专访孙智立教授:地面蜂窝通信与卫星通信的演进路径将完美融合

3月15日消息(九九)2023年3月22日-24日,由国家6G技术研发推进工作组和总体专家组指导,未来移动通信论坛、紫金山实验室主办的2023全球6G技术大会将以“6G融通世界,携手共创未来”为主题在南京召开。

大会举办前夕,英国萨里大学教授孙智立在接受C114专访时表示,蜂窝通信一直以来是面向地面网络用户的,直到全球覆盖的需求对地面蜂窝通信提出巨大挑战,卫星通信网络的优势才显示出来,从而成为5G以及未来6G技术不可或缺的一部分。

孙智立进一步表示,为了支持5G/6G在大连接、低时延、可靠性方面的需求,卫星通信从高轨走向全轨(高中低轨)、从窄带走向宽带是必然的。从标准化和产业化角度来看,地面通信和卫星通信这两个产业生态的演进路径将完美融合。

移动通信代际越迁,卫星通信迎来新契机

自1957年第一颗人造地球卫星发射以来,人们一直都在探索卫星和空间的应用。

据了解,最早的低轨卫星是铱星系统(Iridium),由77颗卫星拉开低轨卫星通信的序幕,与地面蜂窝通信系统基本同期。铱星系统采用星上处理和星间链路技术,面向消费者,手持卫星终端(卫星手机)可以在地球任何地点提供无缝隙通信,并且解决了卫星网络与地面蜂窝网之间的跨协议漫游。但如此“高科技含量”的铱星系统,最终却因为巨大的研发和系统建设费用申请破产,重组后转向行业应用。

反观地面蜂窝移动通信,从2G一路发展到5G,用户规模不断扩大,商业上十分成功。直至目前,用户的应用需求仍然随着地面蜂窝通信网络的发展而飞速发展。

孙智立指出,随着技术和需求的演进,卫星通信大面积覆盖的优势开始显现。到今天为止,地面移动通信系统覆盖的人口已经超过70%,但是受制于技术经济因素,只覆盖了20%的陆地面积,按地球表面积计算大概只有6%。随着行业发展,航空、远洋、渔业、石油、环境监测、户外越野活动,还有国家战略和军事通信等,在广域和空间覆盖方面的需求十分强劲。

正因如此,大规模低轨星座卫星通信网络的发展和应用迎来了新契机。StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的卫星星座部署计划逐步推进,华为Mate50、苹果iPhone14在新品营销上都也推出了卫星通信的概念。

优势突出,但挑战巨大

现代卫星制造技术、发射技术、电子技术、网络技术的发展使得大规模卫星通信成为可能。特别是大规模低轨星座通信网络,既能与地面网络形成互补,也能与高轨卫星通信网络互补。

但孙智立同时指出,卫星通信网络在以下几个方面仍面临巨大的技术挑战:

(1)传播时延大。虽然无线电波和光波在真空中均能以3*10^8m/s的速度传播,但是较大的卫星通信距离使得传播时延远大于地面网络。

(2)带宽有限。能够用于卫星通信的频谱资源比较有限,同时卫星产生的波束远大于地面无线网络,使得频谱的利用率远不如地面无线网络,这将直接影响通信的容量。

(3)传输错误多。由于传输距离和链路信道会受到各种干扰,传输数据的误码率也大于地面网络。

(4)传输功率受限。卫星主要靠太阳能来供电,同时要和其他卫星及地面无线网络进行协调以避免产生干扰。因此,传输功率就会受到很大限制,数据的传输速率也会受到影响。

孙智立强调,需要注意的是,在引入低轨卫星网络时,要做好卫星数量和覆盖范围的权衡。对卫星网络进行动态管理可降低卫星网络传输成本,有利于满足网络服务质量(QoS)的要求。

从高轨走向全轨,从窄带走向宽带

从2017年到2022年,ITU、3GPP和ETSI大力开展并推动基于5G体制的卫星通信探索,3GPP将卫星网络划入非地面网络(NTN)开展研究与标准化,拉开星地融合的序幕。

孙智立介绍,非地面网络(NTN)包括卫星网络、高空平台和低空平台,卫星和地面蜂窝网互补来实现全球覆盖,提供全天候无死角大容量实时可靠的服务和应用。从标准化和产业化角度来看,这两个产业生态的演进路径将完美融合。

孙智立进一步表示,为了支持5G/6G在大连接、低时延、可靠性的需求,卫星通信从高轨走向全轨(高中低轨)、从窄带走向宽带是必然的。“物理学定律是不可逾越的。”高轨卫星离地球远覆盖面积大,但时延长;低轨卫星离地球近,时延小,但覆盖面积小,因此要用许多卫星形成卫星星座来实现全球覆盖。许多卫星一起可以增加频谱利用率,有效利用珍贵的频谱资源。

可以肯定的说,卫星通信网络将成为6G的重要组成部分。目前,很多大学、研究机构、公司以及标准化组织都开始了面向6G的研究和探索。其中,国际电信联盟(ITU)和电气与电子工程师学会(IEEE)都已经取得一些显著进展。但空间轨道和频谱是稀缺资源,孙智立建言监管部门支持技术创新,管好用好相关资源,推动全球化和国际合作,从而使得6G创造出更高的产业价值。

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2023-03-15
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