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        揭秘衛星互聯網!6G關鍵技術,國內行業雛形初現:智東西內參

           日期:2021-04-02    
        核心提示:5G的已經全面展開商用,人類的通信技術再一次走上了快速發展期。未來,隨著火箭回收、低軌衛星和6G技術的發展,科幻式的通信方式似乎離我們也不遠了。2019 年工信部成立了 6G 研究組,推動 6G 相關工作。同年 4 月,奧盧大學舉辦了世界首個 6G 峰會。6G 有望達成更進一步的技術指標:空口延遲低于 0.1ms,網絡深度覆蓋率達到 100%,毫米級感知定位,單位功耗大幅度降低,傳輸帶寬將達到 TB 級,連接設備密度達到每立方米數百個。2020 年 4 月 20 日,國家發改委首次明確“新基建”范圍,并將

        5G的已經全面展開商用,人類的通信技術再一次走上了快速發展期。未來,隨著火箭回收、低軌衛星和6G技術的發展,科幻式的通信方式似乎離我們也不遠了。2019 年工信部成立了 6G 研究組,推動 6G 相關工作。同年 4 月,奧盧大學舉辦了世界首個 6G 峰會。6G 有望達成更進一步的技術指標:空口延遲低于 0.1ms,網絡深度覆蓋率達到 100%,毫米級感知定位,單位功耗大幅度降低,傳輸帶寬將達到 TB 級,連接設備密度達到每立方米數百個。2020 年 4 月 20 日,國家發改委首次明確“新基建”范圍,并將衛星互聯網納入通信網絡基礎設施范疇。目前,國內多家企業已經開始積極布局衛星互聯網產業。

        本期的智能內參,我們推薦開源證券的報告《5G+ 時代,星鏈計劃和 6G 齊閃耀 》,揭秘6G和衛星互聯網的布局與發展。

        本期內參來源:開源證券

        原標題:

        《5G+ 時代,星鏈計劃和 6G 齊閃耀 》

        作者:趙良畢 戴晶晶

        一、通信技術——每十年一次的巨變

        移動通信技術推動著信息技術產業的快速發展,改善了人們的生活水平,促進了社會的發展和繁榮。從上世紀80年代開始,移動通信技術每近十年就會出現一次新的變革。

         

         

        ▲ 移動通信技術從 從 1G 向 5G 演進

        1G 即第一代移動通信技術,是以模擬技術為基礎的蜂窩無線電話系統。起源于20 世紀 80 年代,完成于 20 世紀 90 年代,主要采用的是模擬調制技術與頻分多址接入(FDMA)技術,這種技術的主要缺點是頻譜利用率低,信令干擾話音業務。

        1G時代,頻分多址(FDMA )是一種最基本的多址接入方式。FDMA 以載波頻率來劃分信道,每個信道占用一個載頻,相鄰載頻之間應滿足傳輸帶寬的要求。在模擬移動通信中頻分多址是最常用的多址方式,每個載頻之間的間隔為 30kHz 或 25kHz。在FDMA 技術下,不同的用戶占據不同的頻段,從而避免了相互干擾,實現了區分。

        2G 即第二代移動通信技術,主要采用數字的時分多址(TDMA )和碼分多址(CDMA )技術。在 2G 技術下,無法直接傳送如電子郵件、軟件等資訊;只具有通話、和一些如時間日期等傳送的手機通信技術規格。不過手機短信 SMS(Shortmessage service)在 2G 的某些規格中能夠被執行。

        第二代移動通信數字無線標準主要有:歐洲的 GSM 和美國高通公司推出的 IS-95CDMA 等,我國主要采用 GSM,美國、韓國主要采用 CDMA。

        3G 即第三代移動通信技術,其最基本的特征是智能信號處理技術。智能信號處理單元將成為基本功能模塊,支持話音和多媒體數據通信,它可以提供前兩代產品不能提供的各種寬帶信息業務,例如高速數據、慢速圖像與電視圖像等。

        3G 系統的通信標準共有 WCDMA ,CDMA2000 和 和 TD-SCDMA 三大分支。在中國,中國移動采用 TD-SCDMA,中國電信采用 CDMA2000,中國聯通采用 WCDMA。

