习近平总书记在党的二十大报告中指出：我们要“推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。”

信息技术、人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术，具有带动性很强的“头雁”效应。但是美欧等西方国家对我们技术封锁，拒绝合作，我们怎么办？只能靠自力更生、艰苦奋斗，自信自强、踔力创新，脚踏实地的走自己的路。

信息技术、通信技术、人工智能是全球科技竞争的制高点，今天我们比以往任何时候都需要源头创新，否则我们所有的努力都将是在别人院子里建大楼。在建设“幸福中国”、“工业强国”的路上，我们必须丢掉幻想，脚踏实地做好源头核心技术创新，自立自强地实现高水平科技创新。

一、卫星通信技术

1.为什么需要卫星通信？

手机，已经串联起我们生活中的一切环节，我们随时随地拿出手机，都能畅快地上网。这一切是如此地理所当然，以至于我们甚至想不到这样不可思议的问题：移动通信网络真的无处不在吗？

我们都知道，地球虽然叫“地”球，但实际上是一个不折不扣的水球，因为陆地面积只占29%，海洋面积占到了71%。而移动通信网络仅仅覆盖了陆地面积的20%；相比之下，海洋的网络覆盖率就更低了，只有5%。总体算下来，移动通信网络只覆盖了全球不到10%的面积！

海洋里住不了人，网络没有覆盖好理解，陆地上的覆盖率为什么这么低？看下面这张图就明白了。

全球人口密度图

原来，陆地上适合人居住的地方不多。移动通信网络没有覆盖到的地方，大多是沙漠，丛林，冰原等人迹罕至的地方。但是，海洋上有各种各样的船只需要上网，陆地上人迹罕至的地区也不是完全没人去，这些边缘地带的通信需求该如何满足？此外，洪水、地震、海啸等自然灾害往往导致断电、断网、断路，使救援工作困难重重。在这样的危急时刻，如何打通救援生命线？上述问题的本质是：怎样建设一张覆盖全球，不受地面环境限制的通信网络。于是，人们把目光投向了天空，这就是“卫星通信”。

2.如何实现卫星通信？

“天”和“空”是截然不同的概念。“空”指的是地球表面到大气层之内的高度范围，通过气球、飞机、飞艇等航空器可达；而大气层之外的空间，才可以称之为“天”，一般需要通过火箭才可到达。“空”和“天”一般以海拔100千米为界，再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。

能实现“上天”的通信载体，就是各式各样的通信卫星。卫星轨道的高低一般分为低轨、中轨、地球静止轨道和高轨。

低轨（Low Earth Orbit，LEO）：距地面高度低于2000千米的卫星系统。由于低轨道卫星离地球近，有着路径损耗小，传输时延低（一般小于10毫秒）的特点。

中轨（Medium Earth orbit，MEO）：距地面高度2000km-35786Km，传输时延一般小于50毫秒，虽大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要少量卫星就可以覆盖全球。

地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）：距地面高度35786km，GEO卫星运动的角速度和地球自转相同，因此从地球上看这些卫星是相对静止的。理论上，用三颗地球静止轨道卫星即可以实现全球覆盖。但是，同步卫星有一个不可避免的缺点，就是轨道离地球太远，链路损耗严重，信号传播时延一般为250毫秒以上，远大于低轨卫星和中轨卫星。

高轨（High Earth Orbits，HEO）：距地面高度大于35786km。此外还有椭圆轨道等，相比于前面几种，这些技术的应用较少。相比之下，低轨则离地面非常近，可容纳的卫星自然就少得多。

要采用卫星来实现远距离无线通信，频谱资源也是至关重要的。随着容量的需求，卫星通信使用的频段从中频L、S波段到Ku、Ka，再到毫米波一路向上，频率越来越高，带宽也越来越大。卫星通信频段和空间轨道资源一样都属于“不可再生资源”，国际原则是“先登先占”的使用模式。目前低轨卫星的主要通信频段（Ku 和 Ka）已趋于饱和。

