關于通信技術的歷程介紹與6G關鍵技術發(fā)展

空天一體化——下一代通信技術的模樣。

5G的已經全面展開商用，人類的通信技術再一次走上了快速發(fā)展期。未來，隨著火箭回收、低軌衛(wèi)星和6G技術的發(fā)展，科幻式的通信方式似乎離我們也不遠了。

2019 年工信部成立了 6G 研究組，推動 6G 相關工作。同年 4 月，奧盧大學舉辦了世界首個 6G 峰會。6G 有望達成更進一步的技術指標：空口延遲低于 0.1ms，網絡深度覆蓋率達到 100%，毫米級感知定位，單位功耗大幅度降低，傳輸帶寬將達到 TB 級，連接設備密度達到每立方米數(shù)百個。

2020 年 4 月 20 日，國家發(fā)改委首次明確“新基建”范圍，并將衛(wèi)星互聯(lián)網納入通信網絡基礎設施范疇。目前，國內多家企業(yè)已經開始積極布局衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)。

本期的智能內參，我們推薦開源證券的報告《5G+ 時代，星鏈計劃和6G齊閃耀 》，揭秘6G和衛(wèi)星互聯(lián)網的布局與發(fā)展。

通信技術——每十年一次的巨變

移動通信技術推動著信息技術產業(yè)的快速發(fā)展，改善了人們的生活水平，促進了社會的發(fā)展和繁榮。從上世紀80年代開始，移動通信技術每近十年就會出現(xiàn)一次新的變革。

移動通信技術從 從 1G 向 5G 演進

1G即第一代移動通信技術，是以模擬技術為基礎的蜂窩無線電話系統(tǒng)。起源于20 世紀 80 年代，完成于 20 世紀 90 年代，主要采用的是模擬調制技術與頻分多址接入（FDMA）技術，這種技術的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務。

1G時代，頻分多址（FDMA ）是一種最基本的多址接入方式。FDMA 以載波頻率來劃分信道，每個信道占用一個載頻，相鄰載頻之間應滿足傳輸帶寬的要求。在模擬移動通信中頻分多址是最常用的多址方式，每個載頻之間的間隔為 30kHz 或 25kHz。在FDMA 技術下，不同的用戶占據不同的頻段，從而避免了相互干擾，實現(xiàn)了區(qū)分。

2G即第二代移動通信技術，主要采用數(shù)字的時分多址（TDMA ）和碼分多址（CDMA ）技術。在 2G 技術下，無法直接傳送如電子郵件、軟件等資訊；只具有通話、和一些如時間日期等傳送的手機通信技術規(guī)格。不過手機短信 SMS（Shortmessage service）在 2G 的某些規(guī)格中能夠被執(zhí)行。

第二代移動通信數(shù)字無線標準主要有：歐洲的 GSM 和美國高通公司推出的 IS-95CDMA 等，我國主要采用 GSM，美國、韓國主要采用 CDMA。

3G即第三代移動通信技術，其最基本的特征是智能信號處理技術。智能信號處理單元將成為基本功能模塊，支持話音和多媒體數(shù)據通信，它可以提供前兩代產品不能提供的各種寬帶信息業(yè)務，例如高速數(shù)據、慢速圖像與電視圖像等。

3G 系統(tǒng)的通信標準共有 WCDMA ，CDMA2000 和 和 TD-SCDMA 三大分支。在中國，中國移動采用 TD-SCDMA，中國電信采用 CDMA2000，中國聯(lián)通采用 WCDMA。

3G通信標準

4G即第四代移動通信技術，主要是以正交頻分復用（OFDM ）為技術核心。4G技術是集 3G 與 WLAN 于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。

正交頻分復用（OFDM ）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。OFDM 技術的特點是網絡結構高度可擴展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供無線數(shù)據技術質量更高（速率高、時延?。┑姆蘸透玫男阅軆r格比，能為 4G 無線網提供更好的方案。

5G是最新一代蜂窩移動通信技術。5G 并不是獨立的、全新的無線接入技術，而是對現(xiàn)有無線接入技術的技術演進以及一些新增的補充性無線接入技術集成后解決方案的總稱。

5G 移動通信存在三大關鍵技術

衛(wèi)星互聯(lián)網，5G中后期新技術

衛(wèi)星互聯(lián)網是一種 基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網 ，可實現(xiàn)多地球站間通信。衛(wèi)星互聯(lián)網是指基于衛(wèi)星通信技術，通過發(fā)射特定數(shù)量衛(wèi)星形成規(guī)模組網，向地面和空中終端提供寬帶互聯(lián)網接入等通信服務的新型網絡。

