卫星互联网究竟是什么？

高超

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，在今年全国两会上，代表委员提交了多份关于卫星互联网的建议提案，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了哪个阶段？中国卫星互联网该如何发展？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。

辛鹏骏：全球卫星互联网发展状况如何？中国卫星互联网整体概况是什么？

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5700m/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，其低轨卫星通信系统要服务全球网民还有很大差距，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。目前SpaceX的卫星到用户终端的下行链路平均频谱效率为2.7bit/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。卫星平台上的基站面临空间电磁环境和可靠性等特殊设计要求，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，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。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有四个重要方面：一个是卫星星间链路组网技术，二是卫星终端天线技术，三是开拓更高频段的技术，四是卫星星座设计和卫星轨道倾斜技术，减少无效覆盖。

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民营企业更多参与卫星互联网。您觉得中国应该如何布局卫星通信？下一步着力点应该在哪些方面？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種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条件。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。