卫星通信，是未来还是噱头？

一、卫星网络的发展和优势

最近，华为mate60凭着“国产自研5G芯片”+卫星通信两个宣传亮点，一直占据互联网的热度，作为华为“捅破天”的技术，其实很早之前就出现了，而且也一直在5G和6G技术路线的演进方案之中，在手机上实现卫星通信华为也不是第一家实现，作为华为Mate60的卖点并引起这么如此高的热度，侧面证明了华为营销能力的强大。

自从1957年第一颗人造卫星发射以来，人们一直自探索卫星和空间的应用，卫星通信和卫星广播是卫星应用的最好范例。在卫星的帮助下，人们可以把更多的应用和服务送到世界的更多角落，但是最早的卫星通信都是基于地球静止轨道的（GEO），随着技术的发展，中轨（MEO）和低轨（LEO）卫星系统开始迅猛发展，为卫星通信带来了更多的选择。

卫星通信技术演进主要包括三个阶段：

（1）基础技术的发展，在这个阶段，单极化6/4GHZ波束提供全球波束覆盖，双极化波束整形基于16/14GHZ可提供多点波束和转发器波束跳跃以及星上交换服务，星间链路、光通信技术和30G/20GHZ的应用让高通量全球卫星网络成为现实；

（2）星上技术的发展，这个阶段经历了分频交换、分时交换、星上信号处理、星上数据包交换以及星上路由和星间链路的发展，其中星间链路的发展也推动了LEO/MEO星座卫星网络的发展。

（3）网络服务和应用，这个阶段从国际长途电话和卫星服务、专用网络、航空地面移动服务、直接数字卫星广播、多媒体换联网宽带服务发展，最终到现在的4G/5G和未来6G网络的发展。

卫星组网仍然面临着比较大的挑战：

（1）传播时延大，虽然无线电波在真空中的传播速度可以达到光速，但是比较大的卫星通信距离让传播延时大于地面网络；

（2）带宽有限，能够用于卫星通信的频谱资源比较有限，同时卫星产生的波束远远大于地面无线网络，使得频谱的利用率远远不如地面无线网络。这将会影响通信的质量。

（3）传播错误多，由于传输距离和链路信道会受到各种干扰，传输数据的误码率也大于地面网络；

（4）传输功率受限，卫星主要靠太阳能供电，同时要和其它卫星以及地面无线网络进行协调以避免产生干扰，因此传输功率就会受到很大的限制，数据的传输速率也会受到影响。

       对手机终端来说功率限制更加明显，通常的蜂窝最大传输功率也就300~400mw，而类似mate60在进行卫星通信时，功率将达到2W以上，对手机续航时间将会产生致命的影响。

网络QoS（网络服务质量）以用户为中心，目前QoS的类别模型已经由国际电联明确提出，如下图所示，可以看出，QoS的类别模型共有8个，其中有的服务可以容忍传输错误，如语音视频交互、语音视频信息、语音视频流媒体和传真；有的服务则不能容忍传输错误，比如指令和控制、信息文件下载、后台处理。

在5G标准的制定过程中，3GPP已经为基于GEO、MEO、LEO集成基础设施的卫星接入网络制定了具体的QoS参数，这些参数都是和具体时延相关的。

NTN（非地面网络）是指除了地面网络的所有网络，包括卫星网络和高空平台，3GPP和ETSI（欧洲电信标准协会）基于NTN部署提出了具体的部署场景：

（1）平台轨道和高度——包括平台轨道类型以及高度

（2）平台和设备之间的载波频率——0.5G~100GHZ

（3）波束模式——这里的波束模式是指波束覆盖模式，是频谱复用和容量计算的重要参数

（4）接入方式——可以是FDD，也可以是TDD

（5）信道带宽——该场景下涉及下行链路和上行链路的可用带宽，使用何种带宽取决于所使用的频率（一般6G以上为：800MHZ，6G以下为80MHZ）

（6）非地面网络架构选项：

• 卫星可以作为无线接入网在用户设备和5G基站（gNB）之间以透明的方式连接；

• 用户设备连接中继站时，卫星仅在中继站和5G基站之间以透明的方式连接；

• 用户设备连接中继站时，卫星可以具备5G基站的一些功能，并和中继站相连接。

  
  

（7）终端类型和功率

对每个3GPP FDD功率等级，PC1的全向天线最大输出功率为33dBm（2W）。

二、LEO和GEO卫星通信

GEO卫星的位置位于35786Km高度，相对地面是静止的，因此卫星波束所提供的覆盖也是相对静止的，对应的地面容量和覆盖规划以及控制链路都比较简单。但是其缺点也很明显，GEO卫星的无线链路环回延时（大约560ms）和路损都比较大，对手机的天线类型、发射功率都有着更高的要求，需要花更大的代价去保证无线链路的质量，这也是目前mate60所代表卫星通信的重大技术缺陷。

从系统角度看，LEO卫星处于低轨空间环境，会受到更多外界环境的干扰（大气尘埃等），卫星寿命通常会短些，由于LEO卫星轨道比较低，所以覆盖面积比较低，为了实现全球覆盖，需要部署成百上千颗的LEO卫星，需要使的发射和维护成本变得更高，这是目前马斯克的星链目前所推广的技术路线。

综上分析，在实际部署时，因为GEO和LEO各有优缺点，未来肯定要发展异构部署组网，在相同或者不同类型的卫星之间，配置星间链路，并利用微波或者激光等进行信号的中继转发，使得卫星信号能沿着最佳路径到达地面。

三、总结

卫星通信系统的应用将会越来越广泛，5G-NR、6G等通信技术也将被逐渐的应用在卫星通信系统中，虽然在网络部署和工作方式上有着比较大的差异，但是在系统架构/协议栈层方面，未来的卫星NTN系统必然要和地面蜂窝深度融合，卫星之间也将可能异构组网，融合带宽和时延不断优化后，手机用户将有可能以更低的资费享受到质量更好、内容更丰富的卫星通信服务。