低軌衛星互聯網發展問題研究

姜燕麗 ，劉曉娟 ，張雪梅 ，何廣樂 ，李婷婷

（1.中國信息通信研究院，北京 100091；2.中國泰爾系統實驗室，北京 100088；3.中國聯合網絡通信有限公司北京市分公司，北京 100000）

1 引言

近年來，眾多新興公司競相開展衛星互聯網研究，OneWeb已在2014年完成了頻率軌位的申請，并于2017年6月25日取得了美國聯邦無線電管理委員會（FCC）的低軌道衛星通信網絡的運營執照，我國也在2016年8月提出構建覆蓋全球的天地一體化信息網絡，可見新一代小衛星系統也在描繪著新星座圖，但同時衛星互聯網也將帶來安全、監管等方面的挑戰，需要我們提早進行研究。

2 國內外典型低軌衛星互聯網星座建設計劃

2.1 Starlink低軌道衛星星座

Starlink低軌道衛星星座由SpaceX公司提出。2016年前后，SpaceX分別通過美國聯邦通訊委員會（FCC）和挪威政府向ITU申報了建設Starlink低軌道衛星星座的頻率和軌位，從兩者申請文件可以看出，整個Starlink低軌道衛星星座計劃發射4425 顆通信衛星Ka/ku波段衛星和7518顆V波段衛星，其軌道高度分別約為1200千米和340千米。2018 年2月，Space發射了首批測試衛星，開始搭建其“Starlink”衛星互聯網項目。SpaceX計劃于2019 年啟動正式的衛星發射工作，2020年開始提供限定的服務，2024年之前全面運行。

2.2 O3B衛星系統

“另外30億人”（Other 3Billion，O3B Networks）由Google與金融集團匯豐銀行（HSBC）以及國際有線電視集團Liberty-Global于2008年9月共同組建，致力于專門提供衛星寬帶批發業務。截止到2018年6日，O3B中軌道MEO星座部署衛星的數量已達到了16顆，O3B編隊總容量提高了38%，覆蓋區在南北緯50度之間。根據O3B計劃，2019年O3B將再發射4顆衛星進而完成第一代星座的組網建設工作。第二代O3B衛星全部采用全電推進，擬在2021年部署完成。第二代衛星軌道高度不變，但將新引入70度的軌道傾角，以實現近乎全球的覆蓋，目前SES尚未選定“O3B增強”衛星的發射服務商。

2.3 OneWeb衛星系統

OneWeb已在2014年完成了頻率軌位的申請，實際其使用的是20世紀90年代Sky-br idge星座的頻率軌位資源，其用戶段是Ku波段。此外，OneWeb 還與全球最大的高軌衛星運營商Intelsat達成合作協議，為頻率協調提供了極大的便利。2017年6月25日，OneWeb取得了美國聯邦無線電管理委員會（FCC）的低軌道衛星通信網絡的運營執照，代表著OneWeb的頻率協調工作可以被允許在美國市場上正式開展業務。可以看出，OneWeb已經完成頻率軌位資源申請和協調，搶占了發展的先機。OneWeb 計劃共部署900顆衛星，其中有720顆衛星將被發射到1200km、18個軌道面上，每個軌道面上每隔9度部署一顆衛星，不提供星間鏈路。2018年初OneWeb發射最初的10顆衛星，根據OneWeb計劃，2019年將會全面啟動衛星發射計劃，到2022年為目前無法使用互聯網連接的農村和難以到達的地區提供互聯網，到2027年彌合數字鴻溝。OneWeb就已經與歐洲火箭發射服務Arianespace簽署了協議，在2017年至2019年之間進行至少21次衛星發射。

2.4 波音公司系統

波音公司于2016年正式向美國聯邦通信委員會（FCC）申請建設一個由2956顆衛星組成的低軌衛星星座網絡，旨在為全世界的商業和政府用戶提供互聯網和通信服務。該星座通過系統網絡接入網關和相關地面光纖網絡為用戶終端提供高速、低延遲的互聯網連接。在計劃中提出先期在6年內部署1396顆衛星在近地軌道星座。最終，該衛星星座將由2956顆衛星組成。

2.5 LEOSAT系統

LeoSat低軌星座系統由LeoSat公司提出，致力于打造120～140顆高功率Ka頻段衛星星座（有信息顯示是108顆），提供全球數據傳輸服務，其宗旨是通過在LEO軌道構建一個高通量的衛星星座來實現高質量的數據服務。

