全球高通量衛星發展概況及應用前景

沈永言（中國衛通集團有限公司）

全球高通量衛星發展概況及應用前景

沈永言（中國衛通集團有限公司）

多媒體化、泛在化、寬帶化是信息網絡發展的基本趨勢。為了適應寬帶化發展的時代要求，光纖通信出現了密集波分復用（DWDM）、光傳送網絡（OTN）、無源光纖網絡（PON）技術，地面移動通信出現了3G系統長期演進（LTE）和4G、5G進步，而衛星通信則出現了高通量衛星（HTS）。

寬帶已經成為與水電路同等重要的基礎設施，是各國優先發展的國家戰略，我國也于2013年開始實施“寬帶中國”計劃。衛星通信在信息網絡中舉足輕重，為此，我國正在研制中星-16 高通量衛星。與發達國家相比，我國衛星通信仍然落后。所以，跟蹤研究全球高通量衛星的發展情況、探索國內的應用前景，應該成為我國寬帶發展過程中的重要議題。

高通量衛星的帶寬需求和收入結構

1　全球高通量衛星的發展情況

開發利用新頻率資源、提高頻率使用效率是任何通信系統擴展帶寬容量的基本方式。與C、Ku頻段相比，Ka頻段頻率資源更加豐富，而多點波束則可以數十倍地提高了頻率利用效率，兩者結合使得高通量衛星容量得以百倍地增加。

基于高通量衛星、新一代甚小孔徑終端（VSAT）和IP技術的寬帶衛星通信系統傳輸能力接近4G水平，體系結構方面與地面互聯網高度兼容，在寬帶接入、基站中繼、機載/船載/車載移動通信、企業聯網、視頻分發與采集等方面得到廣泛應用。

市場規模顯著增長，收入比重并不對稱

歐洲咨詢公司（Euroconsult）預測，2013年高通量衛星占全球總衛星帶寬容量需求的17%，到2023年占比將增長到將近50%。北方天空研究公司（NSR）預計，到2022年全球高通量衛星總供應容量將超過2.3Tbit/s，總需求容量超過1Tbit/s。其中，靜止軌道高通量衛星超過900Gbit/s,O3b等中軌道高通量衛星將達到100Gbit/s。在這1Tbit/s以上的高通量衛星總容量需求中，寬帶接入占73%；基站中繼、IP中繼、VSAT聯網為168Gbit/s；各類移動應用為140Gbit/s。

到2023年，雖然高通量衛星總帶寬需求將與一般通信衛星平分秋色，但在188億美元的總收入中僅占32%。這主要是由高通量衛星的帶寬定價和出租率相對較低等原因引起的，而出租率低又源于各個點波束中業務分布不均，制約了帶寬利用率的提高。在有限的收入中，各種應用所占比重相對平均。盡管寬帶接入在帶寬需求中一枝獨秀，但其收入貢獻并不明顯。這是由于家庭用戶帶寬占用多，而每用戶平均收入（ARPU）值又相對較低決定的。

全球20家固定衛星業務運營商的高通量衛星發展情況

網絡運營全球覆蓋，美歐地區保持領先

歐洲咨詢公司統計數據表明，到2013年底，全球有20家固定衛星業務（FSS）運營商投資于高通量衛星或載荷。其中，已經運營的有11家，另外9家在今后4年時間里陸續發射其首顆高通量衛星或載荷。

不同地區高通量衛星的發展趨勢和部分國家的寬帶衛星通信消費能力

在今后幾年里，高通量衛星服務將實現全球覆蓋，但市場重心仍在美歐。例如，美國的休斯公司和衛訊公司已分別發展了100萬和60萬以上的寬帶用戶，并且都將在2016年發射各自更為先進的高通量衛星，而歐洲通信衛星公司、SES公司等也分別擁有10萬以上的寬帶用戶。與一般衛星通信相比，高通量衛星在不同地區的發展水平差異很大，主要原因在于，不同地區的科技、生產力和消費水平參差不齊，發展中國家的衛星寬帶通信消費能力較低，而建設成本相對較高。

寬帶接入地位突出，普遍服務有待扶持

衛星寬帶通信在完善寬帶基礎設施、消除數字鴻溝、保證社會均衡發展方面具有獨特優勢，這就決定了寬帶接入正成為高通量衛星最主要的應用方向。目前，越來越多的國家將寬帶衛星通信納入普遍服務提供計劃之中。歐洲咨詢公司預測，全球衛星寬帶接入用戶數量從2013年的225萬將增長到2023年的880萬戶，這些用戶將主要由高通量衛星來提供服務。

