【灼识咨询5G专题三】探索6G：卫星助力开启通信新时代
1G到5G的发展轨迹刻画了用户通信需求的提升以及移动通信系统的演进，如今的通信技术已成功以用户为中心构建出有机信息生态系统。在5G商用即将如约而至的当下，我们也应当开始思考在如今信息交互的空间之外还有怎样的生机，我们距离“万物互联”的时代是否可以通过众多技术领域的快速进步去丈量。在未来第六代移动通信系统（6G，the sixth generation mobile communication system）中，网络与用户将被视作一个统一整体，在这一灵动的生命体里，用户的智能需求将被进一步挖掘和实现，并以此为基准布局通信技术规划与演进。
如果说5G是在解放大数据以后对高带宽和低时延场景下的通信需求的满足，那么6G的愿景便是基于成熟的AI、边缘计算和物联网，去实现智能应用与网络的深度融合，进而迎来更加成熟的虚拟现实、虚拟用户、智能网络的社会。随着6G的长期演进，在人工智能、新兴材料和集成天线等相关技术的驱动下，我们将迎来的是从真实世界体系到虚拟世界体系的延拓。在跳脱互联网的平层里，人类将实现卫星到卫星的直接通信以及不同卫星系统之间的切换和漫游。
目前针对“6G”，大家尚未有准确的定义，有人认为6G是太赫兹技术的应用，有人概括成是5G与人工智能的结合或者是5G与太空通讯的结合。基于6G业务所能触及的边界，本文将着重探讨6G业务驱动下开始走进大众视野的卫星通讯技术。
“6G=5G+卫星网络”卫星通讯应用前景广阔
英国电信集团（BT Group）首席网络架构师Neil McRae对6G通信进行了展望，他认为6G将是“5G+卫星网络”的结合，未来卫星通信将在5G与6G时代有更加广阔的应用前景。
基于5G通信技术的毫米波，使卫星网络的链接在技术上成为可能。毫米波提升了5G标准下信息传递的速度和广度，相控阵、多天线技术以及多址接入的方法，使现有较大的地面通信基站可转化为微基站，因此未来将有可能把众多的地面的微基站转移到太空中去，进一步增强信息的覆盖率和连接的丰富程度。因此卫星通信技术将会是未来实现6G技术与应用的一个主要方向。
➤ 卫星通信行业概览
截至2019年，全球互联网普及率约为52%，意味着仍有约一半的人口未实现互联网连接，面对如此广阔市场，近年来波音、空客、亚马逊、Google、Facebook、SpaceX等高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域，提出了OneWeb、Starlink等十余个低轨卫星通信系统方案，目标是实现全球互联网覆盖，若这些方案得以实施，未来五年内将有20,000余颗低轨卫星进入太空。
卫星通信技术是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信。自20世纪90年代以来，电子信息技术的迅猛发展推动了卫星移动通信的进步。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要方式。在6G的时代，众多的地面的微基站将转移到太空中去，进一步增强信息的覆盖率，卫星通信领域应用逐渐成熟。组成6G系统的卫星通信网络，可以是电信卫星网络、地球遥感成像卫星网络、导航卫星网络。6G系统集成这些卫星网络，目的在于为6G用户提供网络定位标识、多媒体与互联网接入、天气信息等服务，实现“万物互联”。
卫星通信技术中低轨卫星（LEO）技术是最有应用前景的卫星移动通信技术之一：按照卫星轨道高度的不同，通信卫星分为低轨通信卫星（LEO）、中轨通信卫星（MEO）和高轨地球同步通信卫星（GEO）。相较于轨道较高的通信卫星，低轨通信卫星的特点决定了其更适合现代通信，相关技术的应用也得到了有效的解决。因此，在移动通信技术领域，低轨卫星通信被认为是最有应用前景的技术。低轨卫星通信系统主要由空间段、用户段、地面段、公用及专用网络四部分组成。在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。低轨卫星通信可以在用户段直接与单一地面终端连接，也可以通过地面关口站与地面公共网络连接。
➤ 低轨卫星通信行业产业链
低轨卫星通信产业链可以分为卫星制造、卫星运营服务和地面设备制造三个环节。
➤ 全球卫星通信市场规模
据统计，2018年全球卫星通信产业总规模由2014年的1,431亿美元增长至2018年的1,931亿美元，复合年均增长率为7.8%。预计全球卫星通信产业在未来几年仍然保持稳健增长，2023年，全球卫星通信产业将达到约2,706亿美元的市场规模。
➤ 低轨卫星市场竞争格局：世界各国轨道频道资源竞争激烈
轨道和频谱是通信卫星能够正常运行的先决条件，单颗低轨卫星覆盖范围小，必须增加数量以实现全球覆盖。因此，面对有限的轨道以及频谱资源，Oneweb、SpaceX、亚马逊等行业巨头，以及 Google、Facebook 等互联网企业均加入了低轨通信卫星竞争阵营，纷纷推出自己的低轨通信卫星建造计划，甚至 SpaceX的 Starlink计划卫星数量达到惊人的12,000颗，未免有“跑马圈地”的意味，目前，国外已经公布的低轨通信卫星方案中，卫星总数量约为23,892颗，卫星轨道高度主要集中在 1,000~1,500km 之间，频段主要集中在Ka、Ku和V频段，在轨道高度范围有限、频段高度集中的情况下，卫星轨道和频谱的竞争将愈加激烈。由于轨道和频谱在国际电信联盟的有效占有时间有限，不如期发射卫星，原有轨道和频谱将失效，因此，预计下一阶段各家公司将抢先发射卫星，以实际占有轨道和频谱，因此，轨道和频谱的争夺将愈演愈烈。
中国力量加入低轨通信卫星竞争阵营
面对国外发展迅猛的低轨卫星通信系统，我国现有卫星通信移动宽带服务能力有待加强。我国目前的卫星通信系统主要有卫星广播通信、卫星宽带互联网和卫星移动通信三种类型。
在卫星广播通信领域，主要建设发展中星、亚太系列通信广播卫星系统，在轨运行的民用通信卫星约15颗，通信业务基本实现亚洲、欧洲、非洲、太平洋等区域覆盖，在全球卫星空间段运营服务商排名第六位。在卫星宽带互联网领域，我国高通量宽带卫星发展刚刚起步，整体技术水平、系统容量和服务能力与国外先进卫星系统尚有差距。2017年发射的首颗高通量Ka宽带卫星“中星16号”，容量达到20Gbps，主要面向远程教育、医疗、机载和船舶通信、应急通信等领域的互联网接入，不能面向个人移动用户。
在卫星移动通信领域，2016年我国发射的“天通一号”01星是我国自主建设的首颗移动通信卫星，支持最低1.2Kbps电路域话音、最高分组域384Kbps的数据业务，移动宽带服务能力较为薄弱，与 OneWeb 约 50Mbps 的数据接入能力相比有明显差距，难以满足当前地面移动通信宽带服务需求。
2018年11月，科技部发布《国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项 2019 年度项目申报指南建议》征求意见，提出的“专项总体目标”之一是“开展新型网络与高效传输全技术链研发，使我国成为 5G/6G 无线移动通信技术和标准研发的全球引领者”，其中“与 5G/6G 融合的卫星通信技术研究与原理验证” 是重点项目之一，提及的卫星类型主要是 GEO 和 LEO。GEO 主要用于电视信号等广播类信号传输，LEO则应该主要是用于卫星移动通信，说明我国已经认识到卫星通信在 5G/6G 时代的重要性，并着手开始研究，以引领国际通信未来发展，改写通信新时代。