——星地通信從競争發展到互補，從5G體(tǐ)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在近地軌道成功展開(kāi)有史以來最大(dà)的商(shāng)業相控陣天線（約64平方），号稱構建了第一(yī)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(zhōng)國信息通信科技集團有限公司副總經理、總工(gōng)程師、專家委主任，無線移動通信國家重點實驗室主任，移動通信及車(chē)聯網國家工(gōng)程研究中(zhōng)心主任陳山枝在接受C114專訪時指出，由于手機便攜性好且用戶基數大(dà)，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(xià)發送緊急救援短信，尚且不能實現無感知(zhī)的連續通信；而傳統衛星手機能實現連續通話(huà)和中(zhōng)低速數據，卻是定制的，如銥星、Globalstar、Inmarsat等不兼容體(tǐ)制。與5G兼容的5G NTN星地融合标準方案可支持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(xià)發展需求，也将爲6G星地融合奠定基礎。

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）是競争關系。

陳山枝介紹，手機直連衛星并不是新生(shēng)事物(wù)，過去(qù)就有，最早的低軌衛星是銥星系統（Iridium），77顆衛星拉開(kāi)低軌衛星通信的序幕，與地面蜂窩通信系統基本同期，銥星系統采用星上處理和星間鏈路技術，面向消費(fèi)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，并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(dà)的研發和系統建設費(fèi)用申請破産，重組後轉向行業應用。而地面蜂窩移動通信從2G一(yī)路發展到5G，用戶規模不斷擴大(dà)，商(shāng)業十分(fēn)成功。

當前，随着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(zhōng)的主要原因是技術進步和需求變化。

技術方面，一(yī)是衛星發射技術的進步，包括“一(yī)箭多星”、火(huǒ)箭回收利用等颠覆技術創新；二是衛星制造技術的進步，包括材料、電(diàn)源、加工(gōng)技術的進步；三是集成電(diàn)路技術的進步，衛星的小(xiǎo)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，随着3G、4G、5G代際演進，大(dà)規模天線、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，随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開(kāi)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%，但是受制于技術經濟因素，隻覆蓋了20%的陸地面積，按地球表面積計算大(dà)概隻有6%。随着行業發展，航空、遠洋、漁業、石油、環境監測、戶外(wài)越野活動，還有國家戰略和軍事通信等，在廣域和空間覆蓋方面的需求十分(fēn)強勁。

陳山枝認爲，手機直連衛星意味着衛星通信将在從行業應用市場進入消費(fèi)者市場。“但是，Starlink能夠取代甚至颠覆5G的說法也是十分(fēn)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，隻能均勻覆蓋，而很多區域無效的，因爲實際上并沒有用戶；第二，衛星信号無法覆蓋室内及有立交橋和山體(tǐ)樹(shù)林遮擋的室外(wài)；第三，衛星終端的小(xiǎo)型化和天線間的矛盾，特别是人們已習慣于普通手機的内置天線（用戶無感），而目前的商(shāng)用衛星手機還是外(wài)置天線；第四，衛星通信頻(pín)譜效率遠低于蜂窩移動通信，StarLink的下(xià)行頻(pín)譜效率是2.27bit/s/Hz，隻達到3G水平，而5G的下(xià)行鏈路平均頻(pín)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于地面基站，所以通信資(zī)費(fèi)一(yī)定會高于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，主要技術差異和挑戰表現在：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(lí)遠，信号傳播路徑損耗大(dà)，且傳輸時延大(dà)，帶來鏈路預算、時序關系和傳輸方案的挑戰；2）衛星高速移動，引發時間同步跟蹤性能、頻(pín)率同步跟蹤（多普勒效應）、移動性管理（頻(pín)繁波束切換和星間切換）、調制解調性能等挑戰。如手機到地面基站隻有幾百米到公裏級，5G能支持500km/h終端移動速度；而低軌衛星離(lí)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。

至于AST公司宣稱的“把目前每部智能手機變成一(yī)部衛星電(diàn)話(huà)，在世界任何地方都可以寬帶上網”。陳山枝認爲，AST試圖将現有存量4G或5G普通手機不作改動直連接入衛星，由于沒有針對上述技術挑戰做任何系統優化，存量手機沒有足夠的定時和頻(pín)率補償能力，所有問題的解決都需要在衛星上實現上，存在複雜(zá)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(wài)，4G和5G手機的内置天線發射功率有限，典型值200mW，因此AST需要約64平方米超大(dà)規模相控陣天線，通過陣列天線增益去(qù)補償普通手機遠距離(lí)接入衛星的鏈路損耗，但超大(dà)規模相控陣天線造成了重量、體(tǐ)積、功耗、成本等方面的挑戰與問題。

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(dà)的互補性。5G主要服務于普通城市和鄉鎮用戶；衛星通信的優勢是偏遠地區及空中(zhōng)、海洋、森(sēn)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(wài)，對于偏遠地區的移動通信需求，我(wǒ)國三大(dà)運營商(shāng)在村(cūn)村(cūn)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(nán)亞、非洲、南(nán)美的一(yī)些發展中(zhōng)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(dà)市場發展空間的。另外(wài)，除了手機直連衛星以外(wài)，5G對許多行業應用由于覆蓋成本等因素難以實現，而寬帶衛星終端、衛星物(wù)聯網終端等潛在行業應用廣泛。

陳山枝認爲，衛星通信複用蜂窩移動産業鏈，降低衛星通信産業成本，并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(dà)勢所趨。