衛星移動通信發展現狀及展望

●　文|中國電信集團衛星通信有限公司　呂子平　梁鵬　陳正君　韓淼

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衛星移動通信發展現狀及展望

●文|中國電信集團衛星通信有限公司呂子平梁鵬陳正君韓淼

一、引言

目前，地面移動通信基礎設施已經能為陸地主要區域提供良好的移動通信服務，但在海上、空中、陸地偏遠或極端區域，尤其是在應急和面對重大自然災害的搶險救災，以及軍事應用等特殊條件下，衛星移動通信系統（MSS）仍是唯一可靠的選擇。衛星移動通信系統利用高、低不同軌道移動通信衛星可以向用戶提供區域乃至全球范圍的話音、數據、短信等移動通信服務；衛星移動通信具有覆蓋范圍大、作用距離遠、組網靈活、通信費用基本與距離無關、不受地面現有設備的限制、受地形地物影響小等突出優點。

作為一種面向移動通信的衛星通信系統，衛星移動通信的主要市場包括海上用戶、航空用戶和陸地用戶。為海上用戶提供高速數據、船員通信和船務管理等業務；為航空用戶提供前艙通信、軌跡監控、安全服務和高速數據等業務；為陸地用戶提供應急救援、災難救助、旅游探險和采礦勘探等相關活動的通信。特別是衛星移動通信系統的M2M應用可以提供車、船隊管理、集裝箱監控、油氣監控和氣象數據采集有關的業務；政府應用可以提供譬如培訓和日常行動、軍方通信、無人值守數據、后勤保障等方面的通信和數據業務。

二、全球衛星移動通信發展現狀

根據衛星運行軌道不同可以把全球主要衛星移動通信系統分為同步軌道衛星移動通信系統（高軌衛星移動通信系統）和非同步軌道衛星移動通信系統（主要是低軌衛星移動通信系統）。其中同步軌道衛星移動通信系統的代表是海事衛星系統和Thuraya系統等，非同步軌道衛星移動通信系統的代表是銥星、全球星和Orbcomm系統等。

1.全球衛星移動通信總體發展現狀

根據美國衛星工業協會（SIA）2014年發布的數據，近五年以來全球衛星移動通信市場通信收入匯總如表1。從表1可以看出，2014年全球衛星移動通信市場總收入達到了33億美元，收入當年比上年增長25%。

2.海事衛星系統

國際移動衛星組織（原海事衛星組織）是1979年成立的國際組織，有直接成員國89個，是最早的全球衛星移動通信系統，業務現已遍布全球。國際海事衛星組織在1999年變革為國際商業公司，全面提供海事、航空、陸地移動衛星通信和信息服務。該系統是船舶遇險安全通信的主要支持系統，并承擔陸地應急通信和災害救助通信。

國際移動衛星公司目前通過多顆固定軌道衛星向全球提供移動通信服務，其固定軌道衛星分別為I-4 F1（25°E 服務于歐洲和非洲，2005年3月發射）、 I-4 F2（143.5°E服務于亞太地區，2005年11月發射）、 I-4 F3（98°W服務于美洲地區，2008年8月發射）、I-4A（Alphasat，2013年7月發射）。

近五年，國際移動衛星公司經營情況以及用戶數和收入情況如表2所示。

從表2中可以看出，國際移動衛星每用戶平均收入（ARPU）較高，高價值用戶較多，其用戶數量從2012年開始發展緩慢。其收入貢獻主要來自于高端的海上及陸地數據業務。 2010－2014年5年間，其收入復合增長率只有1.2%，業務增長低于全球經濟增長水平。2010－2014年5年間，盡管ARPU復合增長率為-4.6%，但ARPU年增長率從2013年開始有止跌回升的趨勢。

3.Thuraya系統

Thuraya公司成立于1997年，并分別于2000年、2003年和2008年發射了3顆衛星。目前，Thuraya系統實現了對亞、非、歐、澳廣大區域的覆蓋。2007年，Thuraya推出衛星/GSM雙模移動電話Thuraya SG-2520。