3.卫星通信的架构和终端

卫星通信系统的组成可以分为三部分：空间段、地面段和用户段。

空间段指的主要就是天上的由多颗通信卫星组成的星座，以及卫星之间的通信链路（ISL，Inter-satellite Link，也叫星间链路）。

地面段主要包含地球站（也可称作网关），以及业务控制、监控管理、时间注入等辅助部分。地面网络的传输、核心网等网元也可以看作地面段的一部分。

用户段指的是接入卫星的终端，主要包含天线（我们常说的“锅”）、信号处理并提供网络接入能力的设备（如路由器等）、接入网络的终端（手机、电脑等）。

农村数字连接中心（来源：Starlink）

从图可以看出，在有线网络和无线网络均没有覆盖的地方，要实现低成本上网，只需在房顶上安装卫星天线，连接室内的路由器即可实现电脑、笔记本、手机等终端共同上网。如果想在野外随时随地上网，Starlink的方案依然是携带小尺寸的电子相控阵天线和路由器。标准尺寸的天线功耗为50-75瓦，路由器也需供电，因此，车载电源是必不可少的。

目前，虽然卫星通信设备和通信资费已经大幅降价，但是对普通老百姓来说仍然很贵。

二、5G和卫星通信的融合

华为推出了支持北斗卫星短报文的Mate 50旗舰机，苹果也跟Global star（全球星）合作推出了支持卫星求救的iPhone14。这两款产品揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。据报道，华为Mate 50可以通过北斗卫星给个人定向发送文字、位置、轨迹图等信息，但内容会被审核，只有跟救援相关的信息才能被发送，而且收不到回复。

5G和卫星通信的融合具有如下特点：

1、高传输时延。GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上（针对透明转发卫星），如此高的时延将极大地影响基站和手机间交互的时效性。因此，需要对相关协议流程进行改进或者重新设计。

2、多普勒频移。由于非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动的，这会导致严重的多普勒频移。地面5G系统在一般场景下要处理的频偏是非常小的，即使是在高铁等特殊场景，也仅需考虑数千赫兹的频偏补偿。

然而对于低轨卫星系统，不但需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移，还有数十微秒的定时漂移。这些对于5G NTN系统的设计是一个巨大的挑战。

3、超大小区半径。地面蜂窝网络小区一般就几百米到几千米，超远覆盖也就到一百多千米。因此，卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显，对系统定时同步也会带来一定的影响。5G是同步通信系统，因此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。

4、移动性管理。由于非地球同步轨道卫星相对用户是高速运动的，这会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。一方面，在移动性管理决策中，需要将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换或重选；另一方面，可进一步利用小区的移动状态信息，进行预先的小区或波束切换，减少信令交互开销。这些技术上的挑战固然棘手，但没关系，只要有需求，只要市场在，随着各路专家的不懈努力，技术总会找到出路。

5 5G和卫星通信的应用

最近，美国对中国5G技术快速发展非常担忧和害怕，采取了一系列封锁和阻挠手段，让我们明白了发展还是得靠自己，靠我们强大的祖国。那么什么是5G？对比以前的1G、2G、3G、4G技术，5G技术有什么特点？从下图一目了然。

什么是5G的革命性进步呢？5G革命性进步表现在两方面：万物互联和极低时延。

（1）万物互联

欧盟估计，2020年以后全世界将有250亿个设备上网。

中国预测，2025年仅中国就将有100亿个设备上网。

国际电信联盟专家说，将来全球会有7万亿个设备上网。就是每人会有1000个设备上网！包括我们的手机、外衣外裤、皮鞋袜子、帽子眼镜、桌椅门窗、电脑U盘......也就是我们看到的所有物品都会上网。

5G之前上网的主体是人，而5G之后上网的主体是物，是万物互联，所以是一个革命性进步。现在我们家里可能都有十几个遥控器，使用起来还要寻找、区分，感觉挺不方便的。5G之后，一对一的遥控器将会消失，所有设备都会在云端进行智能的导调，将会给我们的生活提供更多方便。

5G是第一个为各类传感器、机器人、自动驾驶车辆、虚拟现实等智能设备服务的网络，5G技术将为社会发展和人类生活带来颠覆性变革，它产生的影响将不亚于电力和汽车。

（2）极低时延

5G网络具有极低时延。通过5G网络可以实时传送高清视频画面，医生可以通过智能医疗系统直接远程操控手术刀，为3000公里外的患者做人体手术！只要你所在的医院智能医疗系统设备连接上了5G，遇上突发重疾而恰巧当时没有专属专家医生，就可以邀请千里之外的顶尖医生实施紧急远程手术！

中国加油！

（孙铁）