5G時代衛星通信的生存法則

一、前言

在當今信息網絡中，衛星通信、地面光纖通信和移動通信可謂三足鼎立、三分天下。與地面光纖通信主要用于骨干傳輸和固定接入、地面移動通信主要用于移動接入相比，衛星通信可以應用于骨干傳輸、固定接入、移動接入、企業聯網、電視廣播、應急通信、軍事通信等多種場景，在軍、民、商等各個領域都占有不可或缺的地位。看起來，衛星通信更像個全能選手，十八般武藝沒有它玩不轉的。事實也的確如此，它的這些能耐來源于其廣覆蓋、遠連接、能移動的三大天然特性。

不過，由于衛星通信在頻軌資源、制造和發射成本方面受到一定的局限，而地面光纖通信和移動通信在容量和性價比方面取得了更大的成就，因此，衛星通信早期在骨干傳輸方面受到地面光纖通信的替代，后期在移動接入方面受到地面移動通信的挑戰。同樣作為無線通信技術，地面移動通信對衛星通信的影響更大。3G之后，地面移動通信的傳輸速率越來越高，功能越來越強大。特別是5G同時覆蓋高帶寬、大連接、低延時三大應用場景，擺出一副通吃高清/超高清視頻、物聯網、車聯網等所有業務的架勢。毫無疑問，相比以往的移動通信系統，5G的高帶寬將更適合于新聞采集、視頻廣播、在線直播等業務，會進一步推動移動網絡上IPTV和OTT TV的發展，這將對衛星視頻分發、衛星電視直播產生直接的沖擊。

不過，人們也不要過于擔心5G移動通信對衛星通信的沖擊，因為5G“隨遇接入、萬物互聯”愿景的實現還需要可以全球無縫覆蓋的衛星通信這個“同胞兄弟”出手相助。目前ITU、3GPP和SaT5G等標準化組織無一不在從事衛星通信和5G的融合研究。比如，5G數目眾多的遠程基站有的需要衛星通信來回傳業務流量，5G廣播也可能需要衛星通信來提供內容投遞。此外，還有機載和船載通信等。也就是說，衛星通信與地面移動通信是相生相克的關系。盡管如此，衛星通信必須要正視5G時代的到來，因為5G的的確確在與衛星通信爭頻率、搶業務。衛星通信要持續生存、發展下去，就必須使出渾身解數來為自己創造市場。因為，技術是為市場存在的，企業是為客戶存在的。

二、做大容量，吸引市場

帶寬容量是衡量所有信息網絡性能的最基本指標，是它們克敵制勝的首要法寶。面對高清/超高清視頻、社交網絡等應用帶寬需求的日益增長，信息網絡必須不斷提高網絡帶寬。就衛星通信來講，信道編碼效率基本接近極限水平，網絡帶寬只能通過多點波束空分復用、高頻傳輸這兩者路徑來獲得。目前，各種HTS都在通過這種路徑來擴大帶寬。Viasat在建的GEO HTS——Viasat－3容量達到1Tbps，這幾乎是常規衛星容量的1千倍。Hughes和Eutelsat公司分別在建Jupiter－3、KONNECT容量也達到500Gbps。這三大VHTS（超級HTS）都將在2021年發射。HTS容量的迅速提升使得GEO HTS的單位Gbps制造成本降至百萬美元以下，從而在服務能力和資費水平方面與地面寬帶網絡旗鼓相當。隨著VHTS的推出，衛星通信在信息網絡中的吸引力將會得到有力的提高。

