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中国天链有多快?对比星链、6G,哪个才是未来?

时间:2021-06-24 作者:Challey 阅读:
未来10-20年,如果中国的空间站载人技术取得快速而长足的发展,人类真正进入空间站,遨游太空的梦想也将逐渐平民化。那时,在中国空间站上给家人朋友视频通话或许成为一种新的Show,天链作为天地间通信的民用技术,也将可期。
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6月23日,#神舟十二号航天员首次天地通话#,中国国家主席与中国空间站天和核心舱中的航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波进行了高清视频通话。

联想到6月18日航天员安装WiFi路由器,应该很多人会想,中国空间站是如何实现天地高清视频通话的,其速度有多快?答案就在标题上:中国天链。

本文主要简要介绍天链的基本原理,空间站怎样通过天链进行高速通信。由于没有官方数据,猜测中国天链的速度有多快?同时对比马斯克的星链(Starlink)以及现在各国讨论的6G,分析天链、星链、6G,哪个才是未来?

首先需要澄清一个误导性问题,WiFi路由器是用来组建局域网的,天地通讯是不可能通过WiFi路由器来实现的,当然,WiFi路由器也起到了终端传输的作用,即把音视频及数据通过WiFi路由器打包,再通过空天专网(或者说空天广域网WAN),即天链,传输到地面控制中心。

天链是什么,为什么需要天链?

地球上空有一条神器的卫星轨道:地球静止轨道。它距地35786Km。为什么说是静止呢?

因为这个高度的卫星绕地球运行一周的时间,与地球自转一周的时间(约24小时)完全相同。相当于静止轨道上的卫星与地球自转是同步的,因此,这个高度的卫星建立的对地通信链路会有很多优势。天链就是指在对地静止轨道上的卫星通信链路。

由于天链的特殊性,有两大优势:

首先是覆盖能力,地球半径为6378Km,静止轨道离地球大约2.8个地球直径;只需3颗卫星就可以覆盖全球;

第二,提供可靠的通信。由于距地不太远,能够采用S/Ka波段(S:2G-4 GHz,Ka:26.5G-40 GHz)进行可靠通信。一般测控信号用SSA(S波段单址),高速数据采用Ka波段传输。

为什么需要天链?

有人会问,直接在空间站与地球通信不行吗?为什么需要多此一举搞个天链?

这里,我们先给出一个数据:

国际空间站的轨道高度是:近地点:319.6 km,远地点:346.9 km。中国空间站的高度约380Km。

而地球半径为6378Km,因此,空间站离地面的高度相对地球半径来说其实不算大,这个高度不到地球直径的1/30,以我们日常的生活常识来说也就是不到400公里。

同时,空间站的飞行速度约为:7.8Km/s。

如果我们在空间站上直接与地球通信,那么是什么状况呢?我们来看一个示意图:

图片来源:知乎网友

如果飞船直接与地球通信,由于飞船自身飞行速度达到7.8Km/s,只需90分钟左右便能绕地球一圈。在地面上看,飞船的角速度就非常快,这样,飞船与地面通信时,需要非常多的地面基站来接收信号。当一个时间点收到信号,下一个时间点可能就找不到目标无法回传了,这就需要另外的基站去处理并同步,而地球是有国界的,目前没办法在全地球范围内完全布设自己的基站,即使能通过4G/5G,对于成本、保密性、时间同步等都是不可行的。

当然,要实现卫星与地面的直接通信,还有另外一个方案,那就是增加天上的卫星数量,也就是马斯克SpaceX的星链。但是,空间站直接与地面通信,通过这种方式的话,星链也成了一个中继,而且成本非常高(见后面天链与星链的对比分析)。

这就是为什么需要天链来进行中转信号的传输,也就是通过天链中继卫星来实现天地通信。

天链速率有多快?

由于没有官方数据,目前无法直接获取天链的速率。不过我们从中国空间站与地面的高清视频通话,以及空间站的各种视频的流畅程度(无雪花,无卡顿)来看,中国天链的速率至少达到了地面4G的通信速率。

而据外媒记者CNBC的Arjun Kharpal表示,中国航天员在空间站上的下载网速可达1.2Gbps,相当于5G网速了,比他在地球上的网速还快。

1.2Gbps的网速指的是中国建设的天链中继站的下行速度,该系统由天链一号03星、04星,天链二号01星组成,将核心舱与地面站连接起来,下行速度可达1.2Gbps,而且延迟只有秒级。

另有报道称天和舱的Wi-Fi下行速度可达150Mbps,上行6Mbps,相比早前的天宫一号试验舱的2Mbps大幅提升。

中国天链实际速率分析:

