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超越“星鏈”的中國版星地融合行動通訊

2024-11-17 19:10:25

最近我在學習一本書,關注一件事。

學習的書是《星地融合移動通訊系統與關鍵技術》,這是陳山枝團隊所著的業界首本星地融合行動通訊專著。

為什麼要學習這本書?身為科普作者我得緊跟學術進展,浩如煙海的文獻看不過來,我的竅門是盯住行業領軍人,因為領軍人的態度在很大程度上反映著科技走向。

陳山枝老師是中國資訊通訊科技集團的總工程師、科技委主任、無線行動通訊全國重點實驗室主任,他就是我國星地行動通訊領域的領軍人。

關注的一件事,就是網際網路的未來,它會是中國版星鏈?還是跟星鏈不同的全新系統?這是個大問題。

我正在學習的這本書,恰好完美地回答了這件事。

這本書是學術專著,外行人看不懂,我盡力做個解讀,希望能有所幫助。

首先,以4G、5G為代表的地面蜂窩行動通訊網路大獲成功,深刻地改變了人類的生產和生活方式。

而地球上71%的面積都是海洋,地面上也遍佈著高山、沙漠和森林,這些地方沒有地面基站訊號。

而且光纖和基站的抗毀性較弱,遇到地震、洪水就會中斷,衛星通訊系統作為地面網路的有效補充,其意義非常重大,是人類社會的確定性發展方向。

衛星通訊可以分為三個發展階段,第一個階段窄帶星座組網。例如執行在778公里高度的66顆衛星組成的銥星系統,率先實現了天基組網,並在全球建立了12個信關站,實現了通訊業務落地,這是個偉大的創舉。

第二個階段是高通量衛星。2000年以後,衛星通訊技術有了突破,利用之前相同的頻寬可以實現幾十倍甚至上百倍的傳輸速率,通訊衛星速率達到Gbps甚至Tbps,每位元的成本大幅度降低,衛星通訊的競爭力顯著上升。

第三個階段是寬頻巨型星座組網,大家耳熟能詳的就是星鏈。

那問題來了,我們正在發展的寬頻巨型星座,是不是中國版的星鏈?

這本書認為不是,中國發展的是超越星鏈的星地融合行動通訊新模式。

目前衛星通訊與手機直連,可以分為三個模式。

第一種是“舊衛星新手機”,例如國外的海事通訊衛星和國內的天通衛星,它們都有一整套跟地面網路完全不同的技術體制,因此不支援普通手機,使用者得購買遵循衛星通訊技術體制的特種手機,俗稱衛星電話;或者是整合衛星通訊功能和地面行動通訊功能的新手機,即雙模手機。

第二種模式是“新衛星舊手機”,以星鏈2.0為例,衛星是新的,能夠與我們現在的舊手機相連。

簡而言之,這些新衛星就相當於把地面基站放到天上,相容問題由衛星解決,從而保證4G、5G的存量手機就能夠與手機直連。

這種模式將難題扔給了衛星側,聽起來對我們老百姓挺友好,但它卻有個致命缺陷:衛星成本奇高,通訊效能折中;且衛星頻率與地面基站相同,在同一地區,衛星訊號和基站訊號不能同頻工作,否則會互相干擾。

第三種模式是“新衛星新手機”,根據的是3GPP的非地面網路模式,新衛星與地面系統分別採用相同的技術體制、不同或相同的頻率,新手機能跟天上和地下兩個系統相容工作,不是二選一,而是二合一,即單模手機,系統最優,且成本低。

第三種模式的核心思想就是“5G體制相容,6G系統融合”。

為啥會有相容和融合兩個程度不同的說法?

因為在5G設計之處,根本就沒考慮衛星系統,後來3GPP在5G基礎上修改和補充完成了非地面網路規範,這才提出了星地通訊的相容規範。簡單說,就是讓衛星側做配合,使之與已有的5G系統相容。

而到了6G時代,衛星系統和地面系統一開始就同時設計,就可以達到更高水準的系統級整合,超越相容狀態,並形成了融合。

聽起來很美好,做起來很艱難。僅僅以物理層面為例,如何進行復用、調製、編解碼、速率匹配、資料對映、重傳合併等操作?這些都是繞不過的技術問題,這本書都進行了學術研討,並給出了具體技術路線。

如果這種新模式得以實現,我們的同一部新手機就可以實現“隨遇接入、無感切換”。

“隨遇接入、無感切換”在地面網路中已經實現了,例如手機出國後也可以上網,你可能不知道是哪家運營商在提供服務,反正遇到最近的基站就自動接入了,也感受不到切換過程。

與衛星系統的“隨遇接入、無感切換”,就是你在碼頭上網時,由地面基站支援,登船後出海,就自動切換到衛星來提供網路接入,你一直能上網,但感覺不到由地面網路到衛星系統的切換。

這就實現了個人通訊的5W夢想,即無論任何人、任何時間、任何地方、都可以用任何手段交流任何內容。

按照陳山枝團隊的設想,未來公眾通訊從上到下分為4個層次。

第一是高軌衛星,第二是低軌衛星,第三是臨近空間層,指的是大氣層中的飛艇、氣球和無人機,第四是地面網路,並將四層融會貫通形成一個整體,成為服務人類的融合性網路。

建立一個類似星鏈的獨立衛星網路並不難,無非是工作量的問題。而陳山枝團隊提出的“四網合一”,則是異構網路融合的天字第一號難度。

星地融合行動通訊的宏偉設想只是個願景嗎?並不只是願景,而是正在穩步進展中的中國衛星發展方向。

陳山枝團隊於2018年提出了5G的低軌衛星體制建議,即“5G體制相容,6G系統融合”。並於2022年9月完成了面向MIT-2020的衛星天線空口願景和需求,形成了技術規範M.2514。

在ITU-T牽頭4個標準立項,已完成2項。在3GPP牽頭了12個非地面網路立項,並且擔任了Release 19 NTN 的無線接入聯合報告人。

這部業界首部星地融合行動通訊專著,由鄔賀銓院士和尹浩院士作序,證明了其重要性和權威性,中國星地融合行動通訊的技術路線已經浮現出來了。

看到這裡,您可能會有疑問“我一個普通老百姓,為什麼要了解這麼專業的知識?”

這不僅僅是專業知識,而是一種未來生活方式,所有人都應該有所瞭解。

中國的電信科技已經超越歐美並引領世界,中國科技工作者們正在無人區努力探索,為人類尋找未來之路,讓我們一起期待。

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