固定衛星服務隧道盡頭的曙光

+《ViaSatellite》Tom Choi/ 文 沈永言（中國衛通）/ 譯

FSS（固定衛星服務）行業正在迎來第四年的下滑，容量過剩，價格下跌的局面仍在持續。由于地面網絡和應用的快速擴展，客戶正在重新考慮他們未來對GEO（高軌）衛星的承諾。DirecTV等客戶宣布他們將把所有未來的流量轉移到光纖上，而不再購買衛星。“四大”（Intelsat、Telesat、SES和Eutelsat）和區域運營商也在繼續報告收入減少。

除了GEO衛星容量過剩之外，我們還看到了光纖、4G和即將推出的5G網絡的快速擴張。這種令人難以置信的帶寬爆炸導致OTT和在線視頻系統的增長，它們由YouTube牽引，并主導了全球互聯網流量和收視時間，使得廣告遠離傳統廣播媒體。與此同時，我們也正在經歷一波躍躍欲試的LEO項目，這些項目直接針對我們的行業。雖然這些系統中的大多數商業計劃都有可疑之處，并面臨巨大的融資、技術和監管挑戰，但是，它們增加了我們行業未來生存性上的不和諧。

雖然GEOFSS運營商的情況看起來很黯淡，但仍有一些帶有希望的跡象，一個的新應用即將出現，它可能會刺激該行業的增長。因此，現在不是放棄，而是應加倍關注這個行業的時候，因為隧道盡頭的曙光已經開始出現。

當前，全球確實出現了光纖和4G系統快速增長的態勢，但這些系統的投資需要一個關鍵方面——最低水平的人口或用戶密度。光纖只能在用戶相對密集的環境中推出。為了使寬帶4G和5G無線網絡能夠工作，需要有足夠的用戶來證明設備成本、月租費以及這些耗電網絡帶來的大量電費的合理性。

如果城市或郊區有成千上萬的用戶，那么運行寬帶無線系統的CAPEX（資本支出）和OPEX（運營支出）是合理的。但是，如果要覆蓋的區域人口稀少，那么部署蜂窩網絡的經濟效益就沒有合理性，這意味著大面積的區域將無法覆蓋。

據估計，美國有超過1000萬家庭無法使用任何形式的寬帶連接。針對這一尚未覆蓋的市場，HNS和Viasat公司都報告了收入和EBITDA（稅息折舊及攤銷前利潤）的兩位數增長。在GEOFSS市場的危機期間，這些公司能夠產生顯著增長的閃亮信標，因為它們服務于對無線或光纖服務來講是不經濟的利基市場。

今天，美國有成千上萬的家庭由HTS（高通量衛星）系統提供服務，這絕對是推動GEO系統下一個增長階段的關鍵應用之一。說Viasat和HNS的成功或許過于簡單化，因為美國以外的市場機會與這一商業模式不兼容。今天任何一家公司購買價值3—6億美元的HTS衛星，不分青紅皂白地用點波束覆蓋非洲和亞洲，如果不仔細考慮這些新興市場的當地條件，是很難取得成功的。

根據ITU（國際電信聯盟）的數據，截至2018年底，仍有大約32億人仍未連接到互聯網。這些人大多數生活在發展中經濟體的農村地區。新興市場有三種反復出現的農村社區模式：收入水平很低，人口密度也很低，電力供應非常低、不存在或非常昂貴。

太平洋島國和非洲國家的電費是世界上最高的。除了缺乏光纖骨干外，采購電力的成本是無線網絡部署的主要成本驅動因素。新興市場國家的大多數移動運營商向為其無線系統供電的發電機提供柴油。由于柴油燃料非常昂貴且后勤繁瑣，移動運營商短期內難以輕易解決農村數字鴻溝問題。

作為示例，讓我們考慮配備2X2MIMO（多輸入多輸出）和三扇區天線系統的LTE基站。這種類型的電站需要大約4—5千瓦的電力。向農村小區提供柴油燃料的費用可能超過每月1000美元。移動網絡系統的范圍相對較小，因此除非在給定區域內有數千個用戶，即使他們可以通過衛星接入到低成本的骨干網，移動運營商也不會將LTE站點部署到農村地區。實際上，除非我們對此采取措施，否則，電力的缺乏將減緩衛星采用的增長速度。各種形式的節電將是我們行業增長的關鍵驅動力。

如果GEOFSS運營商能夠向30億生活在農村和人煙稀少地區的居民提供一個電力有效、衛星傳送的解決方案，那么100Gbps或以上的HTS的全球需求可能超過30000顆(30億人x1Mbps/人/100Gbps/衛星=30000顆衛星。假定每個用戶需要專用的1Mbps)。顯然，大部分需求將被其他無線技術的進步所滿足，但衛星仍有足夠的發展空間，因為即使我們只能服務其中10%的需求，那也意味著我們需要部署3000顆GEOHTS。

由于目前部署的HTS屈指可數，該行業將會有很大的增長。主要的問題是，我們不能使用目前HNS和ViaSat正在使用的HTS來滿足這個市場，因為它們太昂貴，而且不允許在地面上節約電力。然而，如果復制Viasat和HNS模型行不通，那還有什么辦法呢?

首先，農村貧困人口的收入水平無法證明ARPU（每個用戶每月平均收入）在50—100美元之間是合理的。農村貧困人口無法購買價格500美元的需要電力驅動的寬帶VSAT終端，因為他們無電可用。這意味著每月資費必須降低一個數量級，用戶終端成本也必須降低一個數量級，用戶終端需要在沒有商業電力的情況下運行。當衛星終端的購買成本仍然是300美元，而它的進口和安裝成本超過500美元時，這怎么可能呢?

