5G時代背景下衛星通信的發展

+趙冬梅（中信數字媒體網絡有限公司衛星通信分公司）

今年我國5G開始正式商用，其實從3G開始，地面移動通信技術每5年就要經過一次更新換代，相對而言衛星通信技術的發展就緩慢許多。特別是現在進入5G時代，衛星傳輸和地面通信的技術指標、傳輸能力等差距就會越來越大。今后，衛星通信技術會如何發展，衛星通信該怎樣改變來適應這個時代，今天在這里與各位進行一些探討。

一、中信衛星介紹

中信衛星隸屬于1979年成立的中信集團，目前，中信集團已經發展成為一家金融與實業并舉的大型跨國企業集團，2018年位列世界五百強的第149位。

1、中信衛星是中信集團旗下從事衛星通信的專業公司

1988年，中國信托投資公司作為發起股東之一，正式成立了亞洲衛星（公司），亞洲衛星是亞洲地區第一家商業衛星運營組織，在1990年成功發射亞洲一號衛星，這也是亞洲地區第一顆通信衛星，并且成功完成了1990年中國承辦的亞運會轉播任務。1998年股權重組，中信集團成為亞洲衛星的控股股東。2008年，因為我國主管部門的規定，衛星運營屬于基礎電信任務，需要國內的公司持相應的牌照方可運作，所以由中信網絡獲得了相應的衛星運營許可，并成立了衛星公司。自那以后，由中信衛星全面承接了亞洲衛星在國內的業務。2015年，由于中信集團業務調整，將牌照轉移到了中信數字媒體網絡有限公司。

2、現有在軌衛星及主要業務

亞洲衛星從成立到現在31年，共發射了9顆衛星，目前在軌衛星有7顆，最早的是1999年發射的亞洲3S衛星，到今天已經運行了20年。（圖1）

現在能為國內用戶提供通信廣播服務的是4顆衛星，分別是亞洲五號、亞洲七號、亞洲六號和亞洲九號，其中亞洲六號是專門為廣電提供服務的C頻段專用衛星。

亞洲九號是2017年發射的，它是其中最年輕的衛星，同時也是亞太地區功率最強，覆蓋面最廣的一顆通信衛星。

我們現在擁有衛星轉發器出租出售和VSAT兩張牌照，也是國內持有這種二類衛星通信業務基礎應用牌照，從事衛星業務的三家運營商之一。

圖1 亞洲衛星的波段示意圖

我們的主要業務概括起來，就是將亞洲系列衛星的帶寬租給國內相應的用戶使用，提供本地化的配套服務。開展的業務主要有以下6類：電信網絡、寬帶通信、移動應用、應急通信、臨時業務、電視廣播，這些都是常規的衛星通信業務。

需要強調的是這幾年發展迅速的機載通信和船載通信。亞洲衛星其實是亞太地區參與該領域最早的一個通信公司。早在2003年，亞洲3S衛星就為波音公司的高速寬帶通信服務Connexion提供了帶寬。但是很可惜后來該項目因嚴重虧損而被關閉；2011年，亞洲五號衛星為松下公司提供南亞地區的機載通信波束；2014年，國內開始使用Ku頻段的衛星，做機載通信的一些實驗和商用，亞洲衛星也參與其中。到現在為止，亞洲七號衛星已經成為國內機載衛星用量最大的通信衛星。2018年亞洲九號衛星也獲得了工信部的許可，可以從事機載通信服務。

在海洋方面，我們利用亞洲五號衛星、亞洲七號衛星的移動波束，把它調到我們國家領海的上空，這兩顆衛星基本能夠覆蓋我國領海，以及包括太平洋往西一直到印度洋的一部分海域，為我國的漁民、運輸、客輪、海上執法等提供了衛星通信的保證（圖2、圖3）。

二、全球衛星通信產業現狀和發展預測

下面我想從衛星運營商的角度，討論一下全球衛星通信產業的現狀和發展趨勢。

1、衛星通信市場的預測

根據歐洲咨詢公司2018年的報告，從長期來看，衛星轉發器的容量供應是一個持續增長的態勢，大概在2022年左右，會有一個指數性的增長。這是因為根據預測，那一年會有超大容量的高通量衛星投入使用；同時，大量的星座也會投入使用。但是在容量出租方面，增長沒有那么快，因為要花時間去培育市場，發展分銷網絡，以及建立新的商業模式。

