5G低轨星座

郭正标

要在600千米的轨道向地面传输信号，确保低时延和低功耗以及大面积精确化地覆盖用户，我国的卫星制造技术能否实现？有理由相信，只要有足够的动机，突破这个技术障碍不成问题。

   未来5G通信卫星与地面通信网络运营商之间，存在一个竞争、互补以及融合的过程。我国5G时代的通信网络运营，既需要利用移动、联通、电信的地面基础设施，也需要中国卫通、鑫诺卫星、亚太卫星这样的卫星运营商来配合。

畅想

2025年的某个夏日清晨，马克先生醒来，摘下耳机，手指在混合现实眼镜上切换了一个频道——昨晚陪伴他入睡的，是某个户外爱好者在南极洲架设的12K全景摄像头直播的极地雪景和海冰的丝丝声。起床后，马克先生享用了妻子给他准备的早餐——马克太太远在国际空间站，刚刚结束工作的她，通过手机能够远程控制地球上家中的一系列智能机器。

马克先生用手指切换频道，实时了解私人金融业务的状况——他通过卫星星座在苏黎世做金融高频交易，原本这项业务的数据传输需要绕经多个国际网关，现在利用星座间激光传输即可完成。其中购买的一家股票来自中国的一带一路空间信息服务企业，收益颇丰。早餐后，马克先生收拾行李出门，今天他要去国外出差。赶赴机场的路上，为了避免交通拥堵，他的智能汽车已经和路网对接，并与几辆同行的汽车互联。几辆车通过一段郊区，却仍然可以跟来往车辆互联进行变道、超车，丝毫没有迟滞感。

登机后，马克先生戴起混合现实眼镜，阅读最新的新闻资讯。偶尔他也会购买茶水和点心，热情的空中乘务员并不直接收取现金，因为她已经收到银行发来的付款信息。马克先生今天要会见的客户是做全球航运的，据介绍今年财报特别理想，因为通过卫星数据调配船舶资源，实现经济巡航，节省了大量燃料，从而节约了大笔开支。飞行途中，马克先生接到老友电话，邀请他到自己在远东地区投资的农场考察。老友开玩笑道：“在这种寒冷荒芜的地区，我几乎不雇佣工人，而是由接入卫星网络的智能设备来照顾农作物，浇水、施肥一应俱全。”

卫星通信网络

天基互联网并不是一个最新才出现的热词，诸多基于各种模式的天星地网、天基网络或者独立的天网与地网方案，很早之前就都被提了出来。SpaceX、Facebook、Oneweb、Iridium铱星等公司近年来都推出了各自的天网方案，例如，Oneweb正在通过几百颗低轨卫星形成组网覆盖，Facebook的无人机互联网以及发生爆炸的Amos-6通信卫星等等。而太空梦想家马斯克最近推出的星座计划更是高达4 225颗。

不久前国务院通过了《十三五国家信息化规划》，李克强总理在汇报中提出，实施宽带乡村和中西部地区中心城市基础网络完善工程，采用蜂窝、光纤、低轨星座等多种方式，加快实现农村及偏远地区4G网络覆盖。信威、欧比特、光启等企业无不把视角瞄准覆盖全球的“空天信息网络”战略布局;同时，航天科技集团成立了商业化的长征火箭公司，东方红公司公布鸿雁星座计划，航天科工提出福星计划等等，谋求转型的国企也在紧锣密鼓地布局之中;一大批初创的商业航天公司更是发扬了灵活的优势，一路攻城拔寨。

低轨卫星星座雖有不少运营成功的案例，而血淋淋的案例也非常普遍。铱星计划原本是一项非常具有前景和优势的项目，借助低轨通信，采用多星组网的方式，提供原本高轨卫星所不具备的通信能力。但是铱星公司的领导层似乎遗忘了一点，那就是现代通信技术的高速发展，等到铱星产品成熟了，地面现代通信网早已日新月异，这直接导致了铱星公司的破产。

其实卫星通信终究只是一个位于天空的基站而已，企图完全依赖卫星星座网络取代地面网络的想法，是不可取的。卫星通信真正适合的，还是那些地面网络覆盖不到、或者建设成本高昂的地区。

从高容量上来看，卫星网络无法承载难以想象的用户接入——即使激光通信组网，最多也只能扛住十几G带宽，难以与地面网络同时接入数亿人口的吞吐能力相抗衡。在地面网络覆盖非常好的今天，卫星通信竞争力弱，需求被极大压缩。一方面是因为高昂的发射、制造及运营成本，卫星通信的终端价格和使用费用都会将普通老百姓拒之门外。另一方面，则是复杂的使用环境并不利于在普通的消费者市场推广——互联网用户是一类对用户体验要求非常高的群体，而且他们的基数非常庞大，据统计截止2016年，全球约有30亿互联网用户，其中绝大多少都是普通消费者。如果这些消费者，使用传统的手机终端、按照传统缴纳手机话费的方式就能享有卫星互联网服务，那么卫星应用行业才有可能打开巨大的通信市场。

