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卫星和你想的不一样:别再说星链计划是6G了!

来源:曲博科技教室

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2022-08-21

【编者按】本文作者曲建仲,内容来自曲博科技教室,集微网经原作者授权转载。

你应该知道的是:马斯克的SpaceX公司提出「星链计划(Starlink)」,预计未来在地球上空部署12,000颗通讯卫星,它们不会取代地面基站和光纤网络,它们不是5G更不是6G,未来5G和6G的主角还是地面基站,卫星只是「配角」而已。

近年来短视频的发展让更多人可以经由抖音、西瓜等社群平台分享信息,原本大多分享饮食、旅游信息,这两年愈来愈多的网红开始分享「科技信息」,很高兴愈来愈多人开始重视科普知识推广,但是这也造成了一个严重的问题,大部分短视频创作者对于科技基础知识的深度不足,引用多个正确的信息穿凿附会变成错误的结论,造成错误的观念被社群大量扩散传播,长期而言对全民科技教育并非好事。

马斯克的SpaceX公司预计未来在地球上空部署12,000颗通讯卫星称为「星链计划(Starlink)」,在2019年6月发射第一枚火箭一次载运60颗卫星升空并且成功进入轨道,接着在2020年6月成功实验回收火箭技术再次创造话题,许多自媒体趁着这个话题正夯,纷纷制作影片配合动画报导这个题目,说什么特朗普计划跳过5G直接启动6G、用卫星做基站速度是5G的1000倍、SpaceX星链计划6G早已悄悄开打、投资100亿美元的星链计划简直就是太便宜了,未来是相当赚钱的计划,引用多个正确的信息穿凿附会变成错误的结论,那么到底哪些是正确?哪些又是错误的呢?

什么是「通讯卫星」?

所谓的通讯卫星,就是把架设在地面大楼屋顶的基站移到太空中,优点是讯号覆盖范围大,几乎可以传送到世界的任何一个角落,主要分为三类:

同步轨道卫星(GEO:Geostationary Earth Orbit):距离地面35,786公里与地球同步运转的卫星,传送距离较远,延迟时间大约250毫秒(ms),由于高度够高只需要3颗卫星就可以覆盖大部分地区。

中轨道卫星(MEO:Medium Earth Orbit):距离地面2,000公里到35,786公里之间的轨道,延迟时间大约100毫秒(ms),目前主要是导航卫星使用,包括美国的全球卫星定位系统(GPS)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)、中国大陆的北斗卫星(Beidou)等,大约需要20颗卫星才能覆盖大部分地区。

低轨道卫星(LEO:Low Earth Orbit):距离地面2,000公里以下,由于距离地面较近,延迟时间大约20毫秒(ms),目前大多数是观测卫星、量测卫星,以及一些新的通信卫星使用,距离地面2,000公里大约需要5000颗卫星,距离地面500公里大约需要10,000颗卫星才能覆盖大部分地区。SpaceX公司的星链计划卫星高度大约400公里,因此需要12,000颗卫星。

这几年的通讯卫星有那些进步?

1990年代Motorola公司发起的「铱星计划」到2000年破产倒闭,为什么这几年又有许多厂商重启通讯卫星计划,主要是这几年火箭运载能力突破使得发射卫星的成本大幅下降,再加上微型卫星成为主流,不但造价较低而且火箭单次就能投放大量卫星,再加上火箭回收技术实验成功,可以节省火箭发射成本。

此外,射频组件与天线技术的突破,使得卫星通讯的效能比起20年前进步许多,「高通量卫星(HTS:High Throughput Satellite)」技术的突破,更使得目前一颗卫星可以支持超过10Gbps的数据传输率,星链计划的卫星号称可以达到20Gbps,就是因为这些进步使得SpaceX公司有了说服投资人的机会。

「通讯卫星」会取代地面基站吗?

通讯卫星虽然具有覆盖范围大的优点,但是缺点也不少,例如:在外层空间故障维修困难;所有的卫星都有使用寿命,低轨道微型卫星一般由于携带燃料较少而且运行速度较快因此寿命较短,一般大约3~5年;由于距离远所以延迟时间长(使用者做出触发动作与得到响应的时间),即使低轨道卫星也要大约20毫秒,比起5G的1毫秒长得多。

此外讯号要从手机传送到500公里的卫星要比5公里的地面基站耗电得多,因此移动卫星电话需要大电池体积较大;通讯卫星大部分使用Ka与Ku频段的电磁波,频率大约10~30GHz,这个频率的电磁波绕射特性差,不容易绕过障碍物,因此室内无法接收,一般以地面接收站或屋顶的碟型天线接收以后,再转送到移动装置比较可行,所以通讯卫星主要是做为两个地面站之间的联机,而不是和手机直接通讯,因此「绝对不可能」取代地面基站。

「通讯卫星」会取代地面光纤网络吗?

