觀察者網》陸5G與北斗融合 領跑世界+領航世界(鄧中亮)

觀察者網》陸5G與北斗融合 領跑世界+領航世界(鄧中亮)

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室內導航應用場景。(觀察者網)

中國4G網路建設「領跑世界」,到了5G時代,比4G多了10倍的帶寬傳輸能力,這張網到底能做什麼?

北斗導航「領航世界」,但面對GPS已佔領全球90%以上市場的先發優勢,它將如何破局?能夠在「一帶一路」上帶來怎樣的新商業模式?

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特別是,5G與北斗導航的融合發展,將如何爲十九大報告中提出的建設智慧社會的目標服務?

近日,國際歐亞科學院院士,北京郵電大學教授鄧中亮博士接受媒體訪談,就上述問題展開討論,觀察者網整理訪談實錄如下(限於篇幅,有刪節和儘量保留原意的調整):

記者:鄧老師您好,您是研究通信和導航如何結合的專家,在很多場合您都提出過「5G+北斗」的概念,能給我們介紹一下嗎?

鄧中亮:您好。導航愛好者都知道,美國的GPS、中國的北斗、歐洲的伽利略、俄羅斯的格洛納斯,四大衛星導航系統,實際上都通過通信手段來做高精度測量和定位。儘管衛星在36000公里的軌道上,但它測量衛星到手機端的距離,精度可以達到釐米級,甚至毫米級。衛星系統最大的特點是全覆蓋,而且不需要花太多的錢,一套系統成本600-700億(人民幣,下同)。

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但是如果信號被遮擋就不行,特別是在地下或建築空間內的時候,容易收不到衛星信號,很顯然,衛星定位導航在室內很難滿足需求。

日常生活中,我們經常用手機打電話,手機信號是無線信號,在室內基本上都有信號能打通電話。那麼,這種信號能不能反過來滿足我們的定位導航的需求呢?

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記者:手機信號如何用於定位導航呢?

鄧中亮:定位導航的基本原理,是測量信號源到接收端的距離,信號傳播的時間乘以光速,等於距離,一般4顆衛星就能定位了。那麼我們是否可以通過測4個基站到手機之間的距離來定位呢?假設能測的很準,實際上也可以算出位置。

從1996年開始,大家就在研究這個問題,2G時代、3G時代、4G時代到現在的5G時代,都希望把這個資源用好,在通信的同時,能夠解決遮蔽空間的定位導航難題,定位精度希望達到米級,跟衛星定位精度一樣。但大家研究發現,2G、3G、4G的定位精度達不到米級或者亞米級,所以之前定位應用不太普及。

通過什麼辦法來解決呢?大家經常想到WiFi、藍牙和UWB,WiFi的覆蓋範圍也就十來米,所以它可以把樓層、房間區分開,至少可以解決人在室內基本活動所需要的定位服務能力。UWB的精度可能還可以更高一點,到分米級,甚至釐米級。這些網是大家在日常生產生活當中可以用到的。

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但有一個問題值得大家思考,在中國建設一張4G網,投入的成本是6000億元,5G網路的計劃投資是1.2萬億元。在2000年的萬國郵聯,中國的通信發展路線選擇了LTE,沒有選擇WiFi,LTE發展方向就是目前國家已經投入巨資建設的4G和5G網,很顯然,我們會繼續沿着LTE的路線圖發展到未來的6G,不會重複投資WiF路線,它可以作爲補充,但我們不會再花上萬億元來建設WiFi或者UWB網路,來滿足我們室內普適的位置服務需求。

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那麼假設能夠把5G網路反過來應用,爲我們的高精度定位導航提供支撐的話,在通信的同時就解決了定位服務的問題,成本就可以達到最優了。

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從全球來看,天上的衛星網路是張大網,地面的移動通信網是一張大網,這兩個大網能夠融合,就可以解決信號的服務覆蓋,包括高精度定位服務的能力。我們實驗室在「國家重大專項」、「國家863重點研發計劃」等項目支持下,20多年來一直在研究通信網的高精度定位服務能力問題。研究發現,通信網路具有達到米級、分米級和釐米級服務的潛力,這意味着我們在建設通信網的同時,可以賦能這張通信網具有跟衛星網路一樣的高精度定位服務能力,這兩張網對接,可以滿足我們的定位導航需求,特別是位置服務的商業化應用難題。

記者:衛星導航系統,解決的是暴露空間的導航問題,手機通信網路要解決的是室內導航的問題。室內導航系統不依託衛星,同樣也能夠進行服務,那麼我們爲什麼要把這兩張網聯合在一起呢?

