还没用上5G，怎么就聊起6G星链了呢？（下）

上集说到通讯的继承特性。没有前面“几G”打下的基础，后面想要迎头赶上，实现产品化，与现网多个制式兼容，非常艰巨，难上加难。

说到制式，就要提到通讯的一个核心资源：频段。通讯行业有两大黄金定律：一是频段越低覆盖越好，频段越高吞吐量（简称容量）越大；另一个是香农定律。如何解读这两点？

（一）5G覆盖好不好，关键看能不能取得黄金频段

1G到4G，频段主要集中在700MHz到2GHz，这是一段黄金频段。表现在既有一定的容量，又有优秀的覆盖能力。

这段频段实在太珍贵了，当年最不被看好的TDD制式只能去捡2.6GHz、3.5GHz这些覆盖相对较差的频段。有一个简单的换算关系，就是频段大一倍，覆盖差平方倍。意即3.5GHz是1.8GHz频段的2倍，覆盖就差4倍，用通讯行业最常见的说法，就是差log4=6dB。

大家经常在网上看到“5G覆盖差”。这其实并不是5G制式决定的，有它的前因。1G到4G把黄金频段占完了，5G只能采用较高的频段，甚至启用以前没人在乎的5GHz频段。正是因为被分配到的频段较差，5G也被冠上了覆盖差的名声。

实际上，国际电联已经建议对2G、3G进行部分退网，以腾出Sub2GHz频段给5G使用，这就是常说的refarming——指把GSM/WCDMA常用的800-900MH、1.8GHz、2.1GHz腾出部分给5G用。如果真的施行，5G覆盖并不会比2G、3G差，甚至因为多天线技术加持，能做到有过之而无不及。

但是，客观来说，通讯的吞吐量和覆盖能力两者之间很难兼得。低频显然覆盖好，但是很难做大通讯吞吐量。一是因为低频频段资源极少，运营商通常能分10MHz，20MHz就到头了。二是5G技术当中最厉害的Massive-MIMO很难在低频段商用。频段越低波长越大，需要的天线尺寸越大，多天线技术在低频就需要非常巨大的天线面板，安装和抗风都不容易，难以商用部署。

（二）受香农定律影响，容量需要更多的成本来堆砌

再说香农定律，关于信道容量计算的一个经典定律（欢迎百度）。

它让我们清楚认知到，通讯的频谱效率做到5~6bit/Hz就很厉害了。典型如LTE，带宽20MHz，在信道较好情况下能提供约100Mbps的带宽。但真实使用中，由于噪声干扰，小区平均吞吐量只能达到30~40Mbps，频谱效率只有2bit/Hz。

虽然香农定律限制了信道自身的极限容量，但5G却使用Massive-MIMO技术来获取更大的吞吐量。这可以理解为在空间里创造了一些“平行”的时变信道（就像用多根光纤代替单一光纤）。在任意一个单个创造出来的信道里，香农定律依然管用。但多个信道叠加能够成倍提升吞吐量。这就能解释为什么Massive-MIMO天线会是5G核心技术（之一）。

香农定律对任何通讯都起作用，无论是地面蜂窝系统还是卫星通讯等。频段越高，波长越短，越适合使用多天线技术。因此6G和卫星通讯会大量使用多天线技术，建设成本和电耗也将相当可观。

（三）选则mmW频段是美国的无奈之举，中国领路，欧洲跟进

前面说到，频段极大程度上决定了通讯覆盖的能力。在这个前提下，美国发展5G有它尴尬的地方。

从一开始，5G频段选择就有两个阵营：Sub6GHz和mmWave（毫米波）。

前者是中国和部分欧洲国家倡导的，用sub-6GHz频段来建设5G通讯网络——即我们常见的3.5GHz、2.6GHz、4.9GHz、refarming后可用的900MHz、1.8GHz等。其中Sub2GHz主要用来做广域覆盖，提供覆盖半径2Km~10Km以上地广人稀的地方，以及城市基础语音业务覆盖。2.6GHz和3.5GHz用来做容量，提供1Gbps/小区以上的吞吐量，体验是4G网络的10倍。4.9GHz可勉强做热点地区的室外覆盖，但主要还是用来做室内覆盖。

