——星地通信从竞争发展到互补，从5G体制兼容到6G系统融合
12月1日消息（九九）今年以来，卫星通信受到广泛关注，从成立之初就主打卫星互联网的SpaceX，今年8月份宣布推出Starlink 2.0版，通过和T-Mobile合作实现卫星直连手机；今年9月，华为Mate50、苹果iPhone14在新品营销上都推出了卫星通信的概念，市场反应非常热烈；近日，美国AST SpaceMobile公司宣称，其在轨测试卫星BW3在近地轨道成功展开有史以来最大的商业相控阵天线（约64平方），号称构建了第一个可通过普通手机直接访问天基的蜂窝宽带网络。
对此，IEEE Fellow，中国信息通信科技集团有限公司副总经理、总工程师、专家委主任，无线移动通信国家重点实验室主任，移动通信及车联网国家工程研究中心主任陈山枝在接受C114专访时指出，由于手机便携性好且用户基数大，手机直连卫星作为星地融合的潜在典型应用得到了业界的高度重视；但当前宣称的普通手机直连卫星通信是指在没有蜂窝和WiFi覆盖的情况下发送紧急救援短信，尚且不能实现无感知的连续通信；而传统卫星手机能实现连续通话和中低速数据，却是定制的，如铱星、Globalstar、Inmarsat等不兼容体制。与5G兼容的5G NTN星地融合标准方案可支持5G NTN手机直接接入卫星，也支持Ka/Ku的VSAT终端卫星通信行业应用，实现全球无缝移动通信，既契合当下发展需求，也将为6G星地融合奠定基础。
手机直连卫星由来已久，热度再度兴起依然面临多重挑战
在20世纪90年代，低轨道卫星通信（铱星系统）和地面蜂窝移动通信（GSM）是竞争关系。
陈山枝介绍，手机直连卫星并不是新生事物，过去就有，最早的低轨卫星是铱星系统（Iridium），77颗卫星拉开低轨卫星通信的序幕，与地面蜂窝通信系统基本同期，铱星系统采用星上处理和星间链路技术，面向消费者，手持卫星终端（卫星手机）可以在地球任何地点提供无缝隙通信，并且解决了卫星网与地面蜂窝网之间的跨协议漫游。最终，如此“高科技含量”的铱星系统因为巨大的研发和系统建设费用申请破产，重组后转向行业应用。而地面蜂窝移动通信从2G一路发展到5G，用户规模不断扩大，商业十分成功。
当前，随着StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的卫星星座部署计划逐步推进，低轨卫星通信再度兴起。卫星通信和地面蜂窝通信之间“融合”的呼声也越来越高，陈山枝认为，其中的主要原因是技术进步和需求变化。
技术方面，一是卫星发射技术的进步，包括“一箭多星”、火箭回收利用等颠覆技术创新；二是卫星制造技术的进步，包括材料、电源、加工技术的进步；三是集成电路技术的进步，卫星的小型化、模块化、组件化，以及星上处理能力的增强；四是通信技术的进步，随着3G、4G、5G代际演进，大规模天线、毫米波技术、波束赋形等进步，地面蜂窝移动通信技术也可以应用到卫星上。
需求方面，随着行业应用和人类活动范围的拓展，卫星通信全球覆盖和空间覆盖的优势开始显现。到今天为止，地面移动通信系统覆盖的人口已经超过70%，但是受制于技术经济因素，只覆盖了20%的陆地面积，按地球表面积计算大概只有6%。随着行业发展，航空、远洋、渔业、石油、环境监测、户外越野活动，还有国家战略和军事通信等，在广域和空间覆盖方面的需求十分强劲。
陈山枝认为，手机直连卫星意味着卫星通信将在从行业应用市场进入消费者市场。“但是，Starlink能够取代甚至颠覆5G的说法也是十分荒谬的。”陈山枝指出，卫星通信有很多局限性。首先是区域的无效覆盖，三个高轨同步卫星就可以覆盖全球，成百上千个低轨卫星相对地面是高速运动的，只能均匀覆盖，而很多区域无效的，因为实际上并没有用户；第二，卫星信号无法覆盖室内及有立交桥和山体树林遮挡的室外；第三，卫星终端的小型化和天线间的矛盾，特别是人们已习惯于普通手机的内置天线（用户无感），而目前的商用卫星手机还是外置天线；第四，卫星通信频谱效率远低于蜂窝移动通信，StarLink的下行频谱效率是2.27bit/s/Hz，只达到3G水平，而5G的下行链路平均频谱效率是10 bit/s/Hz以上。最后也是最重要的，因为涉及卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营及服务等诸多环节，每颗通信卫星的建设和运维成本十倍甚至数百倍于地面基站，所以通信资费一定会高于5G地面蜂窝通信。
