田丰：让互联网无处不在
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宋敬的各位领导老师同学下午好我叫田峰来自中国科学院微小卫星创新研究院那么我今天想借这个平台给大家汇报的报告是让互联网无处不在

大家可能觉得现在互联网已经融入到了我们每个人的生活当中比方说我们的上网买东西甚至是一些原来的打电话从原来的三 G 两 G 到现在的网上电话大家觉得互联网已经随处可在了但是为什么还要说让互联网无处不在呢

如果我们离开我们的城市到荒无人烟的地方离开人海去追求自由比方说到青海湖那么就会发现没有网络其实是一件很正常的事情更别说当我们去南北极科考或者是荒漠去做一些更远的地方那网络都是覆盖不到的

目前我们地面上的网络只覆盖了地面大概 10%的面积我们国际电联统计目前全球还有 30 亿人口是没办法接入互联网没办法享受互联网普惠的业务的他们主要是发展中国家的一些人员那么互联网的一个主旨思想就是让

世界变得更公平还有一个就是我们如果离地球表面 1000 米的时候我们的基站也是很难把信号传到这么高的位置上的就比方说我们去出差然后坐飞机的话每次都感觉自己有几个小时的时间都是和世界断开的没有任何信号这种感觉是非常不好的

有时候人们为了上互联网甚至会发生一些不可思议的一些事情比方说 2020 年 8 月 15 号有一艘日本的邮轮它用心在印度洋岛国毛里求斯这边的时候突然搁浅了然后造成了大范围的原油污染那么究其原因其实是船上有一个船员想去陆地上蹭网

所以把船开得非常近当时正好是一个雾天然后就搁浅了那我们想想如果我们有了便宜的方便的网络的话这种事情还会发生吗我们怎么把这张网建好呢如果我们只是让用营商去全球

各个地方都去建站显然是不可能的比方说在海上就没有办法去建我们的铁塔那么我们一个直观的思想就是把通信设备放在我们卫星上打到天空中那这样就是其实通过卫星通信给地面提供和空中提供网络信号覆盖就是一个比较好的一个想法其实卫星通信很早就有了

但是我们一直普惠大众一直没有享受到这个卫星通信所带来的服务那么原因是什么呢其实我们原来的卫星通信主要是高轨卫星高轨卫星用心在赤道

上空三万六千公里的地方那么因为高轨卫星它容易被大树和高楼遮挡比方说我们国家是北半球国家在我们国家的一些山的北面它的卫星信号就非常弱那这个其实就是高轨的北坡效应同时高轨卫星它的带宽也是比较窄的所以用高轨卫星提供商业化的互联网的服务其实是比较难落地难实现的

那么从理论上讲一个比较好的办法就是我们在地球的低轨道的地方比方说在离地球表面 300 公里到 1200 公里左右去构建一张星座那这张星座呢就有数千甚至到上万个卫星对全球进行无分的覆盖它不但覆盖我们的南北极它还会覆盖我们的赤道和中低纬度的地方由于它的用行的这种角度也不会存在

南坡或者北坡的效应那么这个就是卫星互联网让网络无处不在

其实在 2014 年我在上海交通大学读博士的时候我就参与了由国家资源基金的重大科研计划空间信息网络基础理论与关键技术研究这个课题主要就是研究卫星互联网的一些基础理论和一些体系架构的一些知识 2017 年我从上海交大博士毕业之后进入中国科学院微小卫星创新研究院我是信心满满的想把我的研究

一些网络的知识用到我们卫星上结果那个时候其实我们国家的卫星包括国际上的卫星主要还是单星作业多星组网其实是还不太成为主流的发展方向而且我感觉到基础理论和工程的应用其实还是有一段距离的如果想把自己的研究成功马上应用到一些工程中其实还有很多的路要走我参加的第一个项目其实不是

通信星座而是一个摇杆星座这个是一个摇杆 30 号团队就是我加入它之后这是我做的第一个工作大家可能没有听说过我们的这个团队也对我们这个摇杆 30 号知之甚少这是为什么呢因为其实我们对外宣传我们是一个三无团队这个三无团队不是我们商品的这种