另一个阵营则美国倡导的毫米波（mmW）网络——使用28GHz或者60GHz。毫米波的波长短，粒子性更强，波动性差，雨中、穿透树叶或墙壁的传播能力较差，有些频段甚至会被空气中的氧分子阻碍，发生氧衰现象。这种覆盖注定只能应用于短距离的、可视范围内的，而不适合用来做宏网无缝覆盖系统。举个例子，30GHz穿过一米的普通树木的树叶，差不多要衰落4.5dB，窗口如果有颗树，随随便便十几dB就没了。雨天，哪怕只是50mm的降雨量，也比晴天多衰落13dB/Km。这种受环境因素干扰严重，忽大忽小的覆盖能力，会造成日常使用时逢下雨天卡顿、楼外到楼内移动时掉话等一系列情况，令人难以接受。

欧洲最初并没有太过强烈的倾向，同时在研究sub6GHz和mmW。随着中国快速推进，加上现实的差距（例如没钱，例如觉得美国不靠谱），他们目前已经放弃了mmW的推动，欧洲运营商也更愿意紧随中国三大运营商步伐，享受Sub6GHz产业化的成本红利。

现在美国大本营那些曾经想在mmW分一杯羹的公司（Intel、IBM等），已经基本淡出5G通讯市场。美国有识之士呼吁军方释放占用的sub6GHz主流5G频段，以及被以反垄断名义碎片化的3.5GHz。美方也想重新投入Sub6GHz的怀抱。

（四）“5G是最后一代地面宏网技术？”

所以说，相较6G，我们更看好5G。

原因是：（1）6G能用到的技术、100GHz频段，5G未必不能用。同样的，5G标签技术Massive MIMO一样被4G在现网中使用。

（2）6G想要提供良好覆盖的Sub6GHz频段，很难。从空口技术看，4G和5G都是OFDM技术，诞生于上世纪70年代。物理技术发展有瓶颈，导致运营商没有动力在低频重新建设（或再次refarming）一遍。所以6G去攻高频了，很有可能就是不再定位于做宏网。因此6G也很可能是一种依附于4G/5G技术的存在。

我们猜想，很大概率上，5G是最后一代宏网技术，意即可以独立建一张从室内到室外无缝覆盖的网络。5G生命周期可能很长，长到超乎我们想象。6G即使到来也是10年以后的事，并且很可能长期与5G并存建设。除非，6G定义另辟蹊径，彻底打破过去从1G到5G的设计思路。

（五）对于星链，战略上绝对重视，但不必为5G担忧。

最后说说星链。先来看组关于星链的报道：

2015年1月，马斯克宣布了SpaceX的卫星互联网服务计划，这一项目被命名为“星链”。SpaceX计划将约1.2万颗通信卫星发射到轨道，为地球上的用户提供宽带互联网服务。

2020年4月22日，SpaceX在美国国家航空航天局（NASA）的肯尼迪航天中心成功发射第七批“星链”（Starlink）互联网卫星。

2020年4月24日，SpaceX首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）表示，该公司的“星链”（Starlink）卫星互联网服务将在3个月内开启内测，并将在6个月内开启公测。马斯克预计，2020年，该公司将正式向其客户提供“星链”卫星互联网服务。通过此次发射，SpaceX成功将60颗“星链”卫星送入近地轨道，使得入轨卫星总数达到420颗。如果包括2018年发射的两颗原型卫星，入轨卫星总数则为422颗。马斯克表示，只需要大约400颗卫星就能提供“初步运营能力”，然后需要800颗卫星才能将其提升到“重大运营能力”。这意味着，在这次发射之后，SpaceX将拥有马斯克所说的启动“星链”网络所需的最低数量的卫星。

SpaceX表示，将于2020年首先向其加拿大和美国北部的客户提供该服务，然后在2021年向世界其他地区进一步扩展该服务。

这就有意思了。5G方兴未艾，6G踊跃抢镜，星链重上热搜。难道我们out了吗？

事实上，我们反观过去，星链早就上过热搜。——1987年由摩托罗拉启动的铱星计划。该计划合计吸引了上百亿美元（注意是20几年前的上百亿美元）的全球投资。90年代末，配置一部最简单的铱星电话要25000元人民币，国内话费高达9.8元/分钟，国际话费高达27.4元/分钟，每月还有250元的基本通话费。需要65万用户才能回本的铱星，上线一年多，最终只获得5.5万用户。上线15个月，1999年3月，历时12年、耗资50亿美元的铱星公司因用户不足、入不敷出宣布破产，商业服务也随之终止。低轨通信卫星此后成了移动通信的补充，全球商业航天进入低谷。

