出品：科普中國

製作：鐵流

監製：中國科學院計算機網路信息中心

中國開建高通量衛星網路 將實現高通飛機高速上網

想必很多人在出差或旅遊中都遇到過這樣的情況，那就是在飛機、高鐵等快速移動的交通工具，或者在邊遠山區、遠洋船舶上時手機信號也是時斷時續，甚至根本就沒有信號。在信息時代，當互聯網已經融入人們的生活之際，手機信號時斷時續不僅會影響人們的日常工作，還極大的限制了人們的社交和娛樂。

不過，隨著中國衛星通信技術的進一步發展，在飛機、高鐵上將手機或筆記本電腦接入網路進行商務活動，在遠洋游輪上給親朋好友發郵件，在偏遠山區與家人視頻聊天將不再遙遠。

中國高通量衛星技術取得突破

2017年4月12日，中國在西昌衛星發射中心採用長征三號乙運載火箭成功發射實踐十三號衛星，衛星完成在軌試驗後被命名為中星16號。2016年8月6日，中國在西昌衛星發射中心成功將天通一號01星發射升空。

這兩顆衛星對於中國衛星通信而言意義重大，中星16號是中國第一課高通量通信衛星，通信總容量超過20G，真正意義上實現了自主通信衛星的寬頻應用。而天通一號01星則是中國衛星移動通信系統的首發星，也被稱為“中國版的海事衛星”， 其成功發射標誌著我國邁入衛星移動通信的“手機時代”。

相對於以往採用C頻段和Ku頻段衛星通信技術，中星16號的最大特點就是採用了Ka頻段寬頻通信技術。作為新一代高吞吐量寬頻衛星通信系統，Ka頻段寬頻系統具有傳統的 C、Ku 頻段衛星通信所不具備的優勢。

一是頻率資源更豐富。衛星通信經過多年的發展，目前 L、S、C、Ku 等頻段資源基本枯竭。Ka 頻段分配給衛星通信可用頻率資源為3500MHz，遠遠大於 C、Ku 頻段的 800MHz 帶寬。換言之，就是Ka 頻段的“信息公路”比 C、Ku 頻段更加寬闊。在頻率資源更加風度的情況下，即使在信道調製方式不變的前提下，衛星通信系統容量也將會大幅提升。

二是多點波束。為了滿足日益增長的通信帶寬需求，Ka 頻段寬頻衛星通信系統普遍採用多點波束、空分復用來擴展系統通信容量。具體來說， Eutelsat 公司的 Ka-Sat 配置了 82 點波束，Viasat 公司 Viasat-1 衛星具有 72 個點波束，Ka頻段寬頻衛星通信系統的點波束數量不斷增加。

三是具備大容量。其實第三個特點是第一個特點和第二個特點共同作用的結果。在豐富的頻率資源與多點波束形成了一套“組合拳”，使 Ka頻段寬頻衛星通信系統的容量相對於以往的衛星通信系統得到數十倍的提升，以美國美國ViaSat 公司的ViaSat-1、ViaSat-2、ViaSat-3為例，三者的系統容量分別為140Gbit/s、 250Gbit/s、1000Gbit/s。

四是天線體積小。Ka頻段衛星的點波束有較高的 EIRP值，在相同尺寸終端天線接收時，能獲得比C、Ku 頻段更高的天線增益。高增益使得用戶終端得到進一步縮小，從而加強了實際應用的便利性和普遍性。Ka 頻段寬頻衛星通信系統用戶終端尺寸一般在 62cm 到 180cm 之間，誠然，這個指標對於直接把天線塞進智能手機還力有不逮，但已經遠遠小於 Ku 和 C 波段衛星通信系統終端天線的尺寸。使過去只能安裝在建築物上面或者大型的車輛上的衛星通信終端，普通的家用SUV就可以安裝。

