衛星與網絡

自1957年10月4日斯普特尼克1號（Sputnik 1）衛星發射進入軌道，開始向地球發送獨特的蜂鳴信號以來，衛星一直是我們通信組合中不可或缺的一部分。[1]當然，隨著互聯網日益成為一種重要的通信方式，衛星也在不斷調整，與時俱進。如今，一種新型衛星有可能以驚人的低成本為地球上的每個人提供互聯網服務。

雖然衛星通信已經存在了幾十年，但就互聯網服務而言，它們仍是比較昂貴的。地面通信幾乎一直是提供互聯網接入服務的首選方法，除了極少數情況，比如在交通不便的地區，由于人口稀少或地形復雜，安裝基礎設施不劃算。私營公司很可能永遠無法收回鋪設電纜或安裝無線信號塔，為這些地區的大部分人口提供通信服務所需的資本支出。無法上網幾乎成了偏遠地區落后的主要原因。

在現代社會，我們幾乎無法想象互聯網給我們帶來了多少便利。如今，大多數人可能已經記不起沒有互聯網的世界了。與其他地區相比，無法上網的地區劣勢明顯。要將這些地區與世界其他地區用網絡連接起來，衛星互聯網將是唯一可行的選擇，因為價格夠低。

而且事實證明，衛星互聯網也是災難期間應急服務的重要工具。災難發生后，當地的電力供應通常會遭到嚴重破壞，從而切斷通信。電池供電的衛星設備可以幫助救援服務和公用事業公司協調解決問題，恢復供電，拯救生命。

01太空互聯網

第一顆通信衛星是美國AT&T公司于1962年發射的電星1號（Telstar 1）。[2]該衛星的橢圓軌道距離地球近處為592英里，遠處為3687英里。它可以接收和發送電視廣播、電話和圖像，但在大約兩個半小時的軌道行程上只能運行30分鐘。

后來，通信衛星通過采用地球赤道面上方22,236英里處的地球靜止（GEO）軌道，延長了正常運行時間。在這一高度上，衛星的運行方向和速度與地球自轉方向和速度一致，因此衛星與地球的相對位置保持不變，能始終在正確位置發送和接收數據。三顆這樣的地球靜止軌道（GEO）衛星就幾乎可以覆蓋全球。

雖然GEO衛星極大地提高了我們的通信能力，但仍存在一些問題，包括成本問題。在地球上空的這一高度運行意味著衛星會受到范艾倫輻射帶的嚴重輻射，需要對電氣元件進行屏蔽。這會使衛星重量增加，進一步提高成本。

地球上方有兩個范艾倫輻射帶，它們與地球的距離大約在400英里到36040英里之間。這些甜甜圈形狀的輻射帶在赤道厚，在兩極薄。它們是由地球磁層捕獲高能輻射粒子形成的。這些粒子能使地球免受太陽風暴和太陽風的影響（圖2），但太陽風暴和太陽風會損壞電子系統并對人類造成傷害。由于GEO衛星的軌道高度為22,236英里，因此它們一直處于范艾倫輻射帶的輻射范圍內，同時在該輻射帶的大部分保護區之外，無法抵御深空輻射。

這還不是GEO衛星唯一的問題。極遠的軌道距離還會帶來延遲，44,472英里的往返路程需要500毫秒左右的信號傳輸時間。而后，一旦發生故障，必須更換整個衛星。冗余系統有助于延長關鍵系統的運行壽命，但會增加重量和費用。把所有的屏蔽和冗余都算進去，GEO衛星的成本高達4億美元，重達5噸，設計和建造時間長達5年。

02替代解決方案

近期出現了一種新技術，可以彌補GEO衛星的缺點。近地軌道（LEO）衛星的軌道距離地球100到1,200英里之間，可以用多顆LEO衛星作為一個整體覆蓋全球，而不必使用一顆存在多個潛在故障點且成本高昂的GEO衛星。雖然單顆LEO衛星只能覆蓋地球表面的一小部分，而且不能在地球上空保持靜止，但它是在范艾倫輻射帶的保護區運行，這意味著它不需要與GEO衛星相同程度的屏蔽。

