空天地一体化信息网络真的要来了吗?

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近年来,随着互联网与物联网的普及发展,以及机载、船载、空间中继等通信需求的日益增加,卫星互联网与5G网络已开始融合发展,逐步进入“全球全域的宽带互联网”时期,5G“空天地一体化”将成为未来信息网络的重要发展趋势。《中国联通空天地一体化通信网络白皮书》指出,“大型低轨卫星星座是当前卫星通信系统的重要发展趋势”,“空天地一体化通信网络是未来 6G 网络的重要发展趋势,目前正处于发展初期“。因此,推动卫星互联网成熟落地、加快卫星互联网与5G网络融合发展成为建设空天地一体化信息网络的关键里程碑。

 

1、我国的政策布局

2020年4月,国家发改委召开例行新闻发布会,首次明确新型基础设施的范围,卫星互联网被纳入通信网络基础设施的范畴。同年5月,发改委在《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》中提到推进5G深度应用,支持商业航天发展,延伸航天产业链条,扩展通信、导航、遥感等卫星应用。2021年4月29日,国务院国资委发文将组建中国卫星网络集团有限公司,旨在规划和研制空间互联网卫星,并发射了试验卫星;国家还将组建成立“国网”公司,专门负责统筹空间互联网建设的规划与运营。

国家政策出台后,各地也相继布局卫星互联网产业链。2020年5月,上海市政府率先发布《上海市推进新型基础设施建设行动方案(2020-2022年)》,卫星互联网基础设施建设被列入行动方案。6月,北京市政府发布《北京市加快新型基础设施建设行动方案(2020-2022年)》,提出“推动卫星互联网技术创新、生态构建、运营服务、应用开发等,推进央企和北京创新型企业协同发展”。同月,重庆市政府发布《重庆市新型基础设施重大项目建设行动方案 (2020-2022年)》,提出“加紧谋划全球低轨卫星移动通信与空间互联网建设,打造全国太空互联网总部基地和低轨互联网小卫星星座应用示范基地”。同年7月,浙江省政府印发《浙江省新型基础设施建设三年行动计划》,提出要聚焦5G网络、卫星时空信息服务设施等核心领域,构筑新一代数字基础设施网络。

2、我国的实践探索

2017年开始,国际电信联盟(ITU)、第三代合作伙伴计划(3GPP)、5G卫星和地面网络(SaT5G)联盟等国际标准化组织纷纷开始研究卫星互联网与5G的融合问题。在 2019 欧洲网络与通信大会(EuCNC2019)上,SaT5G 联盟宣布成功进行了一系列卫星的 5G 演示。近年来,我国推动空天地一体化方面也进行了诸多探索。

在低轨互联网星座方面,航天科技集团有限公司设计的“鸿雁星座”由54颗移动星+270颗宽带星构成。航天科工集团有限公司提出的“虹云工程”计划发射156颗卫星,旨在构建我国第一个全球覆盖的低轨Ka宽带通信星座系统。银河航天公司计划在2023年前完成轨道高度1156km的144颗卫星星座建设。

在低轨物联网星座方面,航天科工、九天微星、国电高科和时空道宇等公司还提出了各自的物联网星座系统发展计划。“天启星座”由38颗低轨卫星组成,目前已有7颗卫星在轨组网运行并提供卫星物联网数据服务,可为全球物联网用户提供卫星数据服务,实现“空天地海一体”的卫星物联网生态系统。我国首个“天基物联网”被命名为“行云工程”,将通过构建由80颗低轨通信小卫星的星座系统,形成覆盖全球的物联网信息系统。

在应用层面,中国移动利用中星16号高轨卫星成功完成5G SA基站的开通调试,打通了地面与卫星系统的通信流程,成功开展了文件传输、视频通话、高清视频点播等业务试验。中国联通与航天科工完成国内首个“5G﹢低轨卫星”融合网络业务演示,并与银河航天签署了空天地一体化战略合作伙伴协议,加快了空天地一体化通信网络的建设进程。

在标准层面,2019年8月,中国通信标准化协会(CCSA)成立了航天通信技术工作委员会(TC12),作为三个工作组之一的“协同组网通信技术工作组”研究范围即为空、天、地多种模式下的协同组网。

3、面临的主要困难

目前虽然国际国内在推动天空地一体化信息网络中取得了一些进展,但总体而言仍然面临诸多挑战:

(一)频率资源竞争和管理的风险

一是频率资源竞争的风险。当前5G与卫星频谱资源的争夺与共享上已经十分突出,随着多个国家都提出了低轨通信卫星星座计划,有限的卫星频率和轨道资源几乎面临无限的增长需求,频率资源竞争的风险不断增加。

二是卫星频率干扰问题。近几年提出的 NGSO 卫星星座包含数量庞大的卫星并覆盖全球,使用了与传统地球同步轨道(GSO)卫星相重叠的 Ku 和Ka 频段。

(二)天地一体化网络技术复杂度较大

一是天地网络存在代际落差。虽然卫星通信产业在这几年也有较大的发展,但与地面通信的进步速度比起来还是相对迟缓,基于5G的低轨卫星通信必须对 5G 部分关键技术进行适应性的改进和针对性的优化设计。

二是天地一体化网络复杂程度较高。与传统的通信网络相比,空天一体化网络涉及多个通信系统,且部分接入节点具有很强的移动性,因此在网络结构、通信设施与设备、空口与网络管理技术等方面均提出了更高的要求。

(三)服务一致性和需求确定性较差

一是天地网络服务一致性较差。终端能力差异、网络能力差异、服务需求差异,导致天地一体化网络的网络应用能力具有异质性,对服务一致性产生挑战,使得不同服务自成体系,互操作困难。

二是网络需求的不确定性较大。天空地一体化网络市场尚处于培育阶段,市场需求存在着一定的不确定性。

(四)网络安全风险

一是天空地一体化网络建设过程中安全问题突出。在网络体系结构、密钥管理、路由协议、网络安全切换、网络数据传输等多方面面临着安全风险。

二是卫星互联网跨境的监管问题突出。卫星互联网系统具有天然的跨境覆盖和全球通信的特性,能实现无需经过境内的地面网络系统直接进行通信,突破了传统的地面互联网信息监管,如何通过卫星监测确定没有得到我国落地权许可的卫星星座,在我国实际开展的业务运营的情况面临挑战。

(五)资金链断裂风险

天地一体化网络属于重资产运营,前期资金需求量大,卫星生产和发射的成本高昂,发展初期缺乏自我造血能力,多数民营卫星互联网企业对外部融资依赖较大。但在当今卫星行业面临竞争加剧、运营成本激增与投资周期长、回报收益慢的双重矛盾中,民营航天企业的资金链存在着断裂的风险。

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