對(duì)此，IEEE Fellow，中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理、總工程師、專家委主任，無線移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，移動(dòng)通信及車聯(lián)網(wǎng)國(guó)家工程研究中心主任陳山枝在接受C114專訪時(shí)指出，由于手機(jī)便攜性好且用戶基數(shù)大，手機(jī)直連衛(wèi)星作為星地融合的潛在典型應(yīng)用得到了業(yè)界的高度重視;但當(dāng)前宣稱的普通手機(jī)直連衛(wèi)星通信是指在沒有蜂窩和WiFi覆蓋的情況下發(fā)送緊急救援短信，尚且不能實(shí)現(xiàn)無感知的連續(xù)通信;而傳統(tǒng)衛(wèi)星手機(jī)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)通話和中低速數(shù)據(jù)，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(biāo)準(zhǔn)方案可支持5G NTN手機(jī)直接接入衛(wèi)星，也支持Ka/Ku的VSAT終端衛(wèi)星通信行業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全球無縫移動(dòng)通信，既契合當(dāng)下發(fā)展需求，也將為6G星地融合奠定基礎(chǔ)。
手機(jī)直連衛(wèi)星由來已久，熱度再度興起依然面臨多重挑戰(zhàn)
在20世紀(jì)90年代，低軌道衛(wèi)星通信(銥星系統(tǒng))和地面蜂窩移動(dòng)通信(GSM)是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。
陳山枝介紹，手機(jī)直連衛(wèi)星并不是新生事物，過去就有，最早的低軌衛(wèi)星是銥星系統(tǒng)(Iridium)，77顆衛(wèi)星拉開低軌衛(wèi)星通信的序幕，與地面蜂窩通信系統(tǒng)基本同期，銥星系統(tǒng)采用星上處理和星間鏈路技術(shù)，面向消費(fèi)者，手持衛(wèi)星終端(衛(wèi)星手機(jī))可以在地球任何地點(diǎn)提供無縫隙通信，并且解決了衛(wèi)星網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)之間的跨協(xié)議漫游。最終，如此“高科技含量”的銥星系統(tǒng)因?yàn)榫薮蟮难邪l(fā)和系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用申請(qǐng)破產(chǎn)，重組后轉(zhuǎn)向行業(yè)應(yīng)用。而地面蜂窩移動(dòng)通信從2G一路發(fā)展到5G，用戶規(guī)模不斷擴(kuò)大，商業(yè)十分成功。
當(dāng)前，隨著StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的衛(wèi)星星座部署計(jì)劃逐步推進(jìn)，低軌衛(wèi)星通信再度興起。衛(wèi)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(rèn)為，其中的主要原因是技術(shù)進(jìn)步和需求變化。
技術(shù)方面，一是衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，包括“一箭多星”、火箭回收利用等顛覆技術(shù)創(chuàng)新;二是衛(wèi)星制造技術(shù)的進(jìn)步，包括材料、電源、加工技術(shù)的進(jìn)步;三是集成電路技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星的小型化、模塊化、組件化，以及星上處理能力的增強(qiáng);四是通信技術(shù)的進(jìn)步，隨著3G、4G、5G代際演進(jìn)，大規(guī)模天線、毫米波技術(shù)、波束賦形等進(jìn)步，地面蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)也可以應(yīng)用到衛(wèi)星上。
需求方面，隨著行業(yè)應(yīng)用和人類活動(dòng)范圍的拓展，衛(wèi)星通信全球覆蓋和空間覆蓋的優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)。到今天為止，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋的人口已經(jīng)超過70%，但是受制于技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，只覆蓋了20%的陸地面積，按地球表面積計(jì)算大概只有6%。隨著行業(yè)發(fā)展，航空、遠(yuǎn)洋、漁業(yè)、石油、環(huán)境監(jiān)測(cè)、戶外越野活動(dòng)，還有國(guó)家戰(zhàn)略和軍事通信等，在廣域和空間覆蓋方面的需求十分強(qiáng)勁。
