什么是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)? 和5G有何關(guān)系?

5月12日，快舟一號甲運(yùn)載火箭將“行云二號”01/02星兩顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，意味著作為中國航天科工天基物聯(lián)網(wǎng)星座的首發(fā)星——“行云二號”正式展開在軌技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用測試。據(jù)悉，我國的“天通一號”高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了覆蓋我國領(lǐng)土，并已向民眾開放服務(wù)。

“行云工程”作為我國首個宣布自主投資建設(shè)的天基物聯(lián)網(wǎng)星座，計劃分α、β、γ三個階段，在2023年前后建成由80顆低軌通信衛(wèi)星組成的天基物聯(lián)網(wǎng)星座，以期解決目前地面物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)因蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋率嚴(yán)重不足而導(dǎo)致的“通信盲區(qū)”難題。

什么是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)? 和5G有何關(guān)系?能用普通手機(jī)搜到“太空WiFi”嗎?就衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的種種疑問，南方日報記者采訪了多位通信專家。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

適用偏遠(yuǎn)地區(qū)

根據(jù)軌道高度，高度500千米至2000千米的低地球軌道(LEO)衛(wèi)星，因傳輸延遲更短、路徑損耗更小，因而受到廣泛關(guān)注。上世紀(jì)90年代建立的“銥星計劃”，是歷史上首個低軌通信衛(wèi)星星座——它的業(yè)務(wù)是語音通信而非現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)。不過，隨著地面通信系統(tǒng)快速發(fā)展，在通信質(zhì)量、資費(fèi)價格等方面全面占優(yōu)，“銥星”最終黯然收場。

更成熟、應(yīng)用更廣的通信衛(wèi)星是高軌衛(wèi)星。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授周海波介紹，軌道越高，覆蓋越廣。他舉例說，部署在地球同步軌道的衛(wèi)星，基本上3顆就可以做到全球覆蓋。

隨著衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)、通信技術(shù)等發(fā)展，低軌衛(wèi)星星座重新成為熱點(diǎn)。主要業(yè)務(wù)也不同于“銥星”的語音，而是以互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為主?！案哕壍劳ㄐ判l(wèi)星時延大概在500毫秒以上，低軌衛(wèi)星時延能夠在15毫秒左右，一些通信指標(biāo)跟我們的3G、4G已經(jīng)接近了?！敝芎２ㄕf。

而SpaceX的“星鏈”是其中最為“野心勃勃”：按照SpaceX最初的說法，其將發(fā)射1.2萬顆衛(wèi)星組成“星鏈”，后又增加到4.2萬顆。

不過，在城市等人口密集區(qū)，光纖和無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)始終是更經(jīng)濟(jì)更高速的選擇。正如馬斯克所言，他并非要搶傳統(tǒng)通信公司的生意，由于衛(wèi)星通信容量有限，星鏈網(wǎng)絡(luò)只適用于人口密度低的地區(qū)。

西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院教授田斌介紹，雖然衛(wèi)星通信一般來說成本比地面網(wǎng)絡(luò)高得多，但它最大好處在于覆蓋廣，不受地表狀況的約束。低軌衛(wèi)星構(gòu)成的星座，可以覆蓋地球幾乎任意角落，包括沙漠、海洋、高山甚至航空場景中。

北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授王珂也認(rèn)為，低軌衛(wèi)星通信的首要作用是“填補(bǔ)空洞”。目前全球欠發(fā)達(dá)地區(qū)仍有30億用戶由于缺少通信手段而無法接入互聯(lián)網(wǎng)，低軌衛(wèi)星的首要應(yīng)用場景就是完成全球化的語音業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)接入。

“隨著通信技術(shù)發(fā)展，全人類實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)和互聯(lián)是必然要實(shí)現(xiàn)的客觀實(shí)際?！蓖蹒嬲f，“衛(wèi)星通信作為人類已知科學(xué)技術(shù)中，唯一在可承擔(dān)的成本下完成這一目標(biāo)的手段，引起了全球通信界的關(guān)注。”

無法取代5G，但可以互補(bǔ)融合

5G有哪些優(yōu)勢?田斌表示，5G具有高速度、低功耗、低時延、支持萬物互聯(lián)的特點(diǎn)，“盡管低軌通信衛(wèi)星也能趨向于這些技術(shù)指標(biāo)，但需非常多的衛(wèi)星、超大星座來實(shí)現(xiàn)，往往還是比5G的指標(biāo)差一些。這是由用戶和衛(wèi)星的距離決定的。”

“雖然技術(shù)指標(biāo)和地面網(wǎng)絡(luò)有量級的差距，但衛(wèi)星星座可以跟地面網(wǎng)絡(luò)形成很好的互補(bǔ)?！敝芎２ㄕf。

田斌舉了一個例子：預(yù)先在飛機(jī)、高鐵、輪船等交通工具上安裝具有星座接入能力的終端系統(tǒng)，當(dāng)有地面網(wǎng)絡(luò)時，優(yōu)先接入地面網(wǎng)絡(luò);當(dāng)無地面網(wǎng)絡(luò)時，終端接入低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)，這樣就能保證移動終端用戶“永遠(yuǎn)在線”。