衛(wèi)星通信原理

衛(wèi)星互聯(lián)網的發(fā)展存在三個階段：

1、與地面通信網絡競爭階段，提供語音、低速數(shù)據、物聯(lián)網等服務。隨著地面通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在通信質量和資費價格等方面漸漸處于劣勢，在競爭中落敗。

2、對地面通信網絡補充階段，以新銥星、全球星和軌道通信公司為代表，對地面通信系統(tǒng)進行補充和延伸。

3、與地面通信網絡融合階段，以 OneWeb、SpaceX 等為代表的公司正在主導新型衛(wèi)星互聯(lián)網星座建設，衛(wèi)星工作頻段逐漸提高，衛(wèi)星互聯(lián)網建設逐漸步入寬帶互聯(lián)網時期。

衛(wèi)星互聯(lián)網發(fā)展階段

衛(wèi)星按照軌道高度主要分為低、中、高軌三大類。其中，低軌衛(wèi)星擁有傳輸時延小、鏈路損耗低、發(fā)射靈活等優(yōu)勢，衛(wèi)星互聯(lián)網業(yè)務的主流實現(xiàn)方式。

衛(wèi)星分類

具體來說，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)有以下兩大優(yōu)勢：

1、可實現(xiàn)全球互聯(lián)網無縫鏈接服務。傳統(tǒng)高軌同步軌道衛(wèi)星建設成本高，存在通信盲區(qū)，時延長且?guī)捰邢?，已無法滿足全球海量互聯(lián)的容量需求。相比之下，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸時延更低，可靠性更高，損耗較高軌低 29.5dB，能夠實現(xiàn)全球互聯(lián)網無縫鏈接服務。

低軌衛(wèi)星優(yōu)勢

2、低軌衛(wèi)星通信核心應用場景包括 偏遠地區(qū)通信、海洋作業(yè)及科考寬帶、航空寬帶和災難應急通信等。其中，偏遠地區(qū)應用市場主要包括衛(wèi)星電話、互聯(lián)網電視和衛(wèi)星寬帶；海洋作業(yè)及科考應用市場包括衛(wèi)星定位和海事衛(wèi)星電話；航空應用市場主要為機載 Wifi；災備應用市場包括應急呼叫、數(shù)據保護與恢復和異地災備系統(tǒng)等。

低軌衛(wèi)星通信核心應用場景

近年來，OneWeb、SpaceX 等公司的主導下，衛(wèi)星互聯(lián)網行業(yè)走上了快速發(fā)展期。從2014年起，我國針對該行業(yè)出臺了一系列措施，積極推進衛(wèi)星應用產業(yè)和商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展。特別是，國家發(fā)改委于 2020 年 4 月 20 日首次明確了“新基建”范圍，包括信息基礎設施、融合基礎設施和創(chuàng)新基礎設施三個方面。

其中，信息基礎設施主要是指基于新一代信息技術演化生成的基礎設施，包括 5G、物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網和衛(wèi)星互聯(lián)網等。衛(wèi)星互聯(lián)網在國家層面首次被納入通信網絡基礎設施范疇。

我國衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)政策

國內多家企業(yè)已開始積極布局衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)?！笆濉逼陂g，以中國航天科技和中國航天科工為主的兩大央企分別提出了“鴻雁星座”和“虹云工程”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網計劃，并發(fā)射了試驗衛(wèi)星。其中，“鴻雁”星座是國內首套全球低軌衛(wèi)星移動通信與空間互聯(lián)網系統(tǒng)，可在全球范圍內實現(xiàn)寬帶和窄帶結合，為用戶提供實時雙向通信。

“虹云工程”星座則致力于滿足全球移動互聯(lián)網的高速接入需求，由 156 顆低軌衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星最大支持速率為 4Gbps。目前，國內多家企業(yè)已經開始積極布局衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)，隨著計劃逐漸啟動，我國衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)有望迎來快速發(fā)展。

衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)鏈分為衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、地面設備、衛(wèi)星運營及服務四個部分。其中，衛(wèi)星制造分為衛(wèi)星平臺和衛(wèi)星載荷；衛(wèi)星發(fā)射包括火箭制造和發(fā)射服務；地面設備包括固定地面站、移動站和用戶終端；衛(wèi)星運營及服務包含衛(wèi)星移動通信服務、寬帶廣播服務和衛(wèi)星固定服務。根據賽迪智庫測算，預計到 2030 年，中國衛(wèi)星互聯(lián)網整體市場規(guī)?？蛇_千億。

衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)鏈

預計 2023 年我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網衛(wèi)星制造環(huán)節(jié)將迎來投資高峰。2020 年是衛(wèi)星互聯(lián)網元年，根據未來智庫數(shù)據，預計 2023 年左右我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網衛(wèi)星制造環(huán)節(jié)投資規(guī)模將迎來高峰。

我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網衛(wèi)星制造投資規(guī)模預計將在 2023 年迎來高峰

根據《2018 年中國商業(yè)航天產業(yè)投資報告》數(shù)據顯示，預計到 2025 年前我國將發(fā)射約 3100 顆商業(yè)衛(wèi)星，單顆衛(wèi)星制造成本為 429 萬美元，而 StarLink 和亞馬遜單顆衛(wèi)星的制造成本僅為 50萬和 100 萬美元。對比來看，我國衛(wèi)星制造成本仍有進一步優(yōu)化空間，未來衛(wèi)星制造企業(yè)有望提升其毛利率和競爭力，或將持續(xù)受益。

成本的降低可以從以下四個部分入手：

火箭回收技術?；鸺厥占夹g，是指火箭發(fā)射后回收并重復使用的技術，可實現(xiàn)資源的回收利用，提高火箭的重復利用率，降低成本。據 SpaceX 官網顯示，其“獵鷹 9 號”火箭第一次發(fā)射時的報價為 6198 萬美元，第 13 次發(fā)射時報價僅為 288 萬美元，為首次報價的 4.65%，大幅降低了發(fā)射成本。

“一箭多星” 。衛(wèi)星發(fā)射環(huán)節(jié)主要包括火箭制造以及發(fā)射服務?；鸺圃彀ㄍ七M系統(tǒng)、箭體制造、遙測系統(tǒng)、發(fā)動機制造、制導和控制系統(tǒng)、安全自毀系統(tǒng)和其他組件；發(fā)射服務包括火箭控制系統(tǒng)、逃逸系統(tǒng)、發(fā)射及遙測系統(tǒng)和發(fā)射場建設。近年來，我國火箭發(fā)射技術實現(xiàn)明顯突破，“一箭多星”、火箭回收利用等技術直接推動了發(fā)射成本的降低。

“天地一體化+ 商業(yè)運營”新模式。“十三五”期間，我國運載火箭技術研究院研制的火箭先后為老撾和白俄羅斯等國提供國際商業(yè)發(fā)射服務。2015 年，火箭院在老撾一號廣播通信衛(wèi)星項目中首創(chuàng)“天地一體化+商業(yè)運營”新模式，拓展了國際商業(yè)發(fā)射市場新思路，增強了長征系列運載火箭的國際競爭力。

運營服務是衛(wèi)星產業(yè)價值鏈中占比最高的環(huán)節(jié)，通信衛(wèi)星運營是重要組成。隨著技術進步、市場需求增長和商業(yè)化程度的提升，衛(wèi)星在通信、氣象、遙感、廣播、導航等領域均發(fā)揮重要作用，應用領域不斷豐富。

根據美國衛(wèi)星產業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據顯示，2018 年全球衛(wèi)星產業(yè)總收入為 2774 億美元，同比增長 3.3%；衛(wèi)星服務實現(xiàn)收入 1265 億美元，占衛(wèi)星產業(yè)收入的 45.6%。其中，通信衛(wèi)星運營是衛(wèi)星服務業(yè)的重要組成，包括衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星固定、和衛(wèi)星移動服務等。

衛(wèi)星運營與服務占比最高

北斗三號系統(tǒng)全面建成，推動產業(yè)再上新臺階。2020 年 7 月，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通，我國成為世界上第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。隨著該系統(tǒng)全面建成，我國衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)將步入長期穩(wěn)定增長階段，根據中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會此前發(fā)布的《2020 中國衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)發(fā)展白皮書》數(shù)據顯示，2019 年我國衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)總體產值達 3450 億元，未來有望形成數(shù)萬億規(guī)模的時空信息服務新市場。

