卫星互联网存在的四大挑战

随着火箭发射成本的降低、卫星制造能力的提升、集成电路技术的进步等，相较高轨卫星具有低时延和低成本优势的低轨卫星通信系统悄然复苏，并受到全球诸多的互联网、通信、航天航空等巨头企业青睐。

日前，当猎鹰9号和龙飞船获得NASA批准可以重复使用发射宇航员之后，由埃隆·马斯克提出的星链计划（Starlink）也正式被众人熟知，卫星互联网一时成为“热词”，“星链将颠覆5G”与“卫星互联网将服务全球网民”等话题也引起业界广泛关注。

“马斯克在技术层面并没有颠覆卫星通信。”近日，中国信息通信科技集团副总经理、专家委主任，无线移动通信国家重点实验室主任、IEEE Fellow陈山枝在与记者就马斯克的星链计划与低轨卫星通信和4G、5G等移动通信技术的关系等话题交流时表示，马斯克的“星链”从通信系统角度分析若其要服务全球网民还差距太大，与5G的关系只能是互补而非替代。

陈山枝指出，我国低轨卫星通信起步较晚，但我国在卫星制造和火箭发射、卫星通信、5G等方面具有良好的技术积累和产业基础，在相关产业链各环节均有布局，具备了大发展的基础。

卫星互联网就是低轨卫星通信

卫星互联网是指基于卫星通信的互联网，通过一定数量的卫星形成规模组网，从而辐射全球，构建具备实时信息处理的巨星座系统，向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务。

据陈山枝介绍，根据轨道高度，卫星可以分为典型高度为500~2000 km的低地球轨道（LEO）卫星、典型高度为8000~20000 km的中地球轨道（MEO）卫星和高度约35786 km的对地静止轨道（GEO）卫星等。

其中，中高轨道卫星具有覆盖优势，单颗GEO卫星可覆盖近1/3地球表面积。相比之下，低轨卫星具有发射成本低、距离地面近、传输时延短、路径损耗小、数据传输率高等优点。有利于地面终端的小型化，能以更小的信号功率被低轨卫星接收。

然而，卫星轨道是是一种有限的使用资源，卫星公司需要采取申报的方式向相关机构申请使用资格。目前，国际规则中的轨道资源主要以“先占先得”的方式进行分配，后申报方不能对已申报的卫星产生不利干扰;申报者还必须在申报资源后的一段时间内发射卫星，启用所申报的资源，否则预定的资源会失效。

并且，低轨卫星星座由众多小卫星组成，当一部分卫星无法工作时，可以发射新的卫星进行补网，不会将整个资源让出。所以在低轨星座领域，国外公司纷纷推出规模庞大的低轨卫星系统抢占有限的低轨卫星轨道和频谱资源，争取先发优势，争夺太空优势，“跑马圈地”现象十分明显。

截至目前，包括OneWeb、O3b、SpaceX、Telesat等多家国外企业已推出卫星互联网计划。其中Space X公司拥有目前最多的商业卫星数量，重点打造的Starlink（星链）计划将在LEO、极低轨分别发射4425、7518颗卫星进行组网，目前已经在轨的卫星数达到482颗。

自2017年以来，我国也相继启动了多个卫星星座计划，包括航天科技的鸿雁星座、航天科工的虹云工程、国电高科的天启星座的“天启一号”等。

“频谱资源像城市的商业土地一样稀缺，随着卫星通信、地面通信以及探测业务对频谱资源需求的持续增加以及各种应用对于高速移动通信需求的不断提升，频谱资源短缺现象十分严重，特别是对于低轨卫星，较宽的信道频率带宽有助于提升系统通信容量。”陈山枝表示，低轨卫星轨道和频谱资源是一种不可再生的战略资源，是卫星通信系统的两大核心资源要素，也是实现商用的前提条件。预计频率更高的Q频段、V频段和太赫兹频段将成为下一代卫星通信布局和争夺的焦点。因此需要提前部署和申请频谱资源和卫星轨道资源，为我国发展卫星通信提供资源保障。

陈山枝指出，我国作为后来者，须主动与已在轨卫星系统规避卫星碰撞、通信干扰，这将造成星座设计、通信干扰控制或协调的复杂度增大，因此需要鼓励和支持企业发展低轨卫星去争取频谱资源和近地轨道资源，分享“先登先占”的蛋糕。

卫星互联网并未颠覆通信技术

星链计划将通过大量低轨卫星对全球实现完整覆盖，在网速方面，星链提供约1Gbps/秒的峰值宽带服务。届时消费者只需要购买SpaceX的卫星终端设备，每个月花费几十美元就可享受这一网络服务。

