专访陈山枝：我国发展卫星互联网“直面五大挑战，把握五大机会”
科技
2024-11-04 16:50
上海
近年来，在国家政策加持下，我国卫星互联网产业持续向好发展。在卫星互联网国际标准、关键技术等方面取得了诸多成就，如星上处理、一箭多星、低轨星座等领域均实现了标志性技术突破，为产业跨越式发展提供了坚实基础。据中信证券预测，我国卫星互联网产业有望迎来万亿元市场规模。作为地面移动通信产业生态的引领者，我们为什么还要高度关注卫星互联网发展？应该如何构建多层次的星座体系，实现立体组网？面向6G时代的美好愿景，我们该如何实现星地协同发展？面对海外的行业先行者，我们又应该如何实现“跨越式发展”？带着这些问题，C114采访了中国信科集团副总经理、总工程师、科技委主任，无线移动通信全国重点实验室主任、IEEE Fellow陈山枝博士。陈山枝指出，卫星互联网是卫星通信和移动通信的结合，是以卫星为主要节点的通信网络，是要在卫星通信上进行基于大带宽移动通信的升级，是真正解决全球全域互联网业务的核心，可实现全球通信无缝覆盖，为用户带来语音、数据、视频等多种业务服务能力。他类比道，“地面移动通信3G和4G，开始了移动互联网时代。现有的卫星通信，大部分只提供话音业务和低速数据业务，相当于地面移动通信的2G时代。”至于为什么需要卫星互联网，陈山枝指出，目前全球移动用户数已超过80亿，估计服务的人口覆盖率约为80%。但受制于技术和经济成本等因素，传统的地面移动通信系统，只覆盖了约20%的陆地面积，小于6%的地表面积。卫星互联网具有广覆盖、抗自然灾害能力强等特点。一方面可以解决地广人稀下蜂窝移动网络部署成本高的问题，另一方面可以解决海洋等地面网络无法部署的特殊场景，使移动通信从传统的地面网络拓展成全域立体网络，实现空天地海泛在通信；并且可有效弥补信息数字鸿沟，为国家为社会提供更加稳定可靠的信息保障。“卫星互联网使得任何时间，任何地方都有信号覆盖成为可能，真正做到‘时时在、处处在、人人通、物物通’。目前，基于3GPP R17 5G NTN
(非地面网络)标准，业界已论证5G NR
NTN技术的可行性和系统的可用性，手机直连卫星成为行业的热点，卫星互联网的发展将进一步扩展人类活动空间，在现在很多地面网络无覆盖或弱覆盖的区域依然能够享受到网络服务。”与地面移动网络分层组网的理念相似，卫星互联网也同样如此。陈山枝指出，根据轨道高度，卫星可以分为典型高度为500~2000km的低地球轨道（LEO）卫星、典型高度为8
000~20000km的中地球轨道（MEO）卫星和高度约35786km的对地静止轨道（GEO）卫星等。具体来说，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。高轨卫星既可以作为用户链路提供接入，也可以作为骨干链路为低轨卫星提供中继服务。但是，由于距离地球距离比较远，导致数据传输时延较大，单向在250ms左右。同时，对于卫星发射功率和星载天线面积要求都大，卫星更复杂、成本更高，终端也相对成本高。低轨卫星主要指卫星部署在近地低轨道，卫星环绕地球运动，一般需要成百上千数量的卫星才能构成全球服务能力。但相比之下，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、低成本，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7km/s，一颗低轨卫星的可视时间约10min，而用户在一个波束的驻留时间会更短，取决于波束的服务方式，在移动波束情况下可能少于1min，导致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。“高轨星座打底，低轨星座高质量服务，两者相辅相成，相互补充，构成多层次的卫星互联网星座体系，共同构建空中立体网络，共同为我国提供全方位的信息通信服务。目前这两种卫星的发送，代表我国在卫星互联网领域具备较强的技术竞争力。”卫星互联网与当前的5G网络，以及未来的6G网络，到底是个什么关系？陈山枝指出，他在2018年就提出并倡导“5G体制兼容
