天基互联网与未来6G地基互联网比较分析
2020-06-03 06:58:37
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 来源:战略前沿技术  

马斯克的天基互联网与未来6G

地基互联网优劣比较分析

吴明曦,远望智库特约专家

马斯克的“天基互联网”与华为6G为代表的“地基互联网”,未来谁更有优势?这是大家比较关心的问题,下面做一个简要分析。

马斯克在2017年提出了由11943颗小卫星组成的 “星链计划”,去年10月又追加了30000颗,最终形成42000个小卫星组成的 “天基互联网”。笔者以为,原先提出的11943的“星链计划”目标是解决骨干网,代替现有的海底光缆和电信运营商,不一定面向用户终端,但42000颗小卫星成网后,预计还包括直接用卫星天线实现端到端通信服务内容。其前期通信频率选择Ku波段(频率为12~18GHz)和Ka波段(频率为27~40GHz),后期选择在V波段(频率为46~56GHz),其频率多数在毫米波段(30G~300GHz),典型下行通信速率计划达到17~23 Gbps(吉比特/秒)。以华为6G为代表的未来地基互联网,也在毫米波段,虽然还未公布具体频段,但是与马斯克存在交叉的可能性比较大。两个未来互联网相比较,马斯克的“天基互联网”优势有三个,劣势有六个。

三个优点:一是全球覆盖,包括南北极、人烟稀少地区都能接收使用,而6G地面互联网主要是根据人口密度来设置网络覆盖;二是天上卫星数量比地面基站数量相对少,信号传输比地面跨海、跨洋远距离传输更为直接;地面近距离端到端传输优势明显,但新增基站数量肯定巨大;三是抢占了轨道和频谱资源,国际电联ITU规则规定,遵循先登先占的原则,因此马斯克抢占了资源先机。

马斯克天基互联网的劣势主要有六个方面:

一是难度大。4万多颗小卫星的研究制造及其发射、运控、维护、维修、补发和能源风险,比地面6G互联网大得多,庞大的卫星群容易造成空域堵塞,回收成为马斯克无法回避的难题。星上能源也是一个突出问题,存在较大风险,目前天上只能用太阳能,同位素核电源存在核泄漏风险不敢用。而地面基站和电信运营中心,能源选择余地大得多,可以选择传统的电力能源,也可选择新能源。

二是寿命短。目前“星链计划”公布的卫星寿命是5~7年,如要延长寿命,在轨维修和器件更换极其困难;而地面基站的寿命肯定比它高,且便于维护。

三是时延长。从技术上分析和专家估计,天基互联网的时延超过15毫秒以上。星链计划高轨在1200公里,低轨在340公里,收发双向距离在680公里~2400公里,远距离收发信号传输空间距离就超过8ms,加上天上信息处理、地面转发到终端接受,至少在15毫秒以上,甚至与目前4G的时延(50 ms~100 ms)差不多。而地面5G端到端通信时延可以控制在1毫秒以内(典型端到端平均5~10毫秒),而6G时延可能会更短。两相比较,天基互联网时延高出一个数量级甚至更多。

四是兼容性差。由于天基互联网整个系统是另起炉灶,与传统的基站、电信运营商、用户终端系统不存在继承性和兼容性,与相关利益方共享困难。而6G地基互联网是依托原有4G、5G的基础上延长、跨越和提升,与原有产业链存在“共享、共建、共赢”的关系。马斯克发射、测控、卫星研制、运营服务都自己干“一家独大”的做法,会面临整个产业界的阻力。

五是风险大。天基互联网是从零开始,今年计划发射1000多颗卫星,在北美做高轨试验,然后再向全球推广,需要解决可靠性、稳定性、安全性、保障性、抗干扰性等一系列工程化、实用化问题,结果好坏目前还不得而知,有待验证和评估。天上中低轨卫星塞得满满的,自身相互碰撞、与其他系统碰撞的几率大大增强,未来怎么避免,这也是马斯克面临的一大难题,而且还不是他能够完全控制的问题。再加上天上卫星过多,电磁频谱信号过密,可能会影响地面对宇宙、天文的观测,存在空间碎片增多的风险。尤其是用户使用时,还须通过地面站中转或者在室外安装一个0.48米的卫星天线锅转发,给终端用户带来了很大不便。而6G地基互联网相关问题解决就容易得多,有些问题根本就不存在,风险比较小。

六是成本费用高。即使每次成功发射60颗卫星,平摊下来每颗卫星发射成本也在300万人民币以上,加上卫星本身的研制费用(50~80万美元),预计在100~200万美元,即每颗卫星平均在1000万人民币左右。42000个卫星,加起来约4200亿人民币。前期计划建设地面转发站100万个(北美地区),全球地面站建设可能会接近1000万个,即使每个站按10万人民币计算,也在10000亿人民币以上。总计,天基互联网的建设总费用约在1万5千亿人民币左右。这还不包括发射失败和后期维护、维修、回收的成本。马斯克表示,天基互联网最终用户每年费用在100~300美元,真要把全成本费用分摊进去,把折旧也算上,估计这个指标很难实现。

马斯克现在是快马加鞭,想用五年左右的时间全部建完。也就是说,赶到全球6G在2030年成熟之前就投入使用,大概有五年的时间差。但这是一切都很顺利的情况下的计划安排,一旦中间遇到问题(如建设资金筹措不利)或发射失败,有可能还得往后推。

最后,两个互联网谁能胜出,最终体现在综合成本上,谁的成本低、用户交钱少,谁就能赢。据工信部公布的数据,截止2019年5月,我国建成437万4G地面基站,占全球一半以上,有230多万个2G、3G基站,新建5G基站35万个,5G基站总数占全球70%。据悉,美国4G基站有20多万个,依托现有基站向5G、6G拓展,差距实在太大,成本很高。如果以华为为代表的6G地基互联网,全球新增基站或者通信杆数量不超过1000万个,平均每个基站或者通信杆新建或改造费用,平均控制在10万人民币计算,寿命以15年计算(卫星寿命的两倍),总建设费用控制在1万5千亿人民币以内,后期服务运营费控制在150美元,就比马斯克的天基互联网有成本优势,加之地基互联网还有很多其他优点,最终就能打败“天基互联网”。

总之,马斯克的天基互联网创新性强,但风险很高,搞不好就会成为第二个“铱星”系统,最终成本费用得不到用户认可而破产,最后再次被美国军方接管!不过,马斯克的天基互联网在军事上的应用意义十分重大,这是另外一个我们必须高度关注的重大问题!

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