而衛星容量的up值，就是每月每兆赫茲的價錢則呈現一個持續走低的趨勢。這也是為什么有些衛星運營商要轉型，成為衛星服務提供商。另外，衛星容量是有望繼續增長的，它的驅動來自于寬帶接入、機載通信以及基站回傳等等業務。

從全球固定衛星容量的供應來看，需求和供應都在持續增長，但一直是供大于求的關系，這對用戶來說是好事兒。

就衛星的出租率來看，長期以來高通量衛星比傳統衛星低，這是因為需求肯定不是均衡的，這在業內很常見，肯定有些波束沒有什么業務，這就造成了平均的出租率并不高。

2、各類通信衛星

我們把用于通信的衛星分為4大類。

第一類是工作在靜止軌道的傳統的大波束衛星，此類衛星由于都是大波束，所以它的復用率不高，一個衛星的吞吐量也就是幾個Gbps的水平，所以單價相對較高，比較適合電視廣播和大型VSAT網絡。

第二類是近幾年異軍突起的高通量衛星，這里指的是位于靜止軌道的高通量衛星，頻段除了Ka、Ku之外，其實C頻段也可組這樣的點波束，它是通過幾十到上百個點波束來提供一個非常高的吞吐量，如達到100Gbps以上，但是這類衛星更適合數據業務、互聯網接入等等，衛星的建造成本稍高。

第三和第四類就是所謂的星座。其中，第三類是以OneWeb、Starlink為代表的寬帶通信星座，它的主要問題是整個系統建設成本高昂，終端成本也居高不下。

圖2 亞洲五號Ku波段海洋區域覆蓋圖

圖3 亞洲七號Ku波段海洋區域覆蓋圖

第四類就是物聯網星座，包括早期的銥星、全球星以及國內的天啟星座。

3、國際GEO HTS的歷程

按照容量，可以把國際上的HTS發展歷程分為4代。

第1代是2005年到2011年，單星容量在50Gbps左右。

第2代是2011年到2017年，單星容量大約是50～140Gbps，這是現在的主流。

第3代從2017年開始，代表是Viasat-2以及休斯公司的Echostar 19，容量可以達到200Gbps以上，這已經不叫HTS，而叫VHTS（Very HST，甚高通量）。

第4代有望在2021年以后實現，叫UHTS（Ultra-HTS，超高通量），包括Echostar 24和Viasat-3，容量能接近1Tbps。

衛星上的載荷可以分為彎管載荷和數字載荷兩種。傳統高通量衛星一般使用的都是彎管載荷，衛星上的鏈接都是通過硬件直接連接的，靈活性不佳，也不支持遠端站之間的直接通信，必須要通過關口站。由于它每個波束的容量帶寬是固定不變的，所以利用效率不高。

第二類叫數字載荷，是通過使用數字透明處理器技術以及多端口功放，能夠實現一定程度的靈活性。從2013年開始，國際上的衛星運營商已經不再采購彎管載荷的傳統高通量衛星，而轉向數字載荷的衛星，現在不少衛星都采取了數字載荷的技術。

簡單的比較一下這兩種衛星的區別。

模擬彎管載荷只適用于星狀網這種網絡結構，專網、網狀網無法使用。而數字載荷技術支持星狀網、網狀網、甚至支持在一個波束下環路拓撲結構。而且它在不同的波束之間的頻率、功率可以進行一定彈性的分配，也就是說業務多的地方可以分配多一些的容量，沒有業務的就可以分配少一些。當然它帶來最大的好處是對于地面系統的建設來說，如果用數字載荷，初期用一個關口站就可以支持所有的用戶波束，未來隨著業務的增加再逐漸增加關口站，初期建設成本減少了很多，這對用戶來說會降低使用成本。另外它在抗干擾能力、載波監控等方面也更加先進。

衛星空間段的建設成本是逐年下降的，常規的衛星空間段建設成本基準是6000萬美元/Gbps以上；發展到今天HTS-CLASS II，容量是50～150Gbps，帶寬的成本就是300萬美元/Gbps以上；未來VHTS-CLASS的成本可能會下降到70萬美元/Gbps。

