被误读的卫星互联网（附总编辑对话IEEE Fellow）

  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。

  6月3日，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《通信产业报》总编辑辛鹏骏对话时，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等方面拥有非常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。

  卫星互联网是指基于卫星通信的互联网，通过少数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，卫星可大致分为典型高度为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”的方式来进行分配，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企业具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的提高，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。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。因此就需要提前部署和申请频谱资源和卫星轨道资源，为我们国家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，因此就需要鼓励和支持公司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。

  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的人表示星链终将颠覆通信技术，而卫星互联网也将服务全球网民。

  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，此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加快速度进行发展，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，这也是其星链计划没有任何办法取代5G的原因所在。

  “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，不足以满足无人驾驶、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，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最重要的包含偏远地区互联通信、海洋作业、科考宽带、航空宽带和灾难应急通信等，这一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月破产前后接受媒体采访说：“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超于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。

  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世界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非常大难题。

  而回看此前有关新闻媒体报道所指出的：“完整的41927颗Starlink卫星组成的网络将提供407.09Tbps，这就等于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卫星也就等于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幅度的降低了发射卫星的成本和门槛，但是没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能忽略不计。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。

  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。

  今年上半年，马斯克分七次将420颗卫星发射升空，进一步完善其星链计划卫星互联网星座，再次引发关注。与此同时，在今年全国两会期间，代表委员提交了多份关于卫星互联网的建议提案，以期推动中国卫星互联网产业加速发展。那么，什么是卫星互联网?全球卫星互联网发展到哪个阶段?中国卫星互联网如何发展?围绕上述问题，IEEE Fellow陈山枝与《通信产业报》全媒体总编辑辛鹏骏展开了对话。

  辛鹏骏：马斯克的星链计划以及由此引发的卫星互联网近来受到广泛关注，甚至有人提出卫星互联网替代 5G、6G、地面通信。您怎么看卫星互联网？

  陈山枝：卫星互联网，在国外也称作空间互联网（Space Internet），是指利用卫星通信技术为全球，乃至外太空提供互联网接入服务的网络，是继移动互联网（Mobile Internet）、物联网(Internet of Thing)之后的新名词。

  陈山枝：根据轨道高度，卫星可以分为低地球轨道（LEO）卫星、中地球轨道（MEO）卫星和对地静止轨道（GEO）卫星等。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。但由于低轨卫星相对于地表的移动速度超过5700 m/s，一颗卫星的可视时间约10分钟，而用户在一个波束的驻留时间可能只有1分钟，因此发生波束切换和星间切换的频度较高，其移动性管理与控制更为复杂。

  不过，随着卫星通信成为数字经济的新型基础设施，卫星通信技术不断进步，以及卫星制造及发射成本降低，低轨卫星通信成为近年来产业界的热点，受到广泛关注。近年来，全球兴起了LEO星座建设热潮，先后有Starlink（星链）、OneWeb、O3b、波音、TeleSat、LeoSat等多个星座计划。中国企业也推出了“虹云”“鸿雁”“天地一体化”等LEO星座。

  辛鹏骏：卫星通信能不能替代5G、6G、地面固定通信?卫星通信该如何定位，核心优势是什么?与地面通信应该是什么关系?

  陈山枝：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，若其要服务全球网民还差距太大，与5G的关系只能是互补而非替代。

  低轨卫星通信唯一不可替代的优势在于全球无缝覆盖，可以解决陆地移动通信解决不了的偏远地区、海洋、空间、荒漠与山区等宽带通信问题。另外，发生地震、海啸等严重自然灾害时，地面移动通信网络容易受损而导致通信中断，卫星通信成为重要的应急通信手段。

  未来，6G技术将融合陆地无线通信、高中低轨卫星通信以及短距离直接通信等技术，融合通信与计算、导航、感知、智能等技术，通过智能化移动性管理控制，实现全球立体泛在覆盖空、天、地、海的高速宽带通信。

  辛鹏骏：目前全球卫星通信面临哪些技术难点与挑战?未来技术创新方向是什么?

  陈山枝：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。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。

  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，地面铁塔的建设成本和维护成本，与卫星发射及维护的成本相比，基本可忽略不计。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的基本要求，又大大抬高了研制成本。根据当前测算，这就意味着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，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世界城市带(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，卫星覆盖与通信密度不成正比，造成大量无效覆盖问题，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。

  鉴于上述挑战，卫星通信的未来技术创新方向有四个重要方面：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。

  辛鹏骏：当前卫星通信已经被列入新基建范畴，而在今年两会上雷军代表也提出让非公有制企业也更多参与卫星互联网。您觉得中国该怎么样布局卫星通信?下一步着力点应该在哪几个方面?您讲过两个“争取”两个“合作”如何理解?

  陈山枝：中国的海事、铁路、林业、矿业等各行各业，在空间、海洋、荒漠、森林、山区等都有宽带移动通信的强烈需求。另外，中国企业在参与“一带一路”经济建设，也需要信息通信技术的支撑。针对上述需求，中国低轨卫星通信应重点布局上述行业，利用低轨卫星通信广覆盖、大带宽的技术优势，在地面移动通信网络难以覆盖区域提供通信服务。

  与此同时，针对当前全球卫星互联网发展形势，中国应该采用5G关键技术设计，加快发展基于5G的低轨卫星通信。这是因为中国5G技术和产业在全球领先，5G已开始商用;同时，与目前大部分商用低轨卫星的通信技术相比，5G技术在大带宽、灵活帧结构、信号波形等许多方面拥有较大的优势。不过，由于与地面通信系统相比，卫星通信系统具有较大的独特性和差异性，所以基于5G的低轨卫星通信必须对5G部分关键技术进行适应性的改进和针对性的优化设计。

  不过，需要指出的是，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。根据ITU规则，低轨道和频谱资源实行“先登先占”的原则，而国外公司近年来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，因此中国企业也应向ITU申请和争取卫星通信的频谱资源和轨道资源。此为两个争取。

  当然也要积极地推进国际合作与国内合作，即两个合作。在国际合作方面，建议重点与3GPP和ITU等国际组织合作推进低轨卫星通信国际标准的制定。在国内合作方面，重点推动商业航天产业与移动通信产业、集成电路产业的“跨界”合作，共同推进卫星制造技术、火箭发射技术、移动通信技术、集成电路技术的协同进步，通过产业合作来打造一个融合的新产业，并实现商业模式的创新。

  辛鹏骏：今年以来，马斯克一共发射了420颗卫星，加速部署星链计划，这预示着全球各国在低轨卫星通信领域的竞争进一步加剧。因此，在这一背景下，中国更要加快低轨卫星通信的发展脚步，在卫星轨道、通信频谱方面获取更多的资源，同时也希望中国企业加强国内、国际间的广泛合作，一同推动卫星互联网发展。