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6G之卫星通信

要实现天地之间互联,需要卫星通信技术的支撑,卫星通信将在第六代移动通信[1-5]中起着举足轻重的作用,目前,世界上主要国家及一些商业实体都在积极进行卫星通信系统搭建。

作者:中国保密协会科学技术分会|2021-02-21 09:58

 1G-5G的通信历程

1980年至今,从1G到5G,通信史可以说发生了天翻地覆的改变,从最初人们熟悉的摩托罗拉公司的手提电话,即“大哥大”,到现在使用的智能手机,伴随着通信技术的发展,智能手机的种类和功能也日益增多,可以说手机见证了人类通信的蓬勃发展。从1-3G跟随到4G追上再到5G反超6G领跑,在我国通信科研工作者和专家们的带领下,通信发展极为迅速,导致如今处处受其他国家针对,这也恰恰反映了我国通信业在国际中的地位。

图1 通信系统1G-5G发展历程

回顾移动通信的发展历程,每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义。其中,1G采用频分多址(FDMA),只能提供模拟语音业务;2G主要采用时分多址(TDMA),可提供数字语音和低速数据业务;3G以码分多址(CDMA)为技术特征,用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps,可以支持多媒体数据业务;4G以正交频分多址(OFDMA)技术为核心,用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps,能够支持各种移动宽带数据业务。5G是继4G(LTE-A、WiMax)系统之后的延伸,相对比于4G,5G具有更高的传输速率、更低的时延、更高的可靠性以及海量互联的能力,从而实现“信息随心至,万物触可及”的愿景。

6G+卫星通信

要实现天地之间互联,需要卫星通信技术的支撑,卫星通信将在第六代移动通信[1-5]中起着举足轻重的作用,目前,世界上主要国家及一些商业实体都在积极进行卫星通信系统搭建。

2020年11月6日,由电子科技大学、国星宇航等联合研制的全球首颗6G试验卫星,在太原卫星发射中心,搭载长征六号运载火箭升入太空,进入预定轨道,这标志着中国已经向第六代移动通信技术的大门迈进了一只脚。此卫星搭载太赫兹(THz)通信载荷,将开展全球首次太赫兹通信技术在空间应用场景下的技术验证,太赫兹技术被认为目前6G的潜在的关键技术,该技术可以用于远距离卫星之间的通信,实现卫星互联和星间组网,是天基网络极其重要的一环,同时太赫兹的频率在0.1THz~10THz之间,具有极其丰富的频谱资源,且超高频率可使传输速率达到100Gbit/s~1Tbit/s之间,利用太赫兹通信技术客户实现空中机载平台与地面设备和主控台的连接,可以实现空间与地面的组网,以解决全球覆盖和高速用户移动问题,同时建立卫星移动通信系统可以利用较低的成本实现更为广泛的覆盖。

国外产业也已经开始积极布局,美国SpaceX公司正在积极储备太空能力、欧洲也在积极开展OneWeb等项目,希望通过打造规模巨大、覆盖全球的低轨卫星互联网,抢占卫星网络的运营先机,卫星频谱资源先到先得的规定,让卫星网络[6,7]的部署变得更加迅速。

图2 Starlink60颗卫星叠在一起

美国SpaceX公司打造的星链(Starlink)计划正在施行,其目标是通过近地轨道卫星群,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。美国太空探索技术公司SpaceX计划在2020年代中期之前在三个轨道上部署接近12000颗卫星:首先在550公里轨道部署约1600颗卫星,其次是在1150公里轨道部署约2800颗Ku波段和Ka波段卫星,最后是在340公里轨道部署约7500颗V波段卫星,整个计划预计需要约100亿美元的支出,虽然SpaceX没有完成这一庞大目标,但是其发射卫星的数量正以惊人的速度持续上升。美国东部时间2020年11月24日20时12分,SpaceX完成了“星链计划”卫星的发射任务,运载60颗卫星的“猎鹰9号”成功发射升空,如图2所示,在绕地550公里轨道处部署了此小型卫星群,截至目前,SpaceX已累计发射953颗“星链”卫星,如下图3所示,SpaceX星链计划中每月至少送入太空60个卫星,其发射速度极其惊人。