         

         

        ▲3G通信標準

        4G 即第四代移動通信技術,主要是以正交 頻分復用(OFDM )為技術核心。4G技術是集 3G 與 WLAN 于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。

        正交頻分復用(OFDM )是一種無線環境下的高速傳輸技術。OFDM 技術的特點是網絡結構高度可擴展,具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力,可以提供無線數據技術質量更高(速率高、時延小)的服務和更好的性能價格比,能為 4G 無線網提供更好的方案。

        5G 是最新一代蜂窩移動通信技術。5G 并不是獨立的、全新的無線接入技術,而是對現有無線接入技術的技術演進以及一些新增的補充性無線接入技術集成后解決方案的總稱。

         

         

        ▲5G 移動通信存在三大關鍵技術

        二、衛星互聯網,5G中后期新技術

        衛星互聯網是一種 基于衛星通信的互聯網 ,可實現多地球站間通信。衛星互聯網是指基于衛星通信技術,通過發射特定數量衛星形成規模組網,向地面和空中終端提供寬帶互聯網接入等通信服務的新型網絡。

         

         

        ▲衛星通信原理

        衛星互聯網的發展存在三個階段:

        1、與地面通信網絡競爭階段,提供語音、低速數據、物聯網等服務。隨著地面通信系統的快速發展,衛星通信系統在通信質量和資費價格等方面漸漸處于劣勢,在競爭中落敗。

        2、對地面通信網絡補充階段,以新銥星、全球星和軌道通信公司為代表,對地面通信系統進行補充和延伸。

        3、與地面通信網絡融合階段,以 OneWeb、SpaceX 等為代表的公司正在主導新型衛星互聯網星座建設,衛星工作頻段逐漸提高,衛星互聯網建設逐漸步入寬帶互聯網時期。

         

         

        ▲衛星互聯網發展階段

        衛星按照軌道高度主要分為低、中、高軌三大類。其中,低軌衛星擁有傳輸時延小、鏈路損耗低、發射靈活等優勢,衛星互聯網業務的主流實現方式。

         

         

        ▲衛星分類

        具體來說,低軌衛星系統有以下兩大優勢:

        1、可實現全球互聯網無縫鏈接服務。傳統高軌同步軌道衛星建設成本高,存在通信盲區,時延長且帶寬有限,已無法滿足全球海量互聯的容量需求。相比之下,低軌衛星系統傳輸時延更低,可靠性更高,損耗較高軌低 29.5dB,能夠實現全球互聯網無縫鏈接服務。

         

         

        ▲低軌衛星優勢

        2、低軌衛星通信核心應用場景包括 偏遠地區通信、海洋作業及科考寬帶、航空寬帶和災難應急通信 等。其中,偏遠地區應用市場主要包括衛星電話、互聯網電視和衛星寬帶;海洋作業及科考應用市場包括衛星定位和海事衛星電話;航空應用市場主要為機載 Wifi;災備應用市場包括應急呼叫、數據保護與恢復和異地災備系統等。

         

         

        ▲低軌衛星通信核心應用場景

        近年來,OneWeb、SpaceX 等公司的主導下,衛星互聯網行業走上了快速發展期。從2014年起,我國針對該行業出臺了一系列措施,積極推進衛星應用產業和商業衛星發展。特別是,國家發改委于 2020 年 4 月 20 日首次明確了“新基建”范圍,包括信息基礎設施、融合基礎設施和創新基礎設施三個方面。其中,信息基礎設施主要是指基于新一代信息技術演化生成的基礎設施,包括 5G、物聯網、工業互聯網和衛星互聯網等。衛星互聯網在國家層面首次被納入通信網絡基礎設施范疇。

         

         

        ▲我國衛星互聯網產業政策

        國內多家企業已開始積極布局衛星互聯網產業。“十三五”期間,以中國航天科技和中國航天科工為主的兩大央企分別提出了“鴻雁星座”和“虹云工程”低軌衛星互聯網計劃,并發射了試驗衛星。其中,“鴻雁”星座是國內首套全球低軌衛星移動通信與空間互聯網系統,可在全球范圍內實現寬帶和窄帶結合,為用戶提供實時雙向通信。