6G系统融合”。目前的卫星互联网（卫星通信网）与地面5G网络是各自独立组网和运营，两者之间通过互联互通提供不同的服务能力，满足不同的应用场景，互为补充。“我们主张5G和卫星通信深度融合，实现基于5G技术体制的卫星互联网系统，发挥我国5G的技术优势和成熟的产业优势，借助5G的规模经济效应，快速推动卫星互联网生态形成。同样在以5G为基础的条件下，推动卫星通信体制和地面通信体制的融合，在标准体制的兼容下更易实现
5G 和卫星通信双模终端。”未来的6G网络将会是有机融合地面和卫星的通信网络，因此在6G时代，卫星互联网从技术上是6G系统的一个组成部分；从物理建设上，存在6G卫星设备和地面6G基站，但是从技术体制、组网部署和运营维护等角度，可以实现星地深度协同和一体化运营。“体制兼容主要是指星地网络采用相同标准体制，在技术、架构和服务能力等方面采用相似或相同设计，实现产业链的复用。系统融合是指标准设计一开始，系统设计、架构和网络部署、终端、运营服务等方面进行统一，形成一个有机整体，统一管理和服务。”陈山枝说道。与5G体制兼容的星地融合相比，6G系统融合是指未来6G从一开始设计时就考虑系统融合，包括七个方面：一是体制融合，统一空口体制；在空口分层结构上，采用相同的设计方案，采用相同的无线传输技术，只是空口参数配置不同。二是网络融合，全网统一网络架构。三是管理融合，统一资源调度与管理。四是频谱融合，频率共享共用，协调管理。五是业务融合，统一业务支持和调度。六是平台融合，网络平台采用一体化设计。七是终端融合，统一终端标识与接入方式，用户终端、关口站或者卫星载荷可大量采用地面网络技术成果。陈山枝指出，聚焦5G增强技术和卫星网络融合，当前阶段需做好基于5G
NTN体制的手机直连卫星应用，促进更多的通信厂家和卫星厂家不断融合，以通信规模牵引商业航天发展，提升运载能力。中长期则需要逐步引入6G的关键技术，实现6G星地融合网络的全面部署，同时降本的难题必须要解决。中国信科集团以及无线移动通信全国重点实验室，从2018年开展卫星互联网标准制定和技术研究，以及关键技术验证。在卫星互联网领域投入较多的资源，从核心技术突破、国际标准体制、产品研制创新，到产业实践，到产品创新对卫星互联网的发展提供了巨大的支撑。陈山枝坦言，虽然我国初步形成了包括火箭制造和发射、卫星平台、星载通信、终端、芯片和测试仪表的卫星互联网完整产业链，但当前产业还处于发展初期。对标海外的一些先行者，陈山枝指出，国内卫星互联网产业发展主要面临五大挑战：火箭（一箭多星，火箭回收）、卫星（批量制造、低成本）、通信载荷（空间电磁环境适应性、低成本）、大规模卫星动态组网（成千上万颗卫星）、大规模卫星网络的运营维护及测控。除此之外，还面临一些非技术因素，例如在国际电信联盟（ITU）中争取更多有利频率和轨道资源、资金投入与回报周期、国际竞争与合作（频率协调、海外通信服务落地与跨境数据流动）等。陈山枝建议，要充分利用我国在地面移动通信的优势，特别是5G的技术与标准优势、产业规模优势和成本优势（网络设备和手机），采用5G兼容的卫星通信体制，即5G
NTN，并为6G星地融地打下基础。“目前，党中央、国务院和各部委都非常重视发展卫星互联网的技术与产业，商业航天快速发展，通过卫星通信与5G和6G结合，充分发挥地面技术积累和产业优势。但仍需要多行业共同努力，尤其是需要央企牵头排难，民营企业协同创新，尽快摸索出一条从制造生产到运营服务的具有中国特色的卫星互联网商业模式。”具体来说，需要立足自主设计，加强技术创新，投资研发关键技术，组建联合攻关团队，鼓励先行先试，鼓励产学研合作，推动国际合作，培养专业人才；加大政策支持，制定支持性产业政策，支持卫星互联网产业化，简化审批流程，包容失败，快速迭代进步；优化频谱资源管理，合理分配频谱资源，参与国际频谱协调；推动卫星通信与地面移动网络融合，降低成本，发展可重复使用火箭技术，优化卫星制造流程，拓展应用场景，推动商业化发展。采访最后，陈山枝表示，“标准体系设计、产业链融合创新、规模制造成本控制、星地网络协同发展，一带一路业务拓展，这些都是我们跨越式发展的机会点。”要充分利用我国在地面移动通信的优势，来反哺我国在卫星通信领域相对于欧美的传统落后局面，坚持星地融合移动通信技术路线，用技术标准的领先来带动产业的升级和快速发展。