如今，我国也开始发展自己的通信卫星系统，既有大S卫星“天通1号”，也有即将发射的Ka卫星“中星16号”。此类消费市场国外很早就开始布局，例如高轨的海事卫星。

   “长征”5号、“长征”7号这系列大推力经济适用性火箭的成功研发表明，中国火箭足以支持发射大规模星座、进行全球组网。

突破点

如何让自动驾驶的汽车在世界任意一个地点行驶？如何让无数的物联网终端随时随地接入？如何让世界各地的人们能够随时随地地沟通？

为了实现信息传递的广度和丰度，利用相控阵、多天线技术，找到了毫米波新的频谱，推出来高效的3D-MIMO，多址接入的办法。那么思考一下，除了在地面设置更多的微基站之外，是否可以将其搬到太空当中，如此覆盖下来，对其影响的范围、可连接的丰富度而言是不可估量的。

基于5G标准的毫米波低地球轨道互联网星座，与NB-IOT（窄带蜂窝物联网）的结合，堪称对5G的低时延、高可靠和低功耗大连接的完美诠释。NB-IOT可以解决5G通信中的丰度需求，让无数的智能终端连接起来;如果有了卫星星座在广度上的支持，那么很多应用场景都可以实现。低轨星座位于近地轨道，距离地面仅几百千米，延迟完全满足设备需求。基于5G标准的毫米波低轨星座与NB-IOT，一个用于广域间的网络连接，一个实现用户本地间的低功耗的设备连接，可谓优势互补。

世界各国纷纷开始布局5G通信，就在2016年7月，美国成为全球第一个正式分配5G频谱的国家。美国联邦通讯委员会（FCC）有代表称，新规将充分考虑新的无线服务、卫星信号和联邦政府的使用状况，在新型无线服务、当前和未来的卫星业务、联邦应用之间进行频谱需求平衡。2016年9月，欧盟委员会公布了“5G for Europe”，宣布在年底前制定完整的5G部署路线图，并且在2018年开始预商用5G，且要求成员国在2020年之前均要选取城市提供5G服务。而且，欧盟也明确在2016年底前提供多个频段频谱供测试用，且2017年前确定6GHz、毫米波等频谱资源供5G使用。2016年11月，中国华为公司主推的Polar Code（极化码）方案，击败美国主推的LDPC和法国主推的Turbo2.0成为5G控制信道eMBB场景编码方案。中国移动牵头的5G系统系统设计也正式启动标准化，该项目将在2017年底制定《5G系统总体架构及功能》及《5G系统基本流程》两个基础性标准。这一系列举措，都为实施基于5G标准天地共享频谱的低地球轨道互联网通信卫星星座奠定了理论及标准基础。

国内在基于5G标准的毫米波低轨互联网星座相关领域的技術储备已经很丰厚。毫米波新频谱代表着高速率，大容量，低地球轨道代表着低功耗，低时延，互联网星座则代表了IP协议和大连接，而这些都是对5G通信标准的定义内容。

想要把批量的几百千克的卫星送到低地球轨道，没有强大的火箭支持是不够的。在我国老一辈航天人和新一代航天人的努力下，完整的、独立自主的航天体系既具备火箭制造工业又拥有完善的卫星制造体系。在发射市场高度成熟、商业航天兴起的今天，我国火箭发射日趋常态化和经济性，尤其是“长征”5号、“长征”7号这系列大推力经济适用性火箭的成功研发表明，中国火箭足以支持发射大规模星座、进行全球组网。

卫星发射成本在不断下降。最近即将发射的下一代铱星，搭载SpaceX猎鹰9火箭，可实现一箭10星发射。并且在成熟的商业发射环境下，应用和保险服务都日趋完善，以往高不可攀的卫星发射成本被极大的压缩了。据统计显示，铱星单颗发射成本在680万美金左右，整个星座总发射费用才几亿美金而已，仅仅是我国建设一个摩天大楼的成本。而一箭多星技术我国早已掌握，2015年发射的“长征”6号火箭取得一箭20星的成就，刷新了当时的行业纪录。就发射成本而言，众所周知我国的火箭发射报价是全世界绝无仅有的，就连SpaceX也很难与我们竞争。更难能可贵的是，在保证如此低廉的发射报价的同时还能保持非常高的成功率。除了国家队，一批民营的初创企业正在私人火箭领域积极探索，他们将火箭制造与互联网思维相结合，也许还能进一步降低发射成本，这种类型的小型火箭是对国家队大火箭的合理补充。

想让普通消费者接受和使用，那么移动终端的尺寸和成本就不能太高。让航运企业为一艘船安装体积较大的接收天线是可行的;如果要求消费者使用比现代智能手机还难看的设备作为日常联系的通信工具，则几乎是死路一条。然而目前，连SpaceX和Oneweb也没有能够很好地解决这个问题，Oneweb的终端仍然和铱星终端一样累赘。