        “虹云工程”星座則致力于滿足全球移動互聯網的高速接入需求,由 156 顆低軌衛星組成,每顆衛星最大支持速率為 4Gbps。目前,國內多家企業已經開始積極布局衛星互聯網產業,隨著計劃逐漸啟動,我國衛星互聯網產業有望迎來快速發展。

        衛星互聯網產業鏈分為 衛星制造、衛星發射、地面設備、衛星運營及服務四個部分。其中,衛星制造分為衛星平臺和衛星載荷;衛星發射包括火箭制造和發射服務;地面設備包括固定地面站、移動站和用戶終端;衛星運營及服務包含衛星移動通信服務、寬帶廣播服務和衛星固定服務。根據賽迪智庫測算,預計到 2030 年,中國衛星互聯網整體市場規??蛇_千億。

         

         

        ▲衛星互聯網產業鏈

        預計 2023 年我國低軌衛星互聯網衛星制造環節將迎來投資高峰。2020 年是衛星互聯網元年,根據未來智庫數據,預計 2023 年左右我國低軌衛星互聯網衛星制造環節投資規模將迎來高峰。

         

         

        ▲我國低軌衛星互聯網衛星制造投資規模預計將在 2023 年迎來高峰

        根據《2018 年中國商業航天產業投資報告》數據顯示,預計到 2025 年前我國將發射約 3100 顆商業衛星,單顆衛星制造成本為 429 萬美元,而 Starlink 和亞馬遜單顆衛星的制造成本僅為 50萬和 100 萬美元。對比來看,我國衛星制造成本仍有進一步優化空間,未來衛星制造企業有望提升其毛利率和競爭力,或將持續受益。

        成本的降低可以從以下四個部分入手:

        火箭回收技術?;鸺厥占夹g,是指火箭發射后回收并重復使用的技術,可實現資源的回收利用,提高火箭的重復利用率,降低成本。據 SpaceX 官網顯示,其“獵鷹 9 號”火箭第一次發射時的報價為 6198 萬美元,第 13 次發射時報價僅為 288 萬美元,為首次報價的 4.65%,大幅降低了發射成本。

        “一箭多星”。衛星發射環節主要包括火箭制造以及發射服務?;鸺圃彀ㄍ七M系統、箭體制造、遙測系統、發動機制造、制導和控制系統、安全自毀系統和其他組件;發射服務包括火箭控制系統、逃逸系統、發射及遙測系統和發射場建設。近年來,我國火箭發射技術實現明顯突破,“一箭多星”、火箭回收利用等技術直接推動了發射成本的降低。

        “天地一體化+ 商業運營”新模式。“十三五”期間,我國運載火箭技術研究院研制的火箭先后為老撾和白俄羅斯等國提供國際商業發射服務。2015 年,火箭院在老撾一號廣播通信衛星項目中首創“天地一體化+商業運營”新模式,拓展了國際商業發射市場新思路,增強了長征系列運載火箭的國際競爭力。

        運營服務是衛星產業價值鏈中占比最高的環節,通信衛星運營是重要組成。隨著技術進步、市場需求增長和商業化程度的提升,衛星在通信、氣象、遙感、廣播、導航等領域均發揮重要作用,應用領域不斷豐富。

        根據美國衛星產業協會統計數據顯示,2018 年全球衛星產業總收入為 2774 億美元,同比增長 3.3%;衛星服務實現收入 1265 億美元,占衛星產業收入的 45.6%。其中,通信衛星運營是衛星服務業的重要組成,包括衛星廣播、衛星固定、和衛星移動服務等。

         

         

        ▲衛星運營與服務占比最高

        北斗三號系統全面建成,推動產業再上新臺階。2020 年 7 月,北斗三號全球衛星導航系統正式開通,我國成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。隨著該系統全面建成,我國衛星導航與位置服務產業將步入長期穩定增長階段,根據中國衛星導航定位協會此前發布的《2020 中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》數據顯示,2019 年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達 3450 億元,未來有望形成數萬億規模的時空信息服務新市場。