這似乎是一項艱巨的任務，因為大型供應商提供HTS的成本在3—6億美元之間，使容量成本低于100萬美元/Gbps。因此，為了使衛星發揮其潛力，必須對GEO衛星提供的寬帶進行徹底的重新考慮。

如果電力消耗是限制無線網絡和當前衛星網絡的因素，那么我們需要解決電力問題。目前，VSAT終端消耗50—100瓦的電力。為了降低衛星終端所需的功率，我們需要提高地面波束的下行功率和上行G/T值。如果能在下行鏈路上獲得60以上的EIRP，再加上25dB/Ks以上的G/T，那么VSAT終端只需要毫瓦級的上行鏈路功率，就能與GEO衛星建立鏈路。

這將允許一個成本非常低的太陽能電池板和電池系統，為一個VSAT終端提供可靠的電力，它可能只需要10—20瓦的電力。為了實現如此高功率的EIRP和G/T，地面點波束的大小必須在0.1到0.2度之間。這種波束大小可以通過空間中的大型天線和波束形成系統來實現。此外，由于新興市場的農村貧困人口負擔不起500美元的VSAT系統，我們必須找到一種方式，讓帶寬由一個社區共享，而不是像今天的美國那樣，由一個用戶使用。

VSAT系統可以與Wi-Fi接入點集成，通過全向天線來為50—100米距離的范圍提供服務，或者與Curvalux(一種寬帶多波束相控陣系統）之類遠程無線系統捆綁，以將VSAT系統擴展到10千米范圍。Curvalux需要不到3瓦的電力，將2-3Gbps傳輸到10公里的范圍。這將使成千上萬的農村社區能夠共享相同的VSAT設備。用戶設備，如支持的Wi-Fi和低成本智能手機、平板電腦和Wi-Fi客戶辦公設備（CPE）等，都可以使用價格實惠的太陽能電池來充電。

利用這些技術，我們可以解決昂貴的終端和地面電力問題。現在，我們如何解決太空中昂貴的衛星和電力問題呢?

提供0.1—0.2度的波束尺寸來解決地面的電力問題，意味著要用GEO衛星覆蓋整個地球，需要一顆擁有數萬點波束的大型衛星。這在目前可行、切合實際嗎？最重要的是，負擔得起嗎？顯然，答案是否定的。那么，為什么要這樣做呢?也許，其中一個解決方案是，有人設計了一顆衛星，它用足夠數量的點波束能覆蓋更小的區域（例如覆蓋更小的國家），投資規模使其為新興市場提供負擔得起的寬帶服務變得經濟（100萬美元/Gbps）。

為什么100萬美元/Gbps是一個神奇的數字？對于一顆15年的衛星來說，這意味著每個月每Mbps的成本為5美元，而交付給用戶的每Gbps的成本不到0.02美元。由于目前移動資費每Gbps遠高于1美元，在為全球30億未聯網人口服務方面，GEO衛星當然有發揮重要作用的空間。

到目前為止，100萬美元/Gbps的衛星的唯一公開來源是VisaSat-3，這是一顆價值6億多美元的巨大衛星，其容量超過1Tbps，它計劃覆蓋整個地球。盡管如此，Viasat-3不提供0.1或0.2度的波束，這將使25以上G/T允許100毫瓦的用戶終端。Viasat的CEOMarkDankberg是一個有遠見卓識的人，在FSS行業中沒有多少人有勇氣承擔這么大的投資，我們也沒有機會獲得他的融資水平。因此，有必要以100萬美元/Gbps的價格獲得HTS的能力，并以較小的增量投資規模獲得該能力，使該行業的其他企業能夠參與行業的下一個發展。

要想在不需要5億美元投資就能達到100萬美元/Gbps的條件下，擁有一顆負擔得起的HTS，關鍵是一個由數字處理器或ASIC支持的動態波束形成和信道化系統。帶有數字波束形成ASIC的HTS有效載荷將大大減少電力消耗。并且，與需要FPGA或模擬濾波器和波導的系統相比，重量要輕得多。

例如，一個100Gbps的HTS系統，如果采用模擬或FPGA信道化技術，將花費1.8—2億美元。這顆衛星需要10千瓦以上的電力，重量在5—6噸之間，發射需要6000萬美元，保險費用超過3億美元。然而，在不久的將來，所有使用波束形成ASIC芯片的數字衛星將能夠處理相同的容量，用電推進技術只需要2—3千瓦的電力，重量不到1噸。降低功率要求也將減少航天器的尺寸和質量，從而大大降低其成本。

一些公司已經在研究全數字波束形成系統。波音公司為SES的mPower（O3B2.0）提供的數字處理器和Eutelsat購買的由歐洲航天局資助的量子平臺就是這樣的系統例子。也有非公開宣布的私人倡議，正在進行波束形成ASIC的研發。在不久的將來，我預測這些100Gbps的全數字衛星被送入軌道（包括發射和保險）將花費不到1億美元。這可能是一個大膽的預測，但我確信，全數字波束形成的HTS將在2019年公開提供，在2021年交付使用。

將低成本衛星容量和具有遠程Wi-Fi的衛星終端與相結合，是化解農村數字鴻溝的關鍵。這將導致FSS行業的爆炸式增長，這將確保我們的未來，最重要的是，為世界所有新興市場帶來知識、信息通信和財富。隧道盡頭的曙光會比我們想象的更早出現。SATNET