未来无线通信：低轨道卫星系统成关键组成部分

综前所述，移动通信的每一代演进都超越并解决了上一代系统的一些问题，除了社会经济发展的需求驱动外，通信理论与技术、元器件的发展在这中间则起到了使能者的关键作用。1G建立了首个可用于通话的模拟制式的蜂窝网通信系统。2G实现了从模拟向数字通信的革命性转变，提高了通信容量、质量和安全性。3G实现了向数据传输的迈进。4G提供了移动宽带业务，使得通信进入了移动互联网的时代，并促进了电子商务的发展。到了5G时代，移动通信将在大幅提升以人为中心的移动互联网业务使用体验的同时，全面支持以物为中心的物联网业务，实现一个万物互联智能化的社会。

展望未来，有一种观点认为，移动通信的发展至今已非常成熟，如果5G网络能合理地设计部署，我们将不再需要6G、7G、8G、…，只需要一些小的改动即可满足未来社会的需要，因此未来几十年我们所面对的很可能是5.1G、5.2G、…。或者至少无线通信的演进速度可大大地降低，没有必要继续以十年一代的速度更新迭代。

此外，根据以往的经验，无线通信的发展是每十年更新一代，即所谓的“使用一代，研究一代，储备一代”。欧洲、中国、美国、日本、韩国等一些国家和地区的研究机构已经开始布局6G技术的研究，有的认为使用大于275 GHz的太赫兹频段实现进一步增强型移动宽带(高达1 Tbit/s的单用户数据传输率)是6G的关键；有的认为应该把卫星通信和地面通信有效地整合起来，实现空地一体化，以实现人类通信更大的自由度；也有的认为把人工智能和5G有效地整合起来才是关键；更有人认为，目前人类通信的瓶颈恰恰是人类的感官本身，6G应该把人的大脑通过植入芯片以近距离通信的方式联接起来。

6G的愿景又是怎么样的呢?根据以往的经验，我们可以预想，6G将利用新出现或已经成熟的技术元素解决5G中没有解决的问题。因此，上面提到的所有这些，如太赫兹通信、卫星通信、水下通信，甚至是基于人脑外部接口的近距离通信，都很可能是未来无线通信系统构成的技术元素。

2014年，SpaceX和Pay Pal的创始人Elon Musk发起了卫星互联网Star Link计划。根据这一计划，到2025年左右，SpaceX将建成完整的Star Link系统，这个系统将由环绕地球的4 425颗低轨道(LEO)通信卫星构成，这些卫星将覆盖全球所有的角落，通过Ka和Ku频段为消费者提供宽带互联网接入服务。截止到2019年11月，SpaceX已通过其Falcon 9可回收飞船发射并部署了122颗Star Link卫星，并计划于2020年上半年起在美国和加拿大开通服务。由于使用了低轨道卫星(而不是同步卫星)，其信号传输的时间延迟大大地降低了。据估计，完成所有卫星的发射并为全球提供服务可能需要5年甚至是更长时间。Star Link第一阶段轨道图如图8-1所示。

图8-1 Star Link第一阶段轨道图

与此同时，位于美国弗吉尼亚州的OneWeb也启动了包含648颗低轨道卫星的卫星互联网计划，卫星由空中客车公司(Airbus)承建，利用Ka/Ku频段为全球提供互联网服务。到2019年，OneWeb已部署了其中的6颗卫星。据估计，完整的OneWeb系统部署将在2027年左右完成。

此外，加拿大的Telesat的卫星通信公司也准备启动包含117颗低轨道卫星，利用Ka频段为全球提供互联网服务的计划，准备从2021年开始部署，2022年起开始提供互联网服务。

SpaceX、OneWeb和Telesat三大提供互联网通信的卫星系统对比如表8-1所示。

表8-1 SpaceX、OneWeb和Telesat三大提供互联网通信的卫星系统对比

在我国，航天科技集团和航天科工集团分别启动了“鸿雁”和“虹云”低轨卫星通信星座计划。

这些低轨道卫星通信计划将可能成为现有蜂窝移动通信系统的有力竞争对手。当然，它们也有可能互为补充，并一起构成空地一体的通信系统，以实现人类通信的更大自由度。因此，低轨道卫星系统很可能会成为未来无线通信系统的重要组成部分。

