主頁（http://www.130131.com）：從能用到好用——衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展趨勢分析

作者 |：王激揚（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司）  來源  ：《電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化》2018年第11期

本文從衛(wèi)星通信技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展歷史提出從“能用”到“好用”的技術(shù)發(fā)展方向，并從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)、終端等方面對衛(wèi)星通信的近期發(fā)展趨勢進行整理和分析，提出發(fā)展關(guān)鍵在于保持全球覆蓋優(yōu)勢的同時，降低應(yīng)用成本、提升網(wǎng)絡(luò)能力，并與地面通信手段相融合，拓寬衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場。

一、引言

2018 年對于衛(wèi)星通信行業(yè)而言是一個技術(shù)和市場發(fā)展承前啟后的重要節(jié)點。立足國內(nèi)，第一顆國產(chǎn)高通量衛(wèi)星“中星 16號”投入運營、第一顆國產(chǎn)移動通信衛(wèi)星“天通一號”正式商用、“北斗三號”導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射多顆衛(wèi)星確保年底具備覆蓋一帶一路的能力。航天科技和航天科工同時吹響低軌衛(wèi)星星座建設(shè)的號角，大量人才技術(shù)資金涌入商業(yè)航天市場。

放眼國際，總吞吐量達史無前例 1Tbit/s 的 Viasat-3 號衛(wèi)星即將完成建設(shè)等待發(fā)射 ；Inmarsat 以其五代星 Global Xpress 的命名展示全球無縫寬帶服務(wù)的雄心 ；初創(chuàng)公司 Planet Labs 打造的“鴿群”星座成為全球規(guī)模最大的遙感衛(wèi)星系統(tǒng) ；前所未有由 720 顆衛(wèi)星組成的 OneWeb 低軌衛(wèi)星星座和由 SpaceX 打造的第一期就包括 4 425 顆衛(wèi)星的 Starlink 星座接連發(fā)射試驗衛(wèi)星以擺脫紙上談兵的名聲。

長久以來，對衛(wèi)星通信的定位總是強調(diào)廣覆蓋、全球覆蓋、無縫覆蓋。在地面蜂窩移動通信突飛猛進發(fā)展背景下，衛(wèi)星通信技術(shù)演進緩慢，能力提升有限，使用范圍也長期局限在“沒有別的手段了只能上衛(wèi)星”的尷尬境地。

在通信和網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，及時的信息交互成為人們必不可少的基礎(chǔ)需求，在海上、空中和偏遠(yuǎn)地帶這些傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋或者成本高昂的領(lǐng)域，衛(wèi)星通信理應(yīng)抓住機遇跟上寬帶發(fā)展的步伐�！皬V覆蓋”、“全球覆蓋”意味著衛(wèi)星通信“能用”，如何使其“好用”才是技術(shù)發(fā)展進一步追求的目標(biāo)。本文試從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)、終端等方面對衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢進行整理和分析。

二、業(yè)務(wù)平臺化

由于衛(wèi)星通信的不可替代性及在廣播通信行業(yè)的獨特優(yōu)勢，全球已打造出一個年均 1 000 多億美元的衛(wèi)星通信服務(wù)市場。美國衛(wèi)星工業(yè)協(xié)會每年均會發(fā)布年度衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)狀況報告，由 BRYCE 空間技術(shù)公司發(fā)布的報告將衛(wèi)星服務(wù)產(chǎn)業(yè)劃分為大眾通信消費業(yè)務(wù)、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)和對地觀測業(yè)務(wù)四大類，2012-2016 年各類業(yè)務(wù)的規(guī)模如圖 1 所示。

圖1 2012－2016年全球衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)發(fā)展情

可見，以直播到戶為主要市場的衛(wèi)星電視業(yè)務(wù)占據(jù)絕大部分份額，轉(zhuǎn)發(fā)器出租出售業(yè)務(wù)緊隨其后，但差距明顯。值得注意的是，從發(fā)展趨勢看，前者已經(jīng)停止增長，后者已經(jīng)進入負(fù)增長通道，從 BRYCE 最新披露的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)狀況報告 2018版重點數(shù)據(jù)來看，這種趨勢更為明顯。

與此形成鮮明對比的是，支撐衛(wèi)星服務(wù)業(yè)市場的反而是份額較小但穩(wěn)步增長的衛(wèi)星寬帶、管理服務(wù)（包括VSAT、船載、機載等業(yè)務(wù)）、衛(wèi)星移動和對地觀測業(yè)務(wù)。

