星链模式能否抗衡星链？中国卫星互联网行业发展之路如何抉择

　　文万星计划工程技术研究院
　　最近发生的三个新闻，让我们觉得时间更加紧迫，留给我们的机会窗口也许不大了。
　　或许只有这种方案才能够实现人们想象中的，只带一部普通手机，就能够在沙漠戈壁、荒山野岭、汪洋大海上随时随地刷抖音、聊微信。这才是人类通信真正的未来目标之一。
　　SpaceX公司的星链星座一直令全球瞩目。截止到2022年5月18日，星链星座已经发射了2653颗卫星，正常工作的有2374颗，目前已经使用和已经交付订金的用户总数超过了20万，是目前世界上最成功的低轨互联网星座。虽然经过一段时间的科普，人们逐渐了解到星链星座由于用户容量不大（在1。2万颗卫星全面部署后，用户总数目前估算也只达到千万量级）和必须安装用户地面站设备等问题，并不能成为地面移动网络的竞争对手，而只是有益的补充，主要解决没有任何宽带接入方法的地区人们的上网问题。
　　但是，最近有两件事，可能会让人们对星链这样的低轨互联网星座的重要性，有全新的认知：一是在俄乌冲突爆发之后，星链系统对乌克兰军事行动的支持，以及星链之前就与美军展开的合作，让世人认识到星链这样的巨型低轨互联网星座的军事应用潜力；另一件事是，制定5G移动网络标准的3GPP组织将在今年6月份彻底完成Release17版本标准的冻结，转入执行阶段，这个版本的标准定义了非地面网络NTN与地面移动网络的结合技术，正式将卫星引入到地面网络中。
　　在地面火箭整流罩中等待发射的60颗星链卫星
　　世界上许多国家或者公司都在规划建设星链这样的低轨互联网星座。英国的OneWeb公司已经发射了428颗卫星，是最接近星链的竞争对手。中国也将建设低轨互联星座提上了日程。早在2020年11月，我国就向ITU申报了巨型卫星星座的轨道和频率，卫星总数高达12992颗；2021年4月，中国卫星网络集团有限公司正式成立；中国航天科工集团和中国航天科技集团早在几年前就发射了试验卫星，验证类似星链卫星的基本技术；中国也有几家民营公司提出了类似星链的低轨互联网星座计划。
　　但是，从许多角度来看，世界上任何低轨互联网星座，如果想要模仿星链的技术和商业模式来和星链竞争，可以说，都是比较难成功的，中国的卫星互联网企业也不例外。因此，我们想，是否有其他办法？另外，是模仿，还是另辟蹊径？换个思路，换个其他的打法，是不是能够更快地实现目标？
　　最近发生的三个新闻，让我们觉得时间更加紧迫，留给我们的机会窗口也许不大了。这三件事是：美国初创企业ASTSpaceMobile公司研制的带有巨型相控阵天线的低轨互联网卫星要在今年夏天发射首颗试验星。国际通信行业传闻：苹果将在今年9月份推出的iPhone14手机，将要支持直接通过卫星发送和接收文字短消息功能，合作伙伴是全球星GlobalStar公司。SpaceX公司总裁马斯克在近日接受每日宇航员节目采访时透露，星链V2。0卫星正在研发中。这款卫星重达1。25吨，长度为7米，只能通过星舰来发射，能够提供现有星链卫星10倍的速率和容量，正在酝酿着创新的服务模式。
　　根据最近一段时期观察到的技术和趋势，我们在此向中国卫星互联网行业提出建议：大胆地从两个方面进行技术创新，提供星链无法提供的服务，争取尽快获得成功。
　　航天科技集团的鸿雁星座概念
　　提出建议前，我们先来看看，为什么模仿星链或者用星链模式来与星链竞争很难成功：
　　1、市场的限制：星链星座已经抢得了先机，把发达国家的大部分市场占领了。与许多人想象的不一样，许多发达国家的通信运营商都是私营企业，由于成本高昂同时用户稀少，他们不会费力去为偏远地区铺设宽带网络。美国FCC在2020年的调查结果显示，美国有大约2000万人没有任何宽带互联网接入方法。其他发达国家如加拿大、澳大利亚以及欧洲的许多国家也有类似的情况。全球发达国家共有数千万人没有任何宽带上网的方法，这就是星链的基本客户群体。而我国由于通信运营商承担了基本的社会责任，村村通做得好，在2020年底宽带网络已经覆盖了大约99的人口，在未来几年估计可以达到100覆盖。这导致我国缺少低轨互联网星座的基本客户群体，估计最大的客户群体就是沿海的数百万渔民。这就要求中国的卫星互联网公司必须向海外发展。由于众所周知的原因，我们进入发达国家市场几乎是不可能的，只能向一带一路国家或者广大发展中国家进军。