最基本的一个概念:在相同的带宽(Hz)下,无线通信不论用什么方法数据传输率(bps:bit per second)都不可能比有线通讯高,要如何在相同的带宽(Hz)下提高数据传输率是近代数字通讯的重要发展方向,基本上就是使用更好的调变(OFDM)与多任务(1024QAM)技术。

由于无线通信的传送环境是我们看到的空间,相同的频率只能使用一次否则会互相干扰,而且传送的过程会有许多噪声干扰,相比之下有线通讯使用的光纤,相同的频率可以重复使用在不同的光纤不会互相干扰,而且传送的过程噪声少得多,因此可以使用更好的调变与多任务技术提高数据传输率。

目前一条单模光纤传送10公里可以达到10Gbps以上,如果不够可以拉第二条、第三条,依此类推,如果不想拉光纤可以改用「密集波长多任务(DWDM)」技术,使用不同颜色(不同波长)的光在同一条光纤里传送,如果一种颜色可以达到10Gbps,使用100种颜色就是1000Gbps了!

而使用无线通信的基站或卫星就不能这样做,因为相同频率的电磁波在同一个空间只能使用一次否则会互相干扰,星链计划的卫星号称可以达到20Gbps,在同一个地点这就是上限,而光纤可以多拉几条,想要多快都可以,意思是光纤网络的「总数据传输率」比通讯卫星大得多,因此通讯卫星「绝对不可能」取代地面光纤网络。

某些深山或乡村人烟稀少拉光纤的效益太低,例如:在玉山顶上如果要建置一个5G基站,要拉一条光纤上山,但是用户明明就很少,该怎么办呢?最简单的方式就是在骨干网络与玉山顶上各建置一个地面接收站,利用通讯卫星连接两端,这样比拉一条光纤还便宜,这样的应用场景在台湾地区很少,在美国、澳洲等地广人稀的国家比较多,不过这能有多大的市场可以赚多少钱就要再仔细研究了!要特别注意,如果玉山顶上用户很少那使用卫星才比较便宜,如果玉山顶上用户很多那拉光纤还是比较便宜,为什么大家可以自行思考一下?要从传送每一个比特(bit)的成本去考虑。

哪里弄错了?

我看了十几部谈星链计划与6G的小视频,发现最大的错误就是都没有真正了解基站的运作原理,没有搞清楚基站不是给一个人用的,而是要给大家用的。一个5G毫米波地面基站的数据传输率可以达到10Gbps,星链计划的卫星号称可以达到10Gbps,乍看之下两者的速度相同,在实际的应用上地面基站的速度会比卫星快得多,为什么呢?

因为上面的数据传输率10Gbps指的都是「系统总容量」,也就是这个基站或卫星最多就这么快了!如果只有一个人使用这个基站那就有10Gbps,但是如果有1千个人同时使用就只剩下100Mbps(10Gbps/100人=10Mbps),怎么样,是不是没有你想象的快?(附注:用系统总容量直接除以用户数来计算并不精确,但是实际上差不了太多,我们就先这样估算)。

网络速度要快必须使用小基站

一个5G毫米波地面基站10Gbps的范围只有几公里,大约要同时服务100个人,因此每个人可以分到大约100Mbps(10Gbps/100=100Mbps);一个星链计划的卫星10Gbps的范围有多大呢?我猜至少要半个台湾岛,因为全球有12000颗卫星,但是「全球」范围实在太大了,台湾地区能用到几颗?大概就两颗吧!那代表一颗卫星10Gbps的范围在几百公里,大约要同时服务10,000个人,因此每个人可以分到大约1Mbps(10Gbps/10,000人=1Mbps),是不是和想象的差很多?所以地面的基站和卫星上的基站因为运作方式不同,不能放在一起比较的。

从上面的例子可以看出,要让大家上网速度变快(数据传输率高),则基站的通讯范围愈小愈好,再加上毫米波(mmWave)绕射效果不好,因此5G和未来的6G是朝向「小基站(Small cell)」发展而不是卫星,因为基站通讯范围愈小,使用的人数愈少,每个人分到的速度就愈快,不要拿地面基站和卫星相比,张飞打岳飞,那不是同一个朝代的人。

这里要强调,5G基站目前是以频率6GHz以下(Sub 6GHz)的电磁波比较可行,绕射效果好,基站数目大约是4G的两倍,但是毫米波由于绕射效果不好,必须建置大量的基站,未来是否能够完全覆盖地面还有待观察,或许以「热点(Hotspot)」的方式建置比较可行,类似现在的WiFi热点。

投建费用实际案例

“星链计划预计投入100亿美元,提供全球范围的网络服务,这相较于中国的2000亿美元,美国的1500亿美元投入5G基站建设,却仅仅覆盖两个国家,星链计划简直就是太便宜了!”