這些業(yè)務(wù)均有一個相同的平臺化特點，衛(wèi)星通信與運營平臺深度融合。例如美國的休斯和 Viasat 打造的衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)平臺，家庭寬帶用戶數(shù)量達到百萬級，并已帶動美國各航空公司的機載 Wi-Fi 覆蓋率達到 80% 以上 ；中國衛(wèi)通利用開展海上寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)的“海星通”，覆蓋全球 90% 航線，入網(wǎng)船只達 5000 余艘。

平臺化的業(yè)務(wù)為何發(fā)展較快 ?“好用”是一個重要原因。相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)由衛(wèi)星公司提供帶寬、用戶自購設(shè)備自主運維的模式，由平臺運營方統(tǒng)一搭建平臺、用戶直接接入的運營模式，既可降低用戶使用難度且節(jié)約用戶使用成本，又可提升衛(wèi)星資源整體管理調(diào)度效率，可達到雙贏的效果。高通量衛(wèi)星不斷升空帶來容量供給飛躍，機載、船載業(yè)務(wù)蓬勃開展使得業(yè)務(wù)需求激增，在兩者的合力下，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與衛(wèi)星通信相結(jié)合的平臺式運營將會推動衛(wèi)星通信服務(wù)業(yè)迎來新的發(fā)展。

三、網(wǎng)絡(luò)寬帶化

長久以來，衛(wèi)星通信被人所詬病的重要一點就是容量不足，以及由此帶來的昂貴的價格。當(dāng)?shù)孛嬉苿油ㄐ乓宦吠伙w猛進即將邁進 Gbit/s 級別的 5G 時代，衛(wèi)星VSAT 用戶仍然徘徊在 Mbit/s 級別時代。能否實現(xiàn)寬帶化，進而平價化，帶動服務(wù)“好用”，是衛(wèi)星通信能否保住陣地并有所開拓的關(guān)鍵。

寬帶化首先取決于衛(wèi)星信道能力，根據(jù)香農(nóng)定律，在高斯白噪聲背景下的連續(xù)信道的容量。

若信源的信息速率 R 小于 C，則理論上可實現(xiàn)無誤差傳輸。高通量衛(wèi)星正是利用該定律提升通道帶寬。首先為增加可用頻率。高通量衛(wèi)星開始轉(zhuǎn)用頻率更高的 Ka 波段，根據(jù)國際電聯(lián)的規(guī)定，中國所在的第三區(qū)，Ka 波段上行波段為 27.5 ～ 31 GHz，下 行 波 段 為 17.7 ～ 21.2 GHz， 上下行各有 3 500 MHz，是當(dāng)前 C 和 Ku 波段可用頻率總和的 3 倍多。

其次為增加衛(wèi)星發(fā)射功率。星上采用更高能量的功率放大器和更高增益的天線，通過同時增加衛(wèi)星和地面站接收信噪比的方式提升單個信道的容量。此外，采用糾錯效率更高的 LDPC、TPC 等信道編碼方式，采用分時復(fù)用、數(shù)據(jù)壓縮、緩存等信源處理方式都有助于衛(wèi)星信道有效容量進一步增加。

衛(wèi)星寬帶化最具突破性的技術(shù)變革是增加信道數(shù)量。參考地面蜂窩網(wǎng)的思路，高通量衛(wèi)星保持傳統(tǒng)衛(wèi)星廣覆蓋特點，改大波束為多波束方式，將覆蓋區(qū)域分割為多個小區(qū)域。

這樣可以帶來兩個好處 ：首先，地理位置上間隔較遠(yuǎn)的區(qū)域可按照通用的四色復(fù)用原則采用相同的頻率進行覆蓋 ；其次，波束變小后，可以將寶貴的星上功率調(diào)整至用戶需求較大的區(qū)域，增大該區(qū)域的輻射功率。以海事衛(wèi)星為例，早期系統(tǒng)采用 3 ～ 4 顆衛(wèi)星大波束方式覆蓋全球。

其最新的五代星仍然采用 3 顆衛(wèi)星全球覆蓋，但是每顆衛(wèi)星都劃分為 72 個波束，使得普通終端的傳輸能力從四代星的 kbit/s 級別提升至下行 50 Mbit/s、上行 5 Mbit/s 的能力，基本能夠滿足全球?qū)拵�通信的需求。寬帶化的趨勢不僅體現(xiàn)在同步軌道高通量衛(wèi)星，以O(shè)neWeb 為代表的低軌衛(wèi)星星座以及 MEO 寬帶衛(wèi)星星座 O3b 都是以多星多波束 Ka（或 Ka、Ku 混合）頻段作為主要解決方案。

在上述技術(shù)發(fā)展推動下，單顆衛(wèi)星的傳輸能力已從傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星的 2 Gbit/s 的快速提升至高通量衛(wèi)星的20 ～ 500 Gbit/s，并成功激發(fā)和開拓了機載、船載等新的應(yīng)用市場，這類業(yè)務(wù)單站速率需求達到 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 水平。衛(wèi)星容量需求的預(yù)測如圖 2 所示。

