6G接力,要实现“空天海地”信号全覆盖

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“星地一体融合网络”“空天地一体化无缝覆盖”,这是《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》中描述的场景,该白皮书由中国IMT-2030(6G)推进组于2021年6月6日发布。

白皮书预计6G(第六代移动通信技术)在2030年实现商用,可实现从万物互联到万物智联的跃迁。与前五代移动通信以地面通信为主不同,6G时代卫星网络将承担重要角色。

但以今天的技术水准来看,卫星产业链在研制、生产、组网、运维和应用等领域,还远远实现不了白皮书中的场景。展望未来,我们既需要夯实新兴技术的产业化基础,又需要跨越式长远谋划。

01、卫星互联网:6G的关键基础设施

对非通信行业的人,IMT-2030(6G)推进组是个陌生名称,IMT是“国际移动通信”的英文缩写,IMT-2030(6G)就是推进中国6G进程的工作组,它的前身是IMT-2020(5G)推进组。

5G推进组包括中国主要的电信运营商、设备制造商、高校和研究机构。这是一个在工信部推动下,聚合中国产、学、研、用力量,推动中国5G研究和开展国际交流合作的平台,积极参与、影响和引导了ITU(国际电信联盟)的5G标准化工作。2019年6月,几乎就在工信部发放5G商用牌照的同时,原5G推进组升级为6G推进组。

2020年6月,ITU向包括中国在内的各成员国正式征求IMT未来发展的技术观点,并计划在2022年完成“未来技术趋势报告”。这份报告将为全球的6G方案和标准确定基调。

《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》,就是中国6G研究的最新成果,是中国向ITU提交的、面向未来十年的移动通信方案。

在这个方案中,6G与5G系统的显著区别,就是明确提出要实现“全球无缝覆盖”,构建“普惠智能的人类社会”——这个目标必须借助卫星等非地面设施的关键补充才能实现。

白皮书显示,6G业务将形成全息通信、数字孪生、沉浸式云XR、感官互联、全域覆盖等八大业务应用,并可进一步归为三大类应用场景:沉浸化、智慧化、全域覆盖。

全域覆盖将提供全球无缝覆盖的空天地一体化网络,使地球上再无任何移动互联网盲点。十年之后,人类在地球上将第一次真正实现“泛在”的网络。

全域覆盖的视角,有助于解答各界的一个普遍疑问:5G网络的特征就是高速率、大带宽、低时延,5G才刚开始, 6G怎么又提上日程了呢?

白皮书给出了答案:人类进入5G时代已有两年,但仍有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域没有移动网络信号,而且通信对象只限于地表之上1万米以内的空间,无法实现“空天海地”的网络畅游。同时,全球仍有30亿人没有基本网络接入设施,经济社会发展的数字鸿沟正在拉大。

马斯克创立的SpaceX(太空探索)公司,之所以从两年前就开始紧锣密鼓地实施Starlink(星链计划),其商业模式也是基于这些移动网络空白区的需求。

目前,Starlink已发射28批近地轨道全球组网卫星,在轨数量达1600多颗。Starlink一共将部署4.2万颗卫星——占据近地轨道卫星可容纳总量的40%。

Starlink已开始在欧美落地终端服务,有人会问:这种天基卫星互联网将颠覆现有的以光纤、基站和铁塔为特征的地面蜂窝网络设施吗?

白皮书也给出了答案:卫星网络不会替代地面网络,而是在地面设施经济性差或基建力所不能及的领域,提供战略性补充,最终与地面网络融为一体。

2020年4月,国家发改委明确,“卫星互联网”为新型基础设施建设的重要一环。2021年5月,中国卫星网络集团正式成立,卫星互联网这一新基建正在稳步推进。

我们认为,这项新基建的理想成果,是建成一张“天网”和“地网”在体制上融合、资费上接近,现实生活中无需感知、但无处不在的高速网络。

02、6G愿景呼唤卫星网络“豹变”

卫星互联网是卫星通信不断发展的产物,伴随着卫星通信经历了不同轨道高度、不同通信体制、不同业务类型、不同覆盖范围的三个发展阶段。

上世纪60年代至80年代,通过地球同步轨道的模拟通信卫星,主要面向政府和公共部门提供通信服务;80年代至上世纪末,数字通信和低轨卫星通信星走上舞台,逐步开始对企业、家庭、个人提供服务;本世纪初至今,多轨道高通量卫星(HTS)带来真正的卫星互联网,为用户提供更多样的网络接入选择。其中最有名的先行者就是摩托罗拉夭折了的铱星计划。