由于技術原因，與地面寬帶相比，衛星寬帶通信服務和終端設備的性價比都存在一定的差距，因此許多國家都為寬帶衛星通信提供不同程度的資金支持。例如，2009年美國政府通過“美國復蘇和再投資法案”為家庭寬帶接入提供了1億美元的“一攬子”支持，高通量衛星由此獲得了10萬個美國邊遠地區用戶；歐洲通信衛星公司受益于“英國農村資助鏈接計劃”，從而為德文郡等地區1千個家庭提供寬帶接入服務；西班牙衛星公司為政府發起的Avanza I 和Avanza II計劃部署了4000個VSAT終端；2009年澳大利亞啟動了總投資達620億美元（后調整為410億）的國家寬帶網絡（NBN）計劃，為其境內的家庭和企業提供寬帶服務。其中，3%的用戶將由衛星寬帶通信來提供。發達國家尚且如此，對于終端設備采購、安裝等成本較高，而用戶支付能力較低的發展中國家來講，要開發利用衛星寬帶通信，就更需要得到政府的資助。歐洲咨詢公司認為，這些國家的服務價格應低于20美元/月，這與高通量衛星運營商可承受的價格之間存在明顯缺口。

基站中繼舉足輕重，亞洲地區潛力較大

衛星通信在遠程連接方面的天然優勢、移動運營商對于普遍服務所承擔的社會責任以及對市場范圍的拓展要求，這些因素共同決定了基站中繼是衛星寬帶通信的重要應用領域。全球移動通信從2G向3G、4G的進步必然要求采用帶寬容量更大、中繼能力更強的高通量衛星，低功率的小蜂窩中繼將是熱點之一。歐洲咨詢公司認為，衛星基站中繼數量占全球基站總數的0.5%～1%。

2013年可謂全球高通量衛星基站中繼應用元年。歐洲咨詢公司發現，高通量衛星基站中繼和IP中繼帶寬需求達到了4.6Gbit/s,而2012年僅為4.2Gbit/s。由于地理環境等方面的原因，與寬帶接入情況相反，發展中國家的衛星基站中繼需求更大。北方天空研究公司認為，在全球基站中繼市場中，亞洲地區所占份額最大，將占全球總量的1/4。

目前，亞洲地區高通量衛星運營商主要是“互聯網協議星”（iPStar）。2013年初，“互聯網協議星”與中國電信衛星和中國香港協同通信公司建立合作關系，由后者代理銷售“互聯網協議星”在中國市場的11 Gbit/s衛星容量（占衛星總容量的24%），主要業務為基站和IP中繼以及企業聯網。在日本，“互聯網協議星”有4家移動運營商客戶—軟銀（SoftBank）公司、KDDI公司、電信溝通無界限（NTT Docomo）公司、電郵移動（EMobile）公司。其中，軟銀公司一家使用的容量達2Gbit/s，而其余3家共為0.5Gbit/s。

除了“互聯網協議星”，從2 0 1 3年開始，O3b、休斯、國際通信衛星公司、國際移動衛星公司（INMARSAT）等公司也在積極開拓基于高通量衛星的LTE和4G基站中繼市場。O3b將目標市場鎖定在亞太、拉美、非洲等地區，應用主要定位于基站和IP中繼。2014年，O3b成功發射了8顆中軌道衛星，已與東帝汶、馬來西亞、巴基斯坦、索馬里、密克羅尼西亞群島等國家和地區的移動運營商簽署了預售合同。

移動通信風生水起，機載寬帶商家必爭

“動中通”終端天線技術的成熟為飛機、船舶、列車、汽車等移動平臺通過通信衛星接入互聯網提供有效的途徑，其中，以機載移動通信對通信衛星的依賴程度最大、帶寬需求最多。

自從2008年美航率先采用Ku衛星提供機載衛星移動通信服務以來，目前，美國2/3的民航飛機都開展了此項服務。2012年底，SES與Gogo公司開始合作，基于Ku衛星為飛越北大西洋、歐洲和美洲的民航提供機載移動通信服務。傳統Ku衛星容量的有限性迫使民航公司將目光轉向高通量衛星。2013 年6月，美國衛訊公司開始與在線電視（Live TV）公司合作，基于衛訊-1Ka衛星，向美國捷藍航空170架飛機和大陸航空公司200多架飛機提供寬帶服務，每個乘客的下載速度可達12Mbit/s或更高，此項工程將在2015年完成。此外，衛訊公司也在與美國波音公司合作，在波音商用飛機上預裝Ka衛星通信機載終端；還與以色列航空合作，基于歐洲“Ka頻段衛星”，在歐洲和中東地區提供航空寬帶服務。2012年底，國際移動衛星公司與Gogo公司開始合作，共同開拓GX Ka衛星移動通信服務。2013 年1月，歐洲通信衛星公司與在線電視公司合作，向歐洲商業航空公司的乘客提供Ka衛星移動服務，每架飛機的連接速度可達100Mbit/s。