没有保障没有服务没有售后的意思而是无私奋献无名英雄无上光荣

因为这个原因今天我也不太方便过多地讲我们工作的内容但是通过参与到这个团队里面我知道了一颗卫星从设计到集成到测试到最终发上天它一步步是怎么走的而且正因为参加到这个项目里面我从一个学生到一个航天工作者对航天精神和航天人的理解更具象化了

那么我们把时间再往回拉一下说到卫星互联网其实我们不得不提马斯克其实马斯克在 2015 年就提出了星链计划在 2019 年发射了第一组卫星一键 60 星他当时就提出要用 4 万多颗卫星对全球覆盖提供网络服务但是当时大家都觉得这个想法太超乎现实了因为

因为在 2015 年全球总共在太空用行的航天器只有 1300 多个而且一个航天器造价非常高比方说一个 500 公斤左右的卫星它的造价就是

几千万人民币就是一千万美元左右而且它的发射成本也很高发射成本和卫星成本基本上是一比一的它的生产的周期也很长一颗卫星大概生产的周期快的话几个月慢的话要一年甚至是多年那么几万颗卫星在当时只有 1300 多颗卫星而且卫星的制造成本和时间这么大的情况下感觉这个思路用几万颗卫星去部署下是一个不靠谱的想法

因为我一直是学卫星网络通信的我从技术层面上觉得用卫星网络去给全球提供互联网其实是从技术上来说肯定是中国航天或者是国际航天发展的一个大的趋势果然然后在到今天为止嗯

马斯克发的 Starlink 载轨已经有 6800 多颗卫星而且它迭代速度非常快它从 19 年开始发射到今年差不多有 5 年的时间它已经迭代了 5 到 6 个版本从 0.9 版本到现在 2.0 的 mini 更重要的是它已经实现了全球卫星终端有 230 万个卫星终端然后它已经开始用这个去盈利了实现了收支平衡

然后这是明的其中还有一些乌克兰的冲突上 Starlink 其实也发挥了很重要的作用然后我们国家其实在 17 年也开始慢慢的尝试去建设我们自己的卫星互联网我们中国科学院和上海市科委联合投资的低轨试验卫星就是要去做这个东西那么

那么低轨试验卫星主要验证什么呢巨型卫星互联网其实和地面的互联网有一个比较重要的区别就是它的系统架构和地面的互联网是不一样的我可以举一个例子就是我们地面的移动互联网其实大家都是和基站这个基站有 5G 基站 4G 基站有大的基站和我们室内的一些毫米波的一些小的基站以及一些 WiFi 的热点但是这些基站有一个

共性就是这些基站都不会用动它都是固定在一个地方然后我们的用户呢手机也好电脑也好或者是其他的一些设备也好它的用动速度相对来说也比较弱即使用动的话也是因为我们人用动了才带来了基站的这个切换它的切换规模是比较小的

但是低轨卫星不一样低轨卫星它的轨道高度是 1000 公里的话它的运行速度是每秒钟就要跑 7 公里左右那 7 公里左右的话那也就意味着我们

过顶卫星因为它的卫星通信的时候如果超出视距的话就没办法通信了所以我们一颗卫星持续通信的时间可能也就 6 到 12 分钟左右那么卫星在过头正顶的时候通信时间会长一些 11 分钟 12 分钟但是其他的时间会更短那么如何解决这种卫星快速运动

带来的大规模的这种终端的切换这种切换是因为基站运动带来的切换是比较难解决的比方说以这个图为例它这个蓝色的卫星马上就会来切换到这个绿色的卫星去覆盖它的用户这种就需要用多星以及它的每个卫星都有点波数去接力的去对一个终端进行服务

然后这个是我们发射的两颗试验卫星试验卫星主要就是验证我们的系统架构以及星间链路的通信这颗卫星搭载了我们跳波术的空间基站的载荷单颗卫星可以通过波术的截变去为多个终端服务同时两颗卫星又有星间的激光链路星间激光链路是实际 BPS 这个也是我们国内首次实现双星载轨和地面