图3 SpaceX公司星链发射计划

卫星通信问题分析与解决

1 报废问题

由于低轨卫星[8,9]的部署数量日益增多,一旦每个卫星的使用寿命结束,如何处理报废的卫星就成为一个重要的考虑因素,600至1000公里之间的区域已经是地球上最拥挤的轨道区域。

处理报废的卫星,可通过增加一个新的墓地轨道制度,类似于数十年来用于处理在地球静止带中运行的战后通信卫星的制度,但是,在设想的轨道高度上,处置轨道可能没有足够长的寿命来确保长期稳定性。另一种替代方法是回收废弃的物体以进行近地空间清理,对卫星进行轨道旋转或进行某种形式的空间回收其材料。

2 光污染问题

由于卫星数量的持续增多,且无相关的法律法规限制,卫星群的部署使得天文观测受到极大的影响,天文学家称,可见卫星的数量将超过可见星的数量,并且它们在光学和无线电波长上的亮度都会严重影响科学观测,再者,由于星链卫星可以自主改变其轨道,因此无法安排观测时间来避开它们。

光污染的问题可通过制定标准或者法规,协调卫星群工作时间与天文观测任务,统筹规划,有条不紊的协调工作。

3 碰撞问题

近年来,随着地球外层空间逐渐被人造物体所充斥,根据美国宇航局的统计,目前地球轨道上有大约4000个运行中或报废的人造卫星和火箭残体,此外还有大约6000个可以看到并跟踪的太空垃圾碎片,而直径超过一厘米的太空垃圾,更多达20万个,这些物体大多数的运行速度,都在2万公里/小时以上。运行在地球轨道上的这些物体无时无刻不对卫星本身的安全、航天飞机以及国际空间站的安全构成威胁。

卫星碰撞的问题是卫星部署需要重点关注的焦点,避免碰撞可以通过改变卫星部署轨道,或者将卫星配置机动系统,通过远程操控改变卫星运动轨迹,时刻监测太空中卫星的运动状态以及其他的卫星运行轨道,避免相撞。

总结

解决全球覆盖和高速用户移动问题的现实途径是采用卫星移动通信系统,目前全球范围内移动通信覆盖的陆地范围大约仅为30%,无法覆盖诸如沙漠、戈壁、海洋、偏远山区和两极等区域。随着人类活动范围的扩大,我们还需解决无移动通信网络覆盖区域的通信问题。考虑到上述偏远地区通常人烟稀少、环境条件恶劣,架设传统移动通信网络会消耗巨大的建设及维护成本。随着微小卫星的制造及发射技术的成熟,6G的重要需求之一就是通过大规模微小卫星星座实现全球网络无缝覆盖,在卫星通信日益发展的同时,还需要在卫星安全问题方面做更多的工作。

参考文献

[1] Saad W, Bennis M, Chen M. A vision of 6G wireless systems: Applications, trends, technologies, and open research problems[J]. IEEE network, 2019, 34(3): 134-142.

[2] Letaief K B, Chen W, Shi Y, et al. The roadmap to 6G: AI empowered wireless networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2019, 57(8): 84-90.

[3] Rappaport T S, Xing Y, Kanhere O, et al. Wireless communications and applications above 100 GHz: Opportunities and challenges for 6G and beyond[J]. IEEE Access, 2019, 7: 78729-78757.

[4] Dang S, Amin O, Shihada B, et al. What should 6G be?[J]. Nature Electronics, 2020, 3(1): 20-29.

[5] 魏克军.全球6G研究进展综述[J].移动通信,2020,44(03):34-36+42.

[6] 闫复利.基于卫星通信的“天-空-地一体化物联网”应用研究[J].信息通信,2020(11):17-19.

[7] 毕奇.移动通信的主要挑战及6G的研究方向[J].移动通信,2020,44(06):10-16.

[8] 关汉男,易平,俞敏杰,李建华.卫星通信系统安全技术综述[J].电信科学,2013,29(07):98-105.

[9] 张应宪,刘爱军,王永刚,潘小飞.卫星通信物理层安全技术研究展望[J].电讯技术,2013,53(03):363-370.

【本文为51CTO专栏作者“中国保密协会科学技术分会”原创稿件,转载请联系原作者】

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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