枝認為，目前全球衛星互聯網尚處于起步階段，在發展中仍有四大主要挑戰制約。

第一，衛星通信的頻譜利用率低于地面移動通信，每比特能耗又高于地面移動通信。

根據香農定理給出了通信系統容量上限與其采用的通信頻率帶寬及信道信噪比的關系。由于衛星與地面終端間的路徑損耗、大氣吸收損耗等都遠大于地面蜂窩移動通信系統，若要提高傳輸率，就要加大發射功率及增大地面用戶天線口徑，結果是衛星通信的頻譜利用效率、每比特能耗兩個關鍵指標遠低于同期的蜂窩移動通信系統。目前SpaceX的衛星到用戶終端的下行鏈路平均頻譜效率為2.7 bit/s/Hz，只達到3G水平;而目前5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz 以上。另外，低軌衛星終端的每比特能耗要比5G手機至少差一個數量級以上。

因此，衛星互聯網如果要滿足全球網民的寬帶互聯網需求，低軌衛星系統就必須實現與5G大體相當的總通信容量，同樣需要幾百萬顆低軌衛星密布在全球城市帶及附近上空的近地軌道，但是低軌衛星又相對地面是高速運動的、非固定的，這在星座設計的挑戰和系統投資上是完全不可想象的。另外，城市里每平方千米的幾百個用戶的寬帶互聯網接入需求給衛星通信的點波束覆蓋及其干擾控制帶來巨大難題。

而回看此前有關媒體報道所指出的：“完整的41927顆Starlink衛星組成的網絡將提供407.09Tbps，這就相當于40.7萬個5G基站的網絡容量，而美國4G網絡的基站約20萬個，相當于構建了兩張能承載美國區域的衛星互聯網?！边@句話也有失偏頗，誤導讀者。陳博士分析說：第一，當前單顆Starlink衛星與5G單基站的峰值速率都在20 Gbit/s左右，處在同一個數量，那么4萬多顆Starlink衛星也就相當于4萬多個5G基站;第二，4萬多顆Starlink衛星也不是相當于在美國構建了4萬多個5G基站，因為4萬多顆Starlink衛星是分布在全球的上空，不可能同時服務于美國本土用戶，因為是衛星通信是視距通信。

第二，通信衛星建設和運維成本高。盡管馬斯克的顛覆性創新大大降低了發射衛星的成本和門檻，但是沒有改變衛星通信技術本身?？梢院唵卫斫鉃樾l星通信是將地面鐵塔平臺上的基站搬到空中的衛星平臺?？梢?，與衛星發射及維護的成本相比，地面鐵塔的建設成本和維護成本基本可以忽略不計。并且衛星平臺上的基站還有面臨空間電磁環境和可靠性等特殊設計要求，又抬高了研制成本。根據當前測算，每顆通信衛星仍面臨著數十倍甚至百倍于地面基站的建設和運行維護成本，因此資費肯定高于5G。

第三，衛星通信存在大量無效覆蓋問題。低軌衛星系統若要實現與5G大體相當的總通信容量，那就需要幾百萬顆低軌衛星密布在全球城市帶（人口密集區域）及附近上空的近地軌道。而低軌衛星相對地面是高速運動的，會經過一些地廣人稀地區、海洋等，覆蓋與通信密度不成正比，造成大量的無效覆蓋問題，同時給星座設計和系統投資提出了較大挑戰。

第四，衛星終端體積大、功耗大，通信資費較高，吸引力有限。低軌衛星便攜終端采用相控陣天線，則其面天線和一個iPad差不多大。與4G和5G手機相比，便攜衛星終端體積大和功耗大，且衛星信號無法覆蓋室內，城市大樓遮擋直視徑信道（LOS），對雨、雪、霧、云等天氣十分敏感，峰值通信速率（媒體宣傳的速率）和平均通信速率相差較大，加上資費因素，對城市普通消費者沒有吸引力。

陳山枝表示，鑒于上述挑戰，衛星通信的未來技術創新有四個重要方向：一個是衛星星間鏈路組網技術，提高靈活性和通信質量;二是衛星終端天線技術，提高接收增益、減少體積;三是開拓更高頻段的技術，提高系統容量;四是衛星星座設計和衛星軌道傾斜技術，降低無效覆蓋。

“晉級”新基建 實現差異化競爭

2020年4月20日，國務院國有資產監督管理委員會、國家發展和改革委員會召開經濟運行例行發布會，明確新型基礎設施建設的范圍，首次納入“新基建”范疇的衛星互聯網建設已經上升為國家戰略性工程。

從“3G突破”到“4G并跑”再到“5G引領”，我國移動通信的產業鏈已經相對完整，包括核心網系統、基站設備、手機終端、芯片、測試儀表等。

“由于移動通信系統十分復雜，技術含量高，研發投入巨大，5G產業鏈各個環節，都需要極強的規模經濟效應才能商用成功?！标惿街Ρ硎?，我國5G發牌已有一年，而我國的低軌衛星通信系統正處于起步階段，如果能夠最大程度地復用和兼容5G，低軌衛星通信的信關站、衛星通信終端等產業可以復用5G基站和芯片等成果，基于5G的衛星通信能最大程度地利用地面基站基帶處理、終端芯片的技術成果，并分享5G規模經濟效應，降低成本，也更易推動衛星通信發展。

此外，政府需要從宏觀層面持續予以政策扶持，相關企業要創新商業模式，組網建設工程要循序漸進，逐步拓展市場空間，形成良性發展。

在應用層面，也需要全面拓展衛星導航在車聯網、建筑工程、測繪等行業領域以及大眾市場的運營服務，推動業務向附加值較高的應用服務端延伸。

“衛星互聯網產業鏈環節眾多，需要打造良好的產業生態，不斷突破產業鏈核心環節，形成關鍵技術的核心知識產權?！标惿街χ赋?，如果我國發展低軌衛星通信能夠最大程度地復用地面5G的關鍵技術和標準，將十分有利于衛星通信技術與產業的發展，一方面引入最先進移動通信技術，并降低技術風險，另一方面可以利用和分享5G的規模經濟來降低成本，實現差異化競爭。
責任編輯：tzh