实际 BPS 去组网的一个验证它之所以用点波数因为它的波数的频段非常高是 20G 左右它的雨衰非常大如果我们用一个很宽的波数的话它的衰竭会很大速率就比较低那么我们要把能量聚焦到一个点波数提升它的服务需求但是这个点波数依然很大有大概 100 公里左右可以覆盖我们北京市或者是上海市

然后卫星打上去之后我们就需要去测试当时卫星发射完之后我们开始测试的时候正好是八月份上海的八月份是非常炎热的上海和北京可能气候还不一样在上海的冲天和秋天很短

夏天非常炎热 8 月份正好是高温假的时候然后我们就一起同事在我们单位的楼顶去做测试然后其中测试的时候因为这个卫星它的轨道高度低用途速度快所以它的过境时间又很短它也不是每天每时每刻都能在我们头顶上它有时候过境的时候是中午的 12 点有时候是晚上的 12 点那么我们就要

抛开自己的作息时间完全去跟着卫星转它一天过近三到六次那我们就要去跟着卫星去转那么整个高方价搞完之后我发现其实我们并没有出去旅游但是晒的皮肤比出去旅游的同时还黑而且头顶都晒黑了但是测通之后我们还是很有成就的但是测的时候我们就发现这个低轨卫星如果只有两颗星或者是几颗星的时候

它虽然能通能演示但是还远远达不到商业化的用途因为任何一个用户都不希望自己在接入互联网的时候只通信个几分钟就断了然后要等待很长时间再通信几分钟再断掉那这个基本上是推广不开的

所以我们就要建设巨型的星座那建设巨型的星座和我们传统的科研其实思维是不一样的就是它的规模是完全原来几颗星的规模的好几万倍那我们就不能用传统的这种卫星

制造模式由总体单位和外泄单位来共同去做我们就要从整个顶层的系统设计到底层的核心网络单机全部去打通这样才能把我们的系统做到最优把我们的单机成本做到最优来支撑后续一年发几百颗最重要几千颗上万颗卫星载轨验证才能把这个巨型星座做起来就是后续的巨型星座将不再是一个

取高和寡高高在上的一个科研它将走入到人民大众成为一个消费品的消耗品的一个时代那它的这个转变的思路其实也是用互联网这种快速迭代快速迭代

快速验证快速市场化推广的这个思路来后续发展卫星网络的这个思路马斯克现在就是在这样做我就是从原来的系统架构开始去研制底层的空间网络单机那其中研制的第一个单机就是路由器路由器其实包括两部分一个是控制面一个是数据面地面的路由器它的数据面都有一些商业化的一些芯片但是这些商业化的芯片很难在天上用

因为天上有很多不确定的环境比方说它的温度它最低温度能到 100K100K 就是绝对温度就是零下-100 度到零上 100 度而且它还有很多单离子高能离子打进来之后会把我们的逻辑芯片把它给打翻

也就是说这个逻辑芯片因为都是 010101 它会把 1 打成 0 把 0 打成 1 所以我们很难用这种简单的用这种商业化的芯片去搭我们的数据面控制面相对来说要简单一些因为控制面它的数据速率并不高那么我们就用 IPGA 去做一些宇航防护做三模冗鱼去开发我们的新上用的这个数据面其中开发过程中就是对这个交换速率和交换端口是

首先要解决的问题因为新间通信速率 10G 那么它的交换端口如果是有 4 个端口的话那它的通信速率就能达到交换容量近 40G 出 40G 就要达到 80G 那我们为了解决这个就用了交换矩阵的思想去让新上去搭了一个高速交换支持多个端口多档速率的一个交换架构

第二个就是我们卫星网络其实路由器和路由器之间需要连通那么地面的网络一般都是用光纤比方说用实际的光纤千兆和百计那么星上很难用光纤因为它这个光纤不可能在两个离着 3000 公里的地方去而且是一个可视距离距离去太空去拿一个光纤这个是肯定是不现实的我们就用星间激光通信

那新建激光通信呢它其实在轨道运行过程中因为我们的试验卫星就是有新建实际的激光通信带轨也验证通信成功了但是也发现了很多问题比方说太阳光

我们的激光通信是一个 850 纳米波长的一个光但是太阳光是一个全平段光它打到我们激光器的接收端之后会干扰我们这个叫日临干扰还有一种就是一些单离子或者是负载突然加上来之后都会对激光终端产生影响也就是说在不稳定的链路中我们要把网络做成一个可用的这个优化的时候我们就要结合激光终端和路由器联合起来去做优化

