邱林

高科技企業提前布局6G

环绕地球的低轨通信卫星网络

近日，英国电信集团首席网络架构师尼尔·迈克莱对6G通信的发展前景进行了展望，掀起了业界关于将通信卫星引入6G网络的讨论。尼尔·迈克莱认为，6G将通过“5G+卫星网络”来实现，即在5G通信系统的基础上集成卫星网络，以实现全球信号覆盖。该系统有望在2025年投入商用。

低轨通信卫星将加入6G网络

据英国《新科学家》杂志报道，未来应用于6G通信网络的卫星，将是低轨通信卫星。

按照轨道高度的不同，通信卫星可以分为低轨通信卫星（LEO）、中轨通信卫星（MEO）和高轨地球同步通信卫星（GEO）。LEO的轨道高度为500千米—2000千米。

GEO在通信、电视转播等方面的应用已经趋于成熟，但它的缺点比较明显，例如体积和重量较大，不易小型化，需要大型火箭来发射，发射准备时间长;只有一个轨道面供这类卫星运行，可容纳卫星的数量有限;卫星信号难以覆盖地球的两极;卫星距地球遥远，通信延时长，频谱利用率低;等等。

相对于GEO系统，LEO系统有诸多优势。对用户而言，LEO的信号传输延时短，损耗小，数据传输效率较高;卫星内置的通信设备的重量、体积和发射功率，与陆地上的移动通信终端（例如手机）相差无几，还可以与陆地通信系统兼容;多颗LEO组成的星座可以实现全球信号覆盖，真正做到无缝连接。对运营商而言，LEO的体积较小、重量较轻，利用先进发射技术可以实现“一箭多星”同步发射入轨;系统频谱利用率较高，容量较大。另外，蜂窝通信、多址发送、点波束、频率复用等新技术，为LEO接入手机通信网络提供了保障。

因此，LEO系统被认为是最有应用前景的移动通信技术之一。随着卫星制造技术的升级和市场需求的逐渐扩大，LEO系统的发展方兴未艾。

“老技术”焕发“新活力”

据英国《卫报》报道，尼尔·迈克莱等专家倡导的LEO系统，其实并不是新兴技术。卫星通信技术（Satellite communication technology）是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而进行两个或多个终端之间通信的技术。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、信号质量高、组网迅速、便于实现全球无缝连接等诸多优点，被认为是建立全球个人通信网络必不可少的一种重要手段。

把卫星应用于移动通信网络，始于20世纪70年代。早期的通信卫星，设计和功能较为简单，由于当时人们对卫星移动通信技术的理解不够深入，以及移动终端小型化的技术不够成熟，因此，该技术只能用于车辆和飞行器的通信，不能支持大量的小型终端用户。

在之后的数十年中，很多研究机构和高等学府对卫星移动通信开展了大量的实验和研究。自20世纪90年代以来，电子信息技术的迅猛发展推动了卫星移动通信技术的进步。为了实现全球通信，相继有多个LEO系统被开发出来并投入运行。比较有代表性的LEO系统是铱星（Iridium）和全球星（Globalstar）。本世纪初，铱星、全球星在运营费用、终端成本、数据传输速率等方面都不占优势，难以普及，只能应用于紧急救援、海事通信、军事通信等特殊领域。

如今，情况有了很大改观。航天科技和电子信息技术的发展降低了卫星研制、量产和发射的成本。卫星通信资费的降低和数据传输速率的提升，催生出每时每刻的互联网接入需求和大数据需求。面对广阔的市场，LEO这项“老技术”迎来复兴，将焕发出新的活力。

高科技企业提前布局6G

按照英国电信集团专家的规划，LEO系统主要由空间段、用户段、地面段、公用及专用网络等4部分组成。在若干太空轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座就如同连成一体的大型平台，可以在地球表面形成蜂窝状服务区，每个服务区内的用户都可以接受至少1颗卫星的服务，用户的手机随时可以接入通信系统。LEO可以在用户段直接与单一的地面终端（手机）连接，也可以通过地面关口站与公共网络连接。

随着5G技术的日益成熟，包括3GPP、ITU在内的国际标准化组织都成立了专门的工作组，着手研究LEO与5G网络融合的问题。业内的一些企业和研究组织已经开启星地一体化研究工作。

从5G向6G的过渡阶段，将是LEO与地面通信网络实现互补及融合的过程。这既需要利用地面基础设施，也需要卫星运营商的配合。先行一步的国家将设立专门的天地一体化通信运营机构，或者将其融合到传统运营服务体系中。

在企业界，波音、空客、亚马逊、谷歌、“脸书”和SpaceX等公司已经纷纷投资LEO领域，提出了OneWeb、Starlink等十余个LEO系统方案，提前布局6G通信网络。根据这些方案，未来5年内全球将有2万余颗LEO进入太空，从而完成6G的太空组网。

对地面通信网络的有效补充

据美国《连线》杂志报道，LEO系统存在一些缺点，例如需要的卫星数量较多，由此造成地面控制、维护系统比较复杂。对通信而言，影响较大的问题是波束切换和星间信号切换。

LEO相对于地球高速运动，使得手机终端在通信过程中，需要频繁地切换波束和卫星。以铱星为例，其最小的切换时间间隔为10.3秒，平均切换时间间隔为277.7秒。

手机通信实现波束切换需要一系列信号指令，频繁切换加重了系统的信号指令负荷。切换越频繁，“掉线”的概率就越大。铱星系统在运行初期的切换成功率只有85%，后来经过改进，达到92%—98%，这与陆地移动通信系统的切换成功率相比仍有一定差距。

信号切换发生“掉线”的主要原因，是早期LEO系统的带宽资源无法满足要求。随着通信技术、微电子技术的发展，通信系统信号处理能力提升，带宽增大。从目前运行的铱星二代、全球星等LEO系统的使用情况来看，困扰早期LEO系统的“掉线”率高等技术问题已经在一定程度上得到了解决，为LEO的普及扫清了障碍。

另外需要指出的是，通信卫星使用的无线频谱，目前仍无法覆盖一些有遮挡物的区域。在城市中，遮挡物可以说是无处不在的。所以，在早期的6G通信网络中，卫星将主要向无遮挡物的偏远地区提供信号，这样可以大幅减少地面基站的建设和维护成本。在城市中的室内等区域，还必须依靠基站来实现信号覆盖。

未来一段时间，LEO是对地面通信网络的有效补充，试图用LEO完全取代地面基站，在短期内是不现实的。不过，随着科技的发展，不依赖地面基站的卫星通信系统，总有一天会成为现实。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com

未来6G网络需要通信卫星