【数字技术·观点视角】刘韵洁院士解读5G与星链：未来我们需要什么样的网络？

要点速览

● 我们需要什么样的网络？

● 5G究竟意味着什么？

● “星链”会取代5G吗？

● 卫星互联网的价值究竟体现在哪？其面临的挑战有哪些？

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互联网50年简史

自1969年第一个分组交换网络ARPANET建立，半个世纪以来，互联网从无到有经历了翻天覆地的变化：无论是网络的规模、传输速率、关键技术，还是应用领域等。

现在，5G的进程正在不断加快，星链也即将密密麻麻地布满我们的头顶。互联网的未来将何去何从，每个人心中都没有一个明确的答案。

在探讨这个问题之前，我们不妨先将时间倒退回50年之前。

1969年-1990年代中期

许多决定互联网命运的关键技术诞生

• TCP/IP协议诞生（1974）

• DNS系统诞生（1984）

• 以HTML和HTTP为基础的万维网成型（1990）

近十年

互联网发展日新月异

• 移动互联网从3G时代迈入4G、5G，数据速率大幅提高

• 互联网用户数爆炸性增长

• IPv4地址分配完毕，IPv6网络的建设也逐步加速

• 云计算快速发展并广泛部署，同时互联网的内容提供和服务模式也发生了变化，越来越多的数字服务迁移到内容分发网络CDN中

更高的数据速率、更大的网络规模、更有效的管理和更低的时延给人们带来了更加便利的数字化生活。

目前，一些新的技术如边缘计算、SDN、NFV已经开始一定范围内的推广和应用。新的技术和需求带来新的挑战，如何迎接这些挑战，打造一个开放、灵活、有弹性的未来网络是整个行业未来的首要课题。

我们需要什么样的网络？

面向未来，我们需要什么样的网络？

首先，从终极意义上讲，不妨先横向看看其他组网领域。

近现代以来，随着生产力的发展，逐步形成了包括陆运网络、航海网络、航空网络在内的全方位、一体化交通运输体系，最终将实现世界上任何角落的物品的快速流通。

而通信网络的发展，从1835年摩尔斯搭建最早的有线电报机到2019年全球普遍开启5G商用和Space X成功发射星链卫星，通信网络连接对象不断增加，网络容量不断增大，承载业务也不断丰富。

通过上述趋势，不难看到，网络发展的终极目标，是让全世界任意角落的任意实体能在任意时间进行任意形式的信息传输与交互。

其次，从现实意义来看，需要从网络所涉及到的利益实体即网络用户、网络的提供和管理者两个维度来讲。

所谓网络用户，包括网络的终端用户以及利用网络提供业务服务的服务提供商。终端用户要求更大的网络带宽、更低的网络时延、更稳定的网络连接等，针对移动互联网，还应考虑到更广阔的覆盖与更强的信号。对于服务提供商而言，他们需要的是一个易用、高效与便宜的网络。

网络的提供和管理者直接拥有网络基础设施，他们以网络本身作为关注的中心，根据用户的需求，对网络做出相应的调整。例如，对于基础设施资源的投入，需要以更灵活的形式来组织网络并提供连接服务，支持多种多样的网络业务，适应快速变化的商业模式。

5G究竟意味着什么？

每一次技术迭代带来的改变都超乎想象：2G时代，我们很难想象3G后能在手机上浏览高清图片；3G时代，也很难想象4G后能如此方便地进行移动支付，体验如此丰富多彩的生活；而5G相对4G具有更高的速率、更大的容量和更低的时延等特征，这些质的飞跃，将成为促进产业升级、驱动经济增长的新动力。

2019年6月，我国正式展开5G商用，5G 独立组网建设已正式提上日程，以求早日实现对增强型移动宽带（enhanced Mobile Broad Band, eMBB）、低时延高可靠通信（Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC）、海量机器类通信（massive Machine Type Communications, mMTC）三大应用场景的支持。未来，智能家居、无人驾驶、沉浸式游戏等可能将成为我们生活的日常。

• 增强型移动宽带eMBB

5G 非独立组网部署的初始阶段主要集中在eMBB上。eMBB提供了更大的数据带宽，将助力AR/VR、UHD超高清视频等高速率、低时延新兴业务的开发。

• 低时延高可靠通信URLLC

URLLC的应用要求5G核心网的部署减少端到端延迟，这对保障无人驾驶系统的安全意义重大。但受限于部署成本的约束，这在5G部署前中期阶段非常具有挑战性。

• 海量机器类通信mMTC

mMTC已经作为3GPP组织标准R13/14 低功耗广域（LPMA）技术的一部分进行开发。5G的单通信小区可以连接的物联网终端数量理论值将达百万级别，是4G的百倍以上，这将极大地推动智慧城市、智能家居等物联网领域的发展。

这三大5G应用场景带来了诸多可能性与全新的发展机会。

未来，我们还可以展望：

• 4K/8K、AR/VR、3D通话、全息图像等沉浸式交互业务

2019年，IT研究与顾问咨询机构Gartner将沉浸式媒体列入了面向未来的十大战略性技术趋势之一。未来，需要提供更高的速率、更低的时延、更低的丢包率，以及更灵活的业务部署能力去实现这一目标。

• 车联网中自动驾驶、车路协同等高可靠性业务

车联网将依靠车载驾驶辅助系统与通信、边缘计算等技术相结合，实现每个车辆个体的“自动行为”。

• 工业互联网中的远程工控、数字孪生、精仪制造等生产性业务

随着互联网与实体经济的深度融合，依靠工业互联网实现工业生产控制将成为非常有前景的一种趋势。在工业控制领域，由于精密设备的控制存在大量周期性控制指令，需要网络提供超低端到端时延及抖动的高精度控制能力。