　　2、成本的限制：即使在发展中国家，我们也很难与星链竞争，因为有了发达国家市场提供的高额利润，星链完全可以在发展中国家打价格战。更不用说，星链卫星的制造和发射成本已经做到世界最低，中国卫星互联网公司的成本很难比星链还低，没有条件打价格战。航天发射和卫星领域是以资本密集型和技术密集型为主，规模效应十分显著。目前星链卫星的生产线规模是世界上最大的，每月产量为120颗，平均每天4颗。按照马斯克的说法，星链卫星的成本大约是一颗50万美元，将来生产规模再扩大，成本还能再降低；而发射星链的猎鹰9号火箭在第一级多次重复使用之后，发射60颗星链卫星的成本可以低至3000万美元，也就是平均每颗卫星50万美元，将来星舰投入使用后，发射成本还将大幅度下降。我国目前还达不到星链卫星的这种制造和发射成本。
　　3、更多的竞争对手：未来还有OneWeb星座之类的竞争对手参与竞争。如果我们模仿星链的模式，顶多做成OneWeb的水平，能不能在竞争中活下来就成为了一个很大的未知数。
　　因此我们认为，中国的卫星互联网公司一定要有技术创新，能够提供比星链和OneWeb星座更优越的服务，只有这样才能在世界上立稳脚跟，进入良性化的发展循环。
　　在此，我们尝试提出两个技术建议：
　　一、拥抱3GPP组织的5GNTN标准和未来的6G卫星通信标准，与地面移动通信网络结合在一起发展，用国际通用标准取代星链那样的私有标准。全球通信卫星行业的传统就是一家公司一个标准，哪怕是SpaceX公司也不能免俗，在创新方面已经显露出不足。其实在30多年前，地面移动网络也是一家公司一个标准，在1G模拟手机网络和2G数字移动网络的时代都是如此，手机不能漫游到不同标准的网络里，这给用户带来了极大的不便。3GPP组织的成立，就是为了在3G时代统一全球移动通信标准，让世界上所有的手机能在所有网络里工作。当然，直到4G时代人类才真正实现这个目标。
　　使用3GPP组织的通用标准有以下好处：
　　5GRelease17版本中对非地面网络NTN的支持
　　1、标准通用，用户的设备也是通用的，可以兼容很多用户设备制造商的产品，不一定要自己生产用户设备，可以从技术上最大化用户数量，形成产业规模优势，降低用户设备成本。
　　2、不用单独建设地面关口站，而是依附于所在国的5G通信网。许多人没有注意到的是，所有通信卫星都要通过地面关口站才能让用户设备连上地面网络，卫星仅仅起到一个转发作用，星链星座也不例外。星链目前已经在所服务的区域，主要是北美、欧洲、大洋洲和南美数国建设了大量地面关口站。中国的卫星互联网企业如果要走出国门，如果采用星链的模式，也需要在所服务的国家建设独立的地面关口站，这在政治和经济上都会有一定的问题。而5GRelease17标准定义的NTN卫星服务，是依附于5G地面移动网络的，要么在某些5G基站上安装卫星天线与卫星通信，要么在某些5G核心网设备上安装卫星天线与卫星通信。5GNTN标准给卫星定义了两种工作模式：非透明转发模式和透明转发模式。非透明转发模式指的是卫星拥有部分或者全部移动通信基站的功能；透明转发模式是卫星完全没有基站的功能，只是在用户设备和5G基站之间进行无线电波的中继转发，完全透明。
　　如果中国的低轨互联网卫星采用透明转发模式工作，有效规避了敏感因素，更容易被所服务的国家接受。
　　3、中国企业和组织机构在3GPP组织里的发言权比较高，影响力比较大，在标准必要专利的数量上，中国企业也在5G时代开始占据优势。如果我们全力支持5GNTN和未来6G卫星服务的标准制定，也有可能主导全球标准的走向。
　　二，卫星技术创新。采用超大型卫星天线，实现用户手机不附加任何设备就能直接与卫星进行宽带通信。这将是前所未有的服务。
