衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)：把“基站”搬到太空
與地面互聯(lián)網(wǎng)互補(bǔ)提供特定場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)接入 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)把“基站”搬到太空
7月上旬，國(guó)內(nèi)首架高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)飛機(jī)完成首航，利用一顆高通量衛(wèi)星在萬(wàn)米高空完成了百兆以上速度的聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)了流暢的空中直播。今年4月，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)就被明確列入新型基礎(chǔ)設(shè)施的范圍。作為新一代信息技術(shù)演化生成的信息基礎(chǔ)設(shè)施，從構(gòu)想到發(fā)射組網(wǎng)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)圖正一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是什么？以衛(wèi)星為接入手段的互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)模式
“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要是指以衛(wèi)星為接入手段的互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)模式，它屬于新基建中的信息基礎(chǔ)設(shè)施?！敝袊?guó)“虹云工程”總設(shè)計(jì)師向開(kāi)恒表示，目前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)較多的是指利用地球低軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。相比高軌衛(wèi)星，它具有低時(shí)延、易于實(shí)現(xiàn)the whole world覆蓋的特點(diǎn)。
地面網(wǎng)絡(luò)靠基站通信，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)則是基于衛(wèi)星通信技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，好比將地面的基站搬到了太空中，每一顆衛(wèi)星就是一個(gè)移動(dòng)的基站。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)示意圖 (中國(guó)航天科工集團(tuán)二院供圖)
根據(jù)通信衛(wèi)星所處軌道的不同，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可分為高軌和低軌兩類(lèi)。高軌衛(wèi)星的軌道距離地面約3.6萬(wàn)公里，也叫作對(duì)地靜止軌道。盡管都在高速運(yùn)動(dòng)，但該軌道上的衛(wèi)星軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期嚴(yán)格一致，相對(duì)地面保持“靜止”，其覆蓋的地區(qū)也是固定，因此建立通信服務(wù)比較容易。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以通過(guò)高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)寬帶通信，而且所需的衛(wèi)星數(shù)量不用太多。
但高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也存在天然的局限。地球半徑只有6378公里，用高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)，相當(dāng)于從地球表面發(fā)信號(hào)到3.6萬(wàn)公里以外，一來(lái)一回，再加上信號(hào)處理等過(guò)程，導(dǎo)致時(shí)延不小。對(duì)于一般的通話(huà)或訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)來(lái)說(shuō)還可接受，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用如聯(lián)網(wǎng)游戲、無(wú)人機(jī)遙控等則無(wú)法滿(mǎn)足需求。此外，地面接收高軌衛(wèi)星信號(hào)的終端must做得比較大，才能良好接收如此遠(yuǎn)距離的信號(hào)。
因此，人們把目光投向了500—2000公里范圍內(nèi)的近地軌道。在這個(gè)軌道上，地面和衛(wèi)星之間的通信傳輸時(shí)延達(dá)毫秒，足夠滿(mǎn)足車(chē)聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等需求，接收終端可做成手持的，智能手機(jī)都能接入。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的興起，是由需求和技術(shù)的可能性共同驅(qū)動(dòng)的。將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建，反映了數(shù)字化、信息化帶來(lái)的需求。而隨著航天和通信技術(shù)的進(jìn)步，又使得提供這種服務(wù)成為可能。
從發(fā)展趨勢(shì)看，數(shù)字化、信息化已深刻改變?nèi)藗兩?，手機(jī)用戶(hù)希望隨時(shí)隨地都能聯(lián)網(wǎng)。盡管地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，但許多特定場(chǎng)景下靠地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋代價(jià)太大，難以收回成本。與上世紀(jì)90年代的銥星等窄帶低速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)不同，新的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)的是和地面類(lèi)似的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也就是低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。
低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)如何實(shí)現(xiàn)？以1000公里的近地軌道為例，衛(wèi)星繞地球一圈100多分鐘，通過(guò)成百上千個(gè)衛(wèi)星在這個(gè)軌道高度組成星座，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)the whole world的無(wú)縫覆蓋。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，盡管衛(wèi)星始終在運(yùn)動(dòng)，但每時(shí)每刻都有衛(wèi)星飛過(guò)頭頂，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)始終保持穩(wěn)定覆蓋。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能干什么？無(wú)論身處沙漠還是海上、飛機(jī)上，都能享受到像家里一樣的上網(wǎng)體驗(yàn)
隨著低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念的興起，近年來(lái)international上出現(xiàn)了星鏈、OneWeb等相應(yīng)計(jì)劃。
