星地融合，天涯海角免受“失联之苦”
撰文/记者 贾朔荣 编辑/吉菁菁
采访专家：
陈山枝（中国信息通信科技集团有限公司副总经理、总工程师）
2023年2月，“驴友贡格尔草原遇大雪迷路，靠手机卫星通信自救”的新闻一度火遍全网。事件中，“驴友”在没有地面网络信号的区域使用手机自带的卫星通信功能，发出求救信号，并且附带精准的坐标信息，最后成功获救。
（图源：北疆新闻网）
这一新闻将“卫星通信”这个相对陌生的名词推到大众面前。实际上，卫星通信并非“新鲜事物”，过去数十年，卫星通信逐步发展，从向政府、军队、专业机构和专业移动用户提供卫星通信服务，到逐渐走入普通大众视野，它为移动通信领域带来了哪些重大变革？
为什么需要卫星通信？
从1G时代的语音、2G时代的短信、彩信，3G时代的图片、视频、App，到4G的移动互联和5G的万物互联，我们享受着移动通信技术迅猛发展带来的便利，也不断基于新技术实现新场景的畅游。然而，在我们普遍依赖手机体验智能生活的今天，仍然有一些地面移动通信网络无法覆盖的场景。比如人迹罕至的荒漠、海洋深处、高山丛林、中高空域，或因自然灾害导致地面基础设施损坏的情形，以致“失联”。
在这些充满了绝望的“失联”时刻，我们需要一种技术，无论身处何地，无论何时，都能免受“失联之苦”。而这种技术，正是卫星通信。卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地球站之间的通信。
1G—5G时代，移动通信系统主要由地面移动通信组成，受限于经济因素，主要覆盖了城市、乡村等人口密集地区，覆盖范围只占陆地面积的20%、地球表面积的6%。而随着人类活动空间的拓展，沙漠、海洋、森林等偏远地区对移动通信的需求变强，卫星通信对这些地区具有天然的覆盖优势。
根据轨道高度，卫星可以分为典型高度500~2000 km的低地球轨道（LEO）卫星、典型高度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，低轨卫星因其发射成本低、距离地面近、传输时延短、路径损耗小、数据传输率高等优点，近年来受到业界广泛关注。
随着低轨卫星通信的不断发展，其具备了宽带互联网接入功能，因此带来了“卫星互联网”的蓬勃发展。卫星互联网即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大卫星系统，是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。2020年4月，我国将卫星互联网纳入新基建范畴，推动其迎来加速发展期。
成本低、广覆盖、低时延，我们能否将地面通信网络与卫星互联网相结合，让通信不再受地域限制呢？
盛大出席却迎低迷绽放
低轨卫星互联网在演进过程中经历了与地面通信网络竞争、补充、融合的三大阶段。早期，“铱星”系统拉开了低轨卫星通信的序幕，与当时出现的地面蜂窝通信系统（GSM）基本同期。“铱星”是一个划时代的构想，系统共6个轨道面，每个轨道均匀分布11颗卫星，组成完整星座，覆盖全球区域（包括南北两极），提供全球任何地点的电话通信业务。然而，当时2G移动通信系统（GSM和CDMA）用户数快速增长，占领了很大市场。而“铱星”只获得了5万多用户，与达到盈亏平衡的60多万用户相距甚远；并且只能在室外打电话，室内没有信号；数据业务能力也很弱，没有考虑当时正在兴起的互联网需求。
“诸多因素导致铱星系统最后只能申请破产并被分拆，而地面蜂窝移动通信从2G发展到5G，用户规模不断扩大。”中国信息通信科技集团有限公司副总经理、总工程师陈山枝介绍道。
▲陈山枝参加2023中关村论坛，发表题为《6G两大标志及星地融合趋势》的主题演讲（图源：中关村论坛）
盛大出席却迎低迷绽放，卫星互联网与地面通信网络从早期的竞争期逐步进入补充融合期。在这一过程中，卫星发射技术、卫星制造技术、集成电路技术、通信技术的不断进步，催生了多个典型的商业系统，如Telesat、OneWeb、StarLink，以及我国的虹云、鸿雁等。
业界曾有人认为，卫星通信将颠覆5G，然而究其根本，从低轨卫星通信频率、轨道资源、系统容量、建设和运维成本等多方面考虑，卫星通信系统颠覆5G、服务全球网民仍有较大差距。
从发展规模看，从1G到5G，地面移动通信与卫星通信基本保持独立发展态势。地面移动通信伴随着从1G时代标准林立，到5G时代采用通用标准，加之众多企业涌入，已形成规模经济，基本将覆盖做到了极致。而卫星通信产业链包括卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营及服务等四大环节，“不同卫星运营企业，都有自己的通信标准体系，相互不能兼容，所以导致卫星通信规模经济不够，建设运维成本过高，未能实现规模发展。”陈山枝介绍道。
