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    6G時代,衛星網絡將創造什么奇跡

          “星地一體融合網絡”“空天地一體化無縫覆蓋”,這是《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》中描述的場景,該白皮書由中國IMT-2030(6G)推進組于2021年6月6日發布。


          白皮書預計6G(第六代移動通信技術)在2030年實現商用,可實現從萬物互聯到萬物智聯的躍遷。與前五代移動通信以地面通信為主不同,6G時代衛星網絡將承擔重要角色。


          但以今天的技術水準來看,衛星產業鏈在研制、生產、組網、運維和應用等領域,還遠遠實現不了白皮書中的場景。展望未來,我們既需要夯實新興技術的產業化基礎,又需要跨越式長遠謀劃。


          衛星互聯網:6G的關鍵基礎設施 

          對非通信行業的人,IMT-2030(6G)推進組是個陌生名稱,IMT是“國際移動通信”的英文縮寫,IMT-2030(6G)就是推進中國6G進程的工作組,它的前身是IMT-2020(5G)推進組。5G推進組包括中國主要的電信運營商、設備制造商、高校和研究機構。這是一個在工信部推動下,聚合中國產、學、研、用力量,推動中國5G研究和開展國際交流合作的平臺,積極參與、影響和引導了ITU(國際電信聯盟)的5G標準化工作。2019年6月,幾乎就在工信部發放5G商用牌照的同時,原5G推進組升級為6G推進組。


          2020年6月,ITU向包括中國在內的各成員國正式征求IMT未來發展的技術觀點,并計劃在2022年完成“未來技術趨勢報告”。這份報告將為全球的6G方案和標準確定基調。


         《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》,就是中國6G研究的最新成果,是中國向ITU提交的、面向未來十年的移動通信方案。


          在這個方案中,6G與5G系統的顯著區別,就是明確提出要實現“全球無縫覆蓋”,構建“普惠智能的人類社會”——這個目標必須借助衛星等非地面設施的關鍵補充才能實現。


          白皮書顯示,6G業務將形成全息通信、數字孿生、沉浸式云XR、感官互聯、全域覆蓋等八大業務應用,并可進一步歸為三大類應用場景:沉浸化、智慧化、全域覆蓋。


          全域覆蓋將提供全球無縫覆蓋的空天地一體化網絡,使地球上再無任何移動互聯網盲點。十年之后,人類在地球上將第一次真正實現“泛在”的網絡。


          全域覆蓋的視角,有助于解答各界的一個普遍疑問:5G網絡的特征就是高速率、大帶寬、低時延,5G才剛開始, 6G怎么又提上日程了呢?


          白皮書給出了答案:人類進入5G時代已有兩年,但仍有80%以上的陸地區域和95%以上的海洋區域沒有移動網絡信號,而且通信對象只限于地表之上1萬米以內的空間,無法實現“空天海地”的網絡暢游。同時,全球仍有30億人沒有基本網絡接入設施,經濟社會發展的數字鴻溝正在拉大。


          馬斯克創立的SpaceX(太空探索)公司,之所以從兩年前就開始緊鑼密鼓地實施Starlink(星鏈計劃),其商業模式也是基于這些移動網絡空白區的需求。


          目前,Starlink已發射28批近地軌道全球組網衛星,在軌數量達1600多顆。Starlink一共將部署4.2萬顆衛星——占據近地軌道衛星可容納總量的40%。


          Starlink已開始在歐美落地終端服務,有人會問:這種天基衛星互聯網將顛覆現有的以光纖、基站和鐵塔為特征的地面蜂窩網絡設施嗎?


          白皮書也給出了答案:衛星網絡不會替代地面網絡,而是在地面設施經濟性差或基建力所不能及的領域,提供戰略性補充,最終與地面網絡融為一體。


          2020年4月,國家發改委明確,“衛星互聯網”為新型基礎設施建設的重要一環。2021年5月,中國衛星網絡集團正式成立,衛星互聯網這一新基建正在穩步推進。


          我們認為,這項新基建的理想成果,是建成一張“天網”和“地網”在體制上融合、資費上接近,現實生活中無需感知、但無處不在的高速網絡。


          6G愿景呼喚衛星網絡“豹變”