陳山枝認(rèn)為，手機(jī)直連衛(wèi)星意味著衛(wèi)星通信將在從行業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)入消費(fèi)者市場(chǎng)。“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(wèi)星通信有很多局限性。首先是區(qū)域的無效覆蓋，三個(gè)高軌同步衛(wèi)星就可以覆蓋全球，成百上千個(gè)低軌衛(wèi)星相對(duì)地面是高速運(yùn)動(dòng)的，只能均勻覆蓋，而很多區(qū)域無效的，因?yàn)閷?shí)際上并沒有用戶;第二，衛(wèi)星信號(hào)無法覆蓋室內(nèi)及有立交橋和山體樹林遮擋的室外;第三，衛(wèi)星終端的小型化和天線間的矛盾，特別是人們已習(xí)慣于普通手機(jī)的內(nèi)置天線(用戶無感)，而目前的商用衛(wèi)星手機(jī)還是外置天線;第四，衛(wèi)星通信頻譜效率遠(yuǎn)低于蜂窩移動(dòng)通信，StarLink的下行頻譜效率是2.27bit/s/Hz，只達(dá)到3G水平，而5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz以上。最后也是最重要的，因?yàn)樯婕靶l(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、地面設(shè)備、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)及服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)，每顆通信衛(wèi)星的建設(shè)和運(yùn)維成本十倍甚至數(shù)百倍于地面基站，所以通信資費(fèi)一定會(huì)高于5G地面蜂窩通信。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)跟地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，主要技術(shù)差異和挑戰(zhàn)表現(xiàn)在：1)衛(wèi)星信道和地面信道的傳播特性不同，衛(wèi)星通信傳播距離遠(yuǎn)，信號(hào)傳播路徑損耗大，且傳輸時(shí)延大，帶來鏈路預(yù)算、時(shí)序關(guān)系和傳輸方案的挑戰(zhàn);2)衛(wèi)星高速移動(dòng)，引發(fā)時(shí)間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤(多普勒效應(yīng))、移動(dòng)性管理(頻繁波束切換和星間切換)、調(diào)制解調(diào)性能等挑戰(zhàn)。如手機(jī)到地面基站只有幾百米到公里級(jí)，5G能支持500km/h終端移動(dòng)速度;而低軌衛(wèi)星離地面手機(jī)約300到1500km，衛(wèi)星相對(duì)地面移動(dòng)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(jī)變成一部衛(wèi)星電話，在世界任何地方都可以寬帶上網(wǎng)”。陳山枝認(rèn)為，AST試圖將現(xiàn)有存量4G或5G普通手機(jī)不作改動(dòng)直連接入衛(wèi)星，由于沒有針對(duì)上述技術(shù)挑戰(zhàn)做任何系統(tǒng)優(yōu)化，存量手機(jī)沒有足夠的定時(shí)和頻率補(bǔ)償能力，所有問題的解決都需要在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)上，存在復(fù)雜度高、成本高、系統(tǒng)容量有限、低軌衛(wèi)星的軌道高度也受限等缺點(diǎn)。另外，4G和5G手機(jī)的內(nèi)置天線發(fā)射功率有限，典型值200mW，因此AST需要約64平方米超大規(guī)模相控陣天線，通過陣列天線增益去補(bǔ)償普通手機(jī)遠(yuǎn)距離接入衛(wèi)星的鏈路損耗，但超大規(guī)模相控陣天線造成了重量、體積、功耗、成本等方面的挑戰(zhàn)與問題。
從辯證的角度看衛(wèi)星通信，包括手機(jī)直連衛(wèi)星，就5G的應(yīng)用場(chǎng)景而言，兩者存在很大的互補(bǔ)性。5G主要服務(wù)于普通城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶;衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)是偏遠(yuǎn)地區(qū)及空中、海洋、森林、沙漠的通信覆蓋以及地震海嘯救災(zāi)時(shí)應(yīng)急通信，在農(nóng)林牧漁業(yè)的應(yīng)用前景值得期待。另外，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的移動(dòng)通信需求，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商在村村通和普遍服務(wù)上是在全球做得最好的，既考慮了營(yíng)收和利潤(rùn)，也兼顧了社會(huì)公平;即使在發(fā)達(dá)的西方國(guó)家的偏遠(yuǎn)地區(qū)，以及在東南亞、非洲、南美的一些發(fā)展中國(guó)家，地面移動(dòng)通信覆蓋比較差，因而衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)手機(jī)直連衛(wèi)星通信服務(wù)是有很大市場(chǎng)發(fā)展空間的。另外，除了手機(jī)直連衛(wèi)星以外，5G對(duì)許多行業(yè)應(yīng)用由于覆蓋成本等因素難以實(shí)現(xiàn)，而寬帶衛(wèi)星終端、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端等潛在行業(yè)應(yīng)用廣泛。