目前,在5G商用加快加深的背景下,卫星互联网的开发方案就是将5G基站从地面铁塔转移到低轨小型卫星上,并通过多星组网动态拼接地面覆盖范围,通过卫星的运行,把5G信号传递到无地面网络信号的终端上。

根据我们的研究,国内正处在卫星互联网发展前期,应急减灾、资源环境、交通物流、能源管网等行业“刚需”正不断涌现,在5G技术中实现的车联网、物联网、工业互联网交叉融合应用中,卫星网络将大有用武之地。

而随着星上5G、通信-导航-遥感的一体化、空天地网络衔接等方面的技术研发进步,智慧农业、智慧城市、智能制造、智慧文旅、自动驾驶、金融服务、家庭及个人用户等应用场景也将得到卫星网络的支撑。

而从5G迈向6G,更将是一个卫星网络服务更加便捷易用、场景不断丰富、国内市场规模呈指数级增长的过程。我们估算,如果在基建期(2021年初始)投入1000亿元用于卫星研制和部署,三四年后,下游终端和行业解决方案市场就有望达到2000亿元规模,2026年之后,行业应用及时空大数据服务市场规模将达到7000亿元。

而在新一代卫星网络建设之初,如何通过创新,最大化提升低轨卫星通信的能力架构、利用效率和成本优势,是眼下5G网络能否上天、6G愿景能否如期实现的关键。

从中国“卫星互联网”的新基建需求出发,我们认为卫星网络的技术创新方向,是为了最终形成一个拥有完整的“通、导、遥、算、储”时空大数据服务能力的空间基础设施。

而在商用方向上,只有为移动互联网用户提供体验优、价格低、易使用、订阅式的“卫星网络即服务”解决方案,白皮书所描绘的八大业务场景才能依循标准化、产业化、规模化的路径展开。

建设卫星网络,应从最新的ICT技术中汲取发展动能,而这些目前尚未纳入传统航天器研制部门的视野:

一是可融合人工智能、机器学习、量子计算、区块链等技术的“智能”;

二是从接口、软硬件、市场到产业生态的“开放”,最大程度降低供应链成本和提升用户体验;

三是在卫星组网开端就构建端到端、内生性的动态“安全”。

03、卫星演进速度滞后于网络需求

在200公里至2000公里高度的近地轨道,随着全球小型卫星组网活动的迅猛增加,在5G商用期,卫星网络已凸显出三个发展趋势,其中既有新生力量,也有掣肘因素。

一是卫星网络中的新技术应用密度增加。例如卫星研制正在实现低成本、小型化,发射成本也不断降低,霍尔推进、复合材料、星间光通信、全电扫相控阵天线等技术也逐步进入产业化阶段,为卫星网络升级提供了新的技术基础。

二是数字经济带来卫星服务增量市场。万物互联、广域覆盖、超大带宽是5G网络服务特征,卫星网络用户也期待着与地面5G业务场景近似的应用体验,并愿为率先满足其特殊场景需求的服务商买单。

在6G时代,面对全球范围内因地理条件、人口分布、经济发展水平等因素而形成的数字鸿沟,卫星网络是最有效的解决方案,除了商业力量,社会和政治的推动力也将日益加强。

三是卫星网络呈现“充裕的匮乏”,这是与积极态势伴生的技术挑战。一方面,随着一箭多星乃至几十星的技术迭代,扩充卫星组网规模的难度降低,在轨卫星数量也从稀缺走向充裕;但另一方面,单颗卫星受限于能量、重量等限制,可用于组网调剂的资源不足,导致用户体验波动巨大。

在这种“充裕的匮乏”背后,是当今卫星供给侧技术亟待提升。例如,卫星在轨存储计算、星间和星-地数据传输能力明显滞后;不同卫星的控制面缺乏标准化接口,且兼容性差,难以实现智能组网;通信标准与协议尚待统一;卫星操控主要依赖于地面的任务规划,效率低且存在安全隐患;卫星网络安全架构易被攻破,通过空中接口传输的数据易被截获。

