寬帶衛星通信產業與技術發展研究

呂強 馮瑄 劉乃金（中國空間技術研究院通信衛星事業部）

□□Ka頻段寬帶衛星通信是當前衛星通信最為重要而且熱門的一個發展方向。隨著歐美等國家對衛星互聯網業務廣泛投入并進行了成功的運營，近年來國際寬帶衛星系統技術進入了新的發展期，歐美發達國家已陸續開展研制和建造新一代大容量寬帶衛星系統，亞洲部分國家也已建造自主的寬帶多媒體衛星系統并開展了運營。面對我國民用市場的巨大發展潛力以及國際商用寬帶衛星市場的迫切需求，發展我國寬帶通信衛星系統是應對這一需求的必然途徑，適合我國國情和當前現實，且具有廣闊的應用前景。

1 前言

寬帶通信衛星也稱多媒體通信衛星，大多采用Ka頻段，其主要目標是通過衛星進行話音、數據、圖像和視頻的處理和傳送，為多媒體和高數據率的互聯網應用提供一種無所不在的通信方式。可以認為，寬帶通信衛星與以往的通信衛星最大的區別是提供的業務由低速業務及話音業務變為互聯網和多媒體業務。

多媒體業務具有業務類型多、傳輸帶寬大、各種業務所需服務質量不盡相同的特點。為適應用戶對多媒體通信的迫切需求，為用戶提供大容量、高質量的交互式通信服務，不少國家都將寬帶多媒體通信網絡的建設作為通信基礎設施的重點發展方向，致力于建設一個融合空間和地面寬帶通信的天地一體化通信網絡體系。作為其中的重要組成部分，寬帶衛星通信系統的研究受到了廣泛的重視。

國外寬帶衛星通信系統技術現狀分析

2 國外寬帶通信衛星發展現狀

組裝中的歐洲“Ka頻段衛星”，它能為100萬用戶提供寬帶通信業務

技術發展現狀分析

隨著歐美發達國家已陸續開展研制和建造新一代大容量寬帶衛星系統，亞洲部分國家也已建造自主的寬帶多媒體衛星系統并開展了運營。從2010年10月-2014年，全球已發射和預計發射攜帶Ka頻段有效載荷的商用通信衛星將超過30顆，其中全Ka頻段通信衛星就多達9顆。

應用發展現狀分析

當前，隨著各國政府及商業衛星公司紛紛加大和加快寬帶“雙向”（TOOWAY）衛星的投入，衛星“雙向”技術應用作為一種全新的、可以提供類似地面寬帶傳輸速度的接入服務手段，在互聯網接入等多個方面得到應用，衛星與地面網服務比重已經大致相當。國際各大衛星通信運營商都開展了衛星寬帶接入服務并取得了成功的運營，衛星寬帶市場前景廣闊。

從全球寬帶衛星通信的應用來看，2010年衛星寬帶互聯網總收入達到11億美元，其中美國的衛星寬帶互聯網收入占總收入的近70%。北美市場雖然發展迅速，走在了各地區前列，但其市場已長期被幾大運營公司所壟斷，競爭日趨激烈；歐洲地區也是衛星寬帶通信的應用先驅，目前各種通信技術日漸成熟，歐洲用戶已經習慣于享受高數據率和相對較低的衛星寬帶通信服務；而亞洲市場雖然起步較晚，但在日本、韓國等發達國家，寬帶衛星業務的商業應用也占領了較大市場。

國外寬帶通信衛星一覽表

北美衛星寬帶產業情況

歐洲寬帶衛星通信產業情況

其他地區寬帶衛星產業情況

2004-2010年全球衛星業務銷售收入 億美元

發展趨勢

從產業角度對國際大容量寬帶衛星通信應用發展趨勢的分析如下：

（1）2019年寬帶衛星帶寬需求將達到1650Gbit/s

據歐洲咨詢公司預測，從當前的供應情況和用戶的使用情況看，每個用戶的平均數據率為0.5～1.5Mbit/s，未來容量需求預計仍然很強烈。到2019年，每月每個用戶的平均數據量將從0.2～1.2Gbit提高到4.8～9.6Gbit。這樣的提升不僅與傳輸頻譜效率的提高相契合，還可以通過更加靈活的星上容量分配來改善衛星容量的使用。到2019年，隨著每個用戶數據率的提升，加上終端數量的增長，公司網絡需要增加容量，將使全球需求接近1650Gbit/s。