為了進一步擴大衛星通信容量，在充分利用多點波束和頻分復用技術的同時，Ka之上的頻率資源更為豐富的Q、V頻段已經開始進入商用。2016年3月，Eutelsat率先在Eutelsat 65 West A衛星上使用Q頻段。SpaceX、O3b、Boeing、Amazon以及國內相關單位的星座系統都有V頻段的使用計劃，而歐美等國已開始進行頻率更高的W頻段的研究工作。2018年6月20日，由芬蘭研制的納衛星首次從太空向地球發送W頻段信號。與Q、V頻段相比，空間激光通信的帶寬更大、抗干擾能力更強。經過多年來美歐、日本等的一系列研究，目前衛星激光通信開始進入實用階段。2019年2月，歐洲Airbus公司與日本SKY Perfect JSAT公司簽訂了合作協議，旨在共同開展激光數據中繼衛星業務。SpaceX、Telesat以及國內相關星座系統都有衛星激光通信計劃。我國2019年底發射的“實踐20衛星”上同時開展Q、V和激光通信傳輸試驗，其中星地激光通信傳輸速率達到10Gbps的國際先進水平。此外，特性介于毫米波和激光之間的太赫茲也在研究之中。太赫茲頻率在0.1-10THz之間，理論傳輸速度可達1Tbps。2018年5月，Tektronix/IEMN（一個法國研究試驗室）在252-325GHz頻段實現了100Gbps無線傳輸。

三、降低成本，搶占市場

成本是任何企業在市場競爭中獲取優勢地位的殺手锏，這樣的案例在家電、通信、計算行業比比皆是，衛星通信行業亦不例外。這輪全球LEO星座熱潮興起的重要原因之一就是衛星制造和發射成本得到大幅降低。在小衛星批量制造方面，衛星制造公司開始使用非航天級別的COTS（商業現貨）組件，利用3D打印、模塊化設計、即插即用、智能裝配、大數據、機器人、增強現實等成熟技術，采用與飛機和汽車生產相似的流水線組裝方式，從而可以每天生產數顆衛星，并將單顆LEO HTS的制造成本降到百萬美元以下。馬斯克領導的SpaceX公司憑借衛星制造和發射一體化控制能力，易于量產、裝載、發射的衛星扁平化設計，以及一箭60星發射和火箭回收再利用等獨門絕技，將OneWeb這個強大對手挑下馬來。SpaceX在航天運輸方面的異軍突起以及在衛星互聯網方面的雄心壯志也是來自于技術創新和成本控制方面的非凡功夫。

在衛星成本控制方面的明星企業，除了馬斯克麾下的SpaceX，還有ABS公司前CEO Tom Choi新組建Saturn（土星）衛星公司。如果說馬斯克的SpaceX更擅長衛星制造和發射，目標是搶占LEO衛星互聯網市場，那么，Tom Choi的Saturn則更懂衛星通信用戶需求和系統實現，志在爭奪GEO衛星通信市場。Saturn致力于低成本的小型GEO衛星制造。通過全數字有效載荷等技術的應用，Saturn成功將85Gbps的Ka頻段HTS成本降到約為8500萬美元。Tom Choi對LEO的冷靜和對GEO的堅持態度正在被OneWeb的財務危機和GEO市場的回暖所印證。可見，衛星制造發射成本控制既來自于技術、產品和商業模式創新，更來源于市場機制和企業家精神發揮。

四、增強智能，適應市場

信息網絡市場需求千變萬化，這必然要求信息網絡具有一定的彈性和智能來應對。5G中的SDN、NFV和切片等技術，通信衛星中的數字載荷和軟件定義都是具體的解決之道。基于數字載荷和軟件定義技術的靈活衛星可根據應用需求的變化，對衛星的覆蓋、連接、帶寬、頻率、功率和路由等性能進行動態調整和功能重構。根據Euroconsult的統計，目前全球一半左右的HTS衛星帶有靈活性載荷，其中覆蓋靈活性占35%，連接、帶寬和頻率靈活性各占15%，功率占9%。覆蓋靈活性的重要應用形式是移動波束，它已在O3b、Inmarsat、Intelsat等公司的HTS普遍應用。連接靈活性的重要應用形式是DTP（數字透明處理器），它可在不同波束之間建立連接，從而解決一般HTS星狀結構帶來的雙跳通信影響。這一技術在Intelsat EPIC系統得到充分運用，它無需要求用戶更換終端就可以直接接入HTS網絡。帶寬靈活性的重要應用形式是跳波束（Beam Hopping），它通過時分技術，將有限的帶寬資源在不同波束之間動態分配，從而有效解決多點波束帶來的HTS資源碎片化和不同波束之間的業務忙閑不均問題，提高HTS帶寬資源的利用率，其典型應用案例是Eutelsat-Quantum（歐衛量子）衛星。Eutelsat Quantum號稱全球首顆真正意義上的靈活性衛星，該星由Airbus公司建造，可通過軟件定義調整覆蓋、頻率和功率。