老百姓有望使用衛星通信系統

Ka頻段寬頻通信技術不僅適用於衛星通信系統，在民用航空器、遠洋船舶、高鐵、車輛等載具上都有廣泛的應用前景。

雖然Ka 頻段寬頻衛星通信系統終端還很難塞進智能手機中，但卻可以通過另一個方式實現普通用戶與衛星直接的通信——在車輛、高鐵、船舶、飛機上安裝衛星通信系統終端，然後普通用戶通過WIFI的形式，用自己的智能手機連接上安裝在車輛、高鐵、船舶、飛機上衛星通信系統終端，然後就像連接自己家中的WIFI一樣，通過通信衛星直接訪問互聯網。

根據航天科技集團五院高級工程師張閣表示：目前我們的這個設備，是支持500人以上的，就是你在一個豪華油輪上，裝了這麼一個設備，全船的人都可以通過WIFI，直接訪問互聯網。

不過，看到成績的同時，也要看到不足。

在人口密度高的大城市，並不適合Ka頻段寬頻通信衛星部署。只有飛機、高鐵、船舶等無法鋪設光纖的交通工具，或是地廣人稀的地區，比如山區、海洋、戈壁、沙漠，由於用戶過於稀少、自然條件過於惡劣、維護成本過於高昂，鋪設光纜的建設和維護的成本高於部署Ka波段通信衛星。在這種情況下，Ka波段通信衛星才有市場競爭力。

我們可以憧憬，在不遠的將來，我們可以在國內的航班、高鐵上使用衛星通信系統與同事交流工作，在青藏高原觀光時使用衛星通信系統與朋友分享祖國自然風光的壯美，在遠洋的船舶上使用衛星通信系統與家人報平安。

谷歌衛星WIFI破產

有媒體報道谷歌推進全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計劃，「已將6顆衛星送上太空，今年也會陸續有60枚類似的衛星升空……向全球提供無死角的網路覆蓋向全球提供無盲區、無死角的免費無線網路服務，任何人不管身處高山、大漠、極地還是海洋，只要手持一部價值不過數十美元的中繼轉發器，即可上網。」

該消息發布後，有人評論，「牆要倒了」、「三大運營商要完」，更有人聲稱，「這是件大好事，虛擬世界就是要絕對自由」。然而實際上，該新聞很有可能是假新聞，而且谷歌所謂的全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計劃的實際效果恐怕很難達到其在2014年宣稱的水平。

很可能是假新聞

「搭載6顆Google衛星的火箭於美國西部時間3月27日4點30分升空，谷歌計劃將在今年發射60顆衛星」，這個消息也僅僅出現在中文媒體，歐美媒體鮮有此事的相關報道。因此，筆者推測，所謂「谷歌發射6衛星，推進全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計劃」很有可能是假新聞。

不過，雖然谷歌發射6顆衛星的消息有可能是假新聞，但是全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計劃確有其事。

2014年，據《華爾街日報》報道，谷歌計劃花費超過10億美元來部署數百個近地軌道衛星，為全球偏遠地區的居民提供互聯網接入服務。該衛星WIFI項目負責人是格雷格·維勒——雷格·維勒是O3b Networks公司創始人，O3b Networks公司是一家全球衛星服務提供商，以租用衛星的方式，為新興市場的電信運營商、互聯網服務提供商、企業及政府客戶運營新一代衛星網路。在2014年O3b Networks公司曾就計劃以12顆在中地球軌道的衛星提供網路服務，並計劃於2018年向太空發射648顆衛星，以提供更快速、範圍更廣的互聯網接入服務。

在2014年O3b Networks公司曾就著手以12顆在中地球軌道的衛星提供網路服務

可以說，谷歌衛星通信方面是缺乏技術積累的，要推進全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計劃，恐怕很大程度上要仰仗雷格·維勒等專業人才。不過，谷歌和雷格·維勒相處的並不好，雷格·維勒在上任數月後就離職，而全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計划進度也異常緩慢，不排除該計劃已經處於殭屍狀態。