目前，國家正積極推進“新基建”發(fā)展戰(zhàn)略，而基于北斗精準時空技術的應用，正是新型基礎設施建設邁向數(shù)字化、智能化，實現(xiàn)升級改造不可或缺的重要抓手，將成為推進衛(wèi)星導航與位置服務產業(yè)發(fā)展的重要力量。

北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成，性能進一步提升

星鏈計劃

星鏈（Starlink ）計劃是 SpaceX 于 2015 年推出的為全球用戶提供高速快捷衛(wèi)星網絡通信的計劃，目前已發(fā)射 1205 顆“星鏈”衛(wèi)星。

2015 年，SpaceX 公司提出StarLink 計劃，利用大量低軌高通量衛(wèi)星組成星座，為全球用戶提供高速快捷的網絡通信。根據 SpaceX 官網信息，美國東部時間 2021 年 3 月 4 日上午，SpaceX 將新一批 60 顆 Starlink 互聯(lián)網衛(wèi)星送入軌道，這次發(fā)射使已發(fā)射 Starlink 衛(wèi)星總數(shù)達到 1205顆。

星鏈計劃目前已發(fā)射 1205 顆“星鏈”衛(wèi)星

Starlink 具有低延時、易于設置和兼顧偏遠地區(qū)三大優(yōu)勢

Starlink 分三步實現(xiàn)全球組網，共發(fā)射約 1.2 。萬顆衛(wèi)星。StarLink 計劃分為三步：

1、發(fā)射 1600 顆低軌近地衛(wèi)星實現(xiàn)初步覆蓋，分布 32 條軌道，每條軌道 50 顆衛(wèi)星；

2、分四組共發(fā)射 2825 顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球組網，每組軌道數(shù)和軌道傾角有所不同；

3、發(fā)射 7518 顆衛(wèi)星組成低軌星座。其中，前兩步衛(wèi)星工作頻率在傳統(tǒng)的 Ka、Ku 波段，第三步在頻率 40GHz 到 75GHz 的 V 波段。

作為馬斯克旗下的一部分，星鏈計劃和 Tesla 自動駕駛汽車可形成協(xié)同作用。車輛的車載設備通過無線通信技術，在車輛運行時不僅能夠為車與車之間的距離提供保障，還可以幫助車主實時導航，提高交通運行效率。Tesla 使用 Starlink 服務，一方面可將衛(wèi)星接收器添加到Tesla 車輛中，使每種 Tesla 車型都可直接連接到 Starlink 網絡，另一方面 Tesla 可通過 Starlink，將無線軟件更新推送到其所有車輛。

星鏈計劃應用于遠程醫(yī)療，幫助土著部落成員進行醫(yī)療保健服務。遠程醫(yī)療是指依托計算機技術和遙感、遙測、遙控技術，發(fā)揮大醫(yī)院或?？漆t(yī)療中心的醫(yī)療技術和醫(yī)療設備優(yōu)勢，對醫(yī)療條件較差的偏遠地區(qū)、海島或艦船上的傷病員進行遠距離診斷、治療和咨詢，不僅可以降低運送病人的時間和成本，還可以使醫(yī)生突破地理范圍的限制，共享病人病歷，診斷照片。2020 年 12 月，SpaceX 與加拿大 FSET 信息技術公司合作，將 Starlink 互聯(lián)網服務帶入土著部落。目前，其 3000 名成員已經能夠享受醫(yī)療保健服務等各項內容。

星鏈計劃助力 VR 、高清直播。VR 是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成模擬環(huán)境，使用戶沉浸其中，具有沉浸性、交互性、和自主性等特性。2018 年 9 月，SpaceX 宣布日本億萬富翁企業(yè)家前澤友作成為 SpaceX 繞月飛行任務的第一位付費乘客。該計劃預計于 2023 年實施，旅程將進行高清 VR 直播，SpaceX 會使用星鏈計劃的中繼衛(wèi)星來處理月球遠端的通信死角。

星鏈計劃可將云計算推向太空。云計算是基于互聯(lián)網，將共享的軟硬件資源和信息按需提供給計算機和其他設備的計算方式。其中，提供資源的網絡被稱為“云”。2020 年 10 月，微軟宣布推出 Azure Space 云計算平臺，該平臺與 Starlink 合作，將為 Azure 模塊化數(shù)據中心提供高速、低延時的衛(wèi)星寬帶。靈活的衛(wèi)星通信加上 Azure提供的高性能計算、機器學習和數(shù)據分析能力，有助于進一步滿足客戶需求。