不过，截止到2020年4月，One Web因财务困境已宣布破产。而Starlink也面临卫星测控复杂，太空垃圾处理，星际通信困难，切换频繁等技术上的问题，以及财务和商业模式上的不确定性。卫星互联网的前景是否真的像想象得那么美好还有待进一步的观察。

2019年3月，世界第一届6G Wireless Summit在芬兰拉普兰召开。Oulu大学的6G旗舰项目根据来自诺基亚、爱立信、中国电信、三星、NTT等几十家公司的专家的预测，发布了一份6G白皮书。

白皮书认为，联合国的人类发展远景才是未来无线技术发展所应追求的目标。以此为基础，白皮书把6G定义为Ubiquitous Wireless Intelligence，即无所不在的无线智能。6G主要KPI如图8-2所示。

图8-2 6G主要KPI

5G和6G可能使用频段的特性如表8-2所示。

表8-2 5G和6G可能使用频段的特性

6G无线通信系统示意如图8-3所示。

图8-3 6G无线通信系统示意(www.xing528.com)

白皮书的主要观点如下。

·根据以往无线通信每十年一代的规律，6G通信系统将大约在2030年出现。

·未来的人类社会将是由大数据驱动的，而基于5G和6G的无所不在的无线通信则是其最关键的使能者。6G所要达到的基本目标是实现5G所遗漏的相关技术与由人工智能发展而产生的各种新的应用。

·6G的关键技术指标(KPI)将远超5G，比如，用户的峰值速率将达到100 Gbit/s～1 Tbit/s，网络的延迟将降低至0.1 ms，终端设备的电池寿命将长达20年，每立方米空间内将容纳上百个无线(终端)设备，提供相当于5G上万倍的流量，以及百万分之一的超高可靠性，能耗效率是5G的十倍以上，提供超高的定位精度(室内10 cm和室外1 m以内)。

·6G时代的生态系统和主要参与者也将和现在完全不同，1G至5G时代以网络运营商为主体的生态系统将彻底改变。

·XR将取代智能手机。VR、AR和MR技术将通过可穿戴设备(如超轻型眼镜)、各种传感设备、移动通信网络和人类感官无缝集成，取代智能手机，成为人们日常生活和工作中的重要工具。

·无线频谱将向更高的频段发展，甚至达到太赫兹的频段范围(即100 GHz～10 THz的频段，无线通信的频段越高，所能提供的信号带宽越宽，能支持传输的数据量也就越大，而传输距离和覆盖范围则会减小)，室内近距离通信将扮演更重要的角色。

·频率向太赫兹的发展将催生很多新的应用，比如三维成像和立体感知，这将在半导体器件、射频电路、光学器件等领域产生很多新的挑战和机会。

·人工智能/机器学习和数据块技术将和无线通信相结合，并在社会经济中扮演极其重要的角色。

·将出现新的无线通信物理层调制和多址技术，甚至有可能采用模拟的调制方式(以应对大带宽的应用)。

·各种传感器、图像处理技术、高精度定位技术的结合将催生很多新的应用。

·网络内在的信任和隐私保护是提供6G服务的前提。

2019年11月，中国移动研究院联合业界同行发布了中国首个6G愿景报告(《2030+愿景与需求报告》)，报告认为可持续发展是社会经济发展的长期目标，必须秉承“创新，协调，绿色，开放，和谐”的发展理念。报告基于马斯洛的人类需求层次理论，并把它拓展到了人类对于无线通信的需要，以此为依据，确定了人类社会对于6G的愿景和一些主要技术指标。

当然，这还仅是一个开头。毫无疑问的是，这些想法、愿景和技术指标对于6G概念的最终形成是会起到启发作用的。目前来讲，准确预测未来的无线通信和6G是怎么样的还很困难。可以确定的是，6G将会完成5G中所没有实现的通信需求，中低轨道卫星、太赫兹和其他新的无线通信手段可能都会成为构成6G重要的技术元素，它们将和人工智能、大数据进一步结合，以实现比5G更加完整的智能社会和人类更大的自由度。