移动蜂窝通信从1G向5G演进,并可以提供宽带互联网接入?

5G资讯】卫星互联网在国内也搭上了政策的顺风车,加上马斯克的天才形象和 Starlink 计划给人颠覆性的感觉,使其成为社会上备受关注的一个领域。有自媒体为了吸引眼球,甚至打出“Starlink 将颠覆 5G”的观点。不可否认,Starlink 带来了很多创新的做法,但颠覆 5G 还只是一个臆想。

继上周载人发射成功后,6 月 3 日,SpaceX 的猎鹰 9 号火箭将 60 颗卫星成功带入地球轨道,这是 SpaceX 发射的第八批星链(Starlink)卫星。截止目前,马斯克的 Starlink 在轨运行的卫星总数已达到 482 颗。当然,按照马斯克的计划,整个 Starlink 需要发射 4.2 万颗近地轨道卫星,目前仅进行不足 2%的进度。

今年 4 月,国家发改委明确了“新基建”的内涵和外延,卫星互联网也纳入了新基建的范围。在上月结束的“两会”上,小米公司创始人雷军作为全国人大代表,提出了《关于推动卫星互联网行业发展的建议》。

卫星互联网在国内也搭上了政策的顺风车,加上马斯克的天才形象和 Starlink 计划给人颠覆性的感觉,使其成为社会上备受关注的一个领域。有自媒体为了吸引眼球,甚至打出“Starlink 将颠覆 5G”的观点。不可否认,Starlink 带来了很多创新的做法,但颠覆 5G 还只是一个臆想。

卫星互联网已经“今非昔比”,有其广阔天地

提起卫星互联网,大家第一印象就是 20 多年前摩托罗拉推出的宏大“铱星计划”和其暗淡收场的故事。然后就是近年来多个卫星互联网公司前赴后继的现象,尤其是进入 2020 年,全球最大的卫星服务商 Intelsat 和明星卫星互联网公司 OneWeb 相继因巨额债务申请破产,然而依然不能阻挡人们在卫星互联网方面探索的热情,Starlink 就是其中最为积极的探索者之一。当然,随着时间推移,卫星互联网已经“今非昔比”,多个方面发生了实质性的改变,给予这些创新者更好的条件。

(1)卫星互联网“基建”的成本大大降低:经过十多年技术迭代,商业卫星的研发费用大大减低,而发射成本也显著降低,这方面 Starlink 具有明显的优势,比如 SpaceX 实现了可回收火箭技术,可以实现一箭多星发射。近日,媒体报道 SpaceX 采用了很多工业级器件替代宇航级器件,从而大大降低相应成本。成本的大幅下降,给卫星互联网创新提供了基础条件。

(2)卫星互联网性能大大提升:正如移动蜂窝通信从 1G 向 5G 演进类似,卫星星座也开始了升级换代,其性能大大提升,从而扩大其服务范围。比如,以前仅能提供短报文服务,现在能够提供宽带互联网接入、提供空中 WiFi 接入、提供物联网接入等。

(3)卫星互联网应用场景更加丰富:伴随着移动互联网和物联网的发展,各行各业数字化转型需求越来越明显,形成大量的应用场景,尤其是物联网的需求,很多行业产生无处不在、随时随地接入的需求。这种情况下,很多地面通信无法满足的场所,卫星通信的作用就凸显出来,同时也扩大了卫星通信运营商和服务商的商业范畴,带来新的商业模式。

因此,基于以上进展,卫星互联网已不再是 20 年前高成本、低收益的领域,而是形成了广阔的市场空间。当然,卫星互联网尤其特殊的功能和场景,不能将其和 5G 的功能和场景混为一谈。

然而,Starlink 替代 5G 依然是一个“白日梦”

包括 Starlink 在内的卫星互联网已经在为全球大量用户提供服务,包括很多行业用户的应急通信、物联网等应用和少量个人用户偏远地区的通信服务。从多个角度仔细分析卫星互联网和它们的应用,明显可以看出一些自媒体宣扬的“Starlink 颠覆 5G”并没有事实依据。

(1)从技术角度看基础设施部署

此前,卫星互联网话题专访过中国信科副总经理陈山枝,陈山枝明确指出:

“所有通信系统容量上限都受制于香农公式:C=Wlog2(1+S/N),与采用的频率带宽及通信信道的信噪比有关。由于卫星与地面终端的通信距离、所受的噪声和干扰都大于地面蜂窝移动通信系统,结果是卫星通信的频谱效率远低于同期的蜂窝移动通信系统,这是科学,不是马斯克的商业奇才能够颠覆的。”

根据陈山枝的测算,目前 Starlink 低轨卫星平均频谱效率约在 2.5bit/s/Hz,只达到 3G 水平;而目前 5G 是平均频谱效率 10 bit/s/Hz 以上,约 4 倍以上。若 Starlink 要颠覆 5G,实现与 5G 相当的系统容量,至少要提供相当于 5G 基站数量的卫星。

根据工信部的数据,截止 2019 年底,国内 4G 基站已超过 500 万。未来 5G 要实现 4G 的覆盖,其基站数量可能是 4G 的 2 倍以上,即有可能超过 1000 万。以此计算,Starlink 要颠覆 5G,至少需要发射 1000 万颗卫星,而马斯克计划的 4.2 万颗卫星是远远不够的。