鄧中亮:這涉及幾個方面,第一,原理的一致性。無論衛星定位導航還是地面通信網的定位導航,都是用通信手段,通過測距和定位計算來來滿足我們米級、亞米級、分米級的定位導航。室內一般一個家居房間面積9平米,層高3米,要求米級定位精度;自動駕駛需要分米級甚至更高的精度。

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第二,信號覆蓋的互補性。在室外,我們通過衛星信號覆蓋做導航。但是人們80%以上的時間都在室內空間,越密集的區域,建築空間越多、遮蔽空間越多,在一個城市區域往往40%-50%的地方都收不到衛星信號,這就意味着在這些空間用衛星是很難滿足位置服務的需求,地面網建設恰恰在這些空間做重點佈局。5G在人口越密集區域覆蓋越好,在這個網路中,定位導航信號已經變得很強了。毫無疑問,衛星與地面網在覆蓋能力方面是互補的。

第三,室內室外定位有空間連續性需求。導航位置服務跟通信是分不開的,不管是未來的無人機、無人車還是自動駕駛,這一系列需要位置服務的應用,都需要打通空間的連續性,室內到室外的位置服務要做到「無縫化」,如果不做到全覆蓋,很難滿足這種連續性的位置服務需求。5G和衛星組合起來就能夠解決信號連續覆蓋問題。

第四,基準統一的要求。從位置服務體系上來講,我們要強調基準的統一,衛星有衛星的時間空間基準,地面網有地面網的時間空間基準。如果兩者不統一,會給我們的服務帶來很大的挑戰,所以我們必須要堅持5G跟衛星之間有統一時空基準和統一的位置服務能力,包括解決互操作問題。

一般來說,通過3顆衛星要做定位很難,4顆衛星才能滿足定位的基本條件,中國的北斗系統一共30多顆衛星,四大衛星導航系統加起來才100多顆衛星,但地面通信基站資源很豐富,我國擁有好幾百萬個基站,基站和衛星能不能協同做精準定位導航?1顆衛星加3個基站行不行?我們可以進行組合計算,最大的好處是提高衛星定位的精度,基站的高度信息比較精確,兩者組合,精度就可以提高一個數量級。

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記者:目前室內定位有沒有真實應用場景?

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鄧中亮:真實場景有很多,比如現在疫情管控中要做密接分析、動態流調監測等等,室內定位都發揮了很重要的作用。再比如現在的打車服務,我們可以發現,車在哪,人在哪,一清二楚,在幾年前,即使GPS定位已經相當普及,這也是無法實現的。這並不是衛星定位精度改變了,而是地面網的接入與衛星融合,提升了服務能力。

中國4G網路建設「領跑世界」,北斗導航「領航世界」,到了5G時代,比4G多了10倍的帶寬傳輸能力,這張網到底能做什麼?有兩句話可以概括:信息隨心而至,萬物觸手可及。

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從我們國家發展戰略上來講,總書記在「十九大」報告提出了建設智慧社會的目標。什麼樣的社會是智慧社會?這值得思考。

第一,我們認爲前提條件是必須要透明化,知彼知己才能百戰不殆,社會治理必須要全域的透明感知;第二,有了透明感知以後,我們強調安全。只有這兩個前提條件成立,我們才能討論如何建設智慧社會。

時空基準、超寬帶通信、時空大數據、實時計算、人工智能控制等等,都是支撐我們智慧社會的重要基礎。5G的業務重點是將來要滿足萬物互聯的需求,時空基準需要放在首位,這又反過來涉及定位問題。

全球現在有四大衛星導航系統,GPS發展到現在已經48年了,它走過了定位導航的產業化過程,它現在可以賣產品,但是很少賣服務,原因是什麼呢?原因在於它在這個地方能定位,可能在那個地方不能定位了,恰恰用戶的服務需求在它不能提供能力的地方,所以它只能賣產品,不能賣服務。

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如何回答這個問題?從技術路線圖來看,GPS和北斗都是通過通信手段來定位導航的,GPS比我們早20年,它已經佔據了90%以上的市場份額。我們做的跟它一樣好,就已經很了不起了,怎麼去超越呢?作爲四大衛星導航系統之一的北斗導航系統,如何去佔領四分之一以上的全球消費市場?必須要有新的抓手。

