高通量通信衛星發展綜述與思考

龐立新，李 杰，馮建元*

(1.鵬城實驗室,深圳 518052；2.亞太衛星寬帶通信(深圳)有限公司，深圳 518126)

0 引言

衛星通信在海洋、天空以及偏遠地區等地面通信無法觸及的領域提供著必要的基礎通信服務，同時也是地面在緊急狀態下的備份與補充。發展衛星通信對我國有著現實需求，特別是應對多發的災難救援、邊疆地區警備與反恐，以及保障我國日益增長的海外利益，衛星通信都有不可替代的作用。我國衛星通信事業起步較晚，但發展很快，特別是近年來相繼試驗成功了天通一號移動通信衛星和實踐十三號(后稱“中星16號”)高通量衛星，使得我國衛星通信技術與世界領先水平的差距快速縮小。

其中，高通量衛星成功在軌交付，對我國衛星通信應用是劃時代的變化。原因有二：一是通信容量跨越式發展，猶如蜂窩技術2G到3G的跨越，高吞吐量意味著衛星通信能夠支撐更多樣的多媒體數據服務，衛星通信市場呈現多元化發展；二是通信成本大幅度降低，某種程度甚至可以和地面通信資費比擬，這使得衛星通信可以走入個人消費市場，從而得到更大規模應用。同時，流量費降低將更有利于催生互聯網模式等多種靈活經營模式出現，最終帶來衛星通信行業的顛覆性變革。

當前我國在軌運行的高通量衛星只有“中星16”，但由于其最初為試驗而研制，有效載荷數量較少、覆蓋區域較小，實際開展業務時受限較多。但這一情況馬上得到改變，另一顆全商用設計的高通量衛星“亞太6D”即將發射，該顆衛星容量遠超“中星16”，并形成東印度洋到太平洋的全視場覆蓋。該星將帶來我國高通量衛星應用的新階段。

已有文獻中，對國內外衛星技術[1]、市場[2]和發展趨勢[3-4]有所論述，但針對我國高通量衛星技術現狀和市場的實際，進行針對性數據分析和技術評估判斷得較少。為了把握新技術帶來的變革機遇，本文通過數據分析和關鍵技術研究與評估，從市場和技術兩方面對我國高通量衛星的發展趨勢進行論述，從中分析出高通量衛星的市場需求與技術發展關鍵，評估出未來高通量衛星技術和運營發展的趨勢。

1 高通量通信衛星的市場需求展望

據國際衛星咨詢機構“北方天空研究所”(NSR)預計，到2022年，全球高通量衛星總需求容量將超過1 Tbps[5]。但目前全球高通量衛星不到10顆，總容量僅500 Gbps。特別是在亞太地區，只有國際通信衛星公司INTELSAT 33E、歐洲衛星全球公司SES-12、中國衛通“中星16”、泰國Thaicom-4等高通量寬帶衛星，且大多數沒有對中國市場優化，或缺乏符合中國市場需求、法規、頻率要求的高通量衛星資源。與此同時，隨著中國及亞太地區經濟社會發展，海事寬帶衛星通信、航空機載互聯網等領域的需求正加速迸發，發展潛力巨大。

1.1 海事寬帶衛星通信需求分析

2017年，中國海洋經濟GDP逾7萬億元，而海洋是沒有地面運營商提供通信服務的。海洋經濟領域的電子商務、移動互聯網、船舶物聯網信息回傳、突發事件海陸聯動等應用將越來越普及，對通過衛星實現船舶及海上設施的互聯互通，建立海上信息高速公路的需求日益迫切。船舶航運市場潛力巨大，包括海上工程船、政府公務船、科考船、航運船、客輪與郵輪及游艇等七大類型。

海事通信服務主要面向大中型貨船、工程船和漁船。長期以來，這類船舶使用帶寬不足1 Mbps的窄帶通信系統，即使用短波、超短波、“北斗”系統、海事衛星以及VSAT等通信設備進行話音通信、“北斗”定位和短消息通信等[6-7]。船上人員若要登陸互聯網，需要購買價值數十萬元的設備并支付高昂的通信費用，性價比讓人難以接受，使得船員娛樂及與外界通信受到極大限制。海事通信亟待由窄帶向寬帶發展。

航運作為全球貿易最重要的運輸手段，占據80%左右的市場。其中，東亞、中南半島是世界航運船只最密集的區域之一，船載業務對通信帶寬需求在不斷增加。據國家海事局截至2014年底統計，全國登記運營船舶共230 883艘，其中海船22 801艘，河船208 082艘，存在利用衛星實現互聯網接入的巨大通信市場。綜合各類船只特點，按照10%的船只(即23 000艘)需要上網，兼顧船員上網和公司內部管理網絡需求，假定每艘船需要10 Mbps上網，同時上線率20%，則海洋運輸和漁業的衛星帶寬需求約為46 Gbps的帶寬容量。

依據國際經驗，大型郵輪是海事衛星寬帶業務的主要用