卫星通信系统跟地面蜂窝移动通信系统相比，主要技术差异和挑战表现在：1）卫星信道和地面信道的传播特性不同，卫星通信传播距离远，信号传播路径损耗大，且传输时延大，带来链路预算、时序关系和传输方案的挑战；2）卫星高速移动，引发时间同步跟踪性能、频率同步跟踪(多普勒效应)、移动性管理（频繁波束切换和星间切换）、调制解调性能等挑战。如手机到地面基站只有几百米到公里级，5G能支持500km/h终端移动速度；而低轨卫星离地面手机约300到1500km，卫星相对地面移动速度约7.7到7.1km/s，超过25000km/h。
至于AST公司宣称的“把目前每部智能手机变成一部卫星电话，在世界任何地方都可以宽带上网”。陈山枝认为，AST试图将现有存量4G或5G普通手机不作改动直连接入卫星，由于没有针对上述技术挑战做任何系统优化，存量手机没有足够的定时和频率补偿能力，所有问题的解决都需要在卫星上实现上，存在复杂度高、成本高、系统容量有限、低轨卫星的轨道高度也受限等缺点。另外，4G和5G手机的内置天线发射功率有限，典型值200mW，因此AST需要约64平方米超大规模相控阵天线，通过阵列天线增益去补偿普通手机远距离接入卫星的链路损耗，但超大规模相控阵天线造成了重量、体积、功耗、成本等方面的挑战与问题。
从辩证的角度看卫星通信，包括手机直连卫星，就5G的应用场景而言，两者存在很大的互补性。5G主要服务于普通城市和乡镇用户；卫星通信的优势是偏远地区及空中、海洋、森林、沙漠的通信覆盖以及地震海啸救灾时应急通信，在农林牧渔业的应用前景值得期待。另外，对于偏远地区的移动通信需求，我国三大运营商在村村通和普遍服务上是在全球做得最好的，既考虑了营收和利润，也兼顾了社会公平；即使在发达的西方国家的偏远地区，以及在东南亚、非洲、南美的一些发展中国家，地面移动通信覆盖比较差，因而卫星系统对手机直连卫星通信服务是有很大市场发展空间的。另外，除了手机直连卫星以外，5G对许多行业应用由于覆盖成本等因素难以实现，而宽带卫星终端、卫星物联网终端等潜在行业应用广泛。
陈山枝认为，卫星通信复用蜂窝移动产业链，降低卫星通信产业成本，并实现两者间的覆盖和服务互补，卫星通信和地面蜂窝通信有机融合是发展趋势。因此，卫星通信与地面移动通信在5G/6G走向互补，共同构建覆盖全球的星地融合移动通信网络成为大势所趋。
5G NTN更具先进性，也将为6G星地融合奠定基础
从2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力开展并推动基于5G体制的卫星通信探索，3GPP 开始将卫星网络划入非地面网络（NTN）开展研究与标准化，针对星地融合的上述技术挑战，开展了包括定时关系增强、时间和频率的补偿、针对大无线环回时延（RTT）的HARQ改进机制、移动性管理与切换增强等技术优化，这些举措拉开了卫星通信体制与地面蜂窝通信体制走向融合的序幕。
陈山枝指出，5G在设计之初并没有考虑卫星通信，3GPP R15版本是5G第一个商用版本。随着技术和需求的演进，卫星通信的研究与标准化在R17 NTN才开始启动，这就决定了星地融合在5G是体制兼容，即在已有5G标准的技术框架下实现星地融合的优化。但5G具有技术先进且成熟、产业链完整、规模经济等优势，低轨卫星通信与5G兼容，能够利用和分享5G的产业链和规模经济效应。并且，5G NTN星地融合方案应该比现有存量5G普通手机直连接入卫星的技术方案要优化，实现复杂度要低、建设和运维成本也要低，系统容量要大，更具有先进性。