卫星通信还受到频谱资源和轨道资源限制。依据香农定理，由于卫星与地面终端间的路径损耗、大气吸收损耗（如雨衰等）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。此外，卫星轨道资源和频谱资源一样，需要经过主管信息通信技术事务的联合国机构—国际电信联盟（ITU）的批准和协调。
通信卫星的建设和运维成本也较高。陈山枝表示，“可以通俗地把卫星通信理解为将地面基站搬到空中的卫星平台。原先我们将基站放在铁塔上，现在要放到卫星上，这将面临卫星高速运动、无线传输信道、移动性管理、设备材料等各种问题，基于此，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，资费会高于5G。”
此外，低轨卫星便携终端在使用中也存在特定困难。与4G和5G手机相比，便携卫星终端体积大、功耗大，卫星信号无法覆盖室内，对雨、雪、雾、云等天气十分敏感，加上资费因素，对城市普通消费者吸引力并不强。
因此，如何实现地面移动通信与卫星通信的深度融合，实现空天一体化，成为下一步演进的方向。
星地融合，随时随地与世界互联
“十四五”规划指出，“建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施。”随着6G技术路径与需求的逐渐明晰，无论用户侧还是产业界都对星地融合提出了更迫切的需求。
在中信科移动发布的《全域覆盖 场景智联 星地融合通信白皮书》中，星地融合通信网络，是指由地面网络、临近空间网络和天基网络组成的星地立体通信网络。其中，地面网络主要包括地面蜂窝基站、卫星信关站和核心网；临近空间网络包括无人机和临空接入平台；天基网络主要包括高中低轨卫星通信载荷与平台。
▲星地融合的立体网络（图源：《全域覆盖 场景智联 星地融合通信白皮书》）
星地融合通信网络使用统一的网络架构和标准体制，使用一体化的无线接入、传输和网络技术，一体化的星地协同无线资源分配与业务管理，为多种通信设备提供宽带或窄带接入服务，满足天基、空基、海基和陆基用户随时随地通信需要。
星地融合的立体网络
在陈山枝看来，星地融合需要经历两个阶段，首先是5G体制兼容。“由于5G标准开始制定时仅考虑了地面移动通信规范，并未考虑卫星通信需求，因此，应考虑借鉴5G的技术优势、规模优势、产业成熟度，结合卫星通信差异，在已有地面5G标准的整体技术框架下通过优化的方式实现星地融合通信。”这一阶段主要是体制融合，卫星通信系统采用与地面移动通信系统相同或相似的通信体制。
然后是6G系统融合。6G系统设计之初，便考虑卫星与地面融合的需求，包括体制融合、网络融合、管理融合、频谱融合、业务融合、平台融合、终端融合等的系统融合，实现卫星通信与地面移动通信的无缝覆盖，从而为用户提供随时随地的接入服务和融合业务。
▲未来构建“空天地一体化网络”，实现通信网络全球全域的三维立体“泛在覆盖”（图片源自网络）
无论是体制兼容，还是系统融合，统一标准的建立都至关重要。“在国际标准制定方面，今年3月份，我们提交的两项基于5G的星地融合提案获国际电联通过成为标准，为未来制定6G相关标准奠定了坚实基础。”陈山枝介绍道。此外，近日，中信科移动联合合作伙伴基于5G NTN（非地面网络）的卫星透明转发通信标准协议和全新的星地融合平台，通过高轨和低轨卫星，实现5G NTN标准端到端宽带卫星通信业务传输的技术试验验证，且测试性能符合预期。实现了5G NTN宽带卫星业务和地面业务打通，支持语音、短消息、高清视频通话、4K高清视频播放等业务。
回到开篇的场景，随着6G星地融合的不断推进，我们有望预期，在不久的将来，无论你在地球的哪个角落，拿起手机，就能无感知切换地面移动网络或/和卫星网络，随时随地实现与世界的互联。
参考资料：
1.“新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书[EB]. 2020.
2.全域覆盖 场景智联 星地融合通信白皮书[EB]. 2023.
3.陈山枝.关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议[J].电信科学, 2020,6:1-13.
4.中信科移动完成5G NTN标准宽带卫星通信试验验证[EB]. 2023.
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