在用户侧,与地面5G相比,卫星网络应用的便利性距离6G预期有很大差距。例如卫星遥感数据收费高,卫星通信每单位带宽资源和每单位比特传输收费高,且收费模式僵化不友好;卫星数据供应链的时效性差,不能稳定连续满足精细化的应用需求;卫星应用的界面和接口易用性较差,使用者和开发者面临远高于一般互联网应用的技术壁垒。

在政策领域,诸多不确定性仍限制着卫星网络产业的发展。卫星网络所需的无线电频率、轨道位置资源在商用场景中如何合理规划分配,是市场主体期望明确的问题。

由于太空属于人类“公地”空间,随着卫星部署增多,其位于“公地”的数据资产权属尚待国际法律制度厘清。同时,地缘政治直接影响卫星网络地面测控基础设施的海外布建,跨国业务更需要平衡市场竞争与准入风险,海外市场拓展与用户服务交付难度大。

04、中国卫星产业的任务清单

从5G迈向6G,必然面临一系列技术讨论、政策博弈和商业竞争,诸多不确定性仍需在白皮书发布之后通过论证和实践解决,但白皮书可以作为中国卫星产业把握当下、放眼长远的一个行动指针。

我们预见,为服务2030年商用的6G网络,新一代卫星网络必须满足以下四种应用预期:

一是大量卫星弹性组网。在卫星数量基础上构建柔性的智能网络架构,可按需随时对卫星网络的拓扑结构和功能进行重构和扩展。

二是多载荷、多任务、软切换。为提升空间资源利用效率,每颗卫星和每个卫星网络均配置多类载荷,通过软件定义卫星功能及在轨更新,可在响应不同任务时进行软切换,建立适用于新任务的网络拓扑结构,调用载荷并完成任务。

三是天地资源一体化。卫星可以对感知、传输、计算、存储、通信协议、频率、任务等在内的天地网络资源协调利用,依循统一商用标准并实现能量、带宽、频率、轨道和数据等资源利用率的最大化。

四是感知、传输、存储、计算一体化。在组网卫星之间的数据链路中,实现对信息采集、传递、计算、应用的整合设计,对需求场景的变换敏捷响应,并确保数据安全。

有了这些预期,哪些卫星技术有助于支撑起6G愿景?站在5G时代,当今商业卫星产业应当在哪些领域投入创新研发,才能构筑起空天地一体化网络的四梁八柱?

我们认为,6G时代的卫星网络可划分为空间段的七个功能域和地面段的一个功能域。空间段的功能域包括感知、传输、存储、计算、平台、功能和网络安全(见表一);地面段的功能域主要是用于地面保障,包括地面站、发射场、星地一体化的核心网等。这八个功能域的技术,有些已经进入商用并趋于稳定成熟,而大部分还处于验证和测试阶段,需要战略性投入才能取得关键突破。

 

 

在现阶段,更重要的是卫星产业链变革,近在眼前的问题是卫星研制和生产的商业化能否带来卫星网络和应用的成本下降?同时,如何以节约出来的成本,突破现有卫星设计和研发的瓶颈,驱动适度超前、面向2030年的技术研发?

中国民营商业航天起步只有几年,但“鲶鱼效应”已开始显现。卫星的整星成本和发射成本都在降低,卫星产品的交付周期也在逐渐缩短,“星载一体化”的设计方法和流程创新,有利于卫星功能载荷的按需定制。用柔性化的方式批量生产未来星座组网所需的小型卫星,也将逐步成为国内交付商业卫星订单的主流做法。

而那些有产能储备、有技术准备的企业,将在5G时代启动、6G时代收官的卫星网络新基建中获得领先优势,并带动整个卫星产业链的繁荣。

为解决中国6G愿景给卫星列出的“问题清单”,产业链中的主力企业必须协同形成创新网络,在软件定义卫星、星上5G、标准化、星间链路技术、创新卫星构型、地面终端应用、通导遥一体化等方面赶超国际先进水平,形成具有中国自主可控核心技术的新一代卫星产品谱系。

5G已至,6G并不遥远。我们希望与中国商业航天的伙伴们一道,用划时代的卫星硬科技创新,塑造更加智慧美好的人类未来。

 
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