如何用低軌衛星星座實現5G移動通信？
「學問空天，知識未來」空天科普大賽第一季
論文編號: KT006
如何用低軌衛星星座實現5G移動通信？
郭正標（南京世域天基通信技術有限公司）
人類太空探索的歷史上一共經歷了兩次低軌衛星星座的浪潮。而這一次正在如風如雨的席捲全球。這股衛星星座的浪潮的背景是什麼？到底什麼樣的衛星系統會成為解決人類通訊痛點的終極方案？
圖1郭正標
第一次低軌衛星星座浪潮
在說這一切事情之前，讓我們回憶一下上一次低軌衛星星座浪潮發生的背景。
全球各地大量提出低軌衛星星座的時代背景是蘇聯解體、世界兩極爭霸的格局徹底瓦解，歐洲建立了高度的一體化。此時美國正站在世界的巔峰，中國的改革開放進入到深水期。時代背景讓原來忙於發展戰略性核武器、確保互相摧毀的核大國之間把富裕的軌道運載能力用於改善民生，特別是建立起互聯互通的世界全球市場。彼時，經濟全球化和區域經濟一體化儼然成為主流。
在全球低軌衛星發展的浪潮中第一次讓航天活動可以參與到全球行動中來。這其中就以火箭運載的全球化為代表。在這個過程中，俄羅斯先進的運載火箭發動機被倒手賣到了美國，發展起來的德爾塔等系列火箭，中國的長征系列火箭也開始提供商業服務，為美國發射移動通訊衛星-銥星系統。歐洲建立了以阿麗亞娜火箭為支撐的商業發射市場。
圖2銥星系統
世界的通訊歷史中，無線電波的使用最早是從上個世紀20年代就有了，而航天領域對衛星通訊的使用還停留在廣播階段。原本的網路傳輸靠的是通信線纜，完全不適合進行長距離的通訊。直到上個世紀80年代，隨著歐美一些大國，從軍事領域誕生來的通訊衛星技術開始在個人通信領域得到應用。這其中就以發明了第一顆地球同步軌道衛星的休斯公司為代表。
圖3休斯公司研製的伽利略探測器
衛星開始不僅僅停留在廣播電視的階段，也不僅僅只是滿足給軍隊通訊使用。特別是以Inmarsat海事衛星組織以及後來成立的國際移動衛星公司為代表的衛星通訊運營商的參與，使得衛星通訊可以深入到普通的個人消費者手中。在此過程中，地面移動通信網路正從1G模擬時代往數字時代過渡。
正是在這個時間段，衛星移動通訊先天的優勢被極大的激發出來，那個時代衛星通訊運營商和地面運營上還處於水火不相容的狀態，有你沒我，都有互相取代對方的意思。正是因為這股巨大的商業價值帶來的衝動，無數的資本投入到衛星移動通訊的浪潮中，像比爾蓋茨這樣的人也參與到Teledesic衛星公司的建設中。
早期的低軌衛星通訊星座還是以語音通訊為主要的服務，人們似乎沒有意識到衛星居然可以進行數據傳輸。而像銥星這樣的公司發展低軌衛星的邏輯就是佔領全球移動通訊市場，徹底取代地面運營商。當時看起來頗具先進的一些系統，高昂的語音通訊服務除了在少數的地區尚且有價值外，沒有辦法獲得更多的用戶。
2G開始飛速發展。摩托羅拉自己既發射衛星同時自己也做手機，但是它發現衛星星座的建設總是遲遲地落後於手機終端的發展速度。
在這個過程中一大批提出低軌衛星星座的企業和計劃，要麼倒閉了，要麼就直接沒有完成部署。第一次低軌衛星通訊浪潮開始退潮。這其中有兩家低軌衛星還能勉強維持活著，其實銥星系統要不是因為破產清算那麼它估計現在也死了。而值得我們思考的是除了技術的飛速發展外，全球通訊行業出現了地區保護主義卻讓GEO地球同步軌道衛星這種提供專業化服務的衛星平台得以喘息。
第二次低軌衛星星座浪潮
話回到今天，到底什麼背景讓全球低軌衛星浪潮重新活躍起來。
首先我們從衛星同業競爭的角度來看，高軌衛星由於站得高看得遠，對於區域覆蓋優勢非常明顯。但是高軌衛星很少有提供終端消費服務的，主要模式要麼就是數字廣播要麼就是專網通訊服務。原因就是衛星的容量太小了，資費太貴了。而深挖其中的根源其實是整個衛星製造發射運營領域的問題。衛星的體積太大，上來就是幾噸甚至十幾噸。不僅造成了製造成本的上升，發射成本也非常的高昂。
從通訊技術發展的角度來看，制約高軌衛星提供終端服務的根本原因就是衛星容量太小，像民航飛機，船舶很多都用不起衛星資費。而地面數字寬頻的技術正在日新月異地發展，終端的應用軟體本身就升級成了高通量的數據使用者，沒有通訊容量上的支持是不符合衛星通信產業發展的趨勢的。
圖6鴻雁衛星星座通信系統
此輪全球低軌衛星浪潮很大一部分得益於中國的衛星參與者。除了有國家隊提出了類似於行雲、虹雲、鴻雁星座之外，還有一部分像信威、世域天基通訊這種民企。其實最早系統化的提出建設SAT5G毫米波低軌高通量衛星的企業正是世域天基公司。據信息顯示世域天基公司即將在2018年發射全球首顆以5G毫米波通訊為技術的通訊試驗衛星。而2017年6月，由衛星行業生產廠家、運營商、高校等16個單位聯合成立了SaT5G聯盟，該聯盟的工作成果將極大影響5G標準內容的制定。
圖7世域天基公司的宣傳頁
低軌衛星中這些年來國際上唯一新誕生的就是美國ONEWEB，從歷史經歷上來看我國也從來沒有經歷過任何一次低軌衛星浪潮。到底哪一種模式會最終獲勝，預計也會像美國的經歷一樣——大浪淘沙。
隨著5G時代的快速到來，衛星移動網路必然要同步進行升級，在這方面如果落後太多就會造成代際的差距。發展低軌衛星通訊星座也必須堅持這個原則，適度的提前和領先，才能讓中國在未來世界移動通訊的發展中站在不敗之地。 (完)
TAG:未來空天 |