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文 | 沈永言（中國衛(wèi)通集團股份有限公司）

轉(zhuǎn) | 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)

1前言

說到商用通信，人們會不假思索地想到光纖通信、移動通信和衛(wèi)星通信，而且，還會理直氣壯地認(rèn)為，光纖通信和移動通信比衛(wèi)星通信規(guī)模大、用戶多。是的，今天的情況的確如此，但是最初并非這樣。通信行業(yè)資深一點的人士都知道，衛(wèi)星通信始于1957年，那年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第1顆LEO衛(wèi)星－Sputnic。1965年4月，Intelsat將第一代通信衛(wèi)星—Intelsat-1（即晨鳥）發(fā)射到地球靜止軌道，提供國際通信服務(wù)，標(biāo)志著衛(wèi)星通信正式進入商用階段。1976年，美國在亞特蘭大開通了世界上第一個實用化光纖通信系統(tǒng)，速率為45Mbps，中繼距離為10km。1980年，140Mb/s多模光纖通信系統(tǒng)開始商用化，單模光纖通信系統(tǒng)開始現(xiàn)場試驗。1978年，美國貝爾實驗室發(fā)明了AMPS（先進移動電話系統(tǒng)），即第一代模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)?？梢姡摎v史的話，衛(wèi)星通信要比光纖通信、移動通信早不少。

衛(wèi)星通信是一種中繼節(jié)點運行于太空中的一種特殊無線通信方式，具有覆蓋區(qū)域廣、生存能力強、建設(shè)速度快、業(yè)務(wù)種類多等優(yōu)勢。衛(wèi)星通信有FSS（固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)）、BSS（廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)）、MSS（移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)）三大業(yè)務(wù)類別，其中FSS、BSS的業(yè)務(wù)規(guī)模和社會影響更大。回顧歷史，衛(wèi)星通信曾在專線、VSAT網(wǎng)絡(luò)方面創(chuàng)造過輝煌的業(yè)績。展望未來，衛(wèi)星將在高中地軌融合發(fā)展時代繼續(xù)發(fā)揮不可或缺的支撐作用。

2衛(wèi)星專線連接五洲四海

在陸地、海底光纜普及之前，衛(wèi)星通信曾經(jīng)是國際國內(nèi)電視和電信傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)中的主力軍。1972年，我國建設(shè)的第一個衛(wèi)星通信地球站就是用于美國總統(tǒng)訪華實況轉(zhuǎn)播。1984年，我國成功發(fā)射第一顆通信廣播試驗衛(wèi)星—東方紅二號，該衛(wèi)星攜帶2路C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，開展1路彩色電視和15路廣播節(jié)目的傳輸試驗。1985年先后建設(shè)了北京、拉薩、烏魯木齊、呼和浩特、廣州等5個公用網(wǎng)地球站，正式傳送中央電視臺節(jié)目。

我國衛(wèi)星公用傳輸網(wǎng)始建于1985年。到2002年，共開通約3萬多條國內(nèi)雙向電路和1萬多條國際雙向電路，主要用于話音、數(shù)據(jù)、電視傳輸和互聯(lián)網(wǎng)接入等業(yè)務(wù)。我國衛(wèi)星通信專線先后采用過SCPC（單路單載波）、FDM/FM（頻分復(fù)用/頻率調(diào)制）、TDMA（時分多址）和IDR（中速數(shù)據(jù)速率）等制式。

因為SCPC、FDM/FM屬于模擬通信技術(shù)，沒有適應(yīng)程控電話和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)需要的數(shù)字電路復(fù)用和數(shù)字接口，而TDMA嚴(yán)格的網(wǎng)時鐘同步要求，且轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬使用不夠靈活，因此從1993年5月開始被IDR所取代。那年，原郵電部引進加拿大Spar公司的IDR設(shè)備，不僅裝備國內(nèi)北京、廣州、烏魯木齊、呼和浩特、拉薩、成都、青島等原有地球站，而且新建了上海、西安、沈陽、廈門、哈爾濱、?？?、重慶、昆明、蘭州、武漢、南寧、福州等新地球站。

IDR業(yè)務(wù)是由Intelsat在80年代中期提供的一種新型數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。IDR業(yè)務(wù)有1.544、2.048、6.312和8.448Mbps四種信息速率。IDR相當(dāng)于對FDM/FM的數(shù)字化，屬于TDM/FDMA（時分復(fù)用/頻分多址）體制，但不需要網(wǎng)時鐘同步。IDR與基于DSI（數(shù)字話音插空）、ADPCM（自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制）的DCME（數(shù)字電路倍增設(shè)備）組合使用，可將衛(wèi)星專線傳輸能力提高到原來的5倍，例如，8.448Mbps電路可傳600路話音。