4、全球衛星行業總體發展趨勢總結

●地球同步軌道傳統衛星通信行業總體增長緩慢

●衛星廣播業務增長乏力（受OTT沖擊）

●地球同步軌道HTS衛星快速增長

●更多的新技術應用于衛星制造領域，衛星平臺能力不斷提升

●私營、民營航天企業為衛星發射市場注入生機

●天地一體化信息網絡成為新的熱點

●移動終端成為新的增長點

●中低軌星座亂花迷眼

三、5G與衛星通信

1、5G與衛星的現狀與未來

5G已經到來，6G也在路上。那么5G和衛星通信會發生更多的聯系。首先體現在5G與衛星頻譜資源的爭奪與共享上，因為5G需要的頻譜資源很多，現在用的是6G赫茲以下的頻譜，首當其沖受影響的是C頻段的衛星。

圖4 亞洲衛星濾波器的技術參數

除了頻譜資源之外，國際衛星組織也在就衛星與5G如何深度融合進行研究，比如ITU、3GPP等都有這方面的項目。總的來說，在將來5G的兩大場景中，增強的移動寬帶（eMBB）可以用到衛星，因為衛星的靈活性和全覆蓋特性是不可忽視的優勢。它可以為基站提供回傳，不光5G，在3G、4G時代都可以這樣操作。

天地一體化網絡、高低軌結合，低軌星作為節點，高軌星提供中繼，終端在地面網絡和衛星網絡之間切換。5G可能會在協議、端口、終端等方面與衛星進行深入的融合。

而在將來大規模機器通信（mMTC）上，衛星物聯網的參與更是必不可少。

2、5G信號對衛星接收系統的干擾

今年6月，工信部正式發放5G商用牌照，中國電信、中國聯通獲得3.4～3.6GHz的頻譜資源，首當其沖受到影響的就是衛星的擴展C頻段，基本無法使用，必須要把擴展C頻段的業務完全挪到標注C頻段上，這個影響體現在兩個方面，一個是5G的基站信號相對衛星來說功率太高了，很容易影響衛星信號的接收。

面對這樣的問題，有什么解決辦法呢？首先必選的是為地球站加裝5G抗干擾濾波器，如果這樣還不能解決問題，就要實施其他的舉措，比如加屏蔽網、更換高頻頭等等。

3、亞洲衛星的濾波器

我們不是做衛星的嗎？為什么現在走到地面上來了。亞洲衛星工程部有星上波導器件的設計經驗，可以用于地面抗5G干擾，所以設計了這款性能很好的濾波器，適用于國內的抗5G干擾，頻段是3.7～4.2GHz，目前已經通過了廣電總局的核準測試，在廣電系統的地球站的改造中得到了比較廣泛的應用（圖4）。

此外，我們根據海外用戶的需求，還設計了不同頻段、不同型號的濾波器產品。

在5G時代幫C頻段留住更多的客戶，這是我們進行這項研究的出發點。

四、啟發與思考

首先，視頻傳輸仍然是傳統衛星收入最多的部分，雖然根據預測它的占比將越來越小，但是其重要性無可替代，一定要利用好衛星在視頻廣播傳輸領域的獨特優勢。比如提供4K、8K超高清節目，改善用戶的觀看體驗，與地面的OTT區分市場，創造更多價值。

第二，衛星運營商要向衛星服務商下沉，拓展更多的業務，尋求產業鏈合作共贏。總有同行問我們什么時候發射HTS衛星，事實上我們這幾年一直與幾大衛星制造商保持溝通，關注靈活載荷的衛星設計，但是在決定投資這顆衛星的時候，公司考慮到高通量衛星基本面向的是全新的市場，面向的是寬帶服務，而不是傳統的廣播電視，所以市場到底有多大，投資回報怎么樣，都是作為一個商業衛星運營公司首先要考慮的。

此外，衛星的制造成本逐年下降，兩年前我們考慮亞洲十號的時候，單位成本大概是300萬美元/Gbps，現在已經降低到了200萬美元/Gbps以下，今后還會有更大的下降空間。亞洲衛星的高通量衛星肯定是要做的，但是我們希望能夠用更低的成本，做一顆更先進的高通量衛星。也希望能與業界有興趣的同行一起探討，共同開拓亞洲衛星下一代的高通量衛星。

第三，衛星容量供應保持供大于求，推動新應用的增長，建立新的業務模式，減少供需差距。

第四，關注衛星通信與5G共存與融合。SATNET