移動互聯網新浪潮天基互聯網

□ 吳名

移動互聯網新浪潮天基互聯網

□ 吳名

天基互聯網

概念

天基互聯網是什么

天基互聯網是指最近逐漸成熟的利用位于地球上空的各類空中平臺提供給地面和空中終端寬帶互聯網服務的新型網絡，天基互聯網主要有兩種基礎設施模式：一是通過不同高度層和軌道的高通量衛星星座向地面提供信號，高度一般在200千米～36000千米，這些衛星可以認為是一類空間基站；二是通過臨近空間平臺向地面提供信號，如高空太陽能的氣球、飛艇、無人飛機等，高度一般在20千米～200千米，這些平臺可以認為是一類高空基站。

一方面，近年來衛星通信正在向高通量和寬帶化方向發展，美國的Intelsat、Viasat、HughesNet、歐洲Eutelsat等公司都在大規模部署裝備Ka波束的高通量衛星。另一方面，近年來臨近空間平臺技術的逐漸成熟，Google、Facebook等相繼提出了Google Loon氣球、Facebook internet.org高空太陽能無人機等項目，開始積極推動WiFi覆蓋全球化。總體來看高通量衛星相比臨近空間平臺的天基互聯網模式全面探索，目前已經開始投入大規模商業服務，例如美國Viasat公司利用Ka高通量衛星為多家美國航空公司提供全免費的機上互聯網服務。

高通量（HTS）衛星是發展趨勢

協同

天地協同發展的天基互聯網

自從20世紀90年代移動通信技術和互聯網走入個人生活，人們“無處不在”的通信和連網需求持續走強，這種需求直接造成了20多年來地面移動通信網絡從2G、3G到4G，及面向5G的快速演進。

目前為止，雖然地面移動通信網絡已覆蓋了地球上超過80%的人口，但野外、飛機、海上等場景仍然無法有效覆蓋。來自聯合國的數據顯示，全球仍有超30億人未接入互聯網。更快、更強、更廣的網絡使用需求，使基于衛星的通信技術——天基互聯網成為大勢所趨。

事實上，早在地面網絡還處于2G早期發展階段時，摩托羅拉公司就提出了第一個全球移動天基通信網絡——銥星計劃，并于1998年開通了全球通信業務。但由于成本高昂、進程緩慢，被地面移動通信高性價比方案快速超越，最終退位到行業服務的利基市場。最近10年來，衛星通信與地面移動通信結束了早期的互相競爭、頻率爭奪，進入到如今全面融合、天地一體化協同發展的新階段。

天基互聯網與地面移動網絡5G通信技術，正在類似的場景上并行演進著，旨在實現增強型移動寬帶（eMBB）、海量物聯網(mMTC)和低時延高可靠通信(URLLC)。對比地面5G服務的場景，在衛星場景下，增強型移動寬帶場景可以由高容量的HTS 衛星承載，基于Ku、Ka等頻段的中低軌星座（低時延組網更靈活）則是另外兩種場景的完美詮釋。

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高通量衛星是什么

“高通量衛星”（High Throughput Satellite，HTS）一詞最早在 2008 年由北方天空研究公司提出，是指通過點波束、賦形波束及頻率復用等技術， 在同等軌道和頻譜條件下，能夠提供比傳統衛星高出數倍至數十倍容量的新型衛星。我國今年4月發射了中星16號高通量衛星，首次應用了Ka頻段點波束技術，通信總容量可以超過20Gbit/s，這超過了我國此前所有通信衛星容量的總和。該衛星完成入軌及測試后，由中國衛通集團有限公司負責運營。后者還將部署中星18號及更大容量的Ka頻段高通量衛星。計劃在2020年前，形成覆蓋中國全疆域及亞太周邊地區的通信能力，滿足“寬帶中國”和“一帶一路”的寬帶通信要求。

應用

天基互聯網的應用

目前地面移動互聯網已經深入到每個人每個行業，用戶聯網體驗已經達到了高級階段，但地面互聯網也有很多場景仍然不能提供很好的覆蓋和用戶體驗，而這些場景聯網需求比地面移動互聯網能夠覆蓋的區域需求要更為關鍵或者更為迫切，例如戶外、野外、飛機、海上等場景非常需要寬帶互聯網的覆蓋和良好的移動互聯網體驗。

根據調查顯示，超過73%的旅客在戶外第一意愿是上網，而當在森林、 雪山、沙漠等危急場景，這一意愿接近100%。有了天基互聯網，無論在何時何地，都能安心從容。

一網機載天線

Jetblue的機上互聯網服務

一網互聯網星座計劃

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Ka頻段高通量衛星帶來的服務革命

發展于2005年初的Ka衛星技術，因其頻率高、頻率資源豐富、終端尺寸小，而成為寬帶衛星發展的重點方向。經過面向HTS的兩代演進，在全球已有了完整的產業鏈支持——衛星運營商可以用不超過3年的時間制造一顆大容量的Ka衛星；系統供應商已支持寬載波、波束切換和網絡漫游等技術；終端供應商則擁有Ka終端和天線設計經驗，相應技術早已達到規模應用水準。