圖2 全球衛(wèi)星寬帶容量需求預(yù)測

可見，到 2022 年，高通量衛(wèi)星容量需求將首次超過傳統(tǒng)衛(wèi)星（此時高通量衛(wèi)星可提供的容量已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)衛(wèi)星），其原因首先在于能夠滿足機載寬帶、4G 基站回傳等高信息速率業(yè)務(wù)需求，能夠承載更豐富的業(yè)務(wù) ；其次高通量將使得衛(wèi)星傳輸通道單位帶寬的成本下降至傳統(tǒng)衛(wèi)星的 1/5 至 1/10, 達到與地面通信相近的水平，從而吸引更多用戶。

四、標(biāo)準(zhǔn)全球化

盡管理論上衛(wèi)星通信可以做到“全球無縫覆蓋”，具備從城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)到農(nóng)村，從陸地、海上至空中的業(yè)務(wù)提供能力，然而從業(yè)務(wù)層面看，仍然缺乏能夠提供全球一體化服務(wù)的應(yīng)用。同樣類型業(yè)務(wù)需要采用不同的終端、相異的網(wǎng)絡(luò)，尚不能達到如移動通信網(wǎng)絡(luò)般可以全球漫游的“好用”地步。

全球化的第一個限制點是各國的業(yè)務(wù)監(jiān)管政策。衛(wèi)星通信因其與地域跨度無關(guān)的特性，一向處于各國政府嚴(yán)格監(jiān)管的范疇。為了能夠提供相應(yīng)的衛(wèi)星服務(wù)，不僅需要在衛(wèi)星頻率方面與當(dāng)?shù)仄渌�運營商進行協(xié)調(diào)，還需與政府當(dāng)局進行政策協(xié)調(diào)，以滿足國家的相關(guān)法律和法規(guī)。如何解決協(xié)調(diào)監(jiān)管方面的問題是一大挑戰(zhàn)。GPS 系統(tǒng)在全球取得的巨大成功重要原因在于美國的大力推廣。INMARSAT 的全球發(fā)展得益于其脫胎于國際官方組織，以及作為全球唯一的遇險安全衛(wèi)星移動通信服務(wù)的定位。

全球化的第二個限制點是缺乏統(tǒng)一的衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)。移動通信的全球發(fā)展與 GSM、WCDMA、LTE 等體系標(biāo)準(zhǔn)的成熟和推廣密不可分，光通信的突飛猛進離不開具有嚴(yán)密協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的 SDH、PTN 技術(shù)體系。

衛(wèi)星通信長期以來并未形成一個全面認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一方面形成市場壁壘扼殺后入者，另一方面造成用戶需頻繁更換設(shè)備、增加網(wǎng)絡(luò)投資的不良后果。在快速發(fā)展的中低軌全球?qū)拵�衛(wèi)星星座時代，衛(wèi)星系統(tǒng)對于頻段和軌道位置的競爭激烈度將不亞于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，掌握了全球通用標(biāo)準(zhǔn)的星座將無疑就掌握了主動權(quán)。

這一趨勢已經(jīng)在 5G 標(biāo)準(zhǔn)中有所體現(xiàn)。國際電信聯(lián)盟提出了星地 5G 融合的 4 種應(yīng)用場景，包括中繼到站、小區(qū)回傳、動中通及混合多播場景。3GPP TR 38.811 對“面向非地面網(wǎng)絡(luò)中的 5G 新空口”進行專門研究，定義了 NTN（Non-Terrestrial Networks，非地面網(wǎng)絡(luò)）部署場景和如圖 3 所示的 4 種衛(wèi)星 NTN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖3 3GPP正在討論的5G NTN架構(gòu)示意

從衛(wèi)星通信的角度來看，上述架構(gòu)分為透明 / 彎管轉(zhuǎn)發(fā)和星上接入 / 處理兩種模式。前者是經(jīng)典的衛(wèi)星通信模式，衛(wèi)星易于實現(xiàn)，但需對 5G 已有空口進行大的改造以適應(yīng)長時延和高多普勒頻移。后者將衛(wèi)星改造為基站，星上搭載相關(guān)的信號和信息處理器，衛(wèi)星建造難度較大，但可較好兼容地面 5G。

不論采用何種方式，5G 新空口都需針對衛(wèi)星系統(tǒng)的特點，在多普勒頻移、時延等方面進行適應(yīng)性改造和優(yōu)化。對全球化標(biāo)準(zhǔn)的重視必將推動寬帶衛(wèi)星逐步形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，我國需積極參與其中，大力發(fā)展國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，與北斗、天通一號等國產(chǎn)衛(wèi)星體系合力，才能在未來占據(jù)一席之地。

