将卫星织成一张“网”,通信卫星如何从“上”影响到“下”?

摩尔后时代 2023-11-27
3685 字丨阅读本文需 9 分钟

随着21世纪互联网的崛起,移动互联网对于每个人来说都是至关重要的,为了更好地解决移动互联网的网速问题,大家在短短的20多年的时代里,成功感受了2G的文本时代、3G的图片时代、4G的视频时代和5G的物联网时代。

但目前的移动互联网完全依靠地面基站,若要感受到各个时代的先进,对地面基站的建设和数量都有着非常大的考验,比如现如今的5G覆盖并没有在全国全覆盖,甚至在偏远的山区还是3G时代。

因此,随着通信领域的发展,各国纷纷大力开展卫星通信,比如,美国的SpaceX的星联计划,计划向太空发射42000颗星链卫星,为地面全球提供星链通信服务。

近段时间,随着我国华为Mate60系列发布,我国已经成功将卫星通话民用,并且已经成功实现,让不少人看到中国的卫星互联网的崛起。那么,中国卫星互联网取得了哪些重要成就?

50万兆!中国第一张高轨卫星互联网初步建成

近些年,我国在通信领域取得了不错的成就,比如华为的5G专利数量瑶瑶领先全球,中国公司的产品和设备深入在全球的通信领域等等。随着我国通信领域技术的崛起,西方多国对我国通讯领域企业进行了无差别打压,联合多国抵制中国产品和技术。

据了解,11月26日,中国航天科技集团公布,旗下的中国卫通已经初步建成我国第一张高轨道卫星互联网,这标志我国已经具备了卫星互联网的能力。

实际上,我国早已经掌握了卫星通信技术,但是若要将其组建成为一个庞大的网,是一个非常复杂的过程。

根据官方公布的信息显示,这个号称“第一张”卫星互联网有中星16号、中星19号、中星26号等高通量卫星。高通量卫星的总容量将超过500Gbps,也就是50万兆。

据了解,我国建成的第一张高轨道卫星互联网,与美国太空探索公司的“星链”卫星星座有非常大的区别,星链卫星的覆盖做到全球覆盖,而我国的第一张高轨道卫星互联网覆盖能力是非常有限的,支持我国国土全境,以及“一带一路”沿线重点区域。

高轨卫星互联网卫星,分别到底有多强?

中星16号卫星可是个工作小能手呢!它可以帮助大家进行远程教育、医疗、互联网接入、机载和船舶通信以及应急通信等等。它的工作范围可是覆盖了中国中部、中西部、东部、南部、拉萨地区和中国近海地区呢!

而中星19号卫星呢,主要提供通信和互联网接入等服务。它工作的区域可大了,覆盖了中国东部国土、东南亚,还有包括北美航线在内的大部分太平洋区域呢!

中星26号卫星就更加厉害啦!它能为航空、航海、应急、普遍服务、能源、林草等行业提供高速宽带网络通信和互联网接入等服务。它的工作范围覆盖了中国全境及周边水域、俄罗斯部分地区、东南亚、蒙古、日本、印尼、印度、印度洋等等区域!

据悉,我国建立的卫星互联网星座,载荷可谓是越来越先进,比如星上设计了C、Ku和Ka等多频段通信载荷。看到这些卫星的强大能力,是不是很感叹科技的力量呢?让我们一起期待它们为人类带来更多的便利吧!

卫星互联网支持业务类型不断丰富,在陆、海、空拓展前景较大

卫星互联网应用从低速到高速,从以前向为主到对反向回传需求业务增长的稳定支持,再到多轨道结合支持低时延业务应用,支持的业务类型不断丰富。卫星互联网主要有三类业务,一是承载移动互联网业务,如网页浏览、VoIP语音通信;二是传统卫星通信业务的互联网化,如直播、视频分发、高清视频回传;三是卫星通信广域、大连接特性与互联网应用相结合的创新业务,如空间信息服务。第一类业务是卫星互联网业务的基础,第二类和第三类是卫星互联网业务发展方向。

互联网应用蓬勃发展,卫星网络服务需求激增,低轨卫星互联网在陆地、海上、空中的应用前景较大。

与地面移动通信网融合:泛在、高速、低时延

地面移动通信网已进入5G时代,6G的研究也在稳步向前推进,并将继续扩展增强移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和高可靠低时延通信(uRLLC)三类典型场景的应用范围。泛在、高速、低时延等特点的实现,离不开低轨卫星通信系统的助力,6G将更加依赖互联网化的卫星通信。卫星通信和地面移动通信网在信号覆盖上是互补的,全球移动通信信号覆盖区域约为7%~8%,仍有至少92%的区域没有移动网络接入服务,而这些诸如海洋、山区和沙漠等地区正是低轨卫星互联网的用武之地。

在应急通信层面,卫星通信在我国应急通信应用领域有两个标志性事件。第一件是1998年,长江、嫩江、松花江全流域发生特大洪水,海事卫星小站和电话为抗洪救灾指挥提供了有力保障。第二件是2008年,四川汶川发生特大地震,灾区通信在震后31小时才通过海事卫星接通了第一通电话。此后,我国加速推动自主移动通信卫星系统建设,并将卫星通信作为应急通信保障的重要常备力量。在基本通信保障满足的基础上,卫星互联网能够与无人机、应急通信车等配合构建“全面要素感知+多通信手段传输”的集成网络,用于救灾的指令的传达和救灾指挥、资源调度。