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北斗的定位導航服務化如果可行,就可以提供位置服務的商業模式,自然而然能吸引很多企業和用戶。

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記者:室外定位可以用GPS,但是我們可以說,用我們的北斗還能做室內的定位。

鄧中亮:對,把衛星定位導航的服務能力從室外延伸到室內,跟5G網服務對接。

第一,北斗可以提供時間基準,對所有的基站都要授時,我們現在5G的同步能力要求達到微秒級以下,200納秒左右,將來6G時代可能縮短到幾十納秒,北斗衛星可以解決這個問題。

第二,所有的基站通信服務時,都需要知道用戶在哪,這個時候它可以用最小的能量消耗來滿足最大的服務羣體,降低成本,這就叫智能基站、智能5G服務。基站需要的這種能力,恰好北斗衛星也可以提供。

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反過來講,第一,目前衛星定位導航首次定位時間需要30多秒,如果跟5G地面網對接起來,可以將首次定位時間壓縮到一至兩秒,大幅度減少定位導航的啓動時間。第二,衛星覆蓋不好的地方,基站先可以覆蓋,特別對於城市區域來講,5G覆蓋可能是最好的,同樣一筆錢投下去,既解決了通信問題,又解決了定位服務問題,兩者結合,就可以滿足位置服務的商業化需求。

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記者:「5G+北斗」這樣的系統是不是可以用在城市的智慧交通呢?

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鄧中亮:現在產業界都非常熱衷於研究無人駕駛。無人駕駛如何實現?一種做法是讓車變得更「聰明」,這樣會導致車的成本越來越高。也有人提出,可以把道路建更「智慧」,路的智慧程度可以通過公共基礎設施建設來實現,這樣車的聰明度就可以降低一些,兩者合起來,是不是可能達到一個最佳的效益?

路要怎麼智慧化?毫無疑問,感知放在首位。衛星定位導航到了城市空間,在高樓之間、地下空間,定位都很難,北京的地鐵,一天1300萬人次,能不能隨時給他們導航信號?就要靠「5G+北斗」,把時空基準體系建完以後,它就可以支撐整個城市和社會的運行。假設整個社會都能基於萬物互聯實現透明化,我們可以實現預測、預警,管理就變得方便多了。

目前,我們已經申請並通過了國際標準,可以實現分米級定位,理論上可以做到毫米級,而且中國對形成國際標準發揮了很重要的作用。

記者:5G之外,研發6G也已是進行時,有一個說法提出,6G未來的發展方向就是衛星通信加地面通信,您覺得會朝這個方向發展嗎?

鄧中亮:是這樣,曾經有人提出衛星+地面網路合起來等於6G,衛星網路目前的演進速度很快,最早是高軌衛星,後來變成中軌衛星,現在談的更多是到低軌衛星了。低軌衛星互聯網目前的發展速度比預期要快的多,其中有很重要的幾個原因。

第一,中國地面網路技術的演進,迫使空間資源快速開發應用,自從2000年召開的萬國郵聯大會確定中國的TD-SCDMA成爲3G三個標準之一,4G、5G時代並沒有哪個標準是由某個國家主導的,邊界模糊了,美國作爲通信大國、強國,它覺得有壓力;第二,在市場競爭方面,中國企業競爭力很強,對國外形成了壓力;第三,中國及「一帶一路」沿線國家共有30多億人口,幾乎相當於划走了「半壁世界」的市場。

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各種壓力之下,美國和許多國家都開始分析:全球有50%左右的用戶仍無法連結互聯網,地面網是有國界的,衛星網是沒有國界的,而且不需要太多的資金就可以進行全球覆蓋。那麼,能不能把衛星通信這張網建起來,重新瓜分通信服務市場?高軌衛星單顆功率很大,一顆衛星成本很高,接近10億元,但是由於功率限制,它的用戶羣體數量不會太龐大,又要高帶寬,又要用戶多,對通信容量能力的要求很高,那麼能把這50%左右的互聯網潛在用戶吸納進來呢?

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於是,美國啓動了低軌衛星互聯網的建設工作,這是一個國家戰略。我們突然發現空中的頻率軌位資源誰佔了就是誰的,那麼問題就來了,中國應該怎麼做?