陳山枝認(rèn)為，衛(wèi)星通信復(fù)用蜂窩移動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈，降低衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)成本，并實(shí)現(xiàn)兩者間的覆蓋和服務(wù)互補(bǔ)，衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信有機(jī)融合是發(fā)展趨勢(shì)。因此，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信在5G/6G走向互補(bǔ)，共同構(gòu)建覆蓋全球的星地融合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)成為大勢(shì)所趨。
5G NTN更具先進(jìn)性，也將為6G星地融合奠定基礎(chǔ)
從2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力開展并推動(dòng)基于5G體制的衛(wèi)星通信探索，3GPP 開始將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃入非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)開展研究與標(biāo)準(zhǔn)化，針對(duì)星地融合的上述技術(shù)挑戰(zhàn)，開展了包括定時(shí)關(guān)系增強(qiáng)、時(shí)間和頻率的補(bǔ)償、針對(duì)大無線環(huán)回時(shí)延(RTT)的HARQ改進(jìn)機(jī)制、移動(dòng)性管理與切換增強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)化，這些舉措拉開了衛(wèi)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(shè)計(jì)之初并沒有考慮衛(wèi)星通信，3GPP R15版本是5G第一個(gè)商用版本。隨著技術(shù)和需求的演進(jìn)，衛(wèi)星通信的研究與標(biāo)準(zhǔn)化在R17 NTN才開始啟動(dòng)，這就決定了星地融合在5G是體制兼容，即在已有5G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)框架下實(shí)現(xiàn)星地融合的優(yōu)化。但5G具有技術(shù)先進(jìn)且成熟、產(chǎn)業(yè)鏈完整、規(guī)模經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，低軌衛(wèi)星通信與5G兼容，能夠利用和分享5G的產(chǎn)業(yè)鏈和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。并且，5G NTN星地融合方案應(yīng)該比現(xiàn)有存量5G普通手機(jī)直連接入衛(wèi)星的技術(shù)方案要優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度要低、建設(shè)和運(yùn)維成本也要低，系統(tǒng)容量要大，更具有先進(jìn)性。
因此，陳山枝早在2020年就建議當(dāng)前我國(guó)應(yīng)該建設(shè)和發(fā)展與5G兼容的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)(具體可查閱陳山枝在2020年第六期《電信科學(xué)》上發(fā)表的論文《關(guān)于低軌衛(wèi)星通信的分析及我國(guó)的發(fā)展建議》)，5G NTN支持GEO/MEO/LEO場(chǎng)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(jī)終端，實(shí)現(xiàn)全球無縫移動(dòng)通信。一方面，契合手機(jī)更迭周期短的特點(diǎn)，人們更換新手機(jī)就可實(shí)現(xiàn)，又能滿足行業(yè)應(yīng)用需求;另一方面，該方案將為我國(guó)引領(lǐng)6G星地融合奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
陳山枝指出，6G在設(shè)計(jì)之初就考慮星地融合，能在系統(tǒng)級(jí)上實(shí)現(xiàn)星地融合的優(yōu)化，因此6G星地融合將是系統(tǒng)融合。在6G時(shí)代，陸地移動(dòng)通信跟高、中、低軌衛(wèi)星的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)任何人、任何地點(diǎn)、在任何時(shí)間無縫全球覆蓋和接入。需要對(duì)衛(wèi)星、升空平臺(tái)、無人機(jī)、地面蜂窩等組成異構(gòu)接入，設(shè)計(jì)包含統(tǒng)一空口傳輸、統(tǒng)一接入控制、統(tǒng)一認(rèn)證和統(tǒng)一組網(wǎng)協(xié)議，以用戶為中心的智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持終端在星地間無縫切換，滿足不同部署場(chǎng)景和多樣化的業(yè)務(wù)需求。
