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(jī)，伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)的種類和功能也日益增多，可以說手機(jī)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(duì)，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(dòng)通信的發(fā)展歷程，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)都可以通過標(biāo)志性能力指標(biāo)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(shí)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(dá)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(dá)100Mbps至1Gbps，能夠支持各種移動(dòng)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(duì)比于4G，5G具有更高的傳輸速率、更低的時(shí)延、更高的可靠性以及海量互聯(lián)的能力，從而實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸可及”的愿景。

6G+衛(wèi)星通信

要實(shí)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(dòng)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(shí)體都在積極進(jìn)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(yàn)衛(wèi)星，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，搭載長征六號(hào)運(yùn)載火箭升入太空，進(jìn)入預(yù)定軌道，這標(biāo)志著中國已經(jīng)向第六代移動(dòng)通信技術(shù)的大門邁進(jìn)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(yàn)證，太赫茲技術(shù)被認(rèn)為目前6G的潛在的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)可以用于遠(yuǎn)距離衛(wèi)星之間的通信，實(shí)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(shí)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(dá)到100Gbit/s~1Tbit/s之間，利用太赫茲通信技術(shù)客戶實(shí)現(xiàn)空中機(jī)載平臺(tái)與地面設(shè)備和主控臺(tái)的連接，可以實(shí)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(dòng)問題，同時(shí)建立衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以利用較低的成本實(shí)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(chǔ)備太空能力、歐洲也在積極開展OneWeb等項(xiàng)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(yùn)營先機(jī)，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。

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圖2 Starlink60顆衛(wèi)星疊在一起

美國SpaceX公司打造的星鏈(Starlink)計(jì)劃正在施行，其目標(biāo)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(jì)劃在2020年代中期之前在三個(gè)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(gè)計(jì)劃預(yù)計(jì)需要約100億美元的支出，雖然SpaceX沒有完成這一龐大目標(biāo)，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(shí)間2020年11月24日20時(shí)12分，SpaceX完成了“星鏈計(jì)劃”衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，運(yùn)載60顆衛(wèi)星的“獵鷹9號(hào)”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(jì)發(fā)射953顆“星鏈”衛(wèi)星，如下圖3所示，SpaceX星鏈計(jì)劃中每月至少送入太空60個(gè)衛(wèi)星，其發(fā)射速度極其驚人。

圖3 SpaceX公司星鏈發(fā)射計(jì)劃

衛(wèi)星通信問題分析與解決

1 報(bào)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(gè)衛(wèi)星的使用壽命結(jié)束，如何處理報(bào)廢的衛(wèi)星就成為一個(gè)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(bào)廢的衛(wèi)星，可通過增加一個(gè)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(yùn)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(jìn)行近地空間清理，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道旋轉(zhuǎn)或進(jìn)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(cè)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?cè)诠鈱W(xué)和無線電波長上的亮度都會(huì)嚴(yán)重影響科學(xué)觀測(cè)，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(cè)時(shí)間來避開它們。

光污染的問題可通過制定標(biāo)準(zhǔn)或者法規(guī)，協(xié)調(diào)衛(wèi)星群工作時(shí)間與天文觀測(cè)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(jì)，目前地球軌道上有大約4000個(gè)運(yùn)行中或報(bào)廢的人造衛(wèi)星和火箭殘?bào)w，此外還有大約6000個(gè)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(dá)20萬個(gè)，這些物體大多數(shù)的運(yùn)行速度，都在2萬公里/小時(shí)以上。運(yùn)行在地球軌道上的這些物體無時(shí)無刻不對(duì)衛(wèi)星本身的安全、航天飛機(jī)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(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)，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(jī)動(dòng)系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程操控改變衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，時(shí)刻監(jiān)測(cè)太空中衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及其他的衛(wèi)星運(yùn)行軌道，避免相撞。

總結(jié)

解決全球覆蓋和高速用戶移動(dòng)問題的現(xiàn)實(shí)途徑是采用衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前全球范圍內(nèi)移動(dòng)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(yuǎn)山區(qū)和兩極等區(qū)域。隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，我們還需解決無移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的通信問題?？紤]到上述偏遠(yuǎn)地區(qū)通常人煙稀少、環(huán)境條件惡劣，架設(shè)傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)消耗巨大的建設(shè)及維護(hù)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(shí)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(shí)，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(huì)科學(xué)技術(shù)分會(huì)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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