2014年，Thuraya公司收入約為1.22億美元，各類終端約60萬部，ARPU為16.94美元/月。Thuraya是區域高軌通信衛星，其業務主要側重于低速數據和語音，其用戶價值也比海事用戶低一些。

4.銥星系統

銥星一代系統建設投資共計75億美元，于1997年5月銥星系統第一次發射，1998年5月完成組網并投入商業運營。2000年3月，銥星公司由于背負40億美元債務，宣告破產，后于2001年被新銥星公司以2500萬美元的價格收購并重新投入運營。銥星一代系統的主要業務類型為話音、短信、電路交換和數據通信等。

銥星二代系統計劃投資30億美元，建造81顆衛星，其中，66顆衛星組網，6顆衛星在軌備份，9顆衛星地面備份。銥星公司已于2015年10月發射第一、第二顆下一代銥星（Iridium Next），計劃2017年完成部署并投入運營。

銥星二代系統不僅支持一代系統的全部應用，同時還在通信能力方面有了很大提升：

1）采用增強性語音通信技術，通話更清晰。

2）星體裝載了ADS-B轉發器，能夠接收和轉發飛機位置，支持全球航空監視和通信。

3）星體新增了AIS載荷，能夠提供全球船舶監視和通信服務。

4）整體通信容量增加一倍。

5）新一代IP構架使得數據帶寬從一代2.4kbit/s演變至二代的16kbit/s，最高可達到1.5Mbit/s。

銥星二代系統與一代系統主要業務指標比較如表3所示。

表3　銥星業務能力比較表

目前，銥星系統已成為全球最大的，唯一提供全球覆蓋的低軌星座系統。如表4所示， 2009－2014年，銥星的收入復合增長率約為5%，用戶復合增長率為16.7%，ARPU復合增長率約為-10%。與海事衛星系統相比，銥星系統用戶數是其兩倍，但收入卻只有其一半。銥星系統相對ARPU較低的原因在于銥星的業務主要為話音和低端數據服務。

表4　銥星近年市場情況

5.全球星系統

全球星系統是由美國勞拉高通衛星服務公司（LQSS）運營的低軌道衛星移動通信系統。

全球星的一代系統于1998年開始建設，并于2000年投入運營。但在2007年，由于衛星系統性故障，星座僅具備單向數據傳輸能力。

全球星的二代系統于2010年開始建設，并于2013年2月完成組網。二代系統總共發射24顆衛星，投資約6.61億歐元。二代系統通信能力比一代系統增加40%，最高通信速率達到256kbit/s。

目前全球星系統總共在軌44顆衛星，其中4顆為備份星，24顆為二代衛星系統。

全球星系統主要支持話音、短信、數據和增強ADS-B業務。

全球星市場目前發展狀況見表5，2010—2014年，其用戶數復合增長率達到9.8%，但ARPU復合增長率卻為-2.7%，總體呈下降趨勢。同為低軌移動通信系統，全球星與銥星用戶數相差不多，但其收入不到銥星的1/4，其原因在于全球星主要業務是低端數據服務，并且業務開展區域受地面關口站局限。

表5　全球星市場發展狀況

6.Orbcomm系統

美國Orbcomm公司成立于1993年，是全球第一個也是唯一的100%提供M2M服務的商業衛星網絡公司。該公司運營由31顆低軌窄帶數據通信衛星組成的星座系統，在全球范圍內提供雙向數據通信服務。Orbcomm公司的主要業務是向用戶提供基于衛星的終端跟蹤、監測、控制系統，使用其通信服務的企業和政府機構能夠有效跟蹤、監測、控制擁有的固定或流動的資產。

Orbcomm公司已投資2.3億美元建設二代衛星系統，2014年7月14日，第一批9顆衛星已成功發射，今年將發射第二批11顆衛星，完成組網。較之一代衛星通信系統，二代衛星的單星處理能力將比現有衛星擴大6倍，可以提供更快的服務，更廣泛的覆蓋范圍，更大的信息傳輸能力。

Orbcomm的衛星通信載荷為VHF頻段，其信號受雨雪天氣影響要比L/S頻段小得多。Orbcomm已在13個國家建立了16個關口站，該系統在120多個國家和地區提供服務，2014年在網終端97.6萬個，每天處理信息620萬條，收入8600萬美元，ARPU 為7.34美元/月，每條信息價格約為3.8美分。

