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陈蓝| 移动卫星通信40年:罗马是怎样建成的?
星链实现的高带宽低延迟令人惊叹。目前用户实测最高速度已达300Mbps,延迟20-40毫秒,已超过地面宽带水平。随着卫星数量的增加和二代星的加入,这些指标还可能进一步提高。这使得它对市场上原有产品具备了碾压式优势,因此市场迅速爆发也不奇怪了。本月初有报道称,星链已经实现收支平衡。这是卫星通信历史上前所未有的,令无数预测家大跌眼镜。他们脑子里的铱星和全球星老经验不灵验了。
星链终端
星链之所以能达到如此性能,和SpaceX在相控阵天线、星间链路等技术上的创新有关,但更多受益于更高的频率(Ku频段。其他卫星用L和S频段)、更低的轨道高度和巨量的卫星数量。不过,4.2万颗星(目前发射数量已超3000颗),替换率很高,成本巨大。这是对SpaceX持续盈利能力的严峻考验。星链最后能否真正取得成功,我们还要看几年。
星链在国外也有一些竞争者。但少了马斯克的光环,它们似乎都不太顺利。谷歌的气球互联网和Facebook的高轨互联网卫星都以失败告终。OneWeb星座好不容易开始组网,却遇到俄乌战争,箭已在弦上,卫星却被扣留,最终导致公司易主,元气大伤。亚马逊的柯伊伯星座姗姗来迟。落后这么多年,它们超越星链的可能性已很渺茫。
我国起步并不晚。先讲一个插曲,大唐通信所属北京信威通信技术公司曾开发SCDMA(大灵通)、TD-SCDMA、McWill等通信技术,但后来经营不善,连年亏损。2010年,商人王靖(您可能听说过)入主信威,他的宏伟计划是结合McWill技术建设低轨通信星座。2014年9月,和清华合作研制、号称国内首颗低轨移动通信卫星的“灵巧通信试验卫星”发射成功。据称,后续试验也取得了不错的结果。但和王靖的其他宏伟计划一样,信威低轨星座也从此没了下文,个中缘由,我们应该也能猜个大概。
十来年前,国内类似信威的商业卫星项目有不少,但绝大多数未成正果。唯一比较靠谱的是银河航天,至今一共进行了三次发射,7颗卫星构成的“小蜘蛛网”低轨通信试验系统传输速率超200Mbps,延迟小于30毫秒。但受卫星数量限制,通信时长不超过30分钟。银河航天有过巨型星座的计划,但目前颇为低调。窄带的天启星座在取得初步成功后,也规划了宽带星座计划,但目前也仅仅是计划。
国家队方面,航天科技和航天科工早在上个十年就宣布了低轨宽带“鸿雁”和“虹云”星座。2018底,两大工程的首发验证星相继发射成功,间隔只有7天,但此后却陷入沉寂,两个项目的组网发射均未发生。
联系到后面的一系列新闻,显然它们是被更宏大的国家计划所替代了,这个计划就是星网。2022年9月,中国在国际电联为名为GW的巨型星座注册了无线电频率,星座规模12992颗。2021年4月,中国卫星网络集团有限公司(简称星网公司)在雄安挂牌成立。2022年7月6日,用于大规模商业发射的海南商业发射场开工。2023年7月9日,由航天科技五院研制的“卫星互联网技术试验卫星”在酒泉升空。明年,大规模组网发射将拉开序幕。中国恐怕是星链唯一真正的挑战者。这将是中美在太空的又一场精彩的竞赛。
在星链带动下,低轨宽带星座发展迅速,宽带卫星互联网和物联网已成现实,进入手机也毫无悬念。但谁会成为第一家?让我们拭目以待吧!
天地融合:6G一统天下
展望未来,现在谈论最多的是天地一体化融合网、地面存量手机直连卫星等。所谓存量手机指的是市场上已经发售、原先并无卫星通信功能的普通手机。所以,今年9月8日的事件就变得意义特别重大了。那天,美国AST SpaceMobile公司在历史上第一次用存量手机(三星 Galaxy S22)直连“蓝行者(BlueWalker)三号”卫星,拨打电话获得成功。
“蓝行者三号”卫星发射前(图源:AST SpaceMobile)
这意味着,天上众多的卫星将成为太空基站,可以覆盖到任何一台手机。这个技术一旦成功,地球上80多亿台手机将在一夜之间具备卫星通信的能力!
实现这件事需要两个条件。首先,卫星需要具备更强的发射功率和接收灵敏度,使得卫星信号到达地面时和地面基站信号强度相仿,也使卫星能接收以地面强度标准发送的极为微弱的手机信号。蓝行者卫星那块64平米面积巨大的相控阵天线就是为了这个目的而设计的。
第二,需要一套地面和空间融合的通信标准。这就是3GPP国际组织所正在积极推动的NTN(非地面网络)标准。去年6月,NTN R17版本已经冻结,确定了5G NR(宽带)和NB-IoT(窄带)框架。未来R18和R19版本将进一步完善,但基础已经具备,为AST SpaceMobile和其他公司的在轨验证、芯片和设备的开发等铺平了道路。
巨大的“蓝行者三号”目前已经成为夜空中最亮的卫星之一。AST SpaceMobile计划未来发射100多颗这样的卫星。SpaceX网站已经宣布明年星链将支持短信直连卫星,2025年支持语音和数据直连。我们会再次落后吗?
我想应该不会。中国三大运营商都在做NTN的地面试验,并已获得成功。华为、中兴等通信设备厂商也在紧锣密鼓地开发相关产品。中国的星链-星网还未开始组网发射,理应在设计上有更多超前的考虑。即使明年第一批卫星暂时不具备存量手机直连功能,也不会让我们等待太久。我们攻克了芯片难关,建成了空间站,即将登月,手机直连还能难倒我们吗?
NTN将是5G-A(5.5G)和6G通信标准的重要组成部分。6G手机将不会宣称具有卫星通信功能,因为任何手机,只要能连地面基站,就能直连卫星。现在人们争论的很多问题,比如卫星通信到底有什么用,仅仅为了应急而购买有卫星通信功能的手机是否值得等等,都将变得毫无意义。
罗马不是一天建成的,但轻舟已过万重山。
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