記者:中國要趕緊啓動這方面的工作。

鄧中亮:是的,目前的規則是太空資源先佔先得,作爲一個通信強國,中國不能不佔,所以我們必須努力突破一系列關鍵技術,發展我們的空中通信網路和服務能力。地面的通信能力其實中國已經走在世界前列,稱得上「領跑世界」,那麼定位導航呢,也要「領航世界」,這兩個優勢合在一起就能產生新的火花,我們就引領了整個通信和位置服務的發展,包括社會的智慧化發展進程。

剛纔你提到6G,我們很多前輩和同行專家們都說,未來6G就是衛星+地面的5G網路。其實從核心內容來講,6G標準尚未完全定義。6G的地面網到底是什麼?空間資源、組網能力、服務內容、關鍵技術的體制體系怎麼做?其實都在研究。作爲通信網路迭代來講,還得有相應的國際標準,衛星標準將來是國際化還是國家化?這都值得探討。

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記者:馬斯克提出星鏈計劃,要建設3萬多顆低軌衛星的網路。

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鄧中亮:低軌衛星的軌道一般幾百公里到一千多公里,它的優勢第一是對功率要求可以低一點,第二是數量可以更多,第三是通信距離更近,帶寬能力可以大幅提升。劣勢是低軌軌道運行很快,所以我們要組網需要100多顆衛星才能全球覆蓋,3萬多顆星才能滿足運營能力的需求。還有幾個瓶頸問題,第一,它的信號體系到底是什麼?地面的通信體系能不能搬上天?第二,怎麼組網和管控?第三,安全怎麼辦?這三大問題必須要考慮。

技術體系方面,低軌衛星網路能不能直接對接5G網路?通過大量研究工作,我們論證了5G網搬上衛星是可行的,後來也搭載了實驗來驗證。這樣一來,衛星全球覆蓋就有它的商業運營價值,而不只是一個國家戰略。

我們的最終目標就是實現商業航天,這又涉及到成本問題。美國人說一顆衛星從製造到發射需要100萬美金,相當於600萬人民幣,能不能再降低?衛星規模化生產,火箭技術成本越來越低,這會催生出許多新的問題,一系列的產業支撐、能力建設都需要保障。所以這不單是一個衛星通信問題,要解決一系列從科研、產業到服務能力的建設問題,也將帶動一批製造和服務產業的發展。

記者:不久之前,銀河航天發射了02批的批產衛星,您怎麼看這個前進的一小步?

鄧中亮:這是中國啓動低軌衛星互聯網建設以來的一個重要進展。銀河航天第二代衛星一箭7星上天,這個成果也是國內相關單位一系列研究成果的重要驗證和體現。

在通信組網方面,其單星通信能力可以達到40Gbps以上,同時,星間組網是一個重要難題,需要做一系列驗證,這種驗證爲我們後續的低軌衛星組網運營提供了很好的參考和支撐。

商業航天的發展,最重要的是提供更強的服務能力,中國航天事業經過幾十年的建設、研究和應用,最終要過渡到商業航天,這也標誌了中國在覈心關鍵技術方面取得了重大突破,相信在不久的將來,這種實驗溢出的成果,能對我們未來的衛星互聯網發展提供一個很好的參考。

記者:「5G+北斗」和低軌寬帶衛星互聯網,會在哪些方面有融合的地方?

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鄧中亮:剛纔談到,5G既可以通信,也可以用於定位,北斗的主要功能是定位,也有通信能力,短報文可以在海面、山區等環境發揮作用。

無線定位導航是用通信手段實現的,低軌衛星本身就是一個通信系統,跟地面通信網路一樣可以變成一個高精度的定位導航網,而且由於它的覆蓋廣泛,在某些方面的能力可以得到擴展。

第一,低軌通信衛星可以雙向控制,這能解決大量應用服務需求,比如將來的無人機、無人車可以大大增強服務能力。有通信網的地方,我們就可以做定位導航,當然核心還是以北斗或者GPS衛星導航系統爲重要基準,圍繞它來拓展我們的定位導航服務體系,再形成更強的服務能力。

第二,我們前面追求的泛在高精度,這解決了一大難題。衛星本身還有信號覆蓋的盲區,所以它的高可靠能力滿足不了,這對位置服務來講還有不足。而低軌衛星、地面網與北斗的融合,將彌補定位信號存在的覆蓋盲區問題。

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(本文來源觀察者網,授權中時新聞網刊登)

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