从古至今
人们的通信方式发生了翻天覆地的变化
从早期的“输出靠吼，远处靠走”
到 “飞鸽传书”

历史的长河滚滚而流
19世纪电报机、电话的发明
使人类通信历史进入了新纪元

之后腰别BB机
手拿“大哥大”
俨然成为当时的潮流风向

到现在
5G开始慢慢进入我们的生活
当然，除了地面移动通信外
卫星通信也在不断发展

一、为什么要发展卫星通信？

1997年，美国铱星公司委托摩托罗拉公司设计了一种全球性卫星移动通信系统，耗资几十亿美元发射了六十六颗用于手机全球通讯的人造卫星，这些人造卫星就叫铱星。铱星移动通信系统使用卫星手持电话机，通过卫星可在地球上的任何地方拨出和接收电话讯号。铱星和地面蜂窝手机开始的时间差不多，如今很多人已经开始用上5G手机，但铱星公司在2000年就宣布破产了，那为什么还要花费大量金钱精力发展卫星通信呢？

卫星通信网络简介
我们都知道微波通信需要建立中继站，但是世界之大，尤其是一些偏远地区以及海上区域，仍存在无法建立中继站或维护困难等问题。要知道能通过手机信号连上互联网的区域面积，不到地球总面积的20%，全球至今还有30亿人没有接入互联网。

而卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行信息通信。卫星通信系统由、地面端、用户端三部分组成。

卫星使用的频段也是微波频段，因此也有人说其是地面微波通信的一个特例，只是把地面上的中继站设在了太空。一颗卫星发射的微波信号，能够覆盖地球面积的40%，相当于在地面架设300多个中继站，不仅可以减少中继接力次数，而且不会像在地面建设中那样受到地形的限制。

按照常识来说，频率越低，穿透性越强，越容易传播。

比如FM调频广播的频率是88~108MHz，覆盖范围从几百公里到几千公里；无线通信蜂窝网络的频率是400MHz ~ 3GHz，覆盖范围从几公里到几十公里；WiFi 网络的的通信频率是2.4~2.5GHz 和5.2~5.8GHz，覆盖范围从几米到几百米；而卫星的通信频率高达40 GHz，但通信距离却可达到3.6万千米。

那为什么卫星的通信频率这么高，却可以传输这么远的距离？

地球大气有一个电离区域叫电离层，其会对无线电波形成干扰，发生折射、反射和散射等。只有高频的微波、毫米波，才能不受干扰地直接穿透电离层。所以，卫星通信必须采用微波频段以上频率的信号，才能实现星地通信。

至于高频无线电波会在传播过程中发生高损耗，可以通过其他方式来弥补，比如提高发射功率，将天线增益做高等，相比地面的各种穿墙障碍带来的高损耗而言，卫星通信的通信环境更有优势。

通信卫星的种类
按照通信卫星的专业用途，可以分为以下几种：

• 直播卫星：直接向公众转播电视、广播节目；
• 海事通信卫星：用于海上、空中和陆地间通信，兼顾救援和导航任务；
• 跟踪和数据中继卫星：用于航天器与地球站之间的测控和中继传输数据信息；
• 导航定位卫星：美国的“全球定位系统”(GPS)、俄罗斯的“全球导航卫星系统”(GLONASS)及欧洲正在发展的“伽利略”( GALILEO)卫星导航定位系统是世界上主要的卫星导航定位系统导航定位卫星，我国也有自主研制的“北斗”卫星导航系统；
• 遥感卫星：用作外层空间遥感平台的人造卫星。

卫星的轨道配置
通信卫星依据所在的轨道可分为低轨道（LEO）通信卫星、中轨道（MEO）通信卫星、高椭圆轨道（HEO）通信卫星和静止轨道（GEO）通信卫星。目前卫星通信一般用的是静止轨道通信卫星，其距离地球表面36000kM，处于赤道上空的圆形轨道上，该轨道上的卫星运转速度与地球旋转速度同步，相对地球表面是静止的，只要三颗相隔120度的均匀分布卫星，就可以覆盖全球。