6G時代空天一體化

隨著大數(shù)據社會的持續(xù)演進和廣泛化 ，頻譜資源在不斷的減少，然而數(shù)據容量要求被不斷的提高 ， 更加先進的通信技術正在逐步的被提上日程。

2019 年工信部成立了 6G 研究組，名叫 IMT-2030 推進組，推動 6G 相關工作。同年 4 月，奧盧大學舉辦了世界首個 6G 峰會，主題為“為 6G 的到來鋪平道路”。峰會中各方集體展望未來，更有媒體聲稱美國將跳過 5G 與中國在 6G 上展開競爭。

6G 的綜合性能也預期將是 5G 的 10-100 倍，各類技術指標也將進一步提高：空口延遲低于 0.1ms、 網絡深度到覆蓋率達到 100%、 毫米級感知定位 、 功耗大幅度降低 、傳輸帶寬將達到千G級 、 連接設備密度達到每立方米數(shù)百個。

6G 的應用場景基于 5G 但是更加廣闊：空中高速上網（超越 5G 的廣覆蓋，實現(xiàn) 100%深度覆蓋，空天地皆可上網）、 全息通訊（以更加逼真的視覺、觸覺和嗅覺等多維感官數(shù)據還原和賦能虛擬世界的真三維顯示能力）、 進階智能工業(yè)（實現(xiàn)毫米級定位，深度參與工業(yè)制造中，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網更先進的解決方案）、 人體智能孿生（通過無數(shù)的人體傳感器對人體重要器官和各系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控，實現(xiàn)人體數(shù)據在虛擬世界的孿生）、 智能移動載人平臺（智能車聯(lián)網的進階，將汽車，各類飛行器，巡艦等各類載人工具組網）等方面，目前 6G 技術的趨勢在于超維度天線技術、天地大融合技術和太赫茲波段等方面。

天地大融合技術通過建立彈性可重構的網絡架構、高效的天基計算、空天地統(tǒng)一的資源管控機制、高效靈活的移動性管理與路由機制，進行天地的智能頻譜共享、極簡極智接入、多波束協(xié)同傳輸和統(tǒng)一的波形、多址、編碼等設計。未來用戶只需攜帶一部終端，便能實現(xiàn)全球無縫漫游和無感知切換。

空天地一體化網絡建設對我國具有重大意義。空天地一體化網絡通過提供全時空信息連續(xù)支撐能力，實現(xiàn)“一帶一路”周邊區(qū)域覆蓋以及“四海兩邊兩洋”覆蓋，滿足陸上重要經濟帶、海外熱點區(qū)域等信息服務的需求?？焖侔l(fā)展空天地一體化網絡技術，形成完善網絡體系，有利于占領空天技術制高點，搶占資源和技術的先機。目前，發(fā)展空天地一體化信息網絡已成為 6G 共識，并認為技術融合需要在 5G 時代起步實踐，在 6G 時代全面實現(xiàn)。

空天地一體化網絡可在多種業(yè)務場景發(fā)揮重要作用。對于環(huán)境監(jiān)測、森林防火、無人機巡檢、遠洋集裝箱信息收集等具有海量連接的通信業(yè)務場景，空天地一體化網絡可有效擴大覆蓋范圍，滿足更大連接和更低功耗的需求。針對探險活動中人員發(fā)生身體異常，通過廣覆蓋的空天地一體化網絡可以通知就近醫(yī)療護理人員，將大量人體數(shù)字孿生數(shù)據同步給遠程會診的高級醫(yī)療人員。另外，車聯(lián)網業(yè)務要求在較大范圍內實現(xiàn)高可靠、低時延通信，利用空天地網絡的廣域覆蓋性可滿足百千米范圍內車輛和路測系統(tǒng)的信息傳輸需求和實時通信。

空天地一體化融合業(yè)務涉及領域眾多

從1G到5G，移動通信技術歷經約40年的發(fā)展，終于從服務于人走向服務于行業(yè)，賦能經濟社會數(shù)字化轉型。與此同時，衛(wèi)星通信再次成為關注的重點，特別是馬斯克提出的“星鏈計劃。作為一個航天強國，我國對于衛(wèi)星通信有著很強的技術儲備。下一代6G通信技術將是一種空、天、地、海泛在的移動通信網絡，而衛(wèi)星通信在其中扮演著重要角色。在5G剛剛商用、方興未艾之際，開啟6G研究適逢其時。
編輯：lyn