马斯克 4.2 万颗卫星已经让世人非常震撼了,发射 1000 万颗以上的卫星,不论是从成本上,还是从低轨容量上看,这似乎是一个不可能的任务。

(2)用户和成本收益角度看服务范围

首先是卫星互联网服务群体

从 Starlink 的官网可以看到,其愿景是“为那些接入不可靠、昂贵或无法接入的区域提供高速宽带接入”。所以,从这一愿景中我们就能明显看出其服务的目标对象只是少数用户,而不是像 5G 那样面向所有行业和所有个人、家庭。

“接入不可靠、昂贵或无法接入的区域”范围也非常广阔,毕竟包括 5G 在内的移动通信主要覆盖的还是人口密集的区域,而这些区域占据全球陆地的面积 20%左右,还有广阔的森林、沙漠、高山、滩涂以及更为广阔的海洋都没有有效的通信手段,这些就是卫星互联网的用武之地,为应急通信、森林防火、船只航行、环境监控、电力巡检等行业应用形成较好的基础设施,甚至包括一些偏远地区 5G 接入网的回传。

其次是卫星互联网的收益来源

根据 Starlink 计划披露的信息,一些媒体测算过其背后的商业利益,如果一切按照 SpaceX 计划,Starlink 到 2025 年的用户将超过 4000 万,当年收入会达到 300 亿美元。也就是说,平均每一用户年均收入是 750 美元,约合人民币超过 5200 元,这还是 2025 年的户均费用。这个数字是什么概念呢?

与蜂窝通信相比,以中国移动公开的数据为例,2019 年中国移动 4G 用户 ARPU 值为 56.4 元,则每用户年均收入为 677 元,而 5G 的 ARPU 值仅比 4G 高 6.5%,到 2025 年 5G 每用户年均收入与目前不会有太大差距。以 5G 单用户年均 600 多元与 Starlink 单用户年均 5200 元成本相比,Starlink 能够颠覆 5G 吗?

从这个角度看,Starlink 的用户并不会和 5G 普通用户有太多重合,而更多是一些支付能力较强的用户。根据自媒体“量子位”的报道,Starlink 计划获得美国军方的订单,可以看得出 Starlink 未来所服务的并非普通移动通信用户。

那些鼓吹“Starlink 颠覆 5G”群体,你们愿意为每年 750 美元的通信费买单吗?

卫星互联网与 5G 的争夺焦点:频谱资源

马斯克一向针对 5G 很少发表看法,然而今年 2 月,马斯克曾发布推特,抱怨 5G 在频谱获取上非常贪婪,可以看出背后是对频谱资源在卫星和蜂窝网络之间分配的不满,也从一个侧面反映了其 Starlink 进展并非一帆风顺。

卫星互联网与蜂窝网络一个典型的区别在于,卫星基础设施建成后,可以为全球提供服务,而蜂窝网络只是在本地提供服务。理论上来说,蜂窝网络只要符合本地频谱划分和管理制度即可,而卫星互联网必须符合全球统一的频谱划分规则。因此,频谱资源对于卫星互联网更为珍贵。

大部分卫星采用的是 Ku、Ka、V 等波段,即 12GHz-75Ghz 频段,也有一部分使用 C 波段,即 4GHz-8GHz。然而,随着蜂窝通信的快速发展,尤其是 5G 的商用,蜂窝通信与卫星通信频谱之争也愈演愈烈。

举例来说,上文提到的全球最大的卫星服务商 Intelsat 申请破产,一个插曲是在 5G 浪潮席卷全球的趋势下,美国联邦通讯委员会发布了加速清除 C 段波频谱的指令,以支持美国 5G 无线基础设施的建设。按照规则,Intelsat 公司作为使用 C 段波频谱的公司之一,需要在限定期限内交出 C 段波频谱,才能获得拍卖带来的 48 亿美元补偿金。但想要获得这些补偿金,则需要 Intelsat 在规定的时间内筹集 10 亿美金,对 C 段波频谱中的客户进行迁移。而美国运营商在毫米波频段部署 5G 网络,也在多个方面与卫星通信产生一些冲突。

去年 12 月,SpaceX 曾卷入了一场对于 12GHz 频段的争夺。运营商希望联邦通讯委员会发布新规,允许其在 12GHz 频段建设 5G 网络。而 SpaceX 对此提出反对,认为对于 12GHz 的重新分配,将对 SpaceX 服务的客户造成很大影响。

这也许是马斯克发推特抱怨 5G 在频谱获取上贪婪的原因。然而,在现实中,似乎 5G 与卫星通信在频谱争夺中,5G 的群体占据有上风,卫星互联网的创新者们还需要更多努力,争取频谱资源,毕竟频谱也是卫星通信的资源瓶颈。从这里来看,Starlink 颠覆 5G 也是一件不可能的任务。

总结一下,卫星互联网与 5G 明显不是替代、颠覆的关系,它们有各自的特点和应用场景、应用群体。目前,国家将卫星互联网列入新基建之中,可以看出卫星互联网在经济社会中的地位越来越高,与 5G 等其他新基建的领域一起,构筑我国数字经济的基石。

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