5G時代衛星通信的發展態勢

沈永言（中國衛通集團股份有限公司）

1 引言

在信息基礎設施三大通信方式中，光纖主要用于骨干傳輸和固定接入，地面無線主要用于移動接入，而衛星可以用于骨干傳輸、固定接入、移動接入、電視廣播，適用于空天地海等各種環境，在廣播和電信公網以及政府、交通、能源、軍事、應急等專網中一直在發揮著不可或缺的支撐作用。

幾十年來，光纖、地面無線和衛星三大通信方式一直在齊頭并進發展，并同時向互聯網方向演進。目前，地面無線通信已經進入5G時代。5G有增強移動寬帶（eMMB）、大規模機器通信（mMTC）、高可靠低時延通信（uRLLC）三類場景，有高速、泛在、低功耗、低時延四大基本特點。5G的萬物互聯愿景必然要求組合應用各種技術。衛星通信的無線通信本質和用途多樣性決定了5G對衛星通信比以往任何地面移動通信有更多的期待。只有大力發展衛星通信，5G才能真正實現萬物互聯和全球覆蓋。由于地面移動互聯網聚集了巨量的用戶和應用資源，互聯網化的衛星通信也比以前更加依賴于5G的融合發展。

近年來，隨著互聯網的普及發展以及機載等移動平臺通信需求的日益增加，衛星通信出現高通量衛星（HTS）、非靜止軌道衛星（NGSO）星座、軟件定義、小型平臺、平板天線（FPA）、星地融合、通導結合等新的態勢。這些態勢的出現都與5G發展有著千絲萬縷的聯系。

2 高通量衛星突破帶寬瓶頸

為滿足寬帶接入、基站中繼、機載通信、高清/超高清視頻分發等應用帶來的帶寬增長需求，基于多點波束和頻分復用技術的高通量衛星應運而生。目前，全球大部分衛星運營商都在積極發展高通量衛星，寬帶已經成為與直播電視并駕齊驅的業務領域。高通量衛星包括地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）、低地球軌道（LEO）三種形式，其中應用較多的是GEO 高通量衛星，其次是MEO 高通量衛星，而LEO 高通量衛星正在建設之中。

目前，比較代表性的GEO 高通量衛星系統有衛訊公司（Viasat）的衛訊－2（Viasat－2）和休斯公司（Hughes）的木星－2（Jupiter－2）衛星，它們的容量分別達到300Gbit/s和220Gbit/s，在建的衛訊－3和木星－3已屬于超高通量衛星（VHTS），它們的容量將分別達到1Tbit/s和500Gbit/s。此外，歐洲通信衛星公司（Eutelsat）的“KONNECT”超高通量衛星的容量也達500Gbit/s，這三個超高通量衛星都將在2021年發射。2019年8月，衛訊公司宣布衛訊－4系列已處于初期研制階段，它將廣泛利用衛訊－3衛星的研發成果。高通量衛星容量的迅速增長使得大型GEO 高通量衛星單位Gbit/s制造成本降至到百萬美元以下，從而接近地面寬帶網絡的服務能力。

3 高中低軌星座立體化覆蓋

5G萬物互聯愿景對網絡帶寬、地域覆蓋和傳輸時延都有不同程度的需求。雖然地面互聯網高度發達，但其地域覆蓋能力非常有限，這需要不同高度軌道的衛星星座來支持。比如，GEO星座可以服務機載和海事通信，NGSO星座可以服務IP和基站中繼、低時延物聯網類應用需求。目前，全球GEO星座的典型代表是衛訊－3和國際移動衛星－5（Inmarsat－5）。各類NGSO星座系統有二十多個，其中比較突出的當屬一網公司（OneWeb）和太空探索技術公司（SpaceX）的LEO星座以及另外三十億人公司（O3b）的MEO星座。

衛訊－3 GEO星座由三顆超高通量衛星構成，將于2022年之前發射完畢，主要面向機載通信市場。Inmarsat－5四顆GEO 高通量衛星已于2016年在軌運行。到2023年，Inmarsat將新增10顆高通量衛星衛星，以進一步增強全球和特定區域的服務能力。早在2016年，衛訊公司就向美國聯邦通信委員會（FCC）提出了一個由24顆MEO衛星組成的星座系統（后來縮減為20顆）。該MEO星座有3個軌道面，使用Ka和V頻段，它將能夠與衛訊公司的GEO衛星進行通信，以在MEO衛星與地面之間提供額外路由。