        目前,國家正積極推進“新基建”發展戰略,而基于北斗精準時空技術的應用,正是新型基礎設施建設邁向數字化、智能化,實現升級改造不可或缺的重要抓手,將成為推進衛星導航與位置服務產業發展的重要力量。

         

         

        ▲北斗全球衛星導航系統全面建成,性能進一步提升

        三、星鏈計劃

        星鏈(Starlink )計劃是 SpaceX 于 2015 年推出的為全球用戶提供高速快捷 衛星射 網絡通信的計劃,目前已發射 1205 顆“星鏈”衛星。2015 年,SpaceX 公司提出Starlink 計劃,利用大量低軌高通量衛星組成星座,為全球用戶提供高速快捷的網絡通信。根據 SpaceX 官網信息,美國東部時間 2021 年 3 月 4 日上午,SpaceX 將新一批 60 顆 Starlink 互聯網衛星送入軌道,這次發射使已發射 Starlink 衛星總數達到 1205顆。

         

         

        ▲星鏈計劃目前已發射 1205 顆“星鏈”衛星

         

         

        ▲Starlink 具有低延時、易于設置和兼顧偏遠地區三大優勢

        Starlink 分三步實現全球組網,共發射約 1.2 。 萬顆衛星。Starlink 計劃分為三步:

        1、發射 1600 顆低軌近地衛星實現初步覆蓋,分布 32 條軌道,每條軌道 50 顆衛星;

        2、分四組共發射 2825 顆衛星實現全球組網,每組軌道數和軌道傾角有所不同;

        3、發射 7518 顆衛星組成低軌星座。其中,前兩步衛星工作頻率在傳統的 Ka、Ku 波段,第三步在頻率 40GHz 到 75GHz 的 V 波段。

        作為馬斯克旗下的一部分,星鏈計劃和 Tesla 自動駕駛汽車可形成協同作用。車輛的車載設備通過無線通信技術,在車輛運行時不僅能夠為車與車之間的距離提供保障,還可以幫助車主實時導航,提高交通運行效率。Tesla 使用 Starlink 服務,一方面可將衛星接收器添加到Tesla 車輛中,使每種 Tesla 車型都可直接連接到 Starlink 網絡,另一方面 Tesla 可通過 Starlink,將無線軟件更新推送到其所有車輛。

        星鏈計劃應用于遠程醫療,幫助土著部落成員進行醫療保健服務。遠程醫療是指依托計算機技術和遙感、遙測、遙控技術,發揮大醫院或??漆t療中心的醫療技術和醫療設備優勢,對醫療條件較差的偏遠地區、海島或艦船上的傷病員進行遠距離診斷、治療和咨詢,不僅可以降低運送病人的時間和成本,還可以使醫生突破地理范圍的限制,共享病人病歷,診斷照片。2020 年 12 月,SpaceX 與加拿大 FSET 信息技術公司合作,將 Starlink 互聯網服務帶入土著部落。目前,其 3000 名成員已經能夠享受醫療保健服務等各項內容。

        星鏈計劃助力 VR 。 高清直播。VR 是一種能夠創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統,它利用計算機生成模擬環境,使用戶沉浸其中,具有沉浸性、交互性、和自主性等特性。2018 年 9 月,SpaceX 宣布日本億萬富翁企業家前澤友作成為 SpaceX 繞月飛行任務的第一位付費乘客。該計劃預計于 2023 年實施,旅程將進行高清 VR 直播,SpaceX 會使用星鏈計劃的中繼衛星來處理月球遠端的通信死角。

        星鏈計劃可將云計算推向太空。云計算是基于互聯網,將共享的軟硬件資源和信息按需提供給計算機和其他設備的計算方式。其中,提供資源的網絡被稱為“云”。2020 年 10 月,微軟宣布推出 Azure Space 云計算平臺,該平臺與 Starlink 合作,將為 Azure 模塊化數據中心提供高速、低延時的衛星寬帶。靈活的衛星通信加上 Azure提供的高性能計算、機器學習和數據分析能力,有助于進一步滿足客戶需求。