在國(guó)內(nèi)，2018年12月22日，“虹云工程”first launch星即技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星被送入軌道，標(biāo)志著我國(guó)低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)邁出實(shí)質(zhì)性步伐。“虹云工程”是覆蓋the whole world的低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，通過(guò)搭建由156顆小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)the whole world無(wú)死角的自由接入寬帶互聯(lián)網(wǎng)。幾乎同時(shí)，2018年12月29日，“鴻雁”星座first launch星也成功發(fā)射并進(jìn)入預(yù)定軌道。“鴻雁”星座是自主建設(shè)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其目標(biāo)也是在太空構(gòu)建一條四通八達(dá)、覆蓋the whole world的信息通路，計(jì)劃用60顆核心骨干衛(wèi)星和數(shù)百顆寬帶通信衛(wèi)星組成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)the whole world任意地點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)接入。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)示意圖 （中國(guó)航天科工集團(tuán)二院供圖）
“系統(tǒng)建成后，無(wú)論我們身處沙漠還是海洋，抑或是飛機(jī)上，都能享受到與在家里一樣的上網(wǎng)速度和服務(wù)體驗(yàn)?！毕蜷_(kāi)恒說(shuō)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)隨地的互聯(lián)網(wǎng)接入，尤其是在高山荒漠、深海遠(yuǎn)洋等傳統(tǒng)移動(dòng)通信到達(dá)不了的偏遠(yuǎn)地方，更具優(yōu)勢(shì)。
盡管衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的maximum網(wǎng)速比不過(guò)地面光纖，但用戶(hù)實(shí)際使用體驗(yàn)不會(huì)有太大差別。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和地面網(wǎng)絡(luò)如5G網(wǎng)絡(luò)將是互補(bǔ)關(guān)系。在大城市等地面通信發(fā)達(dá)地區(qū)，人們優(yōu)先使用地面網(wǎng)絡(luò)。而在地面網(wǎng)絡(luò)不能到達(dá)的地區(qū)，包括南北極科考、戶(hù)外探險(xiǎn)等場(chǎng)景則更適合使用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠滿(mǎn)足信息基礎(chǔ)設(shè)施差的地方的需求，填補(bǔ)信息鴻溝，使網(wǎng)絡(luò)連接變得可能和便利。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)并不限于寬帶，也包括能夠提高定位和授時(shí)精度的導(dǎo)航增強(qiáng)功能，可對(duì)航空、航海、遠(yuǎn)洋貨物等進(jìn)行跟蹤的物聯(lián)網(wǎng)等。
通過(guò)和5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等緊密結(jié)合，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)非常豐富。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)更像是一個(gè)太空中的平臺(tái)，搭載5G的載荷，可以滿(mǎn)足寬帶通信；搭載攝像頭就能實(shí)現(xiàn)遙感；加上導(dǎo)航增強(qiáng)，就能支持自動(dòng)駕駛。
怎樣用好衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)？關(guān)鍵核心技術(shù)要進(jìn)行攻關(guān)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展要實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)
當(dāng)下，商業(yè)航天發(fā)展迅速。作為衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的產(chǎn)物，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)尤其是低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)勾勒出一幅讓人向往的商業(yè)藍(lán)圖。不過(guò)，要 really搭建起系統(tǒng)并投入實(shí)際應(yīng)用，尤其是讓用戶(hù)獲得良好體驗(yàn)，并不簡(jiǎn)單。
“盡管我們對(duì)衛(wèi)星和通信技術(shù)都有一定掌握，但衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)難度不小，不能一蹴而就，需要進(jìn)一步創(chuàng)新?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)五院the whole world低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中心副主任黃華說(shuō)。
相比高軌衛(wèi)星相對(duì)地球靜止而容易“捕獲”，低軌衛(wèi)星以每秒7公里多的高速繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，這種快速移動(dòng)所導(dǎo)致的頻率變化、衛(wèi)星信號(hào)的動(dòng)態(tài)切換等，和地面網(wǎng)絡(luò)不大相同。為了防止網(wǎng)絡(luò)中斷，從而讓用戶(hù)有良好的體驗(yàn)，需要對(duì)許多關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。此外，為了降低地面維護(hù)成本，上千顆在軌衛(wèi)星有必要通過(guò)智能化實(shí)現(xiàn)在軌自主運(yùn)行，這也要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。
除了解決技術(shù)難題，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)really用起來(lái)，關(guān)鍵還在于被普通大眾接受，要好用也能用得起。這就要求衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)低成本，地面終端也要實(shí)現(xiàn)低成本、小型化。例如，通過(guò)批量生產(chǎn)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的衛(wèi)星會(huì)更便宜；通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，把芯片越做越小，把天線從‘一塊磚’變成‘一片瓦’。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)這種復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)路徑選擇、產(chǎn)業(yè)配套等都有非常高的要求，有必要在設(shè)計(jì)之初就考慮到成本、產(chǎn)業(yè)成熟度、地面情況以及實(shí)際應(yīng)用需求等綜合性因素。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建給產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展注入了信心和活力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈提供更高性?xún)r(jià)比的衛(wèi)星、載荷和地面終端產(chǎn)品，讓全產(chǎn)業(yè)鏈降低成本。
隨著低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)constantly拓展，通信容量會(huì)不斷擴(kuò)大。而規(guī)模越來(lái)越大，成本也會(huì)隨之不斷下降。同時(shí)，通過(guò)政府層面的引導(dǎo)、市場(chǎng)層面的實(shí)踐，整合資源，通過(guò)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化運(yùn)作降本提效，也會(huì)形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良性循環(huán)。
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