陳山枝早在2020年就發(fā)表相關(guān)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(jìn)一步提出了“5G兼容”走向“6G融合”的星地融合移動(dòng)通信演進(jìn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)。
陳山枝進(jìn)一步指出，6G“星地融合”移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多維復(fù)雜的“巨系統(tǒng)”，是多個(gè)異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)融合，具有多層立體、動(dòng)態(tài)時(shí)變的特點(diǎn)。多層復(fù)雜跨域組網(wǎng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)困難，大尺度空間傳播環(huán)境導(dǎo)致傳輸效率低，衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化和移動(dòng)性管理挑戰(zhàn)，進(jìn)而導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量和通信連續(xù)性難以保障。
對(duì)于6G星地融合組網(wǎng)所面臨的巨大挑戰(zhàn)，陳山枝提出關(guān)鍵技術(shù)突破的四個(gè)方向：
在6G星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，需研究衛(wèi)星與地面蜂窩通信架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)。一是通過設(shè)計(jì)彈性可重構(gòu)的靈活網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)功能的柔性分割;二是通過設(shè)計(jì)高效的多域多維度網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，提高星地融合網(wǎng)絡(luò)中的資源管理效率。
在6G星地融合的空口傳輸方面，需研究衛(wèi)星與地面蜂窩通信的統(tǒng)一無線空口設(shè)計(jì)方案，支持多種業(yè)務(wù)傳輸，讓終端可以極致簡(jiǎn)單地接入最合適的星地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
在6G星地融合的組網(wǎng)技術(shù)方面，需主要研究小區(qū)間頻率規(guī)劃、多層網(wǎng)絡(luò)間自適應(yīng)路由和星地星間無縫切換、星地一體多級(jí)邊緣計(jì)算任務(wù)遷移等。
在6G星地融合的頻率管理方面，需研究基于統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源、星地間頻譜的協(xié)調(diào)管理機(jī)制。通過頻譜共享和干擾管理方案，提高頻譜資源利用率。
陳山枝介紹，中國(guó)信科及其無線移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是星地融合移動(dòng)通信的重要技術(shù)貢獻(xiàn)者，也是5G衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的引領(lǐng)者、6G星地融合關(guān)鍵技術(shù)的儲(chǔ)備者。中國(guó)信科在我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新基建中正發(fā)揮著重要作用，積極開展透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上處理衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，帶領(lǐng)業(yè)界率先完成了業(yè)界首套5G融合體制的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系和關(guān)鍵設(shè)備研制，為國(guó)家衛(wèi)星移動(dòng)通信重大工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐。在2020年和2021年連續(xù)兩年向業(yè)界發(fā)布了“全域覆蓋、場(chǎng)景智聯(lián)”的6G白皮書;承擔(dān)了多項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題，聯(lián)合業(yè)界積極開展6G愿景與需求的研究、6G關(guān)鍵技術(shù)的研究與驗(yàn)證，為后續(xù)的6G標(biāo)準(zhǔn)化工作做好前期儲(chǔ)備工作。
