6G之衛(wèi)星通信
1G-5G的通信歷程
1980年至今，從1G到5G，通信史可以說發(fā)生了天翻地覆的改變，從最初人們熟悉的摩托羅拉公司的手提電話，即“大哥大”，到現(xiàn)在使用的智能手機，伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能手機的種類和功能也日益增多，可以說手機見證了人類通信的蓬勃發(fā)展。從1-3G跟隨到4G追上再到5G反超6G領(lǐng)跑，在我國通信科研工作者和專家們的帶領(lǐng)下，通信發(fā)展極為迅速，導(dǎo)致如今處處受其他國家針對，這也恰恰反映了我國通信業(yè)在國際中的地位。
圖1 通信系統(tǒng)1G-5G發(fā)展歷程
回顧移動通信的發(fā)展歷程，每一代移動通信系統(tǒng)都可以通過標志性能力指標和核心關(guān)鍵技術(shù)來定義。其中，1G采用頻分多址(FDMA)，只能提供模擬語音業(yè)務(wù);2G主要采用時分多址(TDMA)，可提供數(shù)字語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);3G以碼分多址(CDMA)為技術(shù)特征，用戶峰值速率達到2Mbps至數(shù)十Mbps，可以支持多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);4G以正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)為核心，用戶峰值速率可達100Mbps至1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。5G是繼4G(LTE-A、WiMax)系統(tǒng)之后的延伸，相對比于4G，5G具有更高的傳輸速率、更低的時延、更高的可靠性以及海量互聯(lián)的能力，從而實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸可及”的愿景。
6G+衛(wèi)星通信
要實現(xiàn)天地之間互聯(lián)，需要衛(wèi)星通信技術(shù)的支撐，衛(wèi)星通信將在第六代移動通信[1-5]中起著舉足輕重的作用，目前，世界上主要國家及一些商業(yè)實體都在積極進行衛(wèi)星通信系統(tǒng)搭建。
2020年11月6日，由電子科技大學(xué)、國星宇航等聯(lián)合研制的全球首顆6G試驗衛(wèi)星，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，搭載長征六號運載火箭升入太空，進入預(yù)定軌道，這標志著中國已經(jīng)向第六代移動通信技術(shù)的大門邁進了一只腳。此衛(wèi)星搭載太赫茲(THz)通信載荷，將開展全球首次太赫茲通信技術(shù)在空間應(yīng)用場景下的技術(shù)驗證，太赫茲技術(shù)被認為目前6G的潛在的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)可以用于遠距離衛(wèi)星之間的通信，實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)和星間組網(wǎng)，是天基網(wǎng)絡(luò)極其重要的一環(huán)，同時太赫茲的頻率在0.1THz~10THz之間，具有極其豐富的頻譜資源，且超高頻率可使傳輸速率達到100Gbit/s~1Tbit/s之間，利用太赫茲通信技術(shù)客戶實現(xiàn)空中機載平臺與地面設(shè)備和主控臺的連接，可以實現(xiàn)空間與地面的組網(wǎng)，以解決全球覆蓋和高速用戶移動問題，同時建立衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可以利用較低的成本實現(xiàn)更為廣泛的覆蓋。
國外產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)開始積極布局，美國SpaceX公司正在積極儲備太空能力、歐洲也在積極開展OneWeb等項目，希望通過打造規(guī)模巨大、覆蓋全球的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，搶占衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運營先機，衛(wèi)星頻譜資源先到先得的規(guī)定，讓衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[6,7]的部署變得更加迅速。
圖2 Starlink60顆衛(wèi)星疊在一起