因此，陈山枝早在2020年就建议当前我国应该建设和发展与5G兼容的卫星互联网（具体可查阅陈山枝在2020年第六期《电信科学》上发表的论文《关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议》），5G NTN支持GEO/MEO/LEO场景，支持Ka/Ku/S等各种可用频段，终端类型包括VSAT终端和普通手机终端，实现全球无缝移动通信。一方面，契合手机更迭周期短的特点，人们更换新手机就可实现，又能满足行业应用需求；另一方面，该方案将为我国引领6G星地融合奠定坚实的基础。
陈山枝指出，6G在设计之初就考虑星地融合，能在系统级上实现星地融合的优化，因此6G星地融合将是系统融合。在6G时代，陆地移动通信跟高、中、低轨卫星的有机融合，实现任何人、任何地点、在任何时间无缝全球覆盖和接入。需要对卫星、升空平台、无人机、地面蜂窝等组成异构接入，设计包含统一空口传输、统一接入控制、统一认证和统一组网协议，以用户为中心的智能网络架构，支持终端在星地间无缝切换，满足不同部署场景和多样化的业务需求。
陈山枝早在2020年就发表相关论文，“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G: How to Tackle the Challenges of System Coverage, Capacity, User Data-Rate and Movement Speed”（IEEE Wireless Comm., April 2020）提出了星地融合是6G的重要方向，已是ESI高被引论文。System Integration of Terrestrial mobile communication and Satellite communication ---- the trends, challenges and key technologies in B5G and 6G （China Communications, Dec. 2020）进一步提出了“5G兼容”走向“6G融合”的星地融合移动通信演进路径和关键技术。
陈山枝进一步指出，6G“星地融合”移动通信网络是一个多维复杂的“巨系统”，是多个异构接入网络融合，具有多层立体、动态时变的特点。多层复杂跨域组网导致网络架构设计困难，大尺度空间传播环境导致传输效率低，卫星的高速运动会导致网络拓扑高动态变化和移动性管理挑战，进而导致业务质量和通信连续性难以保障。
对于6G星地融合组网所面临的巨大挑战，陈山枝提出关键技术突破的四个方向：
在6G星地融合的网络架构方面，需研究卫星与地面蜂窝通信架构的统一设计。一是通过设计弹性可重构的灵活网络架构，实现星地网络节点间网络功能的柔性分割；二是通过设计高效的多域多维度网络管理架构，提高星地融合网络中的资源管理效率。
在6G星地融合的空口传输方面，需研究卫星与地面蜂窝通信的统一无线空口设计方案，支持多种业务传输，让终端可以极致简单地接入最合适的星地网络节点。
在6G星地融合的组网技术方面，需主要研究小区间频率规划、多层网络间自适应路由和星地星间无缝切换、星地一体多级边缘计算任务迁移等。
在6G星地融合的频率管理方面，需研究基于统一管理的网络频谱资源、星地间频谱的协调管理机制。通过频谱共享和干扰管理方案，提高频谱资源利用率。
陈山枝介绍，中国信科及其无线移动通信国家重点实验室是星地融合移动通信的重要技术贡献者，也是5G卫星移动通信技术的引领者、6G星地融合关键技术的储备者。中国信科在我国卫星互联网新基建中正发挥着重要作用，积极开展透明转发和星上处理卫星互联网关键技术研究，带领业界率先完成了业界首套5G融合体制的卫星互联网系统标准体系和关键设备研制，为国家卫星移动通信重大工程的建设提供技术支撑。在2020年和2021年连续两年向业界发布了“全域覆盖、场景智联”的6G白皮书；承担了多项重点研发计划课题，联合业界积极开展6G愿景与需求的研究、6G关键技术的研究与验证，为后续的6G标准化工作做好前期储备工作。
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