（2）2020年衛星寬帶市場的用戶總數將達到600萬

據北方天空研究所（NSR）預測，隨著衛星寬帶技術的進步將帶來衛星寬帶服務質量的提高以及費用的降低，未來10年，全球衛星寬帶產業將步入高峰期，用戶數量逐年遞增，預計到2020年，總數將增長到600萬。歐洲咨詢公司更是預測這一數字可達到1400萬。增長點主要還是以北美和歐洲為主，亞洲和非洲市場也在崛起，其市場潛力巨大。

（3）2020年衛星寬帶市場的總收入將達到90億美元

北方天空研究所于2011年4月12日發布的最新市場調查報告《寬帶衛星市場》表明，衛星寬帶接入再次成為領先的收入增長領域，并預測未來10年，衛星寬帶服務收入每年增長將近15%。到2020年以前，衛星寬帶市場的總收入將達到90億美元，主要來自衛星寬帶互聯網接入和面向企業的甚小孔徑終端（VSAT）網絡業務。

（4）傳統衛星移動通信公司業務向衛星寬帶業務轉型

面對國際寬帶衛星產業的蓬勃發展和廣闊的市場前景，傳統衛星移動通信服務提供商，包括國際移動衛星公司（INMARSAT）、銥星公司（IRIDIUM）和全球星公司（GLOBALSAT）都完成了從移動到寬帶的轉型，分別提出了下一代發展Ka頻段寬帶衛星通信的采購計劃和產業規劃。國際移動衛星公司的國際移動衛星-5系統預計將于2014年開始運行，將支持下一代“全球快訊”，該公司預計在全球服務正式發布5年后Ka頻段衛星業務年收入將達5億美元；“銥”星下一代完全基于互聯網協議（IP）的寬帶網絡技術；第二代“全球星”衛星主要包括高速率數據業務、寬帶接入業務。

3 國內寬帶通信衛星發展現狀

技術角度

國內在寬帶技術研究及利用現有的常規通信衛星進行寬帶通信的研究方面開展得比較普遍，也取得了很多成果，主要體現在以下幾個方面。

1）系統設計方面：我國基于對寬帶多媒體通信業務的需求，借鑒國外寬帶衛星系統的先進技術和運營經驗，已經開展了對寬帶多媒體通信衛星系統關鍵技術研究，并在此基礎上提出了技術上具有一定先進性、工程上具有可實現性的系統設計方案，并經過了系統的半物理仿真系統在技術和業務應用方面的驗證。

2）衛星設計方面：衛星平臺可充分借鑒現有平臺研制的經驗和成果，最大程度地利用現有衛星的成熟設計和成熟產品；對于有效載荷設計，可利用多年的通信衛星有效載荷方案設計和研制經驗，一些關鍵設備更是經過了多年的飛行驗證。尤其是星載寬帶信號處理機、星載寬帶處理交換機和星載Ka頻段多波束天線等關鍵載荷產品都具有工程化研制經驗，并經過了環境試驗和驗證。

3）地面應用系統設計方面：我國減災、應急、“村村通”等方面的“雙向”業務已經為衛星通信系統提供了大量的應用經驗與應用基礎。在“雙向”遠程教育方面，中國教育電視臺的“雙向”教育網建設項目取得了良好的示范效果。對于基于先進通信協議的寬帶衛星地面應用系統，我國也掌握了相關關鍵技術，具備大容量寬帶衛星系統工程的地面應用系統的設計能力。

為北美用戶提供高速衛星互聯網服務的阿尼克-F2衛星

應用角度

雖然我們至今還沒有建立自主研發的多媒體衛星通信系統，但利用現有的通信衛星進行多媒體通信的應用卻是方興未艾。現有的甚小孔徑終端網絡所涉及的領域也遍布國民經濟的各個主要方面，如：深圳證券遠程交易衛星寬帶網絡對證券業的發展起到了重要作用；中國教育衛星寬帶交互式衛星遠程教學網絡為改善農村及偏遠地區的教育事業作出了重大貢獻；衛星遠程醫療網絡系統極大地促進了不發達地區的衛生事業發展；還有中國人民銀行及各大專業銀行的衛星清算結算網絡、新華社的全球信息網絡、中央黨校的遠程教學系統，以及云南煙草、海爾集團等大型企業集團的數十個衛星寬帶通信系統，都在發揮著重要作用。