美國SpaceX公司打造的星鏈(Starlink)計劃正在施行，其目標是通過近地軌道衛(wèi)星群，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。美國太空探索技術(shù)公司SpaceX計劃在2020年代中期之前在三個軌道上部署接近12000顆衛(wèi)星：首先在550公里軌道部署約1600顆衛(wèi)星，其次是在1150公里軌道部署約2800顆Ku波段和Ka波段衛(wèi)星，最后是在340公里軌道部署約7500顆V波段衛(wèi)星，整個計劃預(yù)計需要約100億美元的支出，雖然SpaceX沒有完成這一龐大目標，但是其發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量正以驚人的速度持續(xù)上升。美國東部時間2020年11月24日20時12分，SpaceX完成了“星鏈計劃”衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，運載60顆衛(wèi)星的“獵鷹9號”成功發(fā)射升空，如圖2所示，在繞地550公里軌道處部署了此小型衛(wèi)星群，截至目前，SpaceX已累計發(fā)射953顆“星鏈”衛(wèi)星，如下圖3所示，SpaceX星鏈計劃中每月至少送入太空60個衛(wèi)星，其發(fā)射速度極其驚人。
圖3 SpaceX公司星鏈發(fā)射計劃
衛(wèi)星通信問題分析與解決
1 報廢問題
由于低軌衛(wèi)星[8,9]的部署數(shù)量日益增多，一旦每個衛(wèi)星的使用壽命結(jié)束，如何處理報廢的衛(wèi)星就成為一個重要的考慮因素，600至1000公里之間的區(qū)域已經(jīng)是地球上最擁擠的軌道區(qū)域。
處理報廢的衛(wèi)星，可通過增加一個新的墓地軌道制度，類似于數(shù)十年來用于處理在地球靜止帶中運行的戰(zhàn)后通信衛(wèi)星的制度，但是，在設(shè)想的軌道高度上，處置軌道可能沒有足夠長的壽命來確保長期穩(wěn)定性。另一種替代方法是回收廢棄的物體以進行近地空間清理，對衛(wèi)星進行軌道旋轉(zhuǎn)或進行某種形式的空間回收其材料。
2 光污染問題
由于衛(wèi)星數(shù)量的持續(xù)增多，且無相關(guān)的法律法規(guī)限制，衛(wèi)星群的部署使得天文觀測受到極大的影響，天文學(xué)家稱，可見衛(wèi)星的數(shù)量將超過可見星的數(shù)量，并且它們在光學(xué)和無線電波長上的亮度都會嚴重影響科學(xué)觀測，再者，由于星鏈衛(wèi)星可以自主改變其軌道，因此無法安排觀測時間來避開它們。
光污染的問題可通過制定標準或者法規(guī)，協(xié)調(diào)衛(wèi)星群工作時間與天文觀測任務(wù)，統(tǒng)籌規(guī)劃，有條不紊的協(xié)調(diào)工作。
3 碰撞問題
近年來，隨著地球外層空間逐漸被人造物體所充斥，根據(jù)美國宇航局的統(tǒng)計，目前地球軌道上有大約4000個運行中或報廢的人造衛(wèi)星和火箭殘體，此外還有大約6000個可以看到并跟蹤的太空垃圾碎片，而直徑超過一厘米的太空垃圾，更多達20萬個，這些物體大多數(shù)的運行速度，都在2萬公里/小時以上。運行在地球軌道上的這些物體無時無刻不對衛(wèi)星本身的安全、航天飛機以及國際空間站的安全構(gòu)成威脅。
衛(wèi)星碰撞的問題是衛(wèi)星部署需要重點關(guān)注的焦點，避免碰撞可以通過改變衛(wèi)星部署軌道，或者將衛(wèi)星配置機動系統(tǒng)，通過遠程操控改變衛(wèi)星運動軌跡，時刻監(jiān)測太空中衛(wèi)星的運動狀態(tài)以及其他的衛(wèi)星運行軌道，避免相撞。
總結(jié)
解決全球覆蓋和高速用戶移動問題的現(xiàn)實途徑是采用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，目前全球范圍內(nèi)移動通信覆蓋的陸地范圍大約僅為30%，無法覆蓋諸如沙漠、戈壁、海洋、偏遠山區(qū)和兩極等區(qū)域。隨著人類活動范圍的擴大，我們還需解決無移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的通信問題。考慮到上述偏遠地區(qū)通常人煙稀少、環(huán)境條件惡劣，架設(shè)傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)會消耗巨大的建設(shè)及維護成本。隨著微小衛(wèi)星的制造及發(fā)射技術(shù)的成熟，6G的重要需求之一就是通過大規(guī)模微小衛(wèi)星星座實現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋，在衛(wèi)星通信日益發(fā)展的同時，還需要在衛(wèi)星安全問題方面做更多的工作。
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【本文為51CTO專欄作者“中國保密協(xié)會科學(xué)技術(shù)分會”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】