根據LeoSat的對整個衛星系統的估計，LeoSat 互聯網星座至少需要融資25～30億美元。2015年6 月，LeoSat與美國紐約一家投資公司簽署了合作協議，由該公司負責幫助LeoSat開展首輪融資用于衛星設計。截止到2018年初，LeoSat公司尚未完成衛星的研制工作，目前LeoSat目前正在尋找投資者，目標是從2019年開始發射高容量寬帶衛星，并在2022 年發射70～108顆衛星并投入運行。

2.6 我國布局天地一體化信息網絡

2016年8月，國務院印發的《“十三五”國家科技創新規劃》（下稱《規劃》）正式發布。這是我國首次以“國家”命名科技創新規劃。規劃提出12項主要指標，多項指標在未來五年將翻番或有重大躍升。要推進天基信息網、未來互聯網、移動通信網的全面融合，形成覆蓋全球的天地一體化信息網絡。

3 未來非靜止寬帶衛星星座的發展趨勢

3.1 從系統發展角度看

（1）加速蓬勃發展態勢日趨明顯。2015年至2020年期間，中低軌寬帶衛星星座互聯網系統的容量將實現翻兩番。當前，多家商業航天公司提出了中低軌寬帶衛星星座系統的建設計劃，利用商業資本高速推進，其中又以OneWeb為代表，已經獲得頻率和軌道資源，并構建了完整的產業合作體系，擬在2020年前后完成系統的正式商用。未來5年內，衛星通信行業借助互聯網熱潮的東風，將實現加速蓬勃發展。

（2）系統發展市場需求為導向。從全球各大衛星通信公司發展計劃來看，由于衛星系統建設成本高、周期長，其發展計劃均遵循市場需求導向原則。通過準確的對軍民應用市場需求預測，實現衛星系統建設的高效性和經濟性；通過與互聯網服務商、內容提供商、軍隊保障部門開展廣泛的商業合作，提高了傳統衛星制造企業活力，增強了衛星通信行業的市場競爭力。

（3）技術創新驅動系統的快速發展。各衛星公司積極發展新興技術，中低軌寬帶衛星方面，結構化、模塊化的設計理念、3D打印等快速制造技術的應用、激光通信等高速星間鏈路的試驗等新興技術被廣泛使用到小衛星的設計制造中，大大縮短了研制成本和周期，推動了系統建設速度。

（4）頻軌資源日趨緊缺。衛星通信經過數十年的發展，已經發射近2000顆衛星或人造航天設備，宇宙空間已經日漸擁擠，頻率和軌道資源成為各衛星通信企業競爭的焦點。尤其是各商業航天公司提出的低軌寬帶衛星星座動輒成百上千顆衛星，一旦系統建成，將對后建的其他星座造成極大的協調難度。

3.2 從技術層面看

（1）表現Ka頻段寬帶衛星通信將成未來衛星通信的主流。Ka頻段寬帶衛星通信將成未來衛星通信的主流，給衛星通信帶來新的競爭力。目前國外各大衛星運營商都將眼光投向了Ka頻段寬帶衛星通信，Ka頻段具有更寬的帶寬，能提供更多的通信容量，用戶終端的天線尺寸可以更小，便于終端的小型化和便攜化。具有衛星寬帶通信功能的多模手持終端必將在移動互聯發展的浪潮中脫穎而出。因此，運營商運營成本的降低以及用戶終端普及率的提高，將給衛星通信帶來新的競爭力，使其與地面固定/移動寬帶通信更好的融合。

（2）載荷配置以透明轉發為主。從星上載荷類型來看，有的采用星上透明轉發的方式，有的采用星上處理交換的方式，均根據各自的系統需求而定。兩種載荷方式各具特點，星上處理交換可以實現系統靈活組網，通過單跳通信提高服務質量，通過增強終端反向接入能力進而降低終端功耗和成本，但星上載荷實現復雜，所需技術難度較高。星上透明轉發服務延時大且不便靈活組網，但可充分利用星上有限資源實現大容量數據傳輸，便于系統升級。但目前超過100Gb/s的超大容量通信衛星系統都采用了星上透明轉發模式。

（3）采用先進傳輸和接入體制。在傳輸技術方面，對于頻帶和功率均受限的衛星通信系統，其頻帶有效性和功率有效性是一對矛盾。對于大容量寬帶衛星通信系統通過采用先進的信號傳輸和ACM 技術，在提高系統的頻帶和功率利用率的同時，兼顧了系統靈活性和用戶可用性。