O3b系統是目前全球唯一實現商用化的MEO高通量衛星星座系統，該系統于2013年開始建設，目前在軌20顆。2017年11月，O3b計劃新增30顆MEO衛星，其中，20顆O3bN衛星運行于赤道軌道，另外10顆O3bI衛星運行于傾斜軌道，且新增30顆衛星中的12顆采用先進的全電推進和波束形成技術，以進一步提高服務能力。2019年，衛訊公司開始評估把GEO衛星同低時延的LEO衛星結合起來，以帶來一種GEO-LEO混合體驗。

OneWeb公司LEO星座有720顆衛星，總容量達10Tbit/s，已獲得FCC運營許可。2018年，OneWeb公司向FCC提出增加1280顆MEO衛星（后擴展到2560顆），OneWeb公司將根據需要在這兩個星座之間動態分配業務。2019年2月28號，OneWeb公司成功發射首批6顆衛星，計劃2020年開始商用。

SpaceX公司 LEO星座最初有4425顆衛星，2018年11月增加7518顆，合計約1.2萬顆。這些衛星分別位于3個軌道：340km上約7500顆；550km上約1600顆；1150km上約2800顆。SpaceX公司LEO星座于2019年開始建設，2020－2021年開始服務。2019年5月、11月和2020年1月，SpaceX公司先后發射3批60顆小衛星。當衛星規模達到800顆時，將基本具備覆蓋全球能力。2019年10月，SpaceX公司計劃再部署3萬顆衛星，這些衛星將工作于328～580km不等的軌道上。

4 軟件定義技術賦予衛星通信靈活性

傳統GEO衛星技術狀態在發射前兩三年就要凍結，在入軌后的十五年服役時間內無法更改，這一固定模式無法適應今天動態變化的信息服務市場環境。多年來，衛星運營商一直希望在軌衛星具有相對的靈活性和重新配置內部程序的能力?；谲浖x技術的靈活載荷衛星可根據應用需求的變化，對衛星的覆蓋、連接、帶寬、頻率、功率、路由等性能進行動態調整和功能重構。根據歐洲咨詢公司（Euroconsult）的統計，目前全球一半左右的高通量衛星衛星帶有靈活性載荷，其中覆蓋靈活性占35%，連接、帶寬和頻率各占15%，功率占9%。

空客公司（Airbus）、泰雷茲-阿萊尼亞公司（Thales-Alenia）和波音公司（Boeing）是目前全球主要的靈活性衛星提供商。2019年5月10日，全球真正意義上的首顆靈活性通信衛星——歐洲量子（Eutelsat Quantum）衛星成功完成有效載荷艙與平臺的對接。該星由空客公司建造，可調整覆蓋、頻率和功率。此外，2019年，空客、波音和泰雷茲-阿萊尼亞三家公司還分別推出了各自的軟件定義衛星：“一星”（OneSat）、702X系列和“靈感”（Inspire）衛星。

空客公司OneSat贏得了Inmarsat公司的商業合同，為Inmarsat－5系統制造GX7、GX8、GX9三顆衛星，它們具有機載處理系統和有源天線，能夠調整其覆蓋范圍、容量和頻率。波音公司的702X系列軟件定義衛星包括一個1900kg的GEO平臺以及一個小型MEO平臺。泰雷茲-阿萊尼亞公司的“空間卓越”（Space Inspired）可根據客戶需求進行即時在軌調整，或實現從視頻廣播到寬帶連接服務的過渡。

5 小型GEO 高通 量衛星成為新的發展方向

在高通量衛星向大容量邁進的同時，一些衛星制造商和運營商將目光瞄向針對小國家、容量在100Gbit/s以下、質量在幾百到2000kg之間的低成本小型GEO 高通量衛星。低成本源于全數字波束形成、數字化信道器和電推進等技術的深度應用，這些技術提高了小型GEO 高通量衛星的性能，降低了功率、質量和成本，這樣，即便總容量在100Gbit/s以下，單位Gbit/s的成本仍能低于100萬美元。

2019年6月17日，亞洲廣播衛星公司（ABS）前首席執行官Tom Choi牽頭組建了土星公司（Saturn），專門從事小型GEO衛星的建造業務。土星公司的客戶是那些既想有自己的衛星又嫌傳統衛星太大的國家，這樣的衛星號稱“國家星”（Nationsat）。該衛星包括兩類小型GEO衛星：傳統C/Ku頻段寬波束衛星和100Gbit/s以下的高通量衛星。擁有48個36MHz轉發器的C/Ku頻段衛星的價格約為6500萬美元，85Gbit/s的Ka頻段高通量衛星約為8500萬美元。土星公司打算每年建造兩顆“國家星”，并具備把產能提高到年產6顆的能力。