上述這些系統的運營，一方面證明了我國對寬帶衛星通信需求迫切；另一方面也證明了衛星多媒體通信的優勢和技術上的可實現性；另外也吸引了社會對衛星多媒體通信的關注，為培育、挖掘這塊潛在的大市場奠定了廣泛的基礎。

4 我國寬帶通信衛星發展思路

系統設計思路

傳統C、Ku頻段通信衛星主要面向直播電視及簡單的專網通信業務，其技術特點和應用場景決定了其系統設計過程中天地一體化的設計優勢并沒有充分體現。而以多波束技術應用為特點的新型移動通信衛星和大容量寬帶多媒體衛星系統，其技術和應用特點都凸顯了天地一體化設計對于系統研制的重要性。

天地一體化設計的目標就是經過天地協同規劃、統籌設計，達到天地指標合理分解、能力均衡，使系統建設和運營成本最低化的同時達到系統應用能力最大化。進行天地一體化系統設計可使衛星容量得以大幅提升，并使系統網絡管理和運營能力得以提升。世界上總容量最大的3顆衛星：衛訊公司的衛訊-1衛星，歐洲通信衛星公司的“Ka頻段衛星”和YAHSAT公司的Yahsat-1B衛星（于2012年4月24日發射升空），其系統都是基于沖浪波束-2技術體制標準的天地一體化設計，系統使用具有擴展性的信關站設備，可以輕松地將用戶擴大到數十萬至數百萬。因此，天地一體化系統設計方法的研究與應用，對于提升寬帶衛星系統容量、擴展服務網絡規模以及降低系統運營成本都具有重要意義。

以“雙向”寬帶教育衛星系統設計作為例證，整個系統分為空間段、地面段、用戶段和業務應用段。天地一體化設計的目標就是使空間段、地面段、用戶段和業務應用段指標分解合理、能力均衡，使系統建設和運營成本最低化的同時達到系統應用能力最大化。

產業發展思路

根據我國未來經濟和社會發展趨勢，我國下一階段發展對衛星寬帶接入的主要需求，將主要體現在進一步提升系統容量，提供小型化、便攜式的寬帶化終端以及尋找有商業“殺手锏”價值的業務等方面。鑒于此，我國衛星寬帶接入系統的產業發展大體上可以采用“三步走”的戰略：

第一步，行業起步、新舊共存。首先，必須在遠程教育、遠程醫療等重點行業上取得突破，為我國的社會經濟發展解決現實問題。同時，要與目前廣泛存在的甚小孔徑終端等用戶設備能夠共存。

第二步，容量增強、行業滲透。一方面需要盡量提高空間管道傳輸能力，另一方面需要通過系統技術盡可能高效利用空間有效資源；其次，由存在迫切需求的行業應用，通過需求牽引、增值業務開發等方式滲透到較為普遍的行業應用之中。

第三步，業務拓展，發展應用。當業務拓展到一定的成熟階段，原有潛在的商業利益與應用價值已經顯現。這時，將會極大刺激地面應用的設備制造商以及業務提供商加快所屬業務領域的發展。系統運營商因其獲得更高的運營收益后，亦采取擴容與系統換代等方式來擴大其系統規模，推動空間段和地面段制造規模，進而形成了可持續發展的產業鏈。

根據上述對我國衛星寬帶接入產業發展基本途徑的設想，定義我國衛星寬帶接入產業發展的目標是經過10年左右的發展，基本完成我國“空間信息走廊”的整體建設，接近世界發達國家水平，形成一個能夠帶動相關產業發展及自身可持續發展的產業鏈結構，最終通過網系互聯的建設，融入我國信息基礎設施建設和國家信息高速公路體系。