未来多生产线联合的个性化制造的数字化协同过程，也在带宽、时延、抖动等方面对网络提出了精细量化的指标要求，因此确定性可控将是5G/未来网络的迫切需求。

而要想实现上述场景，网络架构必须变革：达到毫秒级的延时，支撑万亿级、人机物、全时空、安全智能的连接与服务。要实现面向服务的未来网络，首先是底层设计，原本复杂耦合专属绑定的路由器设备将来一定是透明、开放的，一定是可重构、可编程的。

还需要智能强大的网络操作系统，实现端到端、不同业务指标的精细优化控制。

“星链”会取代5G吗？

近两年，通信领域最引人注意的两件大事：一个是5G，另一个是以星链为代表的卫星互联网。

5G方面前文我们论述过，在卫星互联网方面，近年来，以Space X与OneWeb为代表的西方高科技公司掀起了卫星互联网的热潮。

截至2021年12月，Space X已通过33次发射向太空发射了近1944颗卫星。根据公开的一些测试，星链已经可以向用户提供超过100Mbps带宽、低于50毫秒时延的服务，这已经超过美国大多数固定宽带互联网连接的性能。

根据福布斯的预测，到2025年，星链全球营收有望达到100亿美元。除产业界外，近些年，学术界也做出了大量的相关研究，以“Satellite Network”（卫星网络）为关键词搜索，近五年的学术论文可以检索到60万篇以上，涵盖卫星互联网从连接与组网一直到应用的一系列问题。

那么，卫星互联网的价值究竟体现在哪？其所面临的挑战有哪些？卫星互联网与互联网之间是什么关系？回答这些问题，需要从经济价值、社会价值、战略价值等多维度来判断。

1.经济价值。主要体现在通过较低的成本实现对较大范围的无线通信覆盖，为偏远地区提供可与地面宽带相媲美的无线宽带互联网接入服务。

以美国为例，光纤覆盖率仅约为30%，大量的地区与人口处于慢速的同轴电缆覆盖范围之内。有些地区甚至只能依靠昂贵而慢速的传统卫星通信来接入互联网。

此外，目前全世界还有30亿人口尚未接入互联网，这些未得到光纤有效覆盖的人口给卫星互联网提供了广阔的发展空间。

就我国而言，2019年我国的光纤接入已占所有宽带接入的90%，超过98%的行政村有光纤通达。因此，我国对卫星互联网的定位更应体现在如何发掘如航海、航空等地面通信技术难以覆盖的市场，以及如何走出国门瞄准全球市场。除了宽带通信互联网接入服务，还可以地探索包括卫星物联网、卫星政企专网等领域的市场前景。

2.战略价值。主要体现在全球全时高速覆盖。从军事角度看战略价值，全球高速覆盖的卫星互联网，将为我国诸如维和、护航等军事活动提供重要保障；同时，高速连接、便捷组网的网络能力，将对军事战术的发展产生重要的影响。美军曾在C-12J“苍鹭”运输机上的终端测试了星链的传输速率，结果达到惊人的610Mbps速率，这极大增强了美军多领域协同作战的能力。

3.社会价值。比如在地震、洪水等突发自然灾害、大型活动的临时通信扩容等方面都会有较大的价值。更长远一点考虑，卫星互联网的组建还将为我国未来的太空探索带来新的增益，包括未来的低轨遥感卫星星座大规模中继回传等应用。

不过，近些年出现一种说法称以星链为首的卫星互联网将取代5G等地面移动通信技术。实际上，这种观点过于激进。

诚然，卫星互联网可以有效解决地面网络的覆盖问题并为用户提供高质量的服务，但在带宽、时延、连接密度等方面，卫星互联网由于所处的空间位置，与地面移动通信网络相比存在着天然的劣势。

在5G使用的一些特定场景中，如工业互联网、远程医疗等，应用对网络的时延抖动具备非常严苛的要求。在可预见的时间内，这些都不是卫星互联网所能满足的。

尽管当前5G在大范围连接方面的应用还无法理想化实现，更远的6G可能会在这个场景上有进一步的扩展，在更广的覆盖范围和更高的层面实现通信。在真正万物互联的时代，构建一个全时空覆盖的网络，实现任意设备与人之间的信息传输。

卫星互联网带来的不仅有机遇，还有一定程度的挑战。

首先是成本开销，我们在进行大规模建设时，需要充分论证建设卫星互联网的综合收益应大于卫星互联网建设与维护的成本。

其次要考虑卫星互联网与地面互联网的相互关系。在地面互联网无法覆盖到的地区，卫星互联网与地面移动网络可“相安无事”，但是两大网络共同存在的区域，如何处理它们的关系，包括频谱、终端设计与商业模式上，需要更进一步的解决。

另外，在进行海外市场拓展的时候，不仅要考虑卫星互联网本身的技术成熟度以及关键技术问题的攻关等，还应考虑当地政策法规的限制。

刘韵洁

中国工程院院士。作为CHINANET的重要奠基人，被誉为"中国互联网络之父"，并被美国《时代周刊》评为全球50位数字英雄之一。

内容来源 / 中国科学院学部科学普及与教育工作委员会

今日编辑 / 陈恬乐

责任编辑 / 戴晟昱

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