人類的通信技術已經達到前所未有的水平。然而，將網絡連接到一些地區，如偏遠農村、山區、極地或公海仍然很困難。高企的通信成本，依然是普通人享受“全球無縫連接”成果難以突破的“瓶頸”。
近日，日本東京工業大學教授岡田賢一宣布，其團隊設計了一種針對Ka波段衛星通信的芯片，並基於該芯片研制出一種新型收發器，可用於在地球低軌道、中軌道和地球靜止軌道的衛星之間實現無縫通信，“是實現全球無縫連接的另一塊拼圖”。
有前途的解決方案
“很多公司已經開始考慮發展商用衛星通信，然而，面向普通消費者就必須考慮制造成本問題。”岡田賢一在郵件中告訴《中國科學報》，“實現全球網絡服務的最后一件事是可以在智能手機上實現收發，我們開發的芯片是第一款滿足此類要求的產品。”
一周前，岡田賢一在《2020年IEEE射頻集成電路研討會論文集》發布論文稱，這種新型收發器在發射機側採用高質量因數變壓器，以實現高效的功率利用和高線性度的傳輸，從而降低傳輸過程中的失真。接收端採用雙通道架構，可解鎖多個功能。該收發器使用兩個獨立的偏振模式或不同頻率並行作為接收通道，可以同時接收來自兩個衛星的信號。
另外，獨特的設計可以讓收發器用相鄰信道來消除干擾。也就是說，可以使用一條信道接收到的信息來消除相鄰頻帶上的信號“污染”。
“這種策略增加了系統的動態范圍，因此即使在噪聲和干擾較強，環境不太理想的情況下也能正常工作。”岡田賢一說。
由於接收和發出信號都採用直接轉換的方式，使得該收發器的總體復雜性、尺寸和功耗大大降低。目前，常用的收發器產品都由幾個分立的芯片組成。其中芯片C1的面積約207平方毫米大小，而他們的芯片隻有9平方毫米。使用這種芯片的發射端功耗為0.5瓦，接收機功耗為0.58瓦，遠小於使用C1、C2芯片的傳統收發器。
“這種工作在Ka頻段的衛星通信收發器採用標准CMOS技術實現，設計用於與地球靜止軌道和近地軌道衛星的地—地平台通信，是實現全球無縫連接的另一塊拼圖。”岡田賢一說，“這一個很有前途的解決方案，因為它有可能以低成本實現全球覆蓋，幫助更多的人從即時通信中獲益。”
空天互聯“高速公路”
衛星通信已成為低人口密度地區提供交互式電視和寬帶互聯網服務的關鍵技術。如果將信息比作乘客，載波比作汽車，頻段就像通信兩端之間的公路。頻段的范圍就相當於公路的寬度，直接影響到信息傳輸的速度和數量。
衛星通信使用的頻段涵蓋L、S、C、X、Ku、K、Ka等。L、S頻段處於低端，傳遞話音、文字等低速率信息不成問題，但很難滿足當今社會多媒體視頻等寬帶內容的傳輸需求。
中國衛通集團有限公司副總工程師沈永言撰文指出，相對於C、Ku等傳統頻段，Ka頻段可用頻率資源豐富，可為衛星通信的寬帶化提供可觀的拓展空間。“如果說C和Ku頻段像兩條擁堵不堪的小路，Ka頻段則如同暢通無阻的高速公路”。
“Ka頻段能夠容許更大的容量。如今通信廣播衛星、中繼衛星等都在向這個方向發展。我國天鏈一號中繼衛星已經用到Ka頻段測控。”中國航天科工二院二部研究員楊宇光說。
Ka頻段衛星通信系統在衛星通信及各種形式的衛星地面站中的應用日益廣泛。目前在國內地面接力通信系統中，Ka頻段收發射設備的技術已比較成熟，但衛星通信地面站的收發設備的研制技術還有一定差距。
並非“最后一件事”
“衛星通信面對無人區、海上等特殊通信場景，主要的問題是難以實現低成本覆蓋。”北京郵電大學信息與通信工程學院教授牛凱告訴《中國科學報》。
中低軌衛星距離地面200公裡至2000公裡，終端接收到的信號非常微弱。為了實現遠距離全球通信，首先需要建設一個覆蓋全球的衛星網絡。
“這個網絡的建設成本非常高，一般在1000億美元量級。其成本取決於商用衛星發射成本，這是很難縮減的。”牛凱說。
牛凱進一步分析說，岡田賢一教授論文中主要提到的芯片，有助於降低衛星通信的成本，但這並不是構成衛星通信費用的主要部分。研制出這種收發器是衛星終端芯片技術的重要突破，有助於降低衛星終端的制造成本。
“但衛星通信網絡是非常復雜龐大的通信系統，其運營成本不僅取決於終端成本，更重要的是取決於衛星發射與運維成本，並且這一成本佔整個費用的大頭。”牛凱說，“因此，需要客觀看待這項技術的價值。”
北京天地通信息技術有限公司一位技術人員認為，高昂的制造、發射、運營等全產業鏈成本，一直以來制約著衛星通信系統商業化發展，包括銥星、全球星等都曾因資金問題宣告破產過。而且，信號從地面到衛星，再從衛星返回地面，存在幾毫秒不可避免的延遲，這會影響其在自動駕駛、工業互聯網等領域的廣泛應用。因此，終端問題並非解決衛星互聯網的“最后一件事”。
在不久前舉行的互聯網信息社會50人論壇上，網絡信息科技前沿創新研究專家胡延平說，空天互聯網絡要解決的核心問題一是技術，二是認知。從政策、產業到公眾，當前都應重視空天互聯網絡的建設，因為空天互聯網絡是下一代網絡新的基礎設施。
看來，一塊芯片尚不足解決衛星互聯網的諸多難題，實現低成本全球無縫連接還任重道遠。（張雙虎）
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