          衛星互聯網是衛星通信不斷發展的產物,伴隨著衛星通信經歷了不同軌道高度、不同通信體制、不同業務類型、不同覆蓋范圍的三個發展階段。


          上世紀60年代至80年代,通過地球同步軌道的模擬通信衛星,主要面向政府和公共部門提供通信服務;80年代至上世紀末,數字通信和低軌衛星通信星走上舞臺,逐步開始對企業、家庭、個人提供服務;本世紀初至今,多軌道高通量衛星(HTS)帶來真正的衛星互聯網,為用戶提供更多樣的網絡接入選擇。其中最有名的先行者就是摩托羅拉夭折了的銥星計劃。


          目前,在5G商用加快加深的背景下,衛星互聯網的開發方案就是將5G基站從地面鐵塔轉移到低軌小型衛星上,并通過多星組網動態拼接地面覆蓋范圍,通過衛星的運行,把5G信號傳遞到無地面網絡信號的終端上。


          根據我們的研究,國內正處在衛星互聯網發展前期,應急減災、資源環境、交通物流、能源管網等行業“剛需”正不斷涌現,在5G技術中實現的車聯網、物聯網、工業互聯網交叉融合應用中,衛星網絡將大有用武之地。


          而隨著星上5G、通信-導航-遙感的一體化、空天地網絡銜接等方面的技術研發進步,智慧農業、智慧城市、智能制造、智慧文旅、自動駕駛、金融服務、家庭及個人用戶等應用場景也將得到衛星網絡的支撐。


          而從5G邁向6G,更將是一個衛星網絡服務更加便捷易用、場景不斷豐富、國內市場規模呈指數級增長的過程。我們估算,如果在基建期(2021年初始)投入1000億元用于衛星研制和部署,三四年后,下游終端和行業解決方案市場就有望達到2000億元規模,2026年之后,行業應用及時空大數據服務市場規模將達到7000億元。


          而在新一代衛星網絡建設之初,如何通過創新,最大化提升低軌衛星通信的能力架構、利用效率和成本優勢,是眼下5G網絡能否上天、6G愿景能否如期實現的關鍵。


          從中國“衛星互聯網”的新基建需求出發,我們認為衛星網絡的技術創新方向,是為了最終形成一個擁有完整的“通、導、遙、算、儲”時空大數據服務能力的空間基礎設施。


          而在商用方向上,只有為移動互聯網用戶提供體驗優、價格低、易使用、訂閱式的“衛星網絡即服務”解決方案,白皮書所描繪的八大業務場景才能依循標準化、產業化、規?;穆窂秸归_。


          建設衛星網絡,應從最新的ICT技術中汲取發展動能,而這些目前尚未納入傳統航天器研制部門的視野:一是可融合人工智能、機器學習、量子計算、區塊鏈等技術的“智能”;二是從接口、軟硬件、市場到產業生態的“開放”,最大程度降低供應鏈成本和提升用戶體驗;三是在衛星組網開端就構建端到端、內生性的動態“安全”。


          衛星演進速度滯后于網絡需求

          在200公里至2000公里高度的近地軌道,隨著全球小型衛星組網活動的迅猛增加,在5G商用期,衛星網絡已凸顯出三個發展趨勢,其中既有新生力量,也有掣肘因素。


          一是衛星網絡中的新技術應用密度增加。例如衛星研制正在實現低成本、小型化,發射成本也不斷降低,霍爾推進、復合材料、星間光通信、全電掃相控陣天線等技術也逐步進入產業化階段,為衛星網絡升級提供了新的技術基礎。


          二是數字經濟帶來衛星服務增量市場。萬物互聯、廣域覆蓋、超大帶寬是5G網絡服務特征,衛星網絡用戶也期待著與地面5G業務場景近似的應用體驗,并愿為率先滿足其特殊場景需求的服務商買單。


          在6G時代,面對全球范圍內因地理條件、人口分布、經濟發展水平等因素而形成的數字鴻溝,衛星網絡是最有效的解決方案,除了商業力量,社會和政治的推動力也將日益加強。


          三是衛星網絡呈現“充裕的匱乏”,這是與積極態勢伴生的技術挑戰。一方面,隨著一箭多星乃至幾十星的技術迭代,擴充衛星組網規模的難度降低,在軌衛星數量也從稀缺走向充裕;但另一方面,單顆衛星受限于能量、重量等限制,可用于組網調劑的資源不足,導致用戶體驗波動巨大。


          在這種“充裕的匱乏”背后,是當今衛星供給側技術亟待提升。例如,衛星在軌存儲計算、星間和星-地數據傳輸能力明顯滯后;不同衛星的控制面缺乏標準化接口,且兼容性差,難以實現智能組網;通信標準與協議尚待統一;衛星操控主要依賴于地面的任務規劃,效率低且存在安全隱患;衛星網絡安全架構易被攻破,通過空中接口傳輸的數據易被截獲。