在天地一體化的衛星互聯網時代，不僅需要通過數字載荷和軟件定義來實現空間段衛星智能化，地面段VSAT網絡也要借鑒5G中的SDN、NFV和云化技術來實現智能化，并積極融于基站回傳、IP中繼、移動平臺接入、混合網絡和物聯網等5G應用生態之中。5G的新穎之處在于它標準化了服務編排。共享5G協議的衛星運營商和服務提供商可以使用標準化程序，來配置和管理多種類型的服務，從而提高衛星通信網絡的市場適應能力。

五、融合星地，匯聚市場

由于經濟規模的原因，衛星通信是一個相對封閉的行業。不同衛星通信網絡在終端層面很難直接互通。DVB標準的采用改善了衛星通信網絡的開放性，但是不同系統相互獨立的局面短時期很難徹底改變。衛星通信與地面通信網絡的發展進程不太同步。衛星互聯網啟動的時候，5G已經商用，等到6G商用的時候，衛星互聯網估計也已經定型。因此，衛星與地面網絡的一體化設計只能是個理想。衛星通信網絡與地面通信網絡的融合應用主要還是通過網關互聯，特別是終端聚合來實現。

在即將到來的高中低軌衛星互聯網并存以及5G與衛星融合時代，在連接方面，需要通過小尺寸、低功耗、快響應的電調平板天線來在不同頻段之間、不同衛星之間和衛星通信與地面通信網絡之間進行快速切換，以保持通信連接的暢通無阻。在應用方面，還需要通過移動邊緣計算技術來實現路由選擇、速率適配、內容存儲、數據分析、系統控制等終端應用管理工作。近年來，電調平板天線商用化水平一直在不斷提高。在EuCNC2019（2019歐洲網絡與通信大會）上，移動邊緣計算已經在SaT5G聯盟進行的一系列衛星5G演示中得到應用。

除了電調平板天線和移動邊緣計算技術，還需要具有局域或區域覆蓋能力的無線網絡與衛星通信網絡對接，來真正實現隨遇接入、無縫覆蓋，并分攤用戶使用成本。在Saturn公司之前，Tom Choi先創立了低成本、高能效的寬帶無線平臺Curvalux。Curvalux其使用固定的多波束相控陣天線，與傳統LTE基站相比，其功耗降低到原先的1/100，同時提供7倍的吞吐量。據稱，全天候為Curvalux系統供電的100W太陽能電池套件只需200美元。在2019年拉斯維加斯NAB（美國廣播電視）展期間，Saturn公司向美國客戶展示了Curvalux的技術，距離發射塔800米的智能手機下載速度達到了400Mbps。通過WiFi接入點，從5公里外傳輸數據速度可達100Mbps。鏈路預算顯示，最遠傳輸可達15公里，甚至30公里。

六、創新方式，拓展市場

面對傳統衛星通信市場的發展瓶頸，各大衛星運營商可謂八仙過海，各顯神通，積極擴展市場。Intelsat投資于OneWeb，分享市場資源，共同應對頻率干擾。后來因種種原因，兩家公司分道揚鑣。SES整合O3b，以拓展MEO HTS市場。Eutelsat建設LEO物聯網星座——ELO，以進軍衛星物聯網市場。Telesat通過Telesat這個LEO HTS星座，進入衛星互聯網市場。Inmarsat利用自身GEO衛星和衛星中繼通信技術，為一家LEO星座運營商提供全球全天候的衛星測控、任務控制和故障查找等資產運行和管理服務。SKY Perfect JSAT高度重視HTS、平流層飛艇、基于LEO的遙感數據傳輸和AIS（船舶自動識別系統）、電調平板天線等市場機會，來開創新的發展局面。

七、尋求扶持，擴大市場

衛星通信是國家信息基礎設施的重要組成部分，它同時隸屬于航天產業和信息產業，其戰略地位十分突出。在航天產業中，衛星通信的產業化程度最高，其中，商業化發展衛星通信提供了強大的推動力量。盡管如此，政府政策上的扶持也是極為重要的因素。以SpaceX為例，今天它在衛星制造和發射的一馬當先與其發展過程中美國政府在資金、技術、人才、設施等方面的支持是分不開的。

