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陈山枝详解低轨卫星通信：与5G是互补关系，在6G时是融合

4月20日 ， 国资委和发改委召开经济运行例行发布会 ， 明确新基建的范围 ， 卫星互联网成功“晋级”新基建战略 。
目前 ， 陆地移动通信服务的人口覆盖率约为80% ， 但受制于经济成本、技术等因素 ， 仅覆盖了约20%的陆地面积 ， 小于6%的地表面积 。 卫星互联网可以解决海洋、森林、沙漠等偏远地区船舶、飞机、科考的宽带通信问题 ， 成为地面移动通信的有益补充 。
根据轨道高度 ， 卫星可以分为高度500至2000km的低地球轨道（LEO）卫星 ， 高度2000至36000km的中地球轨道（MEO）卫星和高度约36000公里的对地静止轨道（GEO）卫星 。 与中高轨道卫星相比 ， 低轨卫星传输延迟更短、路径损耗更小 ， 因而受到广泛关注 。
近日“钢铁侠”埃隆·马斯克给出SpaceX公司“星链计划”（Starlink）具体时间表：3个月内私人内测 ， 6个月内公测 ， 随后发射了多颗卫星 。 不少人认为 ， 星链等低轨道卫星星座就是6G ， 甚至会颠覆5G；也有人认为 ， “星链计划”是摩托罗拉“铱星计划”的2.0版本 ， 难逃失败的命运 。 一时间众说纷纭 ， 在通信行业内外都引起不小的争议 ， 为此C114通信网特别邀请到中国信息通信科技集团副总经理、专家委主任 ， 无线移动通信国家重点实验室主任、IEEEFellow陈山枝博士进行专访 ， 就卫星通信、特别是低轨卫星通信进行深度解读 。
陈山枝详解低轨卫星通信：与5G是互补关系，在6G时是融合
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陈山枝认为 ， 低轨星座不是6G ， 更不会颠覆5G 。 从需求、应用、技术等多个维度判断 ， 低轨卫星与5G是互补关系；而在6G时代 ， 移动通信走向天地一体 ， 低轨星座将与地面移动通信系统有机融合 ， 实现任何人、任何物在任何地点和任何时间在全球无缝覆盖和接入 。
世易时移低轨卫星凤凰涅槃
陈山枝毫不讳言 ， 马斯克是个商业奇才 ， 在5G方兴未艾、6G引发广泛关注的当下明确“星链计划”时间表 ， 赚足了眼球 。
摩托罗拉在上世纪90年代实现的铱星是第一个低轨道卫星星座 。 他认为 ， “铱星计划”本身也是极具想象力的划时代构想 ， 但生不逢时 。 “星链计划”的确在某种程度可以看作是“铱星计划”的重启 ， 但两者的命运将截然不同 。
“铱星计划”1987年提出 ， 1992年启动 ， 1998年11月1日投入使用 。 66颗卫星分布在6个极轨平面上 ， 在780公里高的轨道上 ， 每颗星100分钟左右绕地球一圈 ， 可以提供全球任何地点（包括南北两极）的电话通信业务 。 然而 ， 此时2G移动通信系统（GSM和CDMA）已经在光传输助攻下 ， 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 ， 没有考虑到当时正在兴起的互联网需求 。 诸多因素导致其成为历史的教训 ， 在1999年8月份宣告破产 。 “铱星计划”与地面移动通信系统有点像“既生喻 ， 何生亮”的故事 。
陈山枝认为相较于“铱星计划” ， “星链计划”可以说赶上了好时候 ， 时代的变迁带来需求的变化和技术的进步 。 从需求的角度出发 ， 移动通信的服务范围从传统的人际通话已走向宽带互联网和万物互联的行业应用 ， 成为数字经济的新引擎 。
陈山枝详解低轨卫星通信：与5G是互补关系，在6G时是融合