吞吐量：马斯克通过不断尝试SpaceX，利用可回收火箭，将发射成本降到了商业级水准。根据计算，近地轨道上最多能承受5万颗卫星，假设全部发射完成，对于拥有5.1亿平方公里表面积的地球来说，每颗卫星也要覆盖约1万平方公里，覆盖半径约57Km。而我们目前城市基站站间距平均500米，一平方公里约需要6个基站。一个卫星覆盖的区域，相当于342个基站。也就是说，要达到城市速率体验，卫星的吞吐量至少要做到342个基站以上的能力。5G一个基站3扇区平均提供3Gbps的吞吐量，一颗卫星需要提供1026Gbps，刚好就是1Tbps。

马斯克的卫星主要使用Ku（下行从10.7到12.75GHz，上行从12.75到18.1GHz）波段和Ka（26.5GHz~40GHz）波段。前者物理带宽2GHz，后者物理带宽13GHz，就算频谱效率100倍，前者吞吐量也只有200Gbps，后者1.3Tbps。实际上，Ku波段带宽不足2GHz，有雨衰、树衰等现象，加上卫星在空中移动带来的多普勒效应，以及距离增加后受限的调制解调能力，通常来说，实现10bit/Hz已经算是烧高香了。如此算来，卫星能带来的吞吐量就缩减到20Gbps@Ku和130Gbps@Ka。就这点吞吐量，还只适用于较好净空的地方，头顶有遮挡可能就会卡顿（因为卫星在移动）。

时延：如果两个卫星用户之间的数据流要经过许多路径（如下图），时延就会比较大（超过20ms），这基本无法满足5G超低时延场景的应用需求。缩短时延的方式是让卫星之间直传，这会增加上星设备的数量和能耗，直传使用相同的频段也会占用一些吞吐量资源，除非使用其他频段，这又引入了更多设备重量和电耗。不要忘了，卫星的重量和能耗设计无一不是寸土寸金。

图：一个正常的卫星通讯业务流程

另一个扎心的案例是2011年Google公司启动的Loon计划——用大量气球带着通讯装备上天给地面没有蜂窝覆盖系统的区域提供覆盖，使用2.4G和5.8G非授权频段。烧了几十亿美元后，这个计划在Google已经不怎么提起了。

简单对比一下几种通讯的典型数值。

（七）聊一个背后逻辑，为什么是美国在放卫星？

私以为，美国放卫星，主要有以下几方面的考量：1）为了占用卫星频段。单个卫星不可怕，但星链一旦占据某个频段，定期更换卫星，就能造成实质上永久占用这些频段的结果。低轨总共只能容纳5万颗卫星，马斯克要放4.2万颗，美国其他企业要发送3000颗卫星上去，这么一算，实际上就是抢占了所有低轨轨道的频段使用权。2）美国地广人稀，有这个需求。有大量海岛、郊区别墅没有良好的地面蜂窝系统覆盖，这些区域大都有钱人，需要覆盖。3）不排除有其他意图，例如政治需要。

小结

1）星链的对手是星链，不是地面蜂窝系统（俗话说的5G4G3G2G）。前者是全球或者至少大国势力范围内做基础覆盖用的。后者是做民用容量用的。

2）中国要不要做星链，有政府力量、民间力量去博弈，主要问题是商业价值和政治价值。另外一个就是考虑星链的威胁。以前用高墙围筑起来的互联网世界，通过星链，能轻易翻出去。

3）5G+星链还是6G+星链，都可以看成蜂窝通讯+星链。这种加法并没有太大意义。两者在协议层面并未打通，所以即便物理形态上硬把两种终端塞进一个手机躯壳里，共用很多基带运算、甚至射频收发（5G高频或者6G太赫兹）能力，根本上还是两套系统在上层业务层面对接。

4）美国比中国可能更需要星链，一是美国地面覆盖系统建得不佳，地域面积与中国相近，但基站数只有中国的1/20。二是整个美洲大陆是美国的后花园，这导致美国需要国土外的覆盖系统。三是特殊军事区、富人区（海岛、郊区等）没信号，也需要通讯。

5）星链不是服务于普通用户移动通讯的。要想对抗信号衰减，卫星需要用更强的功率来发射信号。我们寻常的手持终端，要控制发射功率，避免对人体的伤害。这就意味着星链终端只能是那种室外的、有大增益天线的CPE，或是装在轮船、飞机上，给附近用户提供转WiFi服务。这种体量的终端（例如飞机、轮船，孤岛别墅等）注定不会是亿级别的，在中国必要性不高，其他大多数国家没资金实力，没人口需求，必要性也不高。