大家看出错在那里吗?

中国的5G系统建设之所以要花2000亿美元,里面很大一部分是为了达成5G的系统要求,速度快、高可靠、低延迟等,必须大量建置基站与「边缘云端(Edge cloud)」,这些都是卫星根本做不到的。

此外,星链计划使用的低轨道卫星绕行地球一圈只要大约100分钟,代表需要大量的地面接收站转送数据,因此建置成本肯定不只100亿美元,就算真的只有100亿美元那也只是建置成本,没有包含后续的维修和营运成本,以及卫星每3~5年寿终正寝的更换成本。

想想地面上的基站坏了,派个「地球人」爬到屋顶修修就好了;太空中的卫星坏了怎么办?那得派「航天员」搭航天飞机到外层空间维修,成本太高我猜他们应该会直接把它炸掉重新发射一颗还比较便宜。

卫星通讯不是5G更不是6G

5G的第一个特性:增强移动宽带上网(eMBB),就是「速度快」,从上面的例子知道速度快要用小基站而不是卫星;第二个特性:高可靠低延迟通讯(URLLC),就是「反应快」,必须支持1毫秒的延迟,而低轨道卫星的延迟时间是20毫秒,这也差太多了!第三个特性:大量装置连网通讯(mMTC),就是「装置多」,支持每平方公里100万个以上的连网装置,而且必须非常省电、非常便宜,星链计划的卫星使用的地面装置,既不省电也不便宜,就更不用说到了6G这些规格只会更严苛,卫星更是不可能达成。

因此卫星通讯既不是5G更不是6G,未来5G和6G的主角还是地面基站,卫星只是「配角」而已,在某些深山或乡村人烟稀少的地方,或是海洋上没有基站的地方,或长程飞行的无人机不可能使用地面基站,另外全球还有30亿人没有光纤网络可以使用,这些都是星链计划可以开发的市场,不过这样的需求有多大?是不是需要这么多卫星,就是另外一个值得探讨的问题了。

愈是夸大才愈能吸引投资人

看了这么多,可能有人要问,为什么还有这么多投资人捧着大把钞票去投资SpaceX公司呢?这个答案很简单,在美国的投资圈,愈是夸大才愈有人要投资,不然怎么会出了Theranos公司创办人Elizabeth Holmes那样一个芯片可以完成240项医疗检查,而且最低只需要2.99美元的弥天大谎,玩弄硅谷5年敛财7亿美元的案例呢?

另外Magic Leap公司发表的过展示扩增实境(AR:Augmented Reality)技术的《神奇影片》,最有名的就是在体育场的地面上,许多观众没载眼镜就看到一只鲸鱼由海水中跳跃而出,海水喷洒向观众的影片,内行人都知道现在连全息影像也做不出那样的效果,后来上市的AR眼镜与大家预期的落差太大,才爆出其实这些影片都是由一家动画特效公司Weta制作,但是迄今Magic Leap已经获得23亿美元投资,投资者包括Google、Alibaba、Morgan Stanley等。

星链计划的战略意义大于商业价值

事实上从商业的角度,星链计划的卫星主要就是取代传统的中轨道卫星,抢食现有的卫星通讯市场,由于旧卫星的发射与维修成本高,会渐渐被星链计划的卫星取代,至于有没有马斯克说的一年300亿美元,就让我们拭目以待吧!但是从战略的角度,现在中轨道的卫星愈来愈挤了,只有低轨道还空着,因此世界各国「先抢先赢」,如果从这个角度去思考就不必考虑成本的问题了!

当然,我们前面讨论的都是「最近的未来(Nearly future)」,遥远的未来很难评估,或许有一天我们出国搭的飞机都是无人机,那就真的要靠星链计划的卫星大显身手了!要注意,我是说跨国无人机,不是地面上的无人车,城市里的无人车还是得靠地面基站才可以。或许还有一些未来世界的创新应用我们还没想到,大家可以一起来脑力激荡一下。

必须回到科技基础教育

讲到非体制内的科普教育,我建议大家除了看网络小视频的介绍,最好再加上专业的科普学习比较好,科普杂志的作者大多是学校教授,是真正的专家,无奈的是现代人不喜欢这些八股的方式学习,反而喜欢互联网上用各种有趣俏皮的方式学习,因此专业的科普媒体应该加把劲,学习有趣俏皮的新媒体传播方式,也是一个可能的方向。

跨领域知识的推广关系到国家的整体竞争力,科学技术、医疗保健、法律智财、财务金融、经营管理、教育文化等都是跨领域的重点,而且也不能都依赖学校教育,还有许多产业专家,如何将学术界与各行各业产业专家结合起来,让大家一起努力贡献专业,进行跨领域知识交流,协助产业创新与人才培育,这是政府应该思考的,也是《知识力专家社群》努力的方向。


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