毋庸置疑，马斯克的这一设想让无数业界人士认为星链终将颠覆通信技术，而卫星互联网也将服务全球网民。

首先让我们回顾卫星互联网的发展史。

卫星互联网的发展初期可以追溯到上世纪80年代，以摩托罗拉公司“铱星”星座为代表的多个卫星星座计划提出，“铱星”星座通过66颗低轨卫星构建一个全球覆盖的卫星通信网，这个阶段主要以提供语音、低速数据等服务为主。随着地面蜂窝移动通信系统快速发展，在通信质量、资费价格等方面对卫星通信全面占优，在与地面通信网络的竞争中宣告失败。

经过二十余年的发展，卫星互联网也逐步进入到了与地面通信系统互补合作、融合发展的宽带互联网时期。

陈山枝认为，马斯克在“一箭多星”、火箭回收利用等方面颠覆技术创新，极大地降低了卫星发射成本和行业进入门槛，但从通信系统角度分析低轨卫星通信的频率与轨道资源、系统容量、建设和运维成本等，若其要服务全球互联网网民还差距太大。

因此，马斯克的星链计划最大的贡献在于降低了卫星的发射成本，并没有在卫星通信技术本身取得突破性的进展，这也是其星链计划无法取代5G的原因所在。

卫星互联网无法代替5G

“卫星互联网的出现不会与5G等地面网络构成竞争关系。”陈山枝认为，在时延方面，目前的卫星互联网能达到几十毫秒级别的延时，可以与4G网络媲美，但是与5G网络10毫秒以内的延时相比差距仍然巨大，无法满足自动驾驶、远程医疗等低延时场景应用。

地面蜂窝通信系统提升系统容量的手段主要有三种，一是通过增加系统频率带宽;二是通过更先进的调制和信道编码技术，提升频谱利用率;三是通过小区分裂增加单位面积上的基站数量、扇区化和增加天线数量，就是频率的空间复用原理。

其实，卫星通信也一样，在频谱资源稀缺下，若要提升系统容量意味着增加卫星数量及单颗星采用多波束技术，这与地面蜂窝通信系统是一样的，就是通过频率复用原理来提升系统容量。

并且，在带宽方面，虽然目前单颗卫星峰值通信速率已能达到20Gbps，与5G基站容量在同一数量级。但与组网卫星数目相比，地面基站数量更加庞大，目前全球4G基站总数已达约830万，可满足大规模终端产品的高速网络连接，卫星互联网在海量终端接入方面受到限制。

因此，陈山枝认为，未来卫星互联网的核心应用场景将主要包括偏远地区互联通信、海洋作业、科考宽带、航空宽带和灾难应急通信等，这些地方地面网路建设难度大、成本高，而卫星互联网将可以很好地解决这方面的问题，对地面网络形成重要补充，极大地拓展网络的覆盖范围。

陈山枝特别提到，OneWeb的创始人兼董事长Greg Wyler在今年2月破产前后接受采访说：“我依然相信卫星在很多用例中都扮演重要角色。以消费者住宅为例，在每平方公里有25个住宅以上的通信需求可能用不上卫星;但是在满足每平方公里有25个以下住宅的农村和偏远地区，无论我们发射多少卫星，消费者宽带的需求都远远超过卫星系统能提供的容量。”（ OneWeb从今年3月底宣布进入破产保护， 7月被英国政府收购）。请注意Wyler讲的是为住宅提供宽带互联网服务，而且主要对象是每平方公里有25个以下住宅的农村和偏远地区。

卫星互联网尚存四大挑战

陈山枝认为，目前全球卫星互联网尚处于起步阶段，在发展中仍有四大主要挑战制约。

第一，卫星通信的频谱利用率低于地面移动通信，每比特能耗又高于地面移动通信。

根据香农定理给出了通信系统容量上限与其采用的通信频率带宽及信道信噪比的关系。由于卫星与地面终端间的路径损耗、大气吸收损耗等都远大于地面蜂窝移动通信系统，若要提高传输率，就要加大发射功率及增大地面用户天线口径，结果是卫星通信的频谱利用效率、每比特能耗两个关键指标远低于同期的蜂窝移动通信系统。目前SpaceX的卫星到用户终端的下行链路平均频谱效率为2.7 bit/s/Hz，只达到3G水平;而目前5G的下行链路平均频谱效率是10 bit/s/Hz 以上。另外，低轨卫星终端的每比特能耗要比5G手机至少差一个数量级以上。

因此，卫星互联网如果要满足全球网民的宽带互联网需求，低轨卫星系统就必须实现与5G大体相当的总通信容量，同样需要几百万颗低轨卫星密布在全球城市带及附近上空的近地轨道，但是低轨卫星又相对地面是高速运动的、非固定的，这在星座设计的挑战和系统投资上是完全不可想象的。另外，城市里每平方千米的几百个用户的宽带互联网接入需求给卫星通信的点波束覆盖及其干扰控制带来巨大难题。