2　我國高通量衛星的應用前景

衛星寬帶接入可助力“寬帶中國”計劃，但運行模式需要創新

近年來，我國寬帶通信整體進步較快，但是城鄉寬帶普及率差距仍在繼續擴大。2012年底，我國農村寬帶人口普及率只有6.3%，僅為城市的1/3。“寬帶中國”計劃實施情況表明，由于農村地區人口分散、環境惡劣等原因，所以普遍存在著光纜設施建設投入大、維護成本高、效益產出少等難題。在貴州、云南等地，為一個住戶只有10多家的小山村鋪設一根10km光纜，就需要花費1000萬元人民幣。假如全國有400個類似山村（4000戶），就需40億人民幣建設投資。這個數字差不多就是一顆容量100Gbit/s以上、可服務100萬家庭用戶的高通量衛星建設成本。

目前，我國邊遠地區的貧困人口仍有8200多萬，還有3萬個行政村、1.8億戶沒有通寬帶。未來幾年，國家每年用于行政村地面寬帶建設的投入是40億元。這說明高通量衛星在消除數字鴻溝方面不可或缺。必須注意到，高通量衛星雖然在邊遠地區寬帶設施建設方面具有一定優勢，高通量衛星在服務性價比方面仍然處于劣勢。面對城鄉差別巨大的現實國情，我國必須在消除數字鴻溝過程中大力開發利用高通量衛星，實現地面網絡與衛星網絡的協調發展，積極采用寬帶普遍服務補償機制，對衛星運營商給予適當的扶持，以實現國家、企業、用戶利益上的共贏。

衛星基站中繼不僅商用需求巨大，而且社會效益也非常可觀

2014年底，中國移動通信集團公司4G用戶已達到8000萬，擁有基站70萬個。預計，2015年底前，中國移動通信集團公司將建成100萬個4G基站，用戶總數將超過1.5億；中國聯合通信有限公司也將在143城市將建5萬個基站。在城市4 G網絡部署完成之后，借助高通量衛星實現邊遠地區的基站中繼將是移動運營商的必然需求。以每個基站中繼需要20Mbit/s帶寬來保守估計，全國1000個4G基站就需要20Gbit/s的高通量衛星帶寬需求。

衛星基站中繼不僅僅是移動運營商網絡建設的商業需求，更是它們承擔普遍服務，參與“寬帶中國”計劃的重要方式。相對于面向單個用戶的寬帶接入，面向集團用戶的基站中繼，建設成本更低，建設速度更快，受益人群更多，社會效益更大。

機載衛星移動通信需求最突出，高鐵和船舶衛星移動通信也是亮點

2014年底，我國民用飛機數量為2475架，客運3.92億人次。到2007年，將增長到3381架，5.38億人次。假定每架飛機飛行時間為4h，需要30Mbit/s下載帶寬，那么屆時并飛時的高通量衛星帶寬總需求為17Gbit/s。

2013年底，我國擁有高鐵動車1500輛，2017年將增長到1700輛。假定每動車需要50Mbit/s的下載帶寬，同時運行數為1/6，那么，屆時需要14Gbit/s的高通量衛星帶寬。

與民航、高鐵市場相比，船舶航運市場相對分散，包括海上工程船、政府公務船、科考船、航運船、客輪與郵輪、游艇等七大類型。其中，以航運占比最大。目前，我國沿海航運船舶11024艘，遠洋2457艘。沿海可以通過地面移動網絡實現通信，遠洋必須借助衛星網絡。假定每艘船需要5Mbit/s，共需要12Gbit/s。

3　結語

高通量衛星已成為衛星通信的發展方向，它的典型應用以寬帶接入、基站中繼、移動通信為代表，實際應用領域是全方位的。與Ku頻段通信衛星可以用于直播到戶（DTH）相類似，Ka頻段的高通量衛星也可提供高清、本地化的直播到戶。然而，這需要制度上的創新，與一般應用可以按照商業規律來進行不同，關系到民生服務、社會公平的衛星寬帶接入則需要得到政府的適度扶持。這對于我國這樣一個人口眾多、環境復雜、城鄉差距巨大的發展中國家來講，更是如此。

我國需要將高通量衛星作為“寬帶中國”計劃和寬帶基礎建設中的重要支撐來對待。因為，只有天地一體，才能無縫覆蓋，從而真正滿足人們隨時隨地享受信息服務的需求。直播電視（DirecTV）公司與AT&T公司的融合，休斯公司與碟網絡公司（DISH）的協同、衛訊公司與碟網絡公司的合作、英國天空廣播公司（BskyB）的綜合服務、國際移動衛星公司和O3b等公司的運營模式都是在展示信息網絡行業的發展趨勢。

豐富的頻率資源使得Ka頻段成為目前高通量衛星的主要選擇，然而仍有10%的高通量衛星在使用Ku，甚至C頻段。必須注意到，Ka軌位和頻率資源也是有限的，而帶寬需求則是無限的。因此，將帶寬貢獻更大的多點波束技術與C、Ku頻段相結合，必將是未來高通量衛星的發展方向。國際通信衛星公司的史詩（EPIC）平臺已經率先應用這種模式。此外，空中交換、高階編碼調制、移動波束等高效的頻率資源利用技術也將是未來高通量衛星的重要發展方向。

Development Overview and Application Outlook of World High Throughput Satellites