        四、6G時代空天一體化

        隨著大數據社會的 持續 演進 和 廣泛化 ,頻譜資源 在 不斷 的 減少然而數據容量要求被不斷的提高 , 更加先進的通信技術 正在 逐步的 被提上日程。 。2019 年工信部成立了 6G 研究組,名叫 IMT-2030 推進組,推動 6G 相關工作。同年 4 月,奧盧大學舉辦了世界首個 6G 峰會,主題為“為 6G 的到來鋪平道路”。峰會中各方集體展望未來,更有媒體聲稱美國將跳過 5G 與中國在 6G 上展開競爭。6G 的綜合性能也預期將是 5G 的 10-100 倍,各類技術指標也將進一步 提高:于 空口延遲低于 0.1ms、 網絡深度到 覆蓋率達到 100%、 毫米級感知定位 、 功耗大幅度降低 、傳輸帶寬將達到千 G級 、 連接設備密度達到每立方米數百個。

        6G 的應用場景基于 5G 但是更加廣闊: 空中高速上網(超越 5G 的廣覆蓋,實現 100%深度覆蓋,空天地皆可上網)、 全息通訊(以更加逼真的視覺、觸覺和嗅覺等多維感官數據還原和賦能虛擬世界的真三維顯示能力)、 進階智能工業(實現毫米級定位,深度參與工業制造中,實現工業互聯網更先進的解決方案)、 人體智能孿生(通過無數的人體傳感器對人體重要器官和各系統實現實時監控,實現人體數據在虛擬世界的孿生)、 智能移動載人平臺(智能車聯網的進階,將汽車,各類飛行器,巡艦等各類載人工具組網)等方面,目前 6G 技術的趨勢在于超維度天線技術、天地大融合技術和太赫茲波段等方面。

        天地大融合技術通過建立彈性可重構的網絡架構、高效的天基計算、空天地統一的資源管控機制、高效靈活的移動性管理與路由機制,進行天地的智能頻譜共享、極簡極智接入、多波束協同傳輸和統一的波形、多址、編碼等設計。未來用戶只需攜帶一部終端,便能實現全球無縫漫游和無感知切換。

        空天地一體化網絡建設對我國具有重大意義??仗斓匾惑w化網絡通過提供全時空信息連續支撐能力,實現“一帶一路”周邊區域覆蓋以及“四海兩邊兩洋”覆蓋,滿足陸上重要經濟帶、海外熱點區域等信息服務的需求??焖侔l展空天地一體化網絡技術,形成完善網絡體系,有利于占領空天技術制高點,搶占資源和技術的先機。目前,發展空天地一體化信息網絡已成為 6G 共識,并認為技術融合需要在 5G 時代起步實踐,在 6G 時代全面實現。

        空天地一體化網絡可在多種業務場景發揮重要作用。對于環境監測、森林防火、無人機巡檢、遠洋集裝箱信息收集等具有海量連接的通信業務場景,空天地一體化網絡可有效擴大覆蓋范圍,滿足更大連接和更低功耗的需求。針對探險活動中人員發生身體異常,通過廣覆蓋的空天地一體化網絡可以通知就近醫療護理人員,將大量人體數字孿生數據同步給遠程會診的高級醫療人員。另外,車聯網業務要求在較大范圍內實現高可靠、低時延通信,利用空天地網絡的廣域覆蓋性可滿足百千米范圍內車輛和路測系統的信息傳輸需求和實時通信。

         

         

        ▲空天地一體化融合業務涉及領域眾多

        智東西認為,從1G到5G,移動通信技術歷經約40年的發展,終于從服務于人走向服務于行業,賦能經濟社會數字化轉型。與此同時,衛星通信再次成為關注的重點,特別是馬斯克提出的“星鏈計劃。作為一個航天強國,我國對于衛星通信有著很強的技術儲備。下一代6G通信技術將是一種空、天、地、海泛在的移動通信網絡,而衛星通信在其中扮演著重要角色。在5G剛剛商用、方興未艾之際,開啟6G研究適逢其時。

         
        標簽: 衛星導航
          
          
          
          
         
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