我们上面提到,天链卫星的通信波段是:S/Ka波段,其中Ka波段:26.5G-40GHz用来进行高速数据通信。而这个频段正好处于5G的FR2频率范围:24250MHz-52600MHz(FR1为Sub-6GHz:450 MHz - 6000 MHz ),这就是最近常常提到的,也是高通主推的毫米波频段

当然,5G毫米波的实现方式与天链不一样,中国空间站上测控终端用来与天链通信的天线就有1.2m长。但是频率越高,能实现的通信速率也越高。关于天链的实现原理在此不详细介绍。

因此,从技术和实际表现来看,中国天链的速度应该介于4G(100Mbps)和目前的5G(1Gbps)之间,下行速度可能达到了300Mbps,由于天地距离过远,而时延则要比现在的5G(5G理论最小时延1ms,目前一般5-10ms)大很多。

星链、6G vs 天链

星链 vs 天链

星链(Starlink)是马斯克的美国太空探索技术公司(SpaceX)的一个项目,SpaceX计划在2019年至2024年间在太空搭建由约1.2万颗卫星组成的“星链”网络提供互联网服务,其中1584颗将部署在地球上空550KM处的近地轨道,并从2020年开始工作。 

此外,星链还将发射2,800颗卫星在1,150KM轨道,7,500颗在340KM轨道。完成这个阶段之后,将会安排另外30,000颗,最终达到42,000颗卫星,组成全球覆盖。

2021年3月11日,SpaceX的“猎鹰9”号运载火箭,携带一组60颗“星链”互联网卫星在美佛罗里达州发射升空。5月5日,SpaceX发射了60颗Starlink卫星  。5月15日,SpaceX使用八手火箭发射52颗星链卫星。

星链是通过近地轨道的卫星实现星地通信,而天链是通过35786Km的远地静止轨道实现天地通信。两者技术实现方式完全不一样,天链的技术难度要高出星链几个数量级,而星链要覆盖全球,其成本又是天链的几个数量级。

6vs 天链

中国在4G通信及以前都处于相对落后的状态,各方面的技术和产业链都得不到充分的发展,但在5G技术上中国不仅仅实现了技术的领先,在基站布设数量,商业化进程上也都走在前面,因此,美国,日本、韩国等为了在通信上再次走在前面,提前开始了6G标准的讨论和研发计划。

据外媒 AJU Business Daily 报道,韩国就在今日(6月23日)公布了一项为期 5 年的国家项目,将在未来 5 年内投资共 2200 亿韩元(约 12.5 亿人民币),用于 6G 技术的研发,通过与美国的合作,力争在 2028 年成为世界上首个实现 6G 商业化的国家。

6G当前其实还是雾里看花,连概念都算不上。其技术规范的标准化工作也预计要到2023年左右才开始。

 

结语:天链的未来

笔者曾在2020年做过深入分析,在《5G商用进程的挑战》和《5G时代》等系列文章中认为:5G的生命周期将达到15-20年。原因是5G的商用进程会受到中美贸易科技战、世界各国经济发展的不平衡、以及各国推动的进程等各方面的因素影响,4G仍将在5-8年左右较长一段时间存在,具有爆炸式的5G商业模式可能需要10年左右才会出现,那个时候4G才可能退出历史舞台,再过5年左右才可能出现6G的需求,5G要差不多退出历史舞台还得再过5年左右。因此,5G的生命周期至少在15-20年。

当5G时代实现了高速万物互联,下一个人类的通信需求可能是星际互联,而不再是传统意义上的6G了。

所以,现在谈6G还为期过早,当然,参与标准建设,提前研发都是有必要的。

而星链按计划要到2024年才能完成初步的组网,之后还要发射3万颗卫星实现真正的全球覆盖。

按照目前美国30万种子用户的使用情况,星链目前的速率还比较低。据美国网友测试,目前信号比较好的地区其速度是200Mbps下行,50Mbps上行,15ms左右延迟。

星链最初的目标是打造星地空间的通信,马斯克也是为了未来的太空人类计划而建造。但目前阶段星链的目标客户是美国5G/4G无法触达的地区,暂时成为5G或者4G的替代者。

未来,星链是成为6G的替代还是补充还是星地通信,其发展还不明确,有待各种因素的变化和6G标准的制定。

那么,中国的天链呢?

由于中国空间站的辉煌成就和后来居上的技术实力,中国天链似乎成了可以随时民用的天地通信技术。

另一方面,未来10-20年,如果中国的空间站载人技术取得快速而长足的发展,人类真正进入空间站,遨游太空的梦想也将逐渐平民化。

那时,在中国空间站上给家人朋友视频通话或许成为一种新的Show,天链作为天地间通信的民用技术,也将可期。

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