五、終端易用化

衛(wèi)星通信從“能用”到“好用”的一個必不可少的環(huán)節(jié)是“易用”，“易用”與否取決于衛(wèi)星終端的布放便利程度，其中最關(guān)鍵的是衛(wèi)星天線。隨著天線制造技術(shù)的進步、星上發(fā)射功率的提升和衛(wèi)星通信頻率的升高，衛(wèi)星天線也從大型拋物面天線固定使用，逐漸發(fā)展到VSAT 便攜式、車載式固定使用，進而根據(jù)使用場景發(fā)展出適合車載、機載、船載使用的平板式、移動式形態(tài)。

小型化、自動化將是衛(wèi)星通信終端發(fā)展的主要趨勢。

1、機械結(jié)構(gòu)巧化

通過天線座架折疊、天線主面分瓣安裝的方式，1 m 口徑以下的天線可以輕松放入高不到 80 cm 的行李箱，并可單箱集成功放、Modem 等設(shè)備，真正做到運輸方便、應(yīng)用簡單。

2、對星智能化

通過內(nèi)置天線控制器，可實現(xiàn)一鍵對星�；蚋�進一步，去掉電機設(shè)備，采用帶屏幕顯示的輔助尋星儀，可降低重量、減少故障點。

3、平板化

傳統(tǒng)的車載、機載衛(wèi)星天線多數(shù)采用平板波導(dǎo)陣列天線，將拋物面天線轉(zhuǎn)化為矩形平面，方位、俯仰和相位均采用機械掃描方式，整機高度一般在 40 cm 以上。

為降低天線高度，進一步發(fā)展為采用水平面機械掃描 垂直面電子掃描，將發(fā)射、接收天線分開。一方面不需垂直面機械裝置使得天線高度更低 ；另一方面可利用電掃描響應(yīng)更快、可靠性更高的優(yōu)點，使得天線高度降低的同時反而提升了傳輸能力。

更進一步，水平和垂直面全部采用電子掃描方式，則可發(fā)展為全相控陣天線。整機無需機械部件，天線更薄，響應(yīng)更快。該方式在軍事領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用，如能控制成本將可逐步進入民用市場。

4、采用超材料

使用超材料形成全息波束，天線使用電子射頻波束指向控制、電子極化選擇和角度控制。這種使用軟件調(diào)整波束而不是通過機械部件調(diào)整天線指向的方式，可以比機械轉(zhuǎn)動更快的速度實現(xiàn)衛(wèi)星自動識別和跟蹤，實現(xiàn)完全平板化的同時還降低了天線的功耗，適合于安裝車載使用。

5、終端一體化

低軌星座衛(wèi)星數(shù)量眾多、軌道位置較低，可采用屋頂天線方式，天線無需實時跟蹤衛(wèi)星，只需大致朝上就可接收到 1 顆或數(shù)顆衛(wèi)星信號。同時 Modem、BUC 等設(shè)備集成在室外終端，只需連接電源（或使用太陽能）就能通過 Wi-Fi 形成互聯(lián)網(wǎng)接入熱點。

六、結(jié)束語

從 1965 年世界第一顆實用靜止軌道通信衛(wèi)星國際通信衛(wèi)星 1 號星開始服役至今，衛(wèi)星通信因其特殊的應(yīng)用場景、獨一無二的覆蓋優(yōu)勢，已經(jīng)持續(xù)發(fā)展了 53 個年頭，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光通信、移動通信等當(dāng)前的主流通信手段。然而衛(wèi)星通信也需緊跟通信和信息業(yè)務(wù)發(fā)展的潮流，不斷變革、持續(xù)創(chuàng)新，方可在通信市場上留得一席之地。

衛(wèi)星通信從“能用”到“好用”的發(fā)展，首先應(yīng)抓住衛(wèi)星通信“全球覆蓋”的獨特優(yōu)勢，深耕廣播通信、對地觀測、遙感、導(dǎo)航、航海、航天、應(yīng)急救援等垂直領(lǐng)域，采用“通信手段 業(yè)務(wù)平臺”相結(jié)合的模式，鞏固行業(yè)市場。其次應(yīng)改變衛(wèi)星通信“帶寬受限、價格昂貴”的劣勢，大力發(fā)展大容量、高速率的高通量衛(wèi)星和低軌寬帶星座，降低應(yīng)用成本，拓寬互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場。最后，衛(wèi)星通信應(yīng)與地面通信手段相融合，在覆蓋、可靠性及靈活性方面對地面移動通信進行補充，協(xié)同打造連通空、天、地、海多維空間的泛在網(wǎng)絡(luò)。