三、我國衛星移動通信現狀及展望

1.我國衛星移動通信應用現狀

1979年，中國加入國際海事衛星組織，1998年引入銥星和全球星衛星移動通信系統，之后又相繼引進了ACeS、Thuraya等衛星移動通信系統。

目前，我國有各類衛星移動通信用戶約8萬戶，主要是應急通信用戶、海上用戶和村通用戶。在應急通信方面，衛星移動通信系統發揮著巨大作用，為緊急情況下的通信提供了很好的保障，并為我國經濟民生做出了很大貢獻。

例如，2008年5月12日，汶川8級地震發生后，震區地面通信網絡全面癱瘓，衛星電話成為汶川抗震救災的生命線。截至2008年6月30日，四川災區使用的全部衛星電話累計通話用戶數為1800戶，累計通話次數為95670次，累計通話時長達到了260213分鐘。

再如，2010年4月14日青海玉樹地震發生后，由于中國電信在當地事先開通了288部村通衛星電話，同時又緊急調運一批衛星移動電話，確保了震區情況及時有效傳遞，避免了信息孤島的發生。從管理系統監測的數據顯示，災區村通衛星電話的話務量幾乎增長一倍，衛星移動通信在救災中發揮了巨大的作用。如圖1所示。

圖1　玉樹地區村通衛星電話通話情況統計表

2.我國衛星移動通信未來展望

從20世紀90年代開始，我國就籌劃論證了亞太衛星移動通信（APMT）系統，但由于種種原因沒有建成運行系統。2008年汶川地震促使我國加快了自主衛星移動通信的建設步伐，目前我國正在緊鑼密鼓地開展自主衛星移動通信系統的建設工作。通過建設高軌移動通信衛星，為我國及周邊地區提供自主可控的話音、短信、數據傳輸等衛星移動通信服務。

在低軌衛星移動通信系統方面，2014年9月，由清華大學-信威通信聯合研制的靈巧通信試驗衛星在中國酒泉衛星發射中心成功搭載發射，10月已完成全部在軌測試試驗，驗證了語音、數據、圖像、互聯網等多種業務支持能力。靈巧通信試驗衛星實物如圖2所示。目前，我國已經在星間鏈路、星載智能天線、星上處理與交換和天地一體化組網等關鍵技術方面取得了突破，技術儲備和研制條件已經成熟。

圖2　靈巧通信試驗衛星

四、衛星移動通信發展趨勢

1. 現有衛星移動通信系統業務情況分析

現就主要衛星移動通信系統2014年報收入情況以及相應SIA報告中全球衛星移動通信數據列表如表6所示。

從表6數據不難看出：

1）主要衛星移動通信系統在衛星移動通信總收入中的占比較低。主要衛星移動通信系統2014年報收入合計為14.97億美元，而SIA的數據中，衛星移動通信總共收入33億美元，主要衛星移動系統年報收入合計在衛星移動通信總收入的占比還不到一半。

表6　主要衛星移動通信系統年報收入情況及全球衛星移動通信收入數據（2014年）

2）主要衛星移動通信系統的收入增長率普遍低于衛星移動通信服務總收入的增長率。在已有的主要衛星移動系統年報中，收入增長率為3.80% ~7.62%，而SIA 2014數據中，2014年全球衛星移動市場收入增長率為25%。

結合前文分析還可以得出：

1）衛星移動通信收入在衛星服務業總收入中的占比太低,只有2.7%。

2）銥星系統利用率過低。根據理論和經驗數據，25條電路可以承載10000個活躍語音用戶，即每條電路能夠承載400個活躍語音用戶。銥星單星有2000條電路，全系統66顆衛星可以承載5000多萬個活躍語音用戶。而銥星2014年總用戶數只有73.9萬戶。利用率僅為1.4%，因此，目前該系統的使用率仍然很低，系統有很大空間容量供開發使用。