此前，在衛星的頻率資源上，傳統的L頻段和Ku頻段已十分擁擠，Ka頻段則相對空閑，也相對更容易申請頻率和軌位。目前在國際電聯，已經有逾千份空間衛星網絡資料登記申報。

成本方面，據調查，目前國內基于Ku頻段每 Gbit/s帶寬的投資成本超過2億美元，而美國2011和2012年相繼發射的ViaSat-1和Jupiter-1兩顆Ka衛星，同樣的單位成本已經降低到400萬美元，僅為Ku頻段通信衛星的約 2%。

可以預見，基于Ka頻段的中星16號投入使用后，不僅將帶來中國上空帶寬資源的極大豐富，還將迅速降低單位帶寬的使用成本。更重要的是，寬帶衛星通信將第一次有機會向普通消費者直接提供服務，這是衛星通信服務的升級，更是衛星通信邁向互聯網接入的革命。

全球

全球視野下的天基互聯網基礎設施進展

近幾年來支持天基互聯網的全球空間基礎設施正加速升級換代。目前階段形成商業服務能力的天基互聯網普遍是采用衛星星座模式。根據衛星的軌道類型劃分，與天基互聯網直接相關的衛星通信系統，則可分為“低軌衛星星座系統（LEO）”、“中軌衛星星座系統（MEO）”和“高軌衛星星座系統（GEO）”。無論是何種高度軌道衛星星座系統，總體的趨勢都是快速向HTS衛星演進。

在GEO方面，“高軌衛星星座系統”發展迅猛，美國衛訊公司的下一代大容量寬帶衛星ViaSat-2，整星的容量預計會達到300 Gbit/s，可為手握70萬終端用戶的衛訊公司提供更好的市場發力空間。同時，Viasat-3 的“三星”計劃也已公布：單星容量將達1 Tbit/s，從2019年開始覆蓋全球。

在MEO方面，“中軌衛星星座系統”發展平穩，作為世界第一個中軌道通信星座，目前由12星構成的O3b系統已經開始向全球海上船只提供服務。O3b系統名稱取自“other 3 billion”（“要為地球上另外30億人提供網絡服務” ），專注于為地面通信不方便達到的區域提供接入和骨干網傳輸，有“空中光纖”之稱。自2014年提供商業服務以來，僅用半年時間就達到原計劃1年1億美元的收入水平，以市場的認可證明了衛星互聯網星座的發展前景，現已經被全球第二大衛星運營商SES納入旗下。到2018 年，O3b的星座衛星數量將達到20顆，其單星容量也將達到12 Gbit/s。

中星16高通量衛星

O3b衛星發射升空

ViaSat-2衛星

Google-Loon在新澤西州降落

在LEO方面，“低軌衛星星座系統”更是百花齊放。一網（Oneweb）系統計劃發展由648 顆衛星組成的低軌衛星星座，工作頻段為Ku 頻段，單星吞吐量大于6 Gbit/s，系統總吞吐量5 Tbit/s左右，系統建成后，可向偏遠地區用戶提供50 Mbit/s的互聯網寬帶接入服務。最新消息，一網除了與世界最大的衛星運營商Intelsat合并（獲得軟銀等公司的直接投資）之外，還發布了下一階段1972顆衛星的發展計劃。

有“衛星產業攪局者”之稱的太空探索公司，除了成功實現火箭發射回收及復用之外，還發布了Stream互聯網星座計劃，并已經向ITU申報了頻率和軌位。從申報的情況來看，衛星數量達4000多顆，使用Ku和Ka頻段，運行在43個軌道面。更為激進的是，太空探索公司在今年3月發布了基于V頻段的LEO計劃（稱作VLEO），星座數量更是達到了驚人7518顆。

到2020年左右，全球天基互聯網衛星容量將超過7Tbit/s，衛星星座數量也在快速發展中。

中國

天基互聯網的“中國計劃”

全球空間基礎設施目前正加速升級換代，而我國空間基礎設施也正處于轉型發展關鍵期。為了推動中國天基寬帶互聯網的發展，中國《民用空間基礎設施中長期發展規劃》提出：2020年通信衛星將在軌20余顆，2025年通信衛星將實現在軌25顆左右，滿足全球覆蓋需求。

而在國務院提出推進的“中國制造2025”中，在航天裝備方面也明確提出了“發展新型衛星等空間平臺與有效載荷、空天地寬帶互聯網系統，形成長期持續穩定的衛星遙感、通信、導航等空間信息服務能力”。

在衛星固定通信系統方面，目前中國在軌運營的10顆通信衛星多集中在C、Ku頻段，覆蓋集中于中國國土及亞太地區，主要滿足商用通信、廣播電視。

最新發射的中星16號投入運營后，可向終端用戶提供最高150Mbit/s下載和12Mbit/s上行接入速度，實現真正意義上的衛星寬帶互聯網。隨后將發射的中星18將搭載Ka頻段通信載荷，形成對中星16號覆蓋范圍的全面的補充和完善，滿足“一帶一路”沿線國家和地區覆蓋。