GEO主要适用于低纬度地区；HEO主要适用于高纬度地区；LEO/MEO要利用许多颗卫星实现可覆盖全球的连续通信。铱星移动通信系统利用的就是低轨道移动卫星通信系统。

卫星通信的主要优点

• 覆盖区域大，通信距离远：一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面三分之一的区域，利用三颗同步卫星即可实现全球通信，是远距离越洋通信和电视传播的主要手段；
• 通信机动灵活：不受通信两点间任何复杂地理条件或自然灾害等事件的限制；
• 具有多址连接能力：地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信；
• 通信质量高，系统可靠性高；

卫星通信的主要缺点

• 传输时延大：有着500毫秒~800毫秒的时延；
• 各卫星通信系统之间会有一定的干扰，因此要限制同步轨道的星位，不能无限制地增加卫星数量；
• 卫星发射有一定的风险，发射成功率为80%，卫星的寿命为几年到十几年；
• 在运行中难以进行检修，卫星上能源有限。

二、大厂为什么要进军卫星通信领域？

厂商纷纷发力卫星通信
前面说到目前地球上还有大部分区域无法连接互联网，除了卫星通信这一种方法外，Facebook和谷歌曾试图用无人机和气球来解决问题。2013年6月份，谷歌正式推出“Project Loon”项目，该项目主要是用热气球搭建一个无线网络，为全球提供互联网连接。

Facebook也在2015年推出了“天鹰” (Aquila)计划，利用无人机提供网络覆盖，但这一计划并没有执行多久，2018年6月Facebook宣布关闭网络无人机项目，也有人说其将改用卫星提供网络覆盖。去年7月，Facebook证实它正在开发一颗名为“Athena”的新互联网卫星，其发言人称Facebook坚信卫星技术会成为下一代宽带基础设施的重要推动者。

众所周知，“硅谷钢铁侠”马斯克名下的SpaceX公司在2015年提出的“Starlink星链计划”，旨在利用卫星开发覆盖全球的宽带网络。据估计，人类发射的卫星总数约为8500颗，而SpaceX一共计划向低地球轨道发射约1.2万颗Starlink卫星。SpaceX今年1月7号发射了第三批星链卫星后，目前共有180颗卫星被送至太空。

除了SpaceX、Facebook和Google，近年来波音、空客和亚马逊等大厂也纷纷开始关注卫星通信领域，提出了OneWeb等卫星通信系统方案。近日，也有消息称苹果开始关注卫星通信，希望可以利用卫星将互联网服务直接传送到设备上从而绕过运营商的无线网络。

国内方面，中国航天科技和中国航天科工两大集团也分别推出了“鸿雁星座”系统和“虹云工程”，“鸿雁星座”计划到2025年部署320颗卫星，“虹云工程”计划2022年部署156颗卫星。目前两个系统的首颗实验星都已于2018年底试射成功。

前面介绍卫星通信时就提到过“铱星计划”失败的前车之鉴，但从国外马斯克雄心勃勃的“StarLink星链计划”，到国内“鸿雁”、“虹云”计划的亮相，厂商们为什么还要进军卫星通信领域呢？

加紧布局的背后可不止盈利这么简单
首先提供卫星通信服务肯定有着一定的盈利能力，比如在无法接收到信号的地方收取一定的通信费用。在2016年，OneWeb就靠发射的12颗卫星为太平洋地区的群岛提供网络服务达到了近亿美元的收益。

当然，眼前可以看得到的利益自然不是最重要的考量因素，卫星频率和轨道资源才是争抢背后的最大原因。

我们知道蜂窝移动通信的频谱资源是非常宝贵的，而对于卫星通信来说，卫星频率和轨道资源是所有卫星系统建立的前提和基础。卫星应用的大量增加使卫星频率资源日益紧张，而卫星的空间资源都是有限的，其在运行过程中又必须占据某个轨道位置，因此卫星频率与轨道资源成为了世界各国必争的宝贵的战略资源。