在系統接入方式方面，基于透明轉發器的系統分別采用了基于DVB標準和基于DOCSIS標準的接入體制，其中超過70Gb/s的系統目前采用的是基于DOCSIS標準的接入體制。這兩種標準在多址方式上都采用了反向MF-TDMA、前向TDM的方式。MF-TDMA是一種頻分和時分相結合的二維多址方式，適合全網狀網業務應用，對固定的綜合業務支持能力較好，在網管中心的控制下，可應用于星狀網，支持虛擬子網。TDM是通過時分的方式使鏈路能夠同時傳輸來自多個輸入源的比特，進而增加傳輸鏈路的容量。

3.3 從應用角度看

在應用方面，已經從主要面向大型機構、少量重點用戶提供應急和干線傳輸服務，發展到面向廣大公眾提供寬帶互聯網接入服務轉變，各個系統都大量裝備了機載、車載和便攜式衛星通信終端，終端設計向通用規范化、小型化低成本以及提升互操作性和兼容性等方向發展。由于基于Ka頻段的LEO 衛星群蜂窩網的發展，不僅使可用頻率資源和通信容量大幅度增長，而且使用戶終端的成本大大降低，衛星通信無縫覆蓋的優勢凸現，在國際民用通信市場中確實可以占據一個不小比例。但是我國的情況略有不同，由于基于4G的地面蜂窩網在我國民用通信市場中占有比例明顯高于國外大多數國家，而衛星通信接入因特網的競爭力還遠不如4G，目前衛星通信可實現的可用頻率資源的地域覆蓋密度，比4G的覆蓋密度低幾個數量級。衛星通信接入因特網的應用，在我國近期內仍然只是對地面網絡覆蓋不足的一種重要補充。當然，衛星通信無縫覆蓋的優勢可以產生很高的實用價值和社會效益，這是無法用市場份額大小衡量的。民用衛星通信在規模和實際效益將會超過軍用衛星通信，我國衛星通信產業將由政府主導轉變為市場主導。因此，衛星通信的發展無疑是前途光明而且意義重大的。

4 對我國建設低軌道衛星互聯網發展的建議

（1）加強頂層設計，統一軍民力量，做好規劃銜接，協同開展衛星互聯網研究和實施。衛星通信系統，尤其是低軌衛星星座，初始投資大，回報周期長，同時，作為典型的軍民融合系統，需充分發揮我國善于集中力量辦大事的特點，加強頂層設計和軍民融合，多部門協調步伐，聯合做好《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015-2025年）》、天地一體化信息網絡工程、以及軍隊相關規劃的銜接，形成統一的長期發展路線圖，集聚資源，優化配置，協同開展重大工程建設和應用，避免資源的分散配置，杜絕系統的重復建設。

（2）以需求為出發點，厘清政府與市場關系，多渠道籌措資金，加強系統建設、應用服務、運營推廣的統籌。現階段，我國航天科技（五院、八院）、航天科工、信威通信、上海微小衛星工程中心、中國電科集團、亞太衛星等均提出了自己的衛星互聯網計劃，須以需求為出發點，明確國家需求和市場需求，厘清政府與市場關系，并據此加強政府資金、企業自籌、社會融資的統籌，在系統建設上做好“高低軌”、“寬窄帶”、“區域與全球”等方案的統一論證，在應用服務上做好政府服務、軍用服務、商業服務的高效融合，逐步構建全球服務體系，在運營推廣上做到可持續發展，促進產業良性循環。

（3）以長期路線圖和重點工程為牽引，開展核心關鍵技術攻關，加強頻率軌位資源儲備。根據長期路線圖的安排，瞄準實際工程的部署，開展傳輸體制、星座組網、星載天線及載荷、星間鏈路、終端芯片等核心關鍵技術的攻關，分布建設試驗系統、商用系統，在系統建設的過程中，需積極開展相關的頻率軌位協調，通過自己申報、購買、租借、共享等多種手段在全球搶占頻率軌位資源。

（4）加強監管措施研究，加快監測與應對技術攻關，加大監管執行力度，制定好安全對策。衛星通信最大的風險點在于其天然的跨境覆蓋特性，使我國境內的衛星通信終端可以通過天上衛星的中轉或交換而直接在境外關口站落地，因此我國電信業務分類目錄中已經要求跨境衛星業務應經過國家批準設立的國際通信出入口轉接。同時，衛星網絡容易受到外界信號的干擾。隨著衛星互聯網的發展，一方面，需從技術監控和安全審查兩方面著手，避免非法連接服務、非法鏡像數據傳送的提供，同時提高干擾與抗干擾能力；另一方面，還需會同公安、海關、工商等部門加強對非法衛星終端的監管力度，確保我國信息安全。■