人类的通信技术已经达到前所未有的水平。然而，将网络连接到一些地区，如偏远农村、山区、极地或公海仍然很困难。高企的通信成本，依然是普通人享受“全球无缝连接”成果难以突破的“瓶颈”。

近日，日本东京工业大学教授冈田贤一宣布，其团队设计了一种针对Ka波段卫星通信的芯片，并基于该芯片研制出一种新型收发器，可用于在地球低轨道、中轨道和地球静止轨道的卫星之间实现无缝通信，“是实现全球无缝连接的另一块拼图”。

有前途的解决方案

“很多公司已经开始考虑发展商用卫星通信，然而，面向普通消费者就必须考虑制造成本问题。”冈田贤一在邮件中告诉《中国科学报》，“实现全球网络服务的最后一件事是可以在智能手机上实现收发，我们开发的芯片是第一款满足此类要求的产品。”

一周前，冈田贤一在《2020年IEEE射频集成电路研讨会论文集》发布论文称，这种新型收发器在发射机侧采用高质量因数变压器，以实现高效的功率利用和高线性度的传输，从而降低传输过程中的失真。接收端采用双通道架构，可解锁多个功能。该收发器使用两个独立的偏振模式或不同频率并行作为接收通道，可以同时接收来自两个卫星的信号。

另外，独特的设计可以让收发器用相邻信道来消除干扰。也就是说，可以使用一条信道接收到的信息来消除相邻频带上的信号“污染”。

“这种策略增加了系统的动态范围，因此即使在噪声和干扰较强，环境不太理想的情况下也能正常工作。”冈田贤一说。

由于接收和发出信号都采用直接转换的方式，使得该收发器的总体复杂性、尺寸和功耗大大降低。目前，常用的收发器产品都由几个分立的芯片组成。其中芯片C1的面积约207平方毫米大小，而他们的芯片只有9平方毫米。使用这种芯片的发射端功耗为0.5瓦，接收机功耗为0.58瓦，远小于使用C1、C2芯片的传统收发器。

“这种工作在Ka频段的卫星通信收发器采用标准CMOS技术实现，设计用于与地球静止轨道和近地轨道卫星的地—地平台通信，是实现全球无缝连接的另一块拼图。”冈田贤一说，“这一个很有前途的解决方案，因为它有可能以低成本实现全球覆盖，帮助更多的人从即时通信中获益。”

空天互联“高速公路”

卫星通信已成为低人口密度地区提供交互式电视和宽带互联网服务的关键技术。如果将信息比作乘客，载波比作汽车，频段就像通信两端之间的公路。频段的范围就相当于公路的宽度，直接影响到信息传输的速度和数量。

卫星通信使用的频段涵盖L、S、C、X、Ku、K、Ka等。L、S频段处于低端，传递话音、文字等低速率信息不成问题，但很难满足当今社会多媒体视频等宽带内容的传输需求。

中国卫通集团有限公司副总工程师沈永言撰文指出，相对于C、Ku等传统频段，Ka频段可用频率资源丰富，可为卫星通信的宽带化提供可观的拓展空间。“如果说C和Ku频段像两条拥堵不堪的小路，Ka频段则如同畅通无阻的高速公路”。

“Ka频段能够容许更大的容量。如今通信广播卫星、中继卫星等都在向这个方向发展。我国天链一号中继卫星已经用到Ka频段测控。”中国航天科工二院二部研究员杨宇光说。

Ka频段卫星通信系统在卫星通信及各种形式的卫星地面站中的应用日益广泛。目前在国内地面接力通信系统中，Ka频段收发射设备的技术已比较成熟，但卫星通信地面站的收发设备的研制技术还有一定差距。

并非“最后一件事”

“卫星通信面对无人区、海上等特殊通信场景，主要的问题是难以实现低成本覆盖。”北京邮电大学信息与通信工程学院教授牛凯告诉《中国科学报》。

中低轨卫星距离地面200公里至2000公里，终端接收到的信号非常微弱。为了实现远距离全球通信，首先需要建设一个覆盖全球的卫星网络。

“这个网络的建设成本非常高，一般在1000亿美元量级。其成本取决于商用卫星发射成本，这是很难缩减的。”牛凯说。

牛凯进一步分析说，冈田贤一教授论文中主要提到的芯片，有助于降低卫星通信的成本，但这并不是构成卫星通信费用的主要部分。研制出这种收发器是卫星终端芯片技术的重要突破，有助于降低卫星终端的制造成本。

“但卫星通信网络是非常复杂庞大的通信系统，其运营成本不仅取决于终端成本，更重要的是取决于卫星发射与运维成本，并且这一成本占整个费用的大头。”牛凯说，“因此，需要客观看待这项技术的价值。”

北京天地通信息技术有限公司一位技术人员认为，高昂的制造、发射、运营等全产业链成本，一直以来制约着卫星通信系统商业化发展，包括铱星、全球星等都曾因资金问题宣告破产过。而且，信号从地面到卫星，再从卫星返回地面，存在几毫秒不可避免的延迟，这会影响其在自动驾驶、工业互联网等领域的广泛应用。因此，终端问题并非解决卫星互联网的“最后一件事”。

在不久前举行的互联网信息社会50人论坛上，网络信息科技前沿创新研究专家胡延平说，空天互联网络要解决的核心问题一是技术，二是认知。从政策、产业到公众，当前都应重视空天互联网络的建设，因为空天互联网络是下一代网络新的基础设施。

看来，一块芯片尚不足解决卫星互联网的诸多难题，实现低成本全球无缝连接还任重道远。(张双虎)

关键词： 全球无缝连接