中國和亞太區域其它運營商也都在積極地部署高通量衛星計劃。亞太衛星2016年11月公告，該公司的全資附屬公司亞太通信與合作方簽訂意向書，開發由四顆地球同步軌道衛星組成的高通量寬帶衛星系統計劃，總投資額約人民幣100億元。系統建成后將面向全球提供寬帶衛星固定通信和移動通信服務。首顆衛星亞太6D將于2019年前發射使用。

在移動通信系統方面，中國2016年8月6日發射的天通一號01星，作為我國首顆S頻段移動通信衛星將滿足更廣泛的需求，支持語音、短信及最高384kbit/s的互聯網接入服務。此外，根據規劃，天通一號02星和03星將逐步進化，提高整星功率和天線口徑，支持更大容量的寬帶通信。

在低軌互聯星座方面，由中國航天科工總規劃的虹云工程，已經完成了首顆衛星的發射技術實驗。按照三步走的發展策略，將發射156顆衛星，在距離地面1000千米的軌道上組網運行，實現覆蓋全球的寬帶互聯網接入。到“十三五”末，發射4顆業務試驗星組建小星座，到“十四五”末，實現全部衛星組網運行，完成業務星構建。

此外，還有其他市場驅動的高通量衛星星座計劃正在陸續浮出水面。

場景

天基互聯網顛覆機上互聯網（IFEC）體驗

全球高通量衛星和空間衛星資源的快速發展，也引領著全球機上互聯網（IFEC）進入了一個嶄新階段。截至2017年初，美國Jetblue航空公司的227架飛機，已全部安裝了基于Ka衛星的Fly-Fi系統，面向乘客提供超過12Mbit/s的全程WiFi服務。乘客除了可以享受收發郵件、網頁瀏覽、聊天等基本的網絡服務，還可以進行在線視頻點播。這項開始于2013年的服務，成為了這家航空公司的新名片。

德國漢莎航空公司與全球移動衛星通信服務提供商Inmarsat于2016年10月共同宣布，基于Inmarsat 第五代星（Global Express，三顆Ka衛星覆蓋全球）啟動其下一代機上寬帶服務GX for Aviation。這也是首個Ka頻段的全球機上連接方案。

機載終端廠商也在儲備下一代技術。伴隨低軌和中軌星座的發展，終端天線必須能夠快速跟蹤衛星的運動軌跡。相控陣天線因其模塊化、易共形等特點倍受矚目，發展低成本的相控陣天線技術也是衛星終端廠商的共識。

“空中WiFi”、“機上互聯網（IFEC）”也是近年來國內航空公司積極布局的熱點項目。面對激烈的市場競爭，航空公司將IFEC服務視為新的盈利增長點，希望借此增加用戶黏度，拓展新的商業模式。早在5年前，國航就開始探索自身的IFEC發展之路，首架無線局域網航班于2011年首航，邁出了國內IFEC布局的第一步；2013年初，海南航空首次在“廣州—寧波”航班上啟用WiFi服務；2014年7月，南方航空在京廣航線部分航班上推出機上寬帶WiFi上網驗證飛行。

2015年上半年，工信部正式批準國航、東航、南航等多家航空公司提供IFEC接入服務，此后，國內各大航空公司IFEC建設的腳步明顯加快。2015年12月，東航率先在上海往返紐約、洛杉磯、多倫多航線上開啟空中互聯網服務，成為國內首家將IFEC服務投入商用的航空公司，也是國內首家在國際遠端航線中為旅客提供IFEC服務的航空公司。

與此同時，面對高速發展的空中互聯需求，不得不正視以同步軌道衛星為代表的空間資源局限問題。據測算，2016年我國民航飛機數量為2900架，若單架飛機的帶寬需求僅為10 Mbit/s（此時飛機上每個乘客可以分到的帶寬僅為不到100Kbit/s），則整個中國上空，機上互聯網所需要的衛星資源就達到29Gbit/s。單這一資源需求，就已經超越了中星16號的全部容量需求。

目前機上互聯網需求已經演進到每架飛機50Mbit/s以上帶寬，否則難以保證機上乘客享受到接近地面移動互聯網的體驗。已經開通試點的幾家航空公司采用Ku衛星服務均存在帶寬成本高昂、乘客體驗不佳的問題。

展望

天基互聯網發展趨勢

令人欣喜的是，目前，基于衛星星座的天基互聯網成熟度較高，有些甚至具備了規模應用的基礎。譬如高軌和中軌星座，投入商業運營后，在航空、航海等市場的滲透率超出預期。又譬如低軌星座，伴隨多家國際互聯網及IT巨頭的加入，正在迎來個人用戶的爆發式增長。

高通量衛星

有理由相信，未來的3至5年，將是基于衛星星座的天基互聯網的黃金時代；更可以預判，未來5至10年，基于臨近臨時空間平臺的天基互聯網，也將加速成熟。這一發展大勢意味著，天基互聯網將和快速到來的5G地基互聯網充分協同融合，天地一體化網絡將擁抱每個人的生活。

這一刻，大交通行業已為之準備了10年，通信衛星行業已為之等待了20年。時刻準備著，以奔跑之姿，撞開天基互聯網的大門。★