地面通信与卫星通信均存在自身适用范围的局限性,但将二者优缺点互补,进行星地融合,可以提高通信的覆盖范围与强度,实现全时、全域的通信需求,形成空天地一体化连接网络。星地融合的发展路径呈现出从业务融合到体制融合,进而实现系统融合的趋势。目前,各国和相关企业提出并实践的卫星互联网与地面网络融合策略主要有三种:星地融合策略、手机直连策略、星地组合策略。

地面辅助策略:通过引入地面基站来辅助及楼宇间的通信质量,解决卫星在城市中覆盖能力不足的痛点问题。采用地面辅助策略的卫星通信网络根据通信网络结构可以分为卫星网络和地面基站辅助网络。采用地面辅助策略的卫星通信网络需要实时根据网络覆盖与用户使用情况对两种通信网络进行灵活调度与分配,让终端时刻保持最佳通信状态,实现在卫星与地面基站间无缝切换。

星地一体化策略:发展与非地面网络的提出紧密相关。星地一体化策略与地面辅助策略相似,不同之处在于:(1)星地一体化策略下卫星通信系统的空中接口与地面移动通信网完全相同,如GSM、LTE等,终端就是地面网的手机;而地面辅助策略的卫星空口可以与地面网不一致,终端也可以是双模的;(2)地面辅助策略使用的频谱为卫星频率,授权在整个北美和欧盟国家,网络控制中心是由卫星运营商建立的。对空间网络和辅助地面网络进行实时协调控制相对容易;而星地一体化策略的使用频率是地面网频率,在各个国家均不一致,网络控制中心协调控制难度比地面辅助策略大得多。

星地组合策略:低轨卫星互联网的出现不是为了替代地面5G网络,虽然目前两个系统独立运行,但各卫星互联网企业的目标是与地面网络相互补充。在星地组合策略中,采用Ku/Ka等高频段实现信关站、用户终端和低轨卫星三者间的互联互通,通过低轨卫星星间链路或地面网络中信息传输实现不同用户终端设备中的通信,实现“移动无线光纤”的效果。

未来面向6G的天地深度融合技术发展仍有诸多需要优化的技术。首先需突破加强巨型星载天线技术,这是手机直连卫星场景下保持地面移动水平的核心关键;其次需考虑天地一体融合手机芯片研制和兼容系统开发;最后需规划天地共用频率支持及频率资源统一管控,允许卫星运营商使用地面移动通信频谱。由于地面5G系统与低轨卫星系统波束覆盖能力不同、终端与基站移动关系定位不同、移动性管理方式不同、空口传输时延不同,因此在终端接入流程、寻呼流程等方面具有区别。

海事领域:降资费、流畅交流、多元服务

低轨卫星互联网使得海上交通更高效,安全性更有保障。随着我国海洋经济的发展,海上宽带IP业务不断出现,以往通过海事卫星实现的电话、传真等已无法满足船舶、海员对高质量流媒体IP服务的需求,且海事卫星通信资费昂贵,稳定性大打折扣。对于远洋船舶来讲,海上互联网在远洋船舶平台的重要应用场景包括:①电子海图更新与天气预报。②船舶间信息共享。③远程视频监控。④船员通信需求。除此之外低轨卫星互联网还可以为船只跟踪和卫星AIS领域提供服务,为海上能源平台提供大带宽应用等。

随着国家“一带一路”倡议的部署和落地,我国海事活动日趋频繁、海洋经济日趋发展。我国近海领域(离岸约10km)主要依靠地面4G基站覆盖实现通信,但地面网络覆盖能力和通信质量会随着离岸距离增加而恶化,离岸30km后主要依赖卫星通信。早期我国海事领域主要使用Ku频段波束通信卫星,完成小型数据及语音的传输,存在传输带宽小、使用体验差、资费昂贵等问题。卫星互联网带来了通信带宽的大幅提升、使用资费的降低、终端天线口径的减小,在海洋运输(实时监测、远程维护、船队管理、船员互联网接入)、游轮游艇(船员及游客宽带接入互联网)、远洋渔业(业务安全保障、渔民日常通信、智慧渔业)、海上石油开采(大数据应用、生产管理和控制)等方面,具有得天独厚的应有优势.

航空领域:安全航行、商务娱乐、飞机维护

全球民航客机上联网比例达39%,仅北美地区就已有83%的飞机实现了机上互联网接入。现有的机上WiFi等大多通过同步轨道的高通量卫星提供,服务收费相对较高且通信速率较低,存在链路不稳定、时延抖动等问题;低轨卫星互联网在民航客机上的普及,将优化现有的航空互联网服务生态。通过低轨卫星手段,前舱驾驶员能够全面系统地掌握飞机运行状况、航路天气状况等数据,进而提升飞机的操作质量和安全航行水平;后舱乘客能够以较低的资费接入互联网,实现直播、视频、实时信息甚至在线游戏等娱乐;地面维护人员通过实时回传对飞机的健康状况提升跟踪效率,会使得维护服务质量和飞机运行寿命得到大幅提升。

机载航空根据应用场景可以分为前舱、后舱(客舱)和通用航空三种。前舱主要使用L频段卫星通信,以传输空中交通管理、飞行监测等窄带信息为主要业务,实现与空管中心的信息交互。后舱(客舱)目前有ATG、传统大波束Ku频段和Ku/Ka高通量卫星通信等多种手段,满足乘客飞行过程中商务、通信和休闲娱乐需求,以及上网、购物等需求。在通用航空领域,主要使用高通量专用网络,保障自然灾害、事故灾难、医疗救护等突发事件处置的应急通信需求。我国中星16号Ka宽带卫星已经正式投入商用,并于2020年7月实现了中星16号与民航客机商用首飞,实现了150Mbit/s的互联网接入能力,为单个乘客提供类似4G效果的空中上网体验。

文章来源: 八戒说科学,诸海滨

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