普通手機無法接入衛星WIFI

谷歌全球免費無線網路本質上是把WIFI熱點裝到近軌衛星和無人機上，並用180顆衛星完成全球覆蓋。

但是WIFI技術源於計算機網路技術，本來就是基於近距離通信場景設計的，在實際使用中，如果距離足夠近，在有限功率的情況下能夠取得比較好的信噪比（發射功率不變前提下，距離近可以降低信號衰減）。但是如果在功率有限的情況下，且距離較遠，比如海平面和近軌人造衛星的距離，那麼，信噪比就會很糟糕，而根據香農定理，就不可能實現可靠的傳輸，而這也是為什麼WIFI覆蓋範圍非常有限的根源。

因此，若要實現全球免費無線網路，就必須提升下行功率（衛星信號到手機）和上行功率（手機信號到衛星），雖然下行功率相對好解決，但上行功率——要讓手機發射的上行功率能被人造衛星接受，這又是一項新的挑戰——普通手機的功率和天線根本無法法滿足必須的上行功率門檻，像北斗通信終端這種能夠實現向人造衛星發簡訊的通信終端，其天線根本塞不進以輕薄為主打要求的手機中。

無法做到普適性服務

根據香農定理，若要提高傳輸速度，要麼提升頻譜帶寬（公式中的W），要麼提升信噪比（公式中的S/N）。但是頻譜資源是非常寶貴，且非常有限的，加上功率不可能無限制增強，必然導致信噪比也是受限制的。

因此，根據香農定理，無線傳輸速度也會有一個上限，而有限的資源面臨龐大的用戶，自然會導致WIFI信號用的人一多就卡，甚至會出現無法接入的情況——在機場、賓館、大禮堂等公共場所，經常遭遇公共WIFI始終難以接入，或雖然接入，但堪稱龜速的情況。同樣的情況也會出現在蜂窩通信中，而這也是無線通信不適合大數據量傳輸的根本原因。

實際上，全球免費無線網路（Wifi）覆蓋計劃僅僅是聽起來很美，受制於帶寬、功率、噪音和客觀技術水平，加上香農定理這一客觀自然規律，衛星WIFI的通信能力非常有限，根本無法滿足全球60億人的通信需求。目前，衛星WIFI根本不可能滿足普適性的要求——不要說北京、上海這樣3000萬人口的城市，就是一座幾十萬人口的小城市也足以讓衛星WIFI癱瘓。

雖然WIFI、LTE等被媒體炒得火熱，但有線通信才是數據傳輸的大動脈，所謂5G通信也是「有線+無線」的形式實現數據的高速傳輸。

只適用於地廣人稀的場景

從實踐上看，現有的衛星通信根本不可能像LTE那樣滿足廣大人民群眾的通信需求。

以摩托羅拉當年悲劇的銥星計劃、Outernet和歐洲商用衛星通信為例。

銥星移動通信系統採用66顆功率為1200瓦衛星，等於是將地面蜂窩行動電話系統搬到衛星上。受之前提到過的客觀條件的限制，當初的銥星移動通信系統最多只能滿足50萬用戶的語音通信（僅僅是語音通話）。但在實際操作中，實際用戶遠遠達不到這個數字，用戶少就意味著收益低，加上巨大的研發費用和系統建設費用（銥星系統耗資達50多億美元，每年光系統的維護費就要幾億美元），使銥星背上了沉重的債務負擔，最終不得不申請破產，由美國軍方當了接盤俠。

Outernet僅僅是一個計劃，相比於谷歌的衛星WIFI，進度更為緩慢——目前還沒有一顆用於這個計劃的衛星被送上天，甚至連測試都沒開始。該項目的官網資料顯示：Outernet初衷是用來為那些偏遠、落後、無法上網的地區，提供一種「廣播式」網路覆蓋，而且功能僅僅限於收聽，信息傳遞是單向的——有點類似於把廣播電台放到衛星上，而手機相當於一個收音機。筆者猜測，Outernet之所以只能收聽，而不能上傳，很有可能就是之前提到的普通手機的功率和天線無法接入衛星。