5 結論和建議

通過以上國內外寬帶通信衛星產業和技術發展情況研究可以得出以下結論：

1）國際Ka頻段寬帶衛星系統發展是趨勢。世界上還有將近30億人口無法享受到互聯網服務，而在分布范圍廣闊的農村和人煙稀少的偏遠地區要鋪設大量光纜顯然不經濟，也十分不現實，因此通過衛星為這些地區提供互聯網接入手段具有十分現實的意義。另外，隨著第三代寬帶衛星通信的到來，甚至可以為用戶提供和地面互聯網一樣的服務，而且價格也將與地面系統接近。衛星寬帶通信的市場前景良好，伴隨著美國“寬帶刺激”計劃的實施，寬帶衛星通信將迎來最佳發展時機。

2）我國寬帶衛星通信應用需求迫切。隨著國家經濟的飛速發展，我國各行各業對于寬帶多媒體通信的需求將越來越旺盛。而我國幅員遼闊、地理環境復雜、東西部經濟發展不平衡以及某些地區電信基礎設施欠發達的現狀，決定了利用寬帶多媒體衛星通信手段解決各種類型用戶的寬帶接入，對于完善我國信息高速公路建設，填補信息孤島，實現國家社會、經濟均衡發展具有重要意義，不僅適合中國國情和當前現實，而且具有廣闊的應用前景。

3）衛星容量提升需要天體一體化設計。衛星系統為功率和容量受限系統，這一特點對于寬帶衛星系統尤為突出。因此，大幅度提升衛星系統容量不應僅僅依靠于衛星平臺及有效載荷技術的提升，需要系統優化設計，尤其是通信體制的設計和地面應用系統的優化，歐洲的“Ka頻段衛星”和美國的衛訊-1正是由于應用了先進的沖浪波束-2技術體制和基于沖浪波束-2的地面應用系統，才使得系統容量得以大幅提升。

4）寬帶衛星系統體制標準和容量計算標準制定尤為重要。寬帶衛星系統體制標準的制定不僅有利于該系統網絡后續規范化、產業化發展，更有利于寬帶衛星系統自身可持續發展，而且有利于推動我國衛星通信技術的進步和產業發展。另外，我國有必要首先了解清楚國外同類寬帶衛星容量的計算方法，并制定相關標準，才能對我國寬帶衛星系統容量做出正確、合理、科學的評估。

測試中的衛訊-1衛星

基于以上結論，對于發展我國衛星寬帶通信產業給出以下建議：

1）衛星寬帶市場是航天新興戰略產業的重要增長點，建議國家加強專題發展戰略研究，抓住機遇，加快發展步伐。

衛星寬帶通信的市場前景良好，歐美發達國家以及亞洲部分國家都已建立起自主的寬帶衛星系統，并開展了成功的運營。全球衛星寬帶收入將從2009年的10億美元增長到2020年的90億美元。我國幅員遼闊、人口眾多、經濟社會發展不平衡，隨著經濟社會的高速發展，各行業對衛星寬帶互聯服務的需求更為迫切，市場應用前景十分廣闊。建議國家組織專門力量，加強寬帶互聯衛星及應用技術的儲備，形成自主的核心技術，確保我國在該領域的技術主動地位。

2）加快建立我國自主寬帶衛星系統，拓展衛星寬帶應用市場、保障國家信息自主權。

歐美等發達國家正利用寬帶衛星在全球搶占信息主導權和應用市場。隨著境外寬帶衛星波束覆蓋我國境內區域的擴大，在為人們提供便利高速信息接入服務的同時，也存在為境內外敵對勢力利用衛星寬帶服務危害國家安全提供了潛在機會。面對國外勢力的潛在危害和隱患，必須積極主動應對，通過發射并建立我國自主的寬帶衛星系統，保護和占領我國寬帶衛星市場，帶動相關新興戰略產業發展，最大限度地避免國外寬帶服務對我國市場滲透帶來的經濟損失和安全隱患。

總之，面對寬帶衛星通信產業迅速發展這一不可阻擋的趨勢，我們應當積極推動應用、積極搶占這一巨大的市場，同時，也要積極發展相關的信息安全技術，采取積極扶持和合理監控管理的政策方針，既加大扶持和發展力度，加快我國自主研發的寬帶衛星立項，推動其在教育、醫療等行業中的廣泛應用，又要針對寬帶衛星通信產業對社會各方面的影響開展若干專題研究，為寬帶衛星產業良性發展保駕護航。■