LEO衛星的成本也要低得多，平均成本約為50萬美元，重量較輕（220至2200磅），設計和建造時間約為18個月。它們的發射成本效益更高，衛星提供的服務更好，帶寬更高。LEO衛星互聯網的典型延遲時間約為40毫秒，更接近地面通信的終端用戶體驗。如果一顆衛星出現故障，則可以安排星座中的其他衛星代替，以彌補覆蓋范圍上的任何缺口。此外，還可以快速將LEO衛星添加到星座中，以提高容量和服務質量。

LEO衛星可能沒有GEO衛星那樣的地球視角，但運行在星座中可提供更好的覆蓋范圍和更低的延遲。

很難準確估計目前在軌的LEO衛星數量，到了本文發布時，這個數字肯定已經過時。目前極大的衛星群是Starlink（星鏈），共有約7000顆衛星，未來計劃中的衛星數量更是多達42000顆。相比之下，目前運行的GEO衛星只有600顆。Starlink只是其中的一個例子。中國的Thousand Sails（千帆）星座到2027年將有1296顆衛星進入軌道，從長遠來看，衛星數量終將達到1,2000顆。亞馬遜公司也正在進入這一領域，該公司的Project Kuiper（柯伊伯計劃）將擁有3232顆衛星，并且即將發射。

諸多技術進步使得如此眾多的復雜系統能夠協同工作。由于衛星在地球上空并不是完全靜止不動的，因此當它們越過地平線而失去信號時，必須與其他衛星密切合作。為了與其他衛星進行通信，較新的Starlink衛星配備了三個激光器，可以高達200Gbps的速度進行衛星間通信。這些激光通信減少了地面站的工作量。

再生通信是有望降低地面站數量和復雜性的另一項創新。早期的LEO衛星充當基站與目標位置之間的管道，僅放大信號并改變頻率進行廣播。這種技術被稱為彎管技術。再生技術允許衛星對信號進行解調、解碼、重新編碼和調制，以提高信噪比。如果需要，它還可以有選擇地處理數據。

LEO衛星也開始集成5G移動通信。5G非地面網絡（5G-NTN）可以是彎管網絡，也可以是再生網絡，再生網絡包括部分或全部衛星基站。這種集成可以帶來許多好處，特別是對信號不好的地區。它將使偏遠地區的居民能夠使用移動通信、物聯網（IoT）傳感器和機器對機器（M2M）連接，從而可能促進當地經濟的發展。5G-NTN還能提高大容量應用的質量。在發生災害時，LEO星座可以臨時接替受損的地面網絡來提供服務。

隨著拋物面天線難以滿足日益增長的需求，有源電子掃描陣列（AESA）和相控陣天線等電子轉向天線（圖4）也被迅速引入衛星。這些天線可以通過電子方式快速改變信號方向，而拋物面天線則需要物理移動。這些技術反應速度更快，可進行波束成形，從而實現更快、更準確的調整，使衛星之間的切換更加迅速。

GEO衛星近期的創新使它們可以與LEO衛星密切合作，提供更高質量的服務。LEO衛星可在全球范圍內提供快速、低延遲的互聯網服務，而GEO衛星則可利用其大容量能力為人口密集的城市地區提供非時間敏感型應用服務。

所有這些技術使衛星能夠智能地路由和降低流量，從而節省寶貴的頻譜空間并提高網絡的彈性。

03結論

技術進步提供了更高的吞吐量和更低的發射成本，使許多不同的供應商能夠向軌道發射星座，極大地增加了容量，降低了終端用戶的成本。而成本的降低又使得衛星通信對于偏遠地區來說更加經濟實惠。

雖然LEO衛星星座在連接偏遠地區和發展經濟以及社會效益方面大有可為，但它們也帶來了一些挑戰。在我們前進的道路上，平衡各種衛星通信的優勢與負責任地管理我們的軌道空間，對于保持社會進步和避免空中擁堵至關重要。