雖然歐盟為部分地區提供了衛星上網服務，但依然無法提供普適性服務，一旦面向全民開放，十有八九會導致衛星通信網路癱瘓。

綜上所述，無論是從理論上，還是實踐上講，谷歌的全球免費無線網路（Wifi）覆蓋要實現報道中所宣稱的「向全球提供無盲區、無死角的免費無線網路服務，任何人不管身處高山、大漠、極地還是海洋，只要手持一部價值不過數十美元的中繼轉發器，即可上網」，以現階段的技術水平而言，其可行性非常低，是忽悠的成分也非常大。

不過谷歌也並非完全是忽悠，至少在地廣人稀的場景能得到應用，特別是在南極、北極、撒哈拉沙漠等地區會取得比較好的用戶體驗。

美國為何阻撓收購

美國政府要阻止的並非中國投資人所收購的照明業務本身，而是要阻止中國投資人通過收購飛利浦旗下子公司的照明業務後，進而掌握第三代半導體材料氮化鎵的相關技術。

半導體材料發展至今已歷三代：第一代半導體材料以鍺和硅為代表，被廣泛運用於集成電路製造領域；第二代半導體材料以砷化鎵、磷化銦為代表，主要應用於以光發射器件為基礎的光顯示、光通信和光存儲等光電子系統；第三代半導體材料則以氮化鎵、碳化硅、金剛石為代表，具有具有寬的帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、高熔點（1700攝氏度）、耐腐蝕等優點。特別是在傳統材料的功率器件發展到材料極限，已經很難滿足高頻、高溫、高功率、高效能、小型化等方面新需求的情況下，氮化鎵則可憑藉其材料特性，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面取而代之。

氮化鎵、碳化硅與硅的性能對比

也正是因此，諸多科技公司紛紛致力於氮化鎵功率器件的研發和生產——2015年1月，富士通和美國Transphorm在會津若松量產氮化鎵功率器件；2015年3月，松下和英飛凌達成共同開發氮化鎵功率器件的協議；同月，東芝照明技術公司開發出在電源中應用氮化鎵功率元件的鹵素LED燈泡……國內也有中航微電子、中鎵半導體等公司從事該領域的研發和生產，上海市政府則投入100億資金用於半導體材料的研發（不局限於氮化鎵）。

可以說，氮化鎵已經全球半導體研究的前沿和熱點。那麼，「高大上」的第三代半導體材料是怎樣和普普通通的電燈產生交集的呢？

由於氮化鎵的優異材料特性——氮化鎵基LED比傳統LED外形更小、功率更高、發光度更強，使其在LED電視、顯示器和普通照明領域獲得大展拳腳的空間，而中國一旦完成對飛利浦旗下子公司Lumileds的控股，則有可能獲得氮化鎵方面的相關技術。

更關鍵的是，氮化鎵在高頻大功率應用方面，其功率密度是現有的砷化鎵材料器件的10倍，不僅可以廣泛運用於通信基站、電動機車、電動汽車、風力發電等民用領域，還可以用於相控陣雷達等特殊領域。

因此，無論是對半導體產業的發展，還是在軍事應用方面，氮化鎵都有非常重要的意義。美國政府之所以阻止中國投資人收購飛利浦旗下子公司的照明業務，既有出於技術在軍事應用和國家安全方面的考慮，但更多的還是出於打壓中國半導體產業發展，保持美國科技公司技術優勢方面的考量。

美國緣何「擔憂」

中國被一些網友譽為「發達國家粉碎機」——任何一個工業領域，只要中國人突破了技術門檻，那就基本沒外國人什麼事了。部分發達國家在失去高附加值的工業品以剪刀差獲取高額利潤後原形畢露，在造血能力大幅萎縮後，又要維持高福利，進而產生「老歐洲病」，比如深陷債務危機的「歐洲四豬」。

在去工業化的浪潮下，美國本土勞動力密境型製造業大量轉移到第三世界國家，半導體等資本技術密集型產業對美國的重要性不言而喻。

近年來，中國以資金、政策，以及對外技術合作、海外收購等多種方式扶持本土半導體產業，不僅在投入上不惜血本，而且在局部領域成果斐然：

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！