　　星链的用户地面终端设备
　　请注意，我们在这里强调的是宽带通信。这是因为，目前世界上所有卫星宽带通信，都需要用户安装一个地面站设备，俗称锅，星链也不例外（见上图）；而不需要锅就直接能与卫星通信的设备，目前只能实现语音和窄带数据服务，比如铱星电话和海事卫星电话等。这里必须指出的是，铱星电话在通话时的最大发射功率可能达到2瓦左右，远超世界各国政府为消费电子产品制定的最大无线电发射功率200毫瓦（FDD模式）和400毫瓦（TDD模式）的标准，因此，铱星电话和海事卫星电话都不属于普通消费电子产品，原则上对它们的购买和使用都有更严格的监管。
　　而手机属于消费电子产品，预计未来各国政府不会为了让手机能与卫星直接通信而放宽发射功率的限制标准。那么，在200毫瓦发射功率的限制下，手机能直接与卫星进行宽带双向通信吗？用传统的通信卫星构型是不可能的，包括星链卫星。
　　实际上，按照5GNTN标准的假设，5GNTN低轨道卫星天线的孔径是2米，在目前的技术水平下，只能够实现用户手机直接通过卫星发送文字短消息的功能。预计美国苹果公司在今年9月份发布的iPhone14手机上，就能够提供这样的功能，对应的卫星服务提供商是GlobalStar全球星公司，为此全球星公司将发射十余颗新的低轨通信卫星。
　　但是如果将低轨道卫星天线的孔径放大几十倍、上百倍，则完全能够做到手机与卫星直接宽带通信。这是因为：巨型卫星天线在上行链路上能够提供巨大的接收天线增益，哪怕用户手机的发射功率只有区区200毫瓦，也能在卫星接收机的射频输出端实现较高的信噪比；巨型卫星天线在下行链路上更能够提供巨大的发射天线增益，在卫星发射功率增加不多的情况下，就能够让用户手机的接收机射频输出端实现较高的信噪比。高信噪比是实现高速率的基础。
　　美国ASTSpaceMobile公司的蓝行者3号原型卫星，将要在今年夏天发射
　　我们的这个建议不是理论上的空想，美国已经有一家初创企业开始试验了。据美国《太空新闻》网站5月17日报道，美国初创卫星企业ASTSpaceMobile公司正在研制一颗名为蓝行者3号（BlueWalker3）的卫星，拥有一块高达64平方米的巨型相控阵天线，可以折叠为一个较小的立方体，整颗卫星重量为1500公斤。这颗卫星就能够实现与手机的直接宽带通信，用户不需要任何额外的附件或者地面站设备。这颗卫星计划在今年夏天发射。该公司还计划在2023年开始部署可运行的卫星，建设一个包括110颗卫星的低地球轨道星座，覆盖全球。
　　我们建议中国卫星互联网企业也可以采用这种方案，原因是：它所带来的用户体验是星链远远无法相比的！星链由于用户地面站必须由市电供电，实际上无法移动使用。或许只有这种方案才能够实现人们想象中的，只带一部普通手机，就能够在沙漠戈壁、荒山野岭、汪洋大海上随时随地刷抖音、聊微信。这才是人类通信真正的未来目标之一。
　　当然，这种巨型卫星相控阵天线和可能增大的卫星太阳能电池板面积，必然会让卫星的制造成本和发射成本大大提高。但是随着近些年来技术的进步，相控阵天线和太阳能电池板的制造成本也在不断降低，这种方案的成本也因此变得越来越可控。
　　3GPP5GRelease17标准中定义的NTN卫星，目前并未定义如此巨型的卫星天线构型，也还没有考虑过这样的创新服务模式。这可能是ASTSpaceMobile公司目前没有考虑兼容3GPP标准的原因之一。但是3GPP的标准仍然在向前发展，每隔一两年就出一个新的版本，未来几年还会有Release18、19、20三个版本，被视为第二轮5G创新，也叫做5GAdvanced，再往后就是6G了，得等到2030年左右才可能商用。因此中国企业完全有机会主导5G标准的制定，将这样的巨型卫星天线的创新纳入到5G未来的标准中去。
　　总之，我们希望中国卫星互联网行业能够顺利发展！因此，大胆创新，用比星链更新的技术实现星链完全无法达到的用户体验，更好地实现自身的目标，并在国际上获得成功。
　　End