6G之衛星通信
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”，到現在使用的智能手機，伴隨著通信技術的發展，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展。從1-3G跟隨到4G追上再到5G反超6G領跑，在我國通信科研工作者和專家們的帶領下，通信發展極為迅速，導致如今處處受其他國家針對，這也恰恰反映了我國通信業在國際中的地位。
圖1 通信系統1G-5G發展歷程
回顧移動通信的發展歷程，每一代移動通信系統都可以通過標志性能力指標和核心關鍵技術來定義。其中，1G采用頻分多址(FDMA)，只能提供模擬語音業務;2G主要采用時分多址(TDMA)，可提供數字語音和低速數據業務;3G以碼分多址(CDMA)為技術特征，用戶峰值速率達到2Mbps至數十Mbps，可以支持多媒體數據業務;4G以正交頻分多址(OFDMA)技術為核心，用戶峰值速率可達100Mbps至1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數據業務。5G是繼4G(LTE-A、WiMax)系統之后的延伸，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的能力，從而實現“信息隨心至，萬物觸可及”的愿景。
6G+衛星通信
要實現天地之間互聯，需要衛星通信技術的支撐，衛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實體都在積極進行衛星通信系統搭建。
2020年11月6日，由電子科技大學、國星宇航等聯合研制的全球首顆6G試驗衛星，在太原衛星發射中心，搭載長征六號運載火箭升入太空，進入預定軌道，這標志著中國已經向第六代移動通信技術的大門邁進了一只腳。此衛星搭載太赫茲(THz)通信載荷，將開展全球首次太赫茲通信技術在空間應用場景下的技術驗證，太赫茲技術被認為目前6G的潛在的關鍵技術，該技術可以用于遠距離衛星之間的通信，實現衛星互聯和星間組網，是天基網絡極其重要的一環，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客戶實現空中機載平臺與地面設備和主控臺的連接，可以實現空間與地面的組網，以解決全球覆蓋和高速用戶移動問題，同時建立衛星移動通信系統可以利用較低的成本實現更為廣泛的覆蓋。
國外產業也已經開始積極布局，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，希望通過打造規模巨大、覆蓋全球的低軌衛星互聯網，搶占衛星網絡的運營先機，衛星頻譜資源先到先得的規定，讓衛星網絡[6,7]的部署變得更加迅速。
圖2 Starlink60顆衛星疊在一起
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星群，提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。美國太空探索技術公司SpaceX計劃在2020年代中期之前在三個軌道上部署接近12000顆衛星：首先在550公里軌道部署約1600顆衛星，其次是在1150公里軌道部署約2800顆Ku波段和Ka波段衛星，最后是在340公里軌道部署約7500顆V波段衛星，整個計劃預計需要約100億美元的支出，雖然SpaceX沒有完成這一龐大目標，但是其發射衛星的數量正以驚人的速度持續上升。美國東部時間2020年11月24日20時12分，SpaceX完成了“星鏈計劃”衛星的發射任務，運載60顆衛星的“獵鷹9號”成功發射升空，如圖2所示，在繞地550公里軌道處部署了此小型衛星群，截至目前，SpaceX已累計發射953顆“星鏈”衛星，如下圖3所示，SpaceX星鏈計劃中每月至少送入太空60個衛星，其發射速度極其驚人。
圖3 SpaceX公司星鏈發射計劃
衛星通信問題分析與解決
1 報廢問題
由于低軌衛星[8,9]的部署數量日益增多，一旦每個衛星的使用壽命結束，如何處理報廢的衛星就成為一個重要的考慮因素，600至1000公里之間的區域已經是地球上最擁擠的軌道區域。
處理報廢的衛星，可通過增加一個新的墓地軌道制度，類似于數十年來用于處理在地球靜止帶中運行的戰后通信衛星的制度，但是，在設想的軌道高度上，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，對衛星進行軌道旋轉或進行某種形式的空間回收其材料。
2 光污染問題
由于衛星數量的持續增多，且無相關的法律法規限制，衛星群的部署使得天文觀測受到極大的影響，天文學家稱，可見衛星的數量將超過可見星的數量，并且它們在光學和無線電波長上的亮度都會嚴重影響科學觀測，再者，由于星鏈衛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，協調衛星群工作時間與天文觀測任務，統籌規劃，有條不紊的協調工作。
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，根據美國宇航局的統計，目前地球軌道上有大約4000個運行中或報廢的人造衛星和火箭殘體，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星本身的安全、航天飛機以及國際空間站的安全構成威脅。
衛星碰撞的問題是衛星部署需要重點關注的焦點，避免碰撞可以通過改變衛星部署軌道，或者將衛星配置機動系統，通過遠程操控改變衛星運動軌跡，時刻監測太空中衛星的運動狀態以及其他的衛星運行軌道，避免相撞。
總結
解決全球覆蓋和高速用戶移動問題的現實途徑是采用衛星移動通信系統，目前全球范圍內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、偏遠山區和兩極等區域。隨著人類活動范圍的擴大，我們還需解決無移動通信網絡覆蓋區域的通信問題。考慮到上述偏遠地區通常人煙稀少、環境條件惡劣，架設傳統移動通信網絡會消耗巨大的建設及維護成本。隨著微小衛星的制造及發射技術的成熟，6G的重要需求之一就是通過大規模微小衛星星座實現全球網絡無縫覆蓋，在衛星通信日益發展的同時，還需要在衛星安全問題方面做更多的工作。
參考文獻
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【本文為51CTO專欄作者“中國保密協會科學技術分會”原創稿件，轉載請聯系原作者】