也有一些组织先占领轨道位置及频率而后发射卫星，然而许多卫星仅仅是作了书面登记，成为所谓的纸面卫星。就国际电联（ITU）登记情况看，地球静止轨道上C频段(4-8GHz)通信卫星已近饱和，Ku频段(12-18GHz)通信卫星也很拥挤。因此抢占卫星频率/轨道资源，争夺太空优势，已成为当今卫星发展领域的热点之一。

看到这里，企业争相进军卫星通信领域的行为就很容易理解了，相比眼前的利益，长远来看，抢占轨位和卫星频率才是真正的考量因素。

三、卫星通信未来发展趋势

1.卫星+5G的融合
传统上，卫星通信一直是独立的，并与移动网络的技术领域有所区分，但随着5G的发展与应用，卫星通信与5G的融合已成为现在社会的研究热点。那么卫星通信和5G之间，会有哪些联系？又存在哪些技术难题呢？

银河航天创始人兼CEO徐鸣曾表示，以往的通信方向是地面的运营商通过铁塔、基站、各种路由器光纤，来提供商业联网的服务，“卫星网络和地面网络就像‘两层皮’，融合困难”。而LEO卫星成了5G网络标准的一个通信节点，“5G卫星通信就好比是在天上修建一条高速公路，直接从空中把信号连接到目标区域上空。”

在业界普遍比较认同的是，现阶段5G地面移动和卫星网的融合是不同的接入网加统一的核心网。

然而，卫星链路引起的延迟是“5G卫星的最相关问题之一”，通过在边缘进行缓存可以避免这种情况的发生。

如上图所示，GEO卫星链路连接中央5G核心网络和多个远程5G移动边缘。在农村或偏远地区，卫星可能是唯一的回程选择，但在其他地区，卫星仍可以与地面方式结合使用。在CDN中，卫星的作用是离线传送内容到移动边缘，并将其缓存在本地MEC服务器上。这样，本地用户将能够访问MEC服务器上预先缓存的内容，从而增强用户体验，减少5G核心的内容流量。

未来，互联网需要融合两个基本网络：由地面蜂窝网组成的局域网部分和由卫星网络组成的全局网部分。

2. 6G=5G+卫星？
有人说，6G等于5G加卫星？首先我们先来了解一下6G的概念。

5G的愿景是“信息随心至，万物触手及”，强调信息交互、万物可连接。而6G发展的愿景为“一念天地、万物随心”，“念”强调的是实时性和思维与思维通信的深度连接；“天地”指的是真正实现空天地海一体化的“泛在连接”；而这里的“随心”则体现了无处不在的沉浸式全息交互体验，即全息连接。

2017年11月，英国电信集团（BT）首席网络架构师Neil McRae对6G通信进行了展望，他认为5G将是基于异构多层的高速因特网，早期是“基本5G”（将在2020年左右进入商用），中期是“云计算+5G”，末期是“边缘计算+5G”；6G将是“5G+卫星网络（通信、遥测、导航）”。

但也有人认为即使是引入了卫星通信，6G也不会完全是卫星通信。

因为卫星通信使用的频谱比较高，在有阻挡的区域就难以实现覆盖，尤其是城市这种高楼大厦比较多的地方。所以其认为6G即使引入了卫星通信，它的目的也是要覆盖一些无阻挡的，而基站覆盖不到的地方，比如偏远或海上地区。对于城市、室内这些区域，还必须依靠基站来覆盖，卫星通信只是作为基站无法覆盖区域的补充。

另一部分人觉得，“6G=5G+卫星”这个说法不够全面，他们认为6G为“人工智能+地面通信+卫星网络”，基于AI技术构建6G网络将是必然的选择。

在现代化的背景下，卫星通信产生了革命性的变化，其应用前景十分广阔，但仍有资源有限等问题等待解决，总而言之，未来的发展还有很长的一段路需要探索。

参考链接：
1. http://www.txrzx.com/info501.html
2.https://www.comsoc.org/publications/ctn/satellite-communications-5g-promising-yet-challenging
3. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1627777871719382612&wfr=spider&for=pc
4. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1642122181689365339&wfr=spider&for=pc
5. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1630032388324970641&wfr=spider&for=pc
6.https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%AB%E6%98%9F%E9%80%9A%E4%BF%A1/413212?fr=aladdin