3VSAT網(wǎng)絡(luò)通達(dá)千家萬戶

在連接五洲四海、實現(xiàn)公用通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通方面，IDR可謂功不可沒。但是，IDR有兩個不足，一是在容量、時延和性價比方面，被后來居上的光纖通信所超越；二是點到點傳輸模式限制了它的應(yīng)用范圍，多次轉(zhuǎn)接也會損傷話音等業(yè)務(wù)性能。這就為隨后興起的VSAT（甚小型口徑天線終端）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了大顯身手的機會。

上個世紀(jì)八十年代末，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器性能和終端電子技術(shù)取得巨大的進步，這使得VSAT天線和用戶終端設(shè)備逐漸實現(xiàn)小型化。與IDR相比，VSAT可以自我組網(wǎng)，具有成本低、結(jié)構(gòu)靈活、應(yīng)用多樣、安裝容易、操作簡單等優(yōu)點，因此在公用網(wǎng)絡(luò)骨干傳輸和用戶接入以及各類專網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域得到廣泛使用。

1984年，Intelsat首次開設(shè)了VSAT業(yè)務(wù),立即引起了我國郵電等部門的關(guān)注。1988年,原中國通信廣播衛(wèi)星公司引進國外通信設(shè)備,建成我國第一個VSAT通信網(wǎng)。它包括1個主站和35個端站,為我國鐵道部、能源部、地震局、海洋局、民航局、海關(guān)總署、經(jīng)濟信息中心和農(nóng)業(yè)銀行等8個行業(yè)部門提供通信服務(wù)。

在我國VSAT發(fā)展過程中，無線尋呼聯(lián)網(wǎng)、證券信息廣播、村村通電話、地面光纖電路備份、村村通和戶戶通電視等工程是幾個最具代表性的應(yīng)用案例。至2006年底，村村通電話VSAT小站達(dá)2780個，解決了絕大多數(shù)偏遠(yuǎn)地區(qū)的電話通信難題。全國VSAT小站總數(shù)達(dá)46444個，其中單向小站34140個，雙向小站9524個。在2008年“5.12”四川地震后，電信運營商開始采用VSAT作為地面光纖網(wǎng)絡(luò)的備份，僅中國移動“超級基站”一個項目就在全國建設(shè)了1000多個VSAT站點。截止到2019年6月，我國戶戶通（含少數(shù)村村通）VSAT單收站達(dá)1.4億個。單從終端用戶數(shù)上看，我國戶戶通電視工程建成了世界上最大的DTH（直播到戶）平臺，只是還沒有進入商業(yè)化運營。

可以說，DTH是VSAT最大的應(yīng)用領(lǐng)域，而DTH是衛(wèi)星通信的最大市場。目前，北美DTH用戶有5000多萬，而歐洲達(dá)8000多萬。2018年，全球通過衛(wèi)星分發(fā)的電視頻道數(shù)量超過43500個，付費電視頻道15227個，DTH總收入達(dá)942億美元。盡管受到IPTV（IP電視）、OTTTV（網(wǎng)絡(luò)電視）的沖擊，近年來DTH的用戶數(shù)和收入有所下滑，但在衛(wèi)星通信和電視廣播領(lǐng)域仍然占有舉足輕重的地位。

2000年之后，3G、4G移動通信和地面光纖通信的大發(fā)展對VSAT應(yīng)用造成不小的沖擊，但它仍然在基站中繼、IP中繼、企業(yè)和政府專網(wǎng)、應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮獨特作用。由于“動中通”技術(shù)的出現(xiàn)，VSAT成功地進入機載/船載/車載等移動寬帶接入市場。應(yīng)該說，是VSAT讓衛(wèi)星通信進入千家萬戶和各行各業(yè)，也是VSAT為衛(wèi)星通信的寬帶化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。反之，衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也在不斷推動VSAT技術(shù)的進步。

4高中低軌覆蓋空天地海

寬帶化、互聯(lián)網(wǎng)化是通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，衛(wèi)星通信也不例外。衛(wèi)星通信的寬帶化首先是通過VSAT進行的。雖然VSAT為衛(wèi)星通信的寬帶化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)GEO（靜止軌道）FSS衛(wèi)星帶寬太小，這使得最近十多年來GEOHTS（高通量衛(wèi)星）得到空前的發(fā)展。而GEOHTS時延較大、區(qū)域覆蓋能力有限，不能充分滿足5G基站中繼等低時延業(yè)務(wù)要求，這又使得MEO（中軌）HTS，特別是LEOHTS得到衛(wèi)星通信行業(yè)的高度重視。