2008年，美國NASA宣布SpaceX獲得由獵鷹號發射的IDIQ合同，自此，SpaceX成為全球僅有的承擔國家航天發射任務的私營企業。2015年，美國國防部授予SpaceX軍用衛星發射許可證書，并將某些軍用發射場和基地提供給SpaceX用于發射獵鷹火箭。美國軍方鼓勵退役軍人在保密前提下，轉換角色，重新進入企業，承擔咨詢或研制任務，以此促進人才的流動，為提升企業的實力提供人才保證。SpaceX負責政府銷售的副總裁曾是美國空軍官員。在火箭發動機技術上，美國NASA向SpaceX派駐技術人員并轉讓專利，開放阿波羅計劃的部分技術，提供火箭發動機試車測試臺，幫助SpaceX發展獵鷹火箭關鍵技術，并開放風動實驗設施，以充分利用。2020年3月13日，美國FCC向SpaceX開放總價值160億美元的農村寬帶業務補貼資金競爭機會。歷史上，Viasat就曾獲得過類似的農村寬帶業務補貼資金支持。可見，SpaceX、Viasat的成功都不是一種偶然，獲得充分的市場哺育是它們取得成功的關鍵因素。

當前，我國正處于衛星互聯網建設、衛星通信產業化和國際化發展的關鍵時期。我國衛星通信產業面臨衛星和地面設備技術相對落后以及市場受限雙重困境，而后者尤為嚴重。我們知道，對于傳統衛星通信市場而言，最大的需求來自于衛星電視直播。截止2018年底，全球衛星行業總產值為2774億美元（美國占43%），其中通信為主的衛星服務業為1265億美元，衛星直播電視為942億美元，可見其地位之高。而我國衛星直播電視還處于公益服務階段，不僅沒有商業收入，而且每年國家還需要提供財政資助。對于新興的衛星互聯網市場而言，最大需求來自于消費者寬帶接入。在國家寬帶普遍服務計劃中，上千億的資金基本上都用于地面光纖和移動通信系統的建設，目前98%的行政村都實現了光纖和移動通信網絡連接。

目前，我國衛星直播電視家庭用戶數已達1.4億，商業化運營市場潛力巨大，且各地開展區域衛星直播電視的意愿也非常強烈。我國2%的鄉鎮沒有通寬帶，其比例雖然很小，但家庭用戶總數依然非常可觀。如果這兩個市場能同時開放，無疑成為我國衛星通信產業化發展的雙翼。

八、結語

技術應用、商業模式、產業政策和市場需求都是衛星通信產業發展的強大動力，其中市場需求具有決定性的影響。衛星通信產業的持續發展，需要衛星制造商和運營商在網絡容量、通信成本、系統智能、星地融合、模式創新、政策扶持等方面同時發力，以做大市場規模，實現良性循環發展。目前，我國衛星通信產業最大的瓶頸在市場受限。市場受限的主要原因是衛星直播電視和消費者寬帶接入兩個主體市場未能充分發育。就衛星直播電視市場而言，主要問題在于地面有線電視和衛星直播電視之間的利益平衡。從信息服務產業的客觀規律看，IPTV、OTT TV取代地面有線電視將是必然的結果。而衛星直播電視由于具有信息傳播的廣域性、等時性、高效性、可靠性，本將可以長期存在下去。就消費者寬帶接入市場而言，主要問題在于地面光纖傳輸和衛星傳輸的成本效益權衡。地面光纖傳輸的成本是線性增長的，用戶越是遙遠、分散，成本越高，而衛星傳輸與距離無關，廣域覆蓋、遠程通信是其天然的優勢。因此，我國衛星通信行業需要突破衛星直播電視和消費者寬帶接入的政策壁壘，才能將國內市場做大、做強，進而才能有資格參與競爭更為激烈的國際市場的角逐，這是5G時代衛星通信行業不可回避的生存法則。

圖1 傳統通信衛星和HTS帶寬需求結構