3）低軌系統比高軌系統運營狀況差。從前文列舉的各系統的業務收入和ARPU的對比不難看出，以銥星為代表的低軌系統的經營狀況比以海事衛星為代表的高軌系統要差。

通過進一步的分析，我們認為目前衛星移動通信還有很大的發展空間。

1）衛星移動通信市場潛力巨大。雖然衛星移動通信收入在衛星應用產業收入中的占比較低，但根據我們所做用戶需求調研，僅國內資深戶外用戶就有1500萬人，國內行業用戶超過300萬，M2M用戶更有數千萬戶。以目前全球衛星移動通信實際應用情況，并參照我國GDP在全世界GDP的權重，我國衛星移動通信行業用戶數量應超過43萬戶。可見我國衛星移動通信市場應該有巨大發展空間，衛星移動通信潛在用戶需求巨大。

2）衛星移動通信服務對象亟待調整。目前主要衛星移動系統收入增長緩慢，衛星移動通信發展沒有突破的主要原因在于，衛星移動通信尚未進入大眾市場，仍然局限于行業市場，狹窄的服務面極大地掣肘了衛星移動通信市場的發展。要改變這種格局，就需主動放低姿態，面向眾多的潛在用戶，加強正面引導和宣傳，拓寬業務領域，全面拓展應用和市場。

3）衛星移動通信服務理念有待轉變。面對目前衛星移動通信系統容量利用率低，在網用戶數量少，潛在用戶市場之間巨大的矛盾，要從加強宣傳，提高用戶對衛星移動通信的認知度、細分市場和資費標準、加快終端功能和業務的開發、拓寬終端銷售渠道等途徑入手，降低自己在用戶心目中高不可攀的印象，提高用戶對衛星移動通信系統功能、終端、資費的綜合評估和認識；強化終端和業務的多功能融合；推進終端銷售的多元化。以期使衛星移動通信得到突破和飛躍。

4）高、低軌衛星移動通信系統要協調發展。雖然低軌衛星移動系統在全球無縫覆蓋，高緯度地區、高山峽谷實現通信保障，以及全球范圍航空航海通信與監視服務等方面具有較大優勢，但是低軌業務開展情況比高軌差，其主要原因在于以海事衛星為主的高軌系統起步早，先入為主地占據了眾多高端數據客戶。事實上，具有全球無縫覆蓋特點的低軌系統已經開始利用其在全球航空監視和通信的優勢，在飛越北極航線的航空器監視和通信方面，對高軌系統提出了強有力的挑戰。要使高、低軌系統成為衛星移動通信的兩條腿，協調發展，共同前進。

2. 衛星移動通信發展趨勢

（1）多功能融合

傳統的衛星移動通信系統主要是向用戶提供區域乃至全球范圍的話音、數據、短信等移動通信服務。隨著衛星移動通信的發展，單純的移動語音和短信業務已經不能滿足越來越高的數據和通信的要求，未來的衛星移動通信系統將融合越來越多的其他功能。典型的例如銥星二代系統中兼具ADS-B航空器監視功能和AIS船舶監視功能。其中，ADS-B飛機自動監視接收機是一個集通信與監視于一體的信息系統。ADS-B的主要信息是飛機的四維位置信息(經度、緯度、高度和時間)和其它可能附加信息（沖突告警信息，飛行員輸入信息，航跡角、航線拐點等信息)以及飛機的識別信息和類別信息。此外，還可能包括一些別的附加信息，如航向、空速、風速、風向和飛機外界溫度等。銥星ADS-B能夠實現全球覆蓋，在沒有雷達系統、地球上到處存在的遠洋、極地、遠程和廣大欠發達地區，提供超出常規的航空控制能力；能夠獲得實時控制，為空中交通管制員提供準確的全球實時、可見性的飛機和飛行；能夠提升飛機安全，實時、準確地顯示任何飛機和航線附近的空氣流量，從而提高飛機在世界各地的安全性。