近年來，在航天和信息技術(shù)以及商業(yè)力量的推動下，全球衛(wèi)星通信行業(yè)進入了以HTS和LEO星座為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是人類活動從陸地向海洋和太空擴展的必然結(jié)果，5G隨遇接入和萬物互聯(lián)愿景實現(xiàn)的必然要求。在信息網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化時代，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在信息網(wǎng)絡(luò)安全、航空海事通信、普遍服務(wù)、軍事通信、應(yīng)急指揮、空間頻軌資源維護等各個方面都具有重要的保障作用，進而成為全球航天產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展熱點、移動互聯(lián)網(wǎng)之后又一個新的經(jīng)濟增長點。

目前，全球主要衛(wèi)星制造和運營商都在積極發(fā)展基于多點波束空分復(fù)用技術(shù)的HTS。HTS包含GEO（地球同步軌道）、MEO（中地球軌道）、LEO（低地球軌道）三種形式。當(dāng)下應(yīng)用較多的是GEOHTS，其次是MEOHTS，LEOHTS則正在建設(shè)之中。目前，比較代表性的在軌GEOHTS是美國Viasat公司的Viasat－2和Hughes公司的Jupiter－2，它們的容量分別達(dá)到300和220Gbps。在建的Viasat－3和Jupiter－3的容量將分別達(dá)到1Tbps和500Gbps，它們將于2021年發(fā)射。

在MEOHTS星座方面，SES公司旗下的O3b是目前全球唯一商用化的MEOHTS星座系統(tǒng)，其一期20顆衛(wèi)星已經(jīng)全部在軌運行，功能更強的二代衛(wèi)星已在建設(shè)之中。在LEOHTS星座方面，SpaceX一馬當(dāng)先，其StarlinkLEO星座最初計劃發(fā)射4425顆衛(wèi)星，2018年11月增加7518顆，合計1.2萬顆。這些衛(wèi)星分別位于三個軌道：340千米上7500顆；550千米上1600顆；1150千米上2800顆。2019年10月SpaceX又增加3萬顆，總數(shù)達(dá)4.2萬顆。2019年5和11月、2020年1、2和3月，SpaceX公司先后發(fā)射6批60顆小衛(wèi)星。當(dāng)衛(wèi)星規(guī)模達(dá)到800顆時，Starlink星座將基本具備全球服務(wù)能力。

高中低軌HTS的發(fā)展充分釋放衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的帶寬潛能。目前，全球HTS總帶寬供應(yīng)量不到4Tbps，NSR（北方天空研究公司）預(yù)計，到2028年，將增長到40Tbps。其中，GEOHTS和非GEOHTS平分秋色，見圖1所示：

圖1全球HTS帶寬供應(yīng)量增長情況

高中低軌HTS的發(fā)展為VSAT提供充足的帶寬資源，其前向載波速率正在逼近1Gbps的水平，這為消費者寬帶接入、基站中繼、機載通信、海事通信、政府和企業(yè)通信等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了充足的容量保障。這些應(yīng)用共同的點到多點傳輸模式和互聯(lián)網(wǎng)接入特點是由HTS多點波束空分復(fù)用和星地一體化設(shè)計最優(yōu)結(jié)構(gòu)要求所決定的。

圖2衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空天地海應(yīng)用場景

Euconsult（歐洲咨詢公司）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，消費者寬帶接入是GEOHTS，同時也是所有衛(wèi)星帶寬應(yīng)用中需求最大的部分。全球消費者寬帶接入最大市場是北美，北美市場被Hughes和ViaSat兩家所壟斷，它們既是VSAT設(shè)備制造商，又是衛(wèi)星寬帶服務(wù)提供商。截至2018年底，這兩家公司合計占該地區(qū)205萬用戶的90%。北美之外最大市場是歐洲，目前SES、Eutelsat和Avanti三家公司在該市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，2018年用戶總數(shù)為14.4萬。到2028年，北美仍將是全球消費者寬帶接入的最大區(qū)域市場，占總用戶的近一半，屆時用戶總數(shù)將達(dá)到670萬。

圖3全球衛(wèi)星應(yīng)用帶寬需求結(jié)構(gòu)

基站中繼是NGSO（非GEO）HTS中帶寬需求最大，同時也是所有衛(wèi)星帶寬應(yīng)用中需求排第二的部分。Euconsult預(yù)測，衛(wèi)星基站中繼站點數(shù)量將以約4％的復(fù)合年增長率增長，到2028年將達(dá)到約53000個站點，而2018年為36700個。從區(qū)域上看，亞洲、非洲和拉美是最大的基站中繼市場，從網(wǎng)絡(luò)類型上看，4G和2G需求最大。

圖4衛(wèi)星基站中繼需求結(jié)構(gòu)