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相比“铱星计划” ， 20多年过去 ， 技术进步十分明显 ， 具体体现在卫星技术、集成电路技术和通信技术三个方面 。 就卫星技术进步而言 ， “星链计划”的核心是利用猎鹰9号可回收火箭 ， 且一箭60星 ， 可以低成本将12000颗卫星送到轨道平面 ， 服务海洋、森林和荒漠及偏远区域；集成电路技术的进步 ， 增强了卫星的星上处理能力 ， 可以降低时延和实现星间组网 ， 同时集成电路技术进步可以减少终端的成本和体积；就通信技术而言 ， 基于毫米波、太赫兹、可见光通信的星际链路等逐渐成熟 ， 可以实现卫星间大带宽直接组网 。 因此 ， 上述需求的变化和技术的进步 ， 使得低轨卫星通信成为近年来产业界的热点 ， 所以 ， SpaceX与OneWeb才能够火起来 。
低轨卫星与5G互补 ， 将覆盖5G因技术或经济因素无法建设运行的偏远地区、空中、海洋、沙漠、山区、森林等
【陈山枝详解低轨卫星通信：与5G是互补关系，在6G时是融合】“技术发展从来不是一蹴而就的 ， ‘星链计划’虽然取得了长足进步 ， 但并非完美无缺 ， 其与5G的关系只能是互补而非替代 。 ”陈山枝说 。 以5G的三大业务应用场景为例：eMBB增强型移动宽带方面 ， “星链计划”首先服务的是地广人稀地区的住户 ， 空中的飞机 ， 海洋与大湖中的轮船 ， 野外科考者和驴友 ， 而对于我们城市普通用户而言 ， 由于手机终端体积及资费、室内通信等因素 ， 且5G的大带宽仍具有绝对优势；mMTC万物互联方面 ， 针对沙漠与森林等野外作业与环境监测特殊应用场景 ， 卫星具备一定的覆盖和成本比较优势；而在uRLLC低时延高可靠方面 ， 卫星通信却处于绝对的劣势 ， 5G的空口时延是1ms ， 而卫星的空口时延为数十毫秒 ， 车联网、实时工业互联网等应用场景是其无法满足的 。
陈山枝详解低轨卫星通信：与5G是互补关系，在6G时是融合
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陈山枝指出 ， 卫星和地面移动通信都是资源受限系统 ， 频率资源都像城市的商业土地一样稀缺 。 据介绍 ， “星链计划”使用的是Ku、Ka以及V波段卫星信号 ， 需要专门的接收终端 ， “卫星终端的天线尺寸和一个Pad差不多大” ， 内置电机驱动的卫星追踪装置 。 资费预计是50-60美元每月 ， 2025年将服务超过4000万用户 。 相比之下 ， 目前全球有80多亿手机用户 ， 4G宽带用户超过50亿 ， 预计2020年5G用户将达到17.7亿 。。 由此可见 ， 其服务的目标并非主流5G市场 ， 特别是与我们在城市的普通消费者无缘 ， 除非你是“驴友” 。
另外 ， 卫星轨道也是受限资源 。 “星链计划”的上万颗低轨道卫星计划分布在340-1300公里之间 ， 但轨道位置是有限的 ， 不可以无限制随意部署卫星 ， 和频率资源一样 ， 轨道资源也需要国际电联的批准和协调 。
陈山枝进一步指出 ， 所有通信系统容量上限都受制于香农公式：C=Wlog2(1+S/N) ， 与采用的频率带宽及通信信道的信噪比有关 。 由于卫星与地面终端的通信距离、所受的噪声和干扰都大于地面蜂窝移动通信系统 ， 结果是卫星通信的频谱效率远低于同期的蜂窝移动通信系统 ， 这是科学 ， 不是马斯克的商业奇才能够颠覆 。 如目前低轨卫星包括SpaceX和OneWeb ， 平均频谱效率约在2.5bit/s/Hz ， 只达到3G水平；而目前5G是平均频谱效率10bit/s/Hz以上 ， 约4倍以上 。 即若采用相同波段的相同带宽 ， 如以200MHz带宽为例 ， 则低轨卫星的传输速率约500Mbps ， 而5G的传输速率则会达到2Gbps 。
日前 ， 有自媒体语出惊人 ， 称“卫星互联网将颠覆5G ， 取代6G 。 ”对于这种标准的标题党陈山枝表示“很无语” 。 假设全球通信使用高轨卫星 ， 只需要三颗3.6万公里的高轨卫星 ， 就可以实现全球覆盖 ， 但是时延长达500ms-800ms ， 目前单星容量在20Gbps左右 ， 系统容量远远不够供全球人民的互联网接入使用 。 为降低时延和损耗 ， 低轨卫星星座成为更优选择 ， 然而随着用户数量的增加和接入速率的提升 ， 系统容量也一样成为最大的瓶颈 。


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