波束控制，多天线电子相控阵技术的应用是解决这一问题的关键。那么电子相控阵技术最新的发展趋势是什么？是否可以实现平价并能够安装到高颜值的智能设备中？

答案是肯定的，那就是发展基于硅半导体基的电子相控阵天线。此技术可使几公分大小的晶圆当中拥有大量的发射接收阵列，而晶圆阵列通过大批量生产到足以安装智能设备当中，使其可以直接与太空中的卫星进行信号传输。如此，天地之间不再有频率之争，共享并利用相同的频率，在不同的环境下实现终端信号的无缝切换。城市里信号好，就用地面基站信号，飞机上、海船上、偏远地区则可直接接入低轨卫星网络。

要在600千米的轨道向地面传输信号，确保低时延和低功耗以及大面积精确化地覆盖用户，我国的卫星制造技术能否实现？

有理由相信，只要有足够的动机，突破这个技术障碍不成问题。在卫星制造大军中，作为国家队的航天科技五院、上海八院、航天东方红、海特卫星等企业已经具备了抓总的能力;大量的高校、科研院所也能够提供最新的技术支持并源源不断的输出人才资源;而近年兴起的卫星创业公司更是促进了这一进程，他们带来了互联网运作思路，使得卫星制造产业生机盎然。依托国家队长久积累的卫星制造技术，融合民营企业在传统消费电子行业积累的领先微电子设计制造能力，要实现低轨卫星需要的参数还是有相当的把握的。

另外，要时刻明白一点，地面网络将始终是5G通信的主体，没有它的5G时代是不完整的，而卫星通信只是对地面网络的有效补充。如铱星星座那样，企图用低轨星座完全取代地面基站，是不现实的。

愿景

未来5G通信卫星与地面通信网络之间，存在一个竞争、互补以及融合的过程。我国5G时代的通信网络运营，既需要利用到移动、联通、电信的地面基础设施，也需要中国卫通、鑫诺卫星、亚太卫星这样的卫星运营商来配合。也许，国家将设立专门的天地一体化通信运营商，或者将其融合到传统运营商服务体系中。用户在各种网络中选择使用，在街道的营业厅就可以办理。

呼吁国家尽早开放这一领域，让更多的民营资本能参与进来，推动和促进这个产业健康持续发展。在此过程中，既要处理好各国政府间的关系，同行业企业间的关系，也要处理好新通信体系和旧有体系的相互关系。

如果就建设成本和市场价值而言，发展星座项目是否拥有很高的效费比，是否能带动国家经济发展，提高创新能力，改善人民生活水平呢？

2014年全球卫星产业规模为2 030亿美元，其中卫星通信服务业规模为1 229亿美元。全球在轨卫星中，通信卫星占据半壁江山，比例达 51%，而其中商业通信卫星占比 37%。卫星通信产业是航天产业当中绝对是一枝独秀，其服务用户数量，带来的市场价值更是其他卫星应用产业所难以超越的。而在今天，如果卫星通信产业得以发展，其面对的市场机遇是惊人的，以航空领域应用为例，每年有多少乘客期待能在飞机这个信息孤岛上上网？仅机舱互联网一项，就是至少千亿级别的市场。

此外，卫星星座的制造发射和市场运营，将带动一大批研发及配套企业，为通信行业、半导体行业、互联网行业提供大量的工作岗位和技术储备，可以显著提高产业核心竞争力。

据估算，发展一套拥有80颗左右卫星的星座，采用我国自主的火箭，卫星部件国内自主设计制造，总建设造价可以控制在50亿人民币以内。而一旦建成，它可以无缝的同运营商网络融合起来，每年可以产生上百亿的价值，性价比极高。发展基于5G标准低轨互联网星座，是践行国家一带一路战略的有力尝试。“一带一路”范围内，尚有哈萨克斯坦、巴基斯坦、蒙古等国家，他们缺乏网络基础设施，一旦低轨通信星座成型，很有可能会让这些国家跳过4G，一跃进入5G时代;而南中国海、马六甲海峡、印度洋，都是货船往来通商的要地，对移动通信的需求之大不难想象;印度尼西亚这样的多岛国家，无法铺设光缆网络，他们对卫星通信的需求则更为迫切。建设5G标准的低轨互联网星座，同时使我国大量智能电子产品能够伴随输出，实现行业利润增长;同时也促进了当地的经济发展，加强了国际间的交流与合作，实现共同繁荣。

在世界科技快速进步的今天，机遇转瞬即逝。我国发展基于5G标准的天地一体化互联网络的战略性机遇已经到来，抓住此轮机遇，我国完全可以实现伟大超越，掌握行业国际话语权，并有力带动行业发展及产业转型升级，实现中国民族的伟大复兴。

责任编辑：邢强