那这个就要求我们不但要有系统设计还要有底层的核心的空间网络单机给它做出来给它打通真正落地这个就不单单包括路由器还有新建激光新地的通信机等等都要把这些底层的无论是软件代码和硬件的这个架构都要给它设计出来那么我们设计出来之后呢

航天它有跟地面有一个不一样的地方就是它一定要载轨验证因为空间中的环境很难在地面去实现而且航天的成本即使再低它一颗星也是几百万所以我们一定要用一个很可靠的东西去做后续的这个推广

而且卫星互联网起来之后巨型星座它的规模非常大我们传统的这种用做一颗卫星用花费好长时间花费数千万甚至数亿人民币去做一颗卫星打到天上这种思路肯定是不行的那我们就要用低成本但是高可靠

的这个空间网络的单机去搭建我们的卫星互联网基于这个呢我们也是借鉴了互联网的思维快速迭代快速验证快速形谱化那我们中国科学院呢就成立了创新 X 系列卫星

这个是一个航班化的一个卫星发射任务它没有明确的说要去载轨完成某一个特定的一个任务它是大家众筹比方说我们这个创新 X01 星它搭载了十几个载荷这个载荷来自我们中国科学院和高校多家单位共同众筹了一颗卫星发射上去后续我们这个星还会去航班化发射一年七颗卫星形成了

低成本空间实验的新发射当然需要说明的时候我们是创新 X 系列的零一星搭载的就是我们的利剑一号把我们的卫星发射上去的利剑一号也是我们中国科学院自己研制的火箭后续现在利剑一号它的生产力也能实现航班化的发射

当然这个卫星的速度迭代速度会越来越快如果载轨验证创新 X 系列还是不满足我们迭代速度怎么办呢我们中科院和我们微小卫星创新研究院的领导正好依托国中重组的机会成立了卫星数字化技术重点实验室依托这个重点实验室我们搭建了卫星网络数字孪生网络

这个数字孪生网络里面的卫星它的用行的功能和性能以及它用行的环境是和真实的卫星一模一样的我们可以通过采集星上的一些稀疏的数据结合我们数字孪生网络一些丰富的一些测试数据来迭代我们的下一代的网络或者是我们的路由器激光终端怎么设计来加快我们的迭代速度

最终我们的空间网络设备将采用模块化的设计就是

每一个单板都会形成路由从储新间通信新地通信各个功能这种根据不同的型号的需求可以加快我们的迭代来做到系统的最优同时我们也建立了我们的批生产产线包括贴片自动化测试和机加工等等让我们的空间网络设备能够实现批量化生产的能力

这个也带来就是我们单机批量化生产之后整新的组装也就会批量化去组装现代卫星互联网已经成为蓄势待发

就是大家可以看到很多新闻上也在说我国的卫星互联网的事情那后续呢卫星互联网将会大规模的井喷式的去做一个发展那随着卫星互联网的发展呢它会让我们的信号无处不在更重要的是什么呢卫星互联网发展之后它会带动以卫星互联网为核心外围很辐射很多产业的集通发展

比方说远洋的旅游和远洋的货轮都会跟卫星连以及我们的飞机互联网等等就是当我们地球整个互联网全部打通之后其实我们对地球的认识就会加深那我们的思想呢可能就会去更远的地方

最后我想说这个卫星互联网已经从传统的把航天从传统的高高在上已经把它打造成了一个全民大众消费化的一个行业这个行业充满了无限机遇期待大家多多关注同时呢我们中国科学院也搭建了一个以创新 X 系列为代表的一个航班化技术验证的一个平台也欢迎各个

各个单位可以跟我们多联系把我们新的技术通过这个平台发展上去最后我们中科院微小卫星创新研究院目前形成了从系统设计到卫星集成再到单机研制整个全流程的一个创新的平台然后我自己现在也是研究生导师欢迎大家报考我我叫田峰来自中国科学院微小卫星创新研究院谢谢大家