波音公司小型GEO 高通量衛星是其新推出的702X產品系列的一部分。在O3b第二代高通量衛星（即mPower）基礎上，波音公司利用數字載荷和3D打印技術將衛星質量從3750kg壓縮到1900kg。與土星公司配套提供低成本的地面無線寬帶平臺（Curvalux）相類似，波音也提供與702X系列配套的地面段解決方案，包括衛星健康與狀態監測乃至全網絡管理等地面基礎設施。

除了土星公司和波音公司，美國Astranis公司、香港填空星公司（GapSat）和瑞典索爾納離區公司（Ovzon）都計劃在2020年或2021年發射小型GEO衛星。小型GEO高通量衛星已成為高通量衛星新的發展方向。

6 平板天線助推移動應用

為了滿足車載、機載、船載等移動平臺通信和NGSO衛星互聯網發展的需要，衛星通信終端天線逐步從拋物面向尺寸小、功耗低、響應快的FPA方向發展。新一代FPA能夠同時跟蹤多顆衛星、多個波束，因而成為動中通應用和衛星互聯網中的一項關鍵技術。NSR公司預測，2020年后，衛星天線市場將開始向電調平板天線轉型。

國 際 上，Kymeta、ALCAN Systems、 一網、衛訊、Phasor、Thinkom、Gilat、SatixFy、Isotropic、C-COM、Intellian等公司均在利用超材料、相控陣等新技術開發具有創新性的FPA。其中，美國Kymeta公司的天線是基于超材料設計，這種材料被描述為“一種類似于液晶顯示器的玻璃結構”。Kymeta公司與日本夏普公司合作，采用液晶顯示器生產線制造平板天線。2017年，Kymeta公司測試了其研發的mTenna天線，該天線可在超過1萬公里路程中與通信衛星保持連接。2019年底，德國ALCAN Systems公司基本完成了模塊化相控陣天線的研發，其數據吞吐量可以達到250Mbit/s，波束切換速度大約為5ms。該平板天線產品分為兩個版本，企業用戶版本目標價格低于1萬歐元，消費者用戶版價格低于1千歐元。

2019年1月25日，一網公司宣稱開發了一種成本僅15美元的天線模塊，為用戶終端價格定位在200～300美元之間打下了基礎，該天線有望在2020年初實現商業化。“一網”天線首先用于Ku頻段，其成本幾乎不變就可調整工作于Ka、X、V和其他頻段。測試結果表明，OneWeb原型天線可實現50Mbit/s的下行速率。通過多個天線的組合，該天線可實現更高吞吐量。該天線主要面向大規模消費市場需求，并不適合航空之類的小型市場。航空終端需要在惡劣的環境中工作，要經過較長的試驗、認證和改進過程，因此價格較貴。

衛訊公司的全電調相控陣平板天線采用其專有核心技術，包括新的RF集成電路和模塊，它支持消費者寬帶、機載和車載通信、基站中繼等應用環境。這款相控陣平板天線可工作在Ka或Ku頻段，將用于O3b 高通量衛星網絡。

7 星地融合應用取得實質性進展

隨著信息網絡天地一體化程度的不斷加深，近年來，國際電信聯盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）、5G衛星和地面網絡（SaT5G）聯盟等國際標準化組織紛紛開始研究衛星互聯網與5G的融合問題。

ITU提出了IP中繼、基站中繼、移動平臺接入及混合多播4種衛星互聯網與5G融合應用場景。支持這些場景的關鍵技術有：多播、智能路由、動態緩存管理及自適應流、延時、一致的服務質量、網絡功能虛擬化（NFV）/軟件定義網絡（SDN）兼容、商業模式靈活性等。

3GPP定義了衛星互聯網與5G融合中的連續服務、泛在服務和擴展服務三大類用例，提出了內容投遞、基站中繼、固定寬帶接入、移動平臺接入四種應用場景，研究了衛星互聯網與5G網絡間的切換等問題。

2019年6月19日，在2019歐洲網絡與通信大會（EuCNC2019）上，SaT5G聯盟宣布近期成功進行了一系列衛星的5G演示，包括：①基于星地多鏈路和移動邊緣計算（MEC）的分層視頻流傳輸；②基于衛星組播的視頻緩存和實況內容分發；③基于5G衛星鏈路的機載視頻通信；④基于星地混合中繼網絡和移動邊緣計算的5G本地內容緩存；⑤基于衛星網絡的5G新無線（NR）視頻演示；⑥面向農村市場和大型集會事件擴展服務的混合5G基站中繼演示。在以上6項衛星5G服務中，機載通信和農村寬帶接入最具吸引力。