而回看此前有关媒体报道所指出的：“完整的41927颗Starlink卫星组成的网络将提供407.09Tbps，这就相当于40.7万个5G基站的网络容量，而美国4G网络的基站约20万个，相当于构建了两张能承载美国区域的卫星互联网。”这句话也有失偏颇，误导读者。陈博士分析说：第一，当前单颗Starlink卫星与5G单基站的峰值速率都在20 Gbit/s左右，处在同一个数量，那么4万多颗Starlink卫星也就相当于4万多个5G基站;第二，4万多颗Starlink卫星也不是相当于在美国构建了4万多个5G基站，因为4万多颗Starlink卫星是分布在全球的上空，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。

第二，通信卫星建设和运维成本高。尽管马斯克的颠覆性创新大大降低了发射卫星的成本和门槛，但是没有改变卫星通信技术本身。可以简单理解为卫星通信是将地面铁塔平台上的基站搬到空中的卫星平台。可见，与卫星发射及维护的成本相比，地面铁塔的建设成本和维护成本基本可以忽略不计。并且卫星平台上的基站还有面临空间电磁环境和可靠性等特殊设计要求，又抬高了研制成本。根据当前测算，每颗通信卫星仍面临着数十倍甚至百倍于地面基站的建设和运行维护成本，因此资费肯定高于5G。

第三，卫星通信存在大量无效覆盖问题。低轨卫星系统若要实现与5G大体相当的总通信容量，那就需要几百万颗低轨卫星密布在全球城市带（人口密集区域）及附近上空的近地轨道。而低轨卫星相对地面是高速运动的，会经过一些地广人稀地区、海洋等，覆盖与通信密度不成正比，造成大量的无效覆盖问题，同时给星座设计和系统投资提出了较大挑战。

第四，卫星终端体积大、功耗大，通信资费较高，吸引力有限。低轨卫星便携终端采用相控阵天线，则其面天线和一个iPad差不多大。与4G和5G手机相比，便携卫星终端体积大和功耗大，且卫星信号无法覆盖室内，城市大楼遮挡直视径信道（LOS），对雨、雪、雾、云等天气十分敏感，峰值通信速率（媒体宣传的速率）和平均通信速率相差较大，加上资费因素，对城市普通消费者没有吸引力。

陈山枝表示，鉴于上述挑战，卫星通信的未来技术创新有四个重要方向：一个是卫星星间链路组网技术，提高灵活性和通信质量;二是卫星终端天线技术，提高接收增益、减少体积;三是开拓更高频段的技术，提高系统容量;四是卫星星座设计和卫星轨道倾斜技术，降低无效覆盖。

“晋级”新基建 实现差异化竞争

2020年4月20日，国务院国有资产监督管理委员会、国家发展和改革委员会召开经济运行例行发布会，明确新型基础设施建设的范围，首次纳入“新基建”范畴的卫星互联网建设已经上升为国家战略性工程。

从“3G突破”到“4G并跑”再到“5G引领”，我国移动通信的产业链已经相对完整，包括核心网系统、基站设备、手机终端、芯片、测试仪表等。

“由于移动通信系统十分复杂，技术含量高，研发投入巨大，5G产业链各个环节，都需要极强的规模经济效应才能商用成功。”陈山枝表示，我国5G发牌已有一年，而我国的低轨卫星通信系统正处于起步阶段，如果能够最大程度地复用和兼容5G，低轨卫星通信的信关站、卫星通信终端等产业可以复用5G基站和芯片等成果，基于5G的卫星通信能最大程度地利用地面基站基带处理、终端芯片的技术成果，并分享5G规模经济效应，降低成本，也更易推动卫星通信发展。

此外，政府需要从宏观层面持续予以政策扶持，相关企业要创新商业模式，组网建设工程要循序渐进，逐步拓展市场空间，形成良性发展。

在应用层面，也需要全面拓展卫星导航在车联网、建筑工程、测绘等行业领域以及大众市场的运营服务，推动业务向附加值较高的应用服务端延伸。

“卫星互联网产业链环节众多，需要打造良好的产业生态，不断突破产业链核心环节，形成关键技术的核心知识产权。”陈山枝指出，如果我国发展低轨卫星通信能够最大程度地复用地面5G的关键技术和标准，将十分有利于卫星通信技术与产业的发展，一方面引入最先进移动通信技术，并降低技术风险，另一方面可以利用和分享5G的规模经济来降低成本，实现差异化竞争。
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