另外，在地面網(wǎng)絡(luò)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，也存在地面基站和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)融合的可能。王珂介紹，通信界有一個折中的方案是，在欠發(fā)達(dá)地區(qū)可以建立孤立的基站，所謂“孤立”指基站并不通過光纖連接，而是采用衛(wèi)星中繼代替光纖，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐孛婢W(wǎng)絡(luò)的覆蓋。

在標(biāo)準(zhǔn)層面，全球的衛(wèi)星通信廠商正努力將衛(wèi)星通信并入到地面5G通信標(biāo)準(zhǔn)中。王珂介紹，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)成立了非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)的分支方向，來解決衛(wèi)星進(jìn)入地面通信系統(tǒng)的問題。在國際電聯(lián)(ITU)關(guān)于6G的文件中，也將衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡(luò)的融合作為6G網(wǎng)絡(luò)的一個重要特征。

田斌認(rèn)為，低軌衛(wèi)星通信可以是6G的有機(jī)組成部分?！?G是空、天、海、地全方位覆蓋的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將融合陸地?zé)o線移動通信、高中低軌衛(wèi)星移動通信以及短距離直接通信等技術(shù)，融合通信與計算、導(dǎo)航、感知、智能等技術(shù)，通過智能化移動性管理控制?！?

低軌衛(wèi)星通信也同“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)理念相當(dāng)切合。王珂表示，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是目前全球商用衛(wèi)星星座的熱點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。衛(wèi)星的廣域覆蓋特點(diǎn)，使其可對超大范圍內(nèi)的大量設(shè)備提供通信鏈路，這就為大型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)?！袄纾梢酝ㄟ^衛(wèi)星對全國的主干供電網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)等能源網(wǎng)絡(luò)完成信息的收集，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。”

太空WiFi無法直接使用

關(guān)于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)常有一種誤解：通過手機(jī)可以像搜WiFi一樣搜到低軌通信衛(wèi)星，然后聯(lián)網(wǎng)。

這種誤解或許來自于SpaceX有意無意的宣傳：馬斯克在推特上曾做過“廣告”，稱“星鏈”的WiFi用戶名是 Tintin A和Tintin B，密碼為“martians”(火星人)。顯然，并沒有人能用手機(jī)搜到這個“太空WiFi”，但謠言卻不脛而走。

公開資料顯示，“星鏈”使用的是Ku和Ka頻段，未來還將拓展至V頻段——它們都不是普通手機(jī)的工作頻段。因此，需要使用一個“天線”轉(zhuǎn)換信號。

事實(shí)上，后來馬斯克也曾辟謠說，要想用普通手機(jī)接收衛(wèi)星信號，還需要一個披薩餅盒大小帶有天線的接收器，用來接收衛(wèi)星信號，再連接手機(jī)。其他低軌星座的接收器也大同小異。

王珂介紹，目前國際上也有普通手機(jī)終端直接連接衛(wèi)星的商業(yè)項(xiàng)目，但尚不成熟，還需進(jìn)一步論證。

會影響天文觀測嗎?

并非所有人都喜歡低軌衛(wèi)星星座，意見最大的要屬天文學(xué)家。中科院國家天文臺茍利軍研究員等人曾以《虛假星光帶來天文學(xué)的大災(zāi)難》為題，撰文批評“星鏈”，指出其給全球天文觀測帶來了更大的難題。

茍利軍等人認(rèn)為，“星鏈”衛(wèi)星大部分時間亮度在5等左右，雖然肉眼幾乎不可見，但不管是對于星空拍攝者而言，還是對于專業(yè)的天文觀測(主要觀測目標(biāo)為10—20星等的暗星)研究人員而言，這些衛(wèi)星依然實(shí)在是太亮了。因?yàn)椤靶擎湣毙l(wèi)星的數(shù)量實(shí)在太多，所以導(dǎo)致愛好者和專業(yè)的天文觀測都因?yàn)檫@些星鏈衛(wèi)星入鏡而產(chǎn)生了大量廢片。

他們還指出，不僅是可見光波段，即使是在射電波段，“星鏈”衛(wèi)星依舊會造成嚴(yán)重的觀測干擾。為了避免“星鏈”衛(wèi)星所帶來的不良影響，地面上的射電望遠(yuǎn)鏡必須避開衛(wèi)星過境的時間段來進(jìn)行觀測?！叭绻擎溞l(wèi)星全部進(jìn)入近地軌道，或許我們將不得不放棄一些波段的觀測，無疑這對于射電天文學(xué)來說是一種損失。”

怎樣解決這一矛盾?田斌認(rèn)為，低軌通信衛(wèi)星可以避開天文觀測特定的頻段;如在相鄰的頻段通信，可以采用濾波等技術(shù)減少對天文觀測的影響。王珂則建議，天文站的選址需要考慮衛(wèi)星星座的設(shè)計，反之亦然;還可以發(fā)展天外觀測站，如哈勃望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

近日，國家發(fā)改委明確“新基建”范圍，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也首次被納入，同5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一起并列為通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。而在大洋的彼岸，美國的SpaceX公司已發(fā)射了400余顆“星鏈”低軌通信衛(wèi)星，這個號稱將向全世界提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的低軌星座項(xiàng)目，同樣受到廣泛關(guān)注。