另外，2019年5月，通信衛星公司（Telesat）、英國薩里大學（University of Surrey）與比利時紐泰克公司（Newtec）聯合進行了8K流媒體傳輸、網頁瀏覽和視頻聊天等應用測試，證實了LEO衛星可為5G基站中繼提供有效的解決方案。測試結果顯示，往返時延為18～40ms，達到衛星連接的最低值。

8 通導遙結合增強衛星綜合服務能力

衛星通信與衛星導航具有相似的技術基礎，在很多環境下，衛星導航定位信息需要借助衛星通信鏈路來傳輸，衛星通信需要與衛星導航同時應用，來滿足用戶的綜合信息服務需求。

在星基增強系統（SBAS）中，基于LEO的SBAS具有覆蓋面廣、信號衰耗小、計算收斂速度快、通信與導航信號可以融合設計等優點。銥星公司（Iridium）二代星搭載了美軍集成全球定位系統（iGPS）有效載荷，可將GPS定位精度由原來的米級提高到厘米級。

除了一般性的導航定位之外，面向全球空中和海上交通監視和跟蹤服務的廣播式自動相關監視系統（ADS-B）和自動識別系統（AIS）也是衛星通信與導航結合的兩個典型應用。銥星公司和全球星公司（Globalstar）二代星上都帶有ADS-B、AIS等載荷。銥星公司二代星攜帶的Harris公司ADS-B載荷可單星監視3000個目標，處理1000個以上目標，目標用戶包括空管、搜救和軍方等。

2019年6月，歐洲航空安全局（EASA）認證了空中交通管制公司（Aireon）的星載ADS-B監視服務，這是其首次發放此類認證。通過此次認證，Aireon公司成為為航空導航服務商，可為其他歐洲空中導航服務商提供星載ADS-B監視服務?，F在Aireon公司已經在為丹麥、愛爾蘭、意大利和英國的飛行信息區域提供該服務。

軌道通信公司（Orbcomm）二代星中也增加了AIS載荷，用于海上資產的跟蹤與管理。有了星載ADS-B這樣的系統，類似馬航MH370、法航AF447航班失蹤等事故發生的概率就會大大降低。

9 結語

衛星互聯網和5G的深度融合將推動衛星通信技術不斷進步并拓展衛星通信的市場空間。未來，高通量衛星將繼續向超高通量衛星和小型化方向演進。不同軌道衛星將齊頭并進發展，且會通過中繼通信相互關聯，以形成立體化的天基互聯網。衛星載荷將全面數字化，5G中的軟件定義網絡、網絡功能虛擬化技術理念將被應用于衛星互聯網之中。軟件定義技術將應用于各類通信衛星之中，基于軟件定義的衛星互聯網的智能化也將帶來新的網絡安全風險。FPA將會日益普及，從而有力推動衛星通信的大眾化應用。伴隨著LEO星座的大規模部署和視頻遙感的商業應用，衛星通信與衛星遙感也將逐漸深度融合。LEO星座的大規模部署將凸顯通信頻率沖突矛盾和使用人工智能進行頻率資源統籌規劃和管理的重要性。

衛星互聯網與5G的融合應用領域主要集中在固定寬帶接入、移動平臺接入、基站中繼、內容投遞等幾個方面。隨著移動互聯網中視頻流量的持續增長以及5G接入帶寬的大幅增長和廣播功能的具體應用，基于衛星廣播/組播功能和移動邊緣計算的衛星組播、內容投遞將在媒體與娛樂、應急廣播、車聯網和物聯網等領域獲得巨大的發展空間。未來，衛星組播到站點將5G廣播共同構成一個高效的海量內容分發平臺，它有可能成為與衛星直播電視（DTH）等量齊觀的業務種類。

2019年既是5G商用元年，也是5G向6G進化元年。2017年11月，英國電信集團（BT）首席網絡架構師尼爾·麥克雷（Neil McRae）認為，6G將是“5G+衛星網絡”（通信、遙測、導航），在5G的基礎上集成衛星網絡來實現全球覆蓋，為用戶提供網絡定位標識、多媒體與互聯網接入、天氣信息等服務。

在5G與衛星互聯網融合、5G向6G進化過程中，提高網絡帶寬仍是一項基本的任務，極高頻（EHF）、激光、太赫茲都將在其中發揮各自的優勢。太赫茲不僅可以用于高速傳輸，還可以用于檢測、成像，將在未來6G通信和衛星互聯網中發揮關鍵作用。