隨著衛星定位服務應用的越來越廣泛，衛星定位服務與衛星移動通信相結合也將越來越普遍，多個衛星移動通信系統終端可同時支持衛星定位服務。

因此，未來的衛星移動通信系統要發展，必將不能拘泥于傳統的數據和話音業務，多功能的融合將會變得越來越普遍。

（2）天地一體化

天地一體化是未來移動網絡的發展趨勢。空間網絡與地面網絡互聯互通、互為補充、高效協同，構建全新的天地一體化網絡構架。目前地面5G移動通信技術預研正在日益升溫，衛星移動通信的發展可以借鑒地面5G移動通信網絡的研究思路，構建全新的融合衛星移動通信系統和地面移動通信系統的開放式、通用的體系架構，以實現地面空中的移動無線系統的無縫切換和業務融合。

天地一體化主要包括體制、芯片、終端以及應用等幾個層面的融合。體制融合就是使網絡層協議實現全網互聯互通。目前各系統采用的體制各有所取，例如，Thuraya、亞洲蜂窩衛星移動通信系統采用了與全球移動通信（GSM）系統相兼容的設計方案，而國際移動衛星-4全球寬帶局域網和“移動用戶目標系統”衛星移動通信系統則采用的是與地面寬帶碼分多址3G系統相兼容的設計方案。未來如果能逐步達成各系統之間的兼容，互聯互通，將會對行業的發展起到極大的推動作用。

芯片融合是將天、地通信及其眾多業務集成到同一芯片中。芯片的集成度越來越高，處理能力越來越強，要將地面移動通信、衛星移動通信以及北斗定位、衛星多媒體廣播接收等通信手段融合到一張芯片上已完全可能。這將有助于業務的互相促進，連帶發展。

終端融合是芯片融合的結果。伴隨著衛星技術和終端技術的進步，衛星移動通信系統的地面終端小型化、手持化已成為可能。未來衛星移動通信的終端將向著各系統相互兼容，衛星與地面移動通信、移動與固定通信互聯互通，實現一個終端走遍全球的個人通信目標。

應用融合即將各類業務和應用集合打包推向市場。通過服務平臺融合，將地面移動通信和衛星移動通信有機結合，從而為用戶提供更廣泛、便捷、實用的服務。如目前和未來一段時間內可推廣或預見的諸如航空、高鐵、海上等交通導航指揮、通信、智慧城市建設、物聯網應用等。真正使衛星移動通信同其它各類通信手段共同構成人們提高生活質量的通信保障。

（3）多頻段共存

為滿足日益增加的帶寬需求和高速數據處理需求，積極應對業務寬帶化、IP 化的趨勢，衛星移動通信系統使用高頻段已經成為一種趨勢，各種頻段的系統相繼出現，并將共同存在。例如，在銥星二代系統中所使用的技術，Ka饋電鏈路空閑時用于衛星寬帶通信，單用戶可獲得50Mbit/s的傳輸速率。這樣在銥星系統中，既有L頻段語音和窄帶數據通信業務，也有Ka頻段寬帶通信業務，從而實現了L/Ka頻段共存。海事衛星也開始發展 Ka頻段衛星通信系統以滿足業務需求。工作在Ku頻段上的MSS系統可分為多種載體提供寬帶業務，比如火車、飛機、汽車、艦船。

（4）寬窄帶協同

目前衛星移動通信寬窄帶業務均持續發展，一方面是高速率寬帶交互通信業務迅猛發展，構筑空間信息高速公路；另一方面，窄帶數字話音、傳真、數據低速業務也將繼續存在和發展。衛星移動通信系統寬帶和窄帶通信除了平行應用，還將協同傳輸。

具有代表性的是銥星系統，其L頻段窄帶鏈路除了傳輸語音和窄帶業務，還可以被用于傳遞信令以調用Ka寬帶鏈路資源，從而傳輸寬帶數據業務，實現了寬窄帶協同。

五、結束語

在衛星通信迅速發展的形勢下，衛星移動通信大有可為。作為實現無所不在的個人通信不可或缺的衛星移動通信正在往多功能融合、寬窄帶協同、多頻段共存和天地一體化的方向發展。衛星移動通信在我國尚有巨大的潛在市場，借鑒國外發展經驗和教訓，努力發展我國自主知識產權的衛星移動通信系統，包括同步軌道衛星移動通信系統和低軌衛星移動通信系統，是我國衛星通信事業近期發展的一項重要任務。

參考文獻

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