機載通信和船載通信在衛(wèi)星帶寬需求中占比不大，但其需求較為剛性，因而成為各大衛(wèi)星寬帶服務(wù)提供商競相追逐的新興市場。根據(jù)Euconsult報告的數(shù)據(jù)，截至2018年年底，機載通信中商用飛機潛在市場約為2.7萬架，預(yù)計到2028年將達(dá)到近4.2萬架。公務(wù)機市場將從2018年下半年的3.7萬架增至2028年下半年的近5萬架。雖然船載通信終端數(shù)量始終比機載通信多，但是機載通信的潛在收入要遠(yuǎn)大于船載通信。

圖5機載通信和船載通信需求和收入增長情況

盡管基于HTS和高中低軌星座的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的帶寬供應(yīng)量已經(jīng)超過傳統(tǒng)GEO大波束衛(wèi)星，其收入規(guī)模最終也會超過衛(wèi)星直播電視，但是GEO大波束衛(wèi)星和衛(wèi)星直播電視將長期具有舉足輕重的地位。特別是基于GEO大波束廣播的內(nèi)容投遞將在5G和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)應(yīng)用發(fā)揮關(guān)鍵。因為，高清、超高清視頻和社交媒體的發(fā)展會給信息網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的流量壓力。

借助于衛(wèi)星廣播和內(nèi)容投遞技術(shù)，將共性內(nèi)容高效地分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣，無疑是一種重要的解決之道。近年來，ITU（國際電信聯(lián)盟）、3GPP（第三代合作伙伴計劃）、SaT5G（5G衛(wèi)星聯(lián)盟）等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛將內(nèi)容投遞視為重要的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合應(yīng)用場景。衛(wèi)星內(nèi)容投遞與5G的融合不是一般性的網(wǎng)絡(luò)組合，而是一種體制性和架構(gòu)性的融合。由于5G具有廣播功能，它有可能取代DVB-T（數(shù)字視頻廣播—地面），衛(wèi)星內(nèi)容投遞與5G對接，實現(xiàn)視頻廣播服務(wù)中帶寬和業(yè)務(wù)優(yōu)化配置將具有巨大的商業(yè)價值，值得業(yè)界深入的技術(shù)研究和市場推動。

在高中低軌覆蓋空天地海時代，VSAT無疑一個支持以上各種應(yīng)用的必要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。但是，僅有VSAT是不夠的，還需要可以多頻段和多衛(wèi)星連接、小尺寸、低功耗的電調(diào)平板天線，以及移動邊緣計算技術(shù)的配合。前者實現(xiàn)終端在不同頻段和衛(wèi)星之間的快速切換，后者實現(xiàn)路由選擇、速率適配、內(nèi)容存儲、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)控制等終端應(yīng)用管理工作。電調(diào)平板天線和移動邊緣計算也是空天地海時代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)支持廣義物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如飛機、船只、車對管理和監(jiān)視等）的必要條件。

近年來，電調(diào)平板天線商用化水平一直在不斷提高。在EuCNC2019（2019歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信大會）上，移動邊緣計算已經(jīng)SaT5G聯(lián)盟進行了一系列衛(wèi)星5G演示中得到應(yīng)用。

5結(jié)語

專線、VSAT、空天地海應(yīng)用形態(tài)可以視為衛(wèi)星通信從直線、平面到立體的逐步進化過程。幾十年來，衛(wèi)星通信一直在與地面通信齊頭并進發(fā)展。一方面，地面通信在不斷侵蝕衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)地盤，同時，地面通信又在不斷為衛(wèi)星通信創(chuàng)造新的市場空間。

進入5G、6G時代，信息網(wǎng)絡(luò)空天地海一體化的重要程度前所未有，這為衛(wèi)星通信的發(fā)展展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。衛(wèi)星通信要在其中大顯身手，除了電調(diào)平板天線和移動邊緣計算技術(shù)之外，還需要繼續(xù)在小型化VSAT終端、衛(wèi)星數(shù)字載荷、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、小衛(wèi)星規(guī)模制造、多星發(fā)射、星際光通信和太赫茲傳輸?shù)确矫婕哟髣?chuàng)新力度，同時要重視與地面網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展。

近年來，我國衛(wèi)星通信取得長足的進步。但與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)，尤其是衛(wèi)星通信服務(wù)業(yè)規(guī)模較小，與我國世界第二大經(jīng)濟體地位的反差較大，其中衛(wèi)星電視直播、寬帶接入等業(yè)務(wù)產(chǎn)能尚未得到充分釋放是一個重要原因。為豐富衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國不僅需要加強衛(wèi)星通信技術(shù)、產(chǎn)品、體制和標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新，更要深化天地融合、軍民融合和混合所有制方面的機制體制創(chuàng)新。