“星地一體融合網(wǎng)絡(luò)”“空天地一體化無縫覆蓋”，這是《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》中描述的場景，該白皮書由中國IMT-2030（6G）推進組于2021年6月6日發(fā)布。
白皮書預(yù)計6G（第六代移動通信技術(shù)）在2030年實現(xiàn)商用，可實現(xiàn)從萬物互聯(lián)到萬物智聯(lián)的躍遷。與前五代移動通信以地面通信為主不同，6G時代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將承擔(dān)重要角色。
但以今天的技術(shù)水準(zhǔn)來看，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈在研制、生產(chǎn)、組網(wǎng)、運維和應(yīng)用等領(lǐng)域，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)實現(xiàn)不了白皮書中的場景。展望未來，我們既需要夯實新興技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，又需要跨越式長遠(yuǎn)謀劃。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)：6G的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施
對非通信行業(yè)的人，IMT-2030（6G）推進組是個陌生名稱，IMT是“國際移動通信”的英文縮寫，IMT-2030（6G）就是推進中國6G進程的工作組，它的前身是IMT-2020（5G）推進組。5G推進組包括中國主要的電信運營商、設(shè)備制造商、高校和研究機構(gòu)。這是一個在工信部推動下，聚合中國產(chǎn)、學(xué)、研、用力量，推動中國5G研究和開展國際交流合作的平臺，積極參與、影響和引導(dǎo)了ITU（國際電信聯(lián)盟）的5G標(biāo)準(zhǔn)化工作。2019年6月，幾乎就在工信部發(fā)放5G商用牌照的同時，原5G推進組升級為6G推進組。
2020年6月，ITU向包括中國在內(nèi)的各成員國正式征求IMT未來發(fā)展的技術(shù)觀點，并計劃在2022年完成“未來技術(shù)趨勢報告”。這份報告將為全球的6G方案和標(biāo)準(zhǔn)確定基調(diào)。
《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》，就是中國6G研究的最新成果，是中國向ITU提交的、面向未來十年的移動通信方案。
在這個方案中，6G與5G系統(tǒng)的顯著區(qū)別，就是明確提出要實現(xiàn)“全球無縫覆蓋”，構(gòu)建“普惠智能的人類社會”——這個目標(biāo)必須借助衛(wèi)星等非地面設(shè)施的關(guān)鍵補充才能實現(xiàn)。
白皮書顯示，6G業(yè)務(wù)將形成全息通信、數(shù)字孿生、沉浸式云XR、感官互聯(lián)、全域覆蓋等八大業(yè)務(wù)應(yīng)用，并可進一步歸為三大類應(yīng)用場景：沉浸化、智慧化、全域覆蓋。
全域覆蓋將提供全球無縫覆蓋的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，使地球上再無任何移動互聯(lián)網(wǎng)盲點。十年之后，人類在地球上將第一次真正實現(xiàn)“泛在”的網(wǎng)絡(luò)。
全域覆蓋的視角，有助于解答各界的一個普遍疑問：5G網(wǎng)絡(luò)的特征就是高速率、大帶寬、低時延，5G才剛開始， 6G怎么又提上日程了呢？
白皮書給出了答案：人類進入5G時代已有兩年，但仍有80％以上的陸地區(qū)域和95％以上的海洋區(qū)域沒有移動網(wǎng)絡(luò)信號，而且通信對象只限于地表之上1萬米以內(nèi)的空間，無法實現(xiàn)“空天海地”的網(wǎng)絡(luò)暢游。同時，全球仍有30億人沒有基本網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)施，經(jīng)濟社會發(fā)展的數(shù)字鴻溝正在拉大。
馬斯克創(chuàng)立的SpaceX（太空探索）公司，之所以從兩年前就開始緊鑼密鼓地實施Starlink（星鏈計劃），其商業(yè)模式也是基于這些移動網(wǎng)絡(luò)空白區(qū)的需求。
目前，Starlink已發(fā)射28批近地軌道全球組網(wǎng)衛(wèi)星，在軌數(shù)量達1600多顆。Starlink一共將部署4.2萬顆衛(wèi)星——占據(jù)近地軌道衛(wèi)星可容納總量的40％。
Starlink已開始在歐美落地終端服務(wù)，有人會問：這種天基衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將顛覆現(xiàn)有的以光纖、基站和鐵塔為特征的地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)施嗎？
白皮書也給出了答案：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不會替代地面網(wǎng)絡(luò)，而是在地面設(shè)施經(jīng)濟性差或基建力所不能及的領(lǐng)域，提供戰(zhàn)略性補充，最終與地面網(wǎng)絡(luò)融為一體。
2020年4月，國家發(fā)改委明確，“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要一環(huán)。2021年5月，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團正式成立，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)這一新基建正在穩(wěn)步推進。
我們認(rèn)為，這項新基建的理想成果，是建成一張“天網(wǎng)”和“地網(wǎng)”在體制上融合、資費上接近，現(xiàn)實生活中無需感知、但無處不在的高速網(wǎng)絡(luò)。
6G愿景呼喚衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)“豹變”
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是衛(wèi)星通信不斷發(fā)展的產(chǎn)物，伴隨著衛(wèi)星通信經(jīng)歷了不同軌道高度、不同通信體制、不同業(yè)務(wù)類型、不同覆蓋范圍的三個發(fā)展階段。
上世紀(jì)60年代至80年代，通過地球同步軌道的模擬通信衛(wèi)星，主要面向政府和公共部門提供通信服務(wù)；80年代至上世紀(jì)末，數(shù)字通信和低軌衛(wèi)星通信星走上舞臺，逐步開始對企業(yè)、家庭、個人提供服務(wù)；本世紀(jì)初至今，多軌道高通量衛(wèi)星（HTS）帶來真正的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，為用戶提供更多樣的網(wǎng)絡(luò)接入選擇。其中最有名的先行者就是摩托羅拉夭折了的銥星計劃。
目前，在5G商用加快加深的背景下，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)方案就是將5G基站從地面鐵塔轉(zhuǎn)移到低軌小型衛(wèi)星上，并通過多星組網(wǎng)動態(tài)拼接地面覆蓋范圍，通過衛(wèi)星的運行，把5G信號傳遞到無地面網(wǎng)絡(luò)信號的終端上。
根據(jù)我們的研究，國內(nèi)正處在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前期，應(yīng)急減災(zāi)、資源環(huán)境、交通物流、能源管網(wǎng)等行業(yè)“剛需”正不斷涌現(xiàn)，在5G技術(shù)中實現(xiàn)的車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)交叉融合應(yīng)用中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將大有用武之地。
而隨著星上5G、通信-導(dǎo)航-遙感的一體化、空天地網(wǎng)絡(luò)銜接等方面的技術(shù)研發(fā)進步，智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能制造、智慧文旅、自動駕駛、金融服務(wù)、家庭及個人用戶等應(yīng)用場景也將得到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的支撐。
而從5G邁向6G，更將是一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更加便捷易用、場景不斷豐富、國內(nèi)市場規(guī)模呈指數(shù)級增長的過程。我們估算，如果在基建期（2021年初始）投入1000億元用于衛(wèi)星研制和部署，三四年后，下游終端和行業(yè)解決方案市場就有望達到2000億元規(guī)模，2026年之后，行業(yè)應(yīng)用及時空大數(shù)據(jù)服務(wù)市場規(guī)模將達到7000億元。
而在新一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之初，如何通過創(chuàng)新，最大化提升低軌衛(wèi)星通信的能力架構(gòu)、利用效率和成本優(yōu)勢，是眼下5G網(wǎng)絡(luò)能否上天、6G愿景能否如期實現(xiàn)的關(guān)鍵。
從中國“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”的新基建需求出發(fā)，我們認(rèn)為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)創(chuàng)新方向，是為了最終形成一個擁有完整的“通、導(dǎo)、遙、算、儲”時空大數(shù)據(jù)服務(wù)能力的空間基礎(chǔ)設(shè)施。
而在商用方向上，只有為移動互聯(lián)網(wǎng)用戶提供體驗優(yōu)、價格低、易使用、訂閱式的“衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)”解決方案，白皮書所描繪的八大業(yè)務(wù)場景才能依循標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；穆窂秸归_。
建設(shè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)從最新的ICT技術(shù)中汲取發(fā)展動能，而這些目前尚未納入傳統(tǒng)航天器研制部門的視野：一是可融合人工智能、機器學(xué)習(xí)、量子計算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的“智能”；二是從接口、軟硬件、市場到產(chǎn)業(yè)生態(tài)的“開放”，最大程度降低供應(yīng)鏈成本和提升用戶體驗；三是在衛(wèi)星組網(wǎng)開端就構(gòu)建端到端、內(nèi)生性的動態(tài)“安全”。
衛(wèi)星演進速度滯后于網(wǎng)絡(luò)需求
在200公里至2000公里高度的近地軌道，隨著全球小型衛(wèi)星組網(wǎng)活動的迅猛增加，在5G商用期，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已凸顯出三個發(fā)展趨勢，其中既有新生力量，也有掣肘因素。
一是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的新技術(shù)應(yīng)用密度增加。例如衛(wèi)星研制正在實現(xiàn)低成本、小型化，發(fā)射成本也不斷降低，霍爾推進、復(fù)合材料、星間光通信、全電掃相控陣天線等技術(shù)也逐步進入產(chǎn)業(yè)化階段，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)升級提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。
二是數(shù)字經(jīng)濟帶來衛(wèi)星服務(wù)增量市場。萬物互聯(lián)、廣域覆蓋、超大帶寬是5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)特征，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶也期待著與地面5G業(yè)務(wù)場景近似的應(yīng)用體驗，并愿為率先滿足其特殊場景需求的服務(wù)商買單。
在6G時代，面對全球范圍內(nèi)因地理條件、人口分布、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素而形成的數(shù)字鴻溝，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是最有效的解決方案，除了商業(yè)力量，社會和政治的推動力也將日益加強。
三是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)“充裕的匱乏”，這是與積極態(tài)勢伴生的技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面，隨著一箭多星乃至幾十星的技術(shù)迭代，擴充衛(wèi)星組網(wǎng)規(guī)模的難度降低，在軌衛(wèi)星數(shù)量也從稀缺走向充裕；但另一方面，單顆衛(wèi)星受限于能量、重量等限制，可用于組網(wǎng)調(diào)劑的資源不足，導(dǎo)致用戶體驗波動巨大。
在這種“充裕的匱乏”背后，是當(dāng)今衛(wèi)星供給側(cè)技術(shù)亟待提升。例如，衛(wèi)星在軌存儲計算、星間和星-地數(shù)據(jù)傳輸能力明顯滯后；不同衛(wèi)星的控制面缺乏標(biāo)準(zhǔn)化接口，且兼容性差，難以實現(xiàn)智能組網(wǎng)；通信標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議尚待統(tǒng)一；衛(wèi)星操控主要依賴于地面的任務(wù)規(guī)劃，效率低且存在安全隱患；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)易被攻破，通過空中接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)易被截獲。
在用戶側(cè)，與地面5G相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的便利性距離6G預(yù)期有很大差距。例如衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)收費高，衛(wèi)星通信每單位帶寬資源和每單位比特傳輸收費高，且收費模式僵化不友好；衛(wèi)星數(shù)據(jù)供應(yīng)鏈的時效性差，不能穩(wěn)定連續(xù)滿足精細(xì)化的應(yīng)用需求；衛(wèi)星應(yīng)用的界面和接口易用性較差，使用者和開發(fā)者面臨遠(yuǎn)高于一般互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)壁壘。
在政策領(lǐng)域，諸多不確定性仍限制著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所需的無線電頻率、軌道位置資源在商用場景中如何合理規(guī)劃分配，是市場主體期望明確的問題。
由于太空屬于人類“公地”空間，隨著衛(wèi)星部署增多，其位于“公地”的數(shù)據(jù)資產(chǎn)權(quán)屬尚待國際法律制度厘清。同時，地緣政治直接影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)地面測控基礎(chǔ)設(shè)施的海外布建，跨國業(yè)務(wù)更需要平衡市場競爭與準(zhǔn)入風(fēng)險，海外市場拓展與用戶服務(wù)交付難度大。
中國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的任務(wù)清單
從5G邁向6G，必然面臨一系列技術(shù)討論、政策博弈和商業(yè)競爭，諸多不確定性仍需在白皮書發(fā)布之后通過論證和實踐解決，但白皮書可以作為中國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)把握當(dāng)下、放眼長遠(yuǎn)的一個行動指針。
我們預(yù)見，為服務(wù)2030年商用的6G網(wǎng)絡(luò)，新一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)必須滿足以下四種應(yīng)用預(yù)期：
一是大量衛(wèi)星彈性組網(wǎng)。在衛(wèi)星數(shù)量基礎(chǔ)上構(gòu)建柔性的智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可按需隨時對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能進行重構(gòu)和擴展。
二是多載荷、多任務(wù)、軟切換。為提升空間資源利用效率，每顆衛(wèi)星和每個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)均配置多類載荷，通過軟件定義衛(wèi)星功能及在軌更新，可在響應(yīng)不同任務(wù)時進行軟切換，建立適用于新任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，調(diào)用載荷并完成任務(wù)。
三是天地資源一體化。衛(wèi)星可以對感知、傳輸、計算、存儲、通信協(xié)議、頻率、任務(wù)等在內(nèi)的天地網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)調(diào)利用，依循統(tǒng)一商用標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)能量、帶寬、頻率、軌道和數(shù)據(jù)等資源利用率的最大化。
四是感知、傳輸、存儲、計算一體化。在組網(wǎng)衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)鏈路中，實現(xiàn)對信息采集、傳遞、計算、應(yīng)用的整合設(shè)計，對需求場景的變換敏捷響應(yīng)，并確保數(shù)據(jù)安全。
有了這些預(yù)期，哪些衛(wèi)星技術(shù)有助于支撐起6G愿景？站在5G時代，當(dāng)今商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)在哪些領(lǐng)域投入創(chuàng)新研發(fā)，才能構(gòu)筑起空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的四梁八柱？
我們認(rèn)為，6G時代的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可劃分為空間段的七個功能域和地面段的一個功能域。空間段的功能域包括感知、傳輸、存儲、計算、平臺、功能和網(wǎng)絡(luò)安全（見表一）；地面段的功能域主要是用于地面保障，包括地面站、發(fā)射場、星地一體化的核心網(wǎng)等。這八個功能域的技術(shù)，有些已經(jīng)進入商用并趨于穩(wěn)定成熟，而大部分還處于驗證和測試階段，需要戰(zhàn)略性投入才能取得關(guān)鍵突破。
在現(xiàn)階段，更重要的是衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈變革，近在眼前的問題是衛(wèi)星研制和生產(chǎn)的商業(yè)化能否帶來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的成本下降？同時，如何以節(jié)約出來的成本，突破現(xiàn)有衛(wèi)星設(shè)計和研發(fā)的瓶頸，驅(qū)動適度超前、面向2030年的技術(shù)研發(fā)？
中國民營商業(yè)航天起步只有幾年，但“鯰魚效應(yīng)”已開始顯現(xiàn)。衛(wèi)星的整星成本和發(fā)射成本都在降低，衛(wèi)星產(chǎn)品的交付周期也在逐漸縮短，“星載一體化”的設(shè)計方法和流程創(chuàng)新，有利于衛(wèi)星功能載荷的按需定制。用柔性化的方式批量生產(chǎn)未來星座組網(wǎng)所需的小型衛(wèi)星，也將逐步成為國內(nèi)交付商業(yè)衛(wèi)星訂單的主流做法。
而那些有產(chǎn)能儲備、有技術(shù)準(zhǔn)備的企業(yè)，將在5G時代啟動、6G時代收官的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)新基建中獲得領(lǐng)先優(yōu)勢，并帶動整個衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮。
為解決中國6G愿景給衛(wèi)星列出的“問題清單”，產(chǎn)業(yè)鏈中的主力企業(yè)必須協(xié)同形成創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，在軟件定義衛(wèi)星、星上5G、標(biāo)準(zhǔn)化、星間鏈路技術(shù)、創(chuàng)新衛(wèi)星構(gòu)型、地面終端應(yīng)用、通導(dǎo)遙一體化等方面趕超國際先進水平，形成具有中國自主可控核心技術(shù)的新一代衛(wèi)星產(chǎn)品譜系。
5G已至，6G并不遙遠(yuǎn)。我們希望與中國商業(yè)航天的伙伴們一道，用劃時代的衛(wèi)星硬科技創(chuàng)新，塑造更加智慧美好的人類未來。