          在用戶側,與地面5G相比,衛星網絡應用的便利性距離6G預期有很大差距。例如衛星遙感數據收費高,衛星通信每單位帶寬資源和每單位比特傳輸收費高,且收費模式僵化不友好;衛星數據供應鏈的時效性差,不能穩定連續滿足精細化的應用需求;衛星應用的界面和接口易用性較差,使用者和開發者面臨遠高于一般互聯網應用的技術壁壘。


          在政策領域,諸多不確定性仍限制著衛星網絡產業的發展。衛星網絡所需的無線電頻率、軌道位置資源在商用場景中如何合理規劃分配,是市場主體期望明確的問題。


          由于太空屬于人類“公地”空間,隨著衛星部署增多,其位于“公地”的數據資產權屬尚待國際法律制度厘清。同時,地緣政治直接影響衛星網絡地面測控基礎設施的海外布建,跨國業務更需要平衡市場競爭與準入風險,海外市場拓展與用戶服務交付難度大。

          中國衛星產業的任務清單

          從5G邁向6G,必然面臨一系列技術討論、政策博弈和商業競爭,諸多不確定性仍需在白皮書發布之后通過論證和實踐解決,但白皮書可以作為中國衛星產業把握當下、放眼長遠的一個行動指針。


          我們預見,為服務2030年商用的6G網絡,新一代衛星網絡必須滿足以下四種應用預期:


          一是大量衛星彈性組網。在衛星數量基礎上構建柔性的智能網絡架構,可按需隨時對衛星網絡的拓撲結構和功能進行重構和擴展。


          二是多載荷、多任務、軟切換。為提升空間資源利用效率,每顆衛星和每個衛星網絡均配置多類載荷,通過軟件定義衛星功能及在軌更新,可在響應不同任務時進行軟切換,建立適用于新任務的網絡拓撲結構,調用載荷并完成任務。


          三是天地資源一體化。衛星可以對感知、傳輸、計算、存儲、通信協議、頻率、任務等在內的天地網絡資源協調利用,依循統一商用標準并實現能量、帶寬、頻率、軌道和數據等資源利用率的最大化。


          四是感知、傳輸、存儲、計算一體化。在組網衛星之間的數據鏈路中,實現對信息采集、傳遞、計算、應用的整合設計,對需求場景的變換敏捷響應,并確保數據安全。


          有了這些預期,哪些衛星技術有助于支撐起6G愿景?站在5G時代,當今商業衛星產業應當在哪些領域投入創新研發,才能構筑起空天地一體化網絡的四梁八柱?


          我們認為,6G時代的衛星網絡可劃分為空間段的七個功能域和地面段的一個功能域??臻g段的功能域包括感知、傳輸、存儲、計算、平臺、功能和網絡安全(見表一);地面段的功能域主要是用于地面保障,包括地面站、發射場、星地一體化的核心網等。這八個功能域的技術,有些已經進入商用并趨于穩定成熟,而大部分還處于驗證和測試階段,需要戰略性投入才能取得關鍵突破。


          在現階段,更重要的是衛星產業鏈變革,近在眼前的問題是衛星研制和生產的商業化能否帶來衛星網絡和應用的成本下降?同時,如何以節約出來的成本,突破現有衛星設計和研發的瓶頸,驅動適度超前、面向2030年的技術研發?


          中國民營商業航天起步只有幾年,但“鯰魚效應”已開始顯現。衛星的整星成本和發射成本都在降低,衛星產品的交付周期也在逐漸縮短,“星載一體化”的設計方法和流程創新,有利于衛星功能載荷的按需定制。用柔性化的方式批量生產未來星座組網所需的小型衛星,也將逐步成為國內交付商業衛星訂單的主流做法。


          而那些有產能儲備、有技術準備的企業,將在5G時代啟動、6G時代收官的衛星網絡新基建中獲得領先優勢,并帶動整個衛星產業鏈的繁榮。


          為解決中國6G愿景給衛星列出的“問題清單”,產業鏈中的主力企業必須協同形成創新網絡,在軟件定義衛星、星上5G、標準化、星間鏈路技術、創新衛星構型、地面終端應用、通導遙一體化等方面趕超國際先進水平,形成具有中國自主可控核心技術的新一代衛星產品譜系。


          5G已至,6G并不遙遠。我們希望與中國商業航天的伙伴們一道,用劃時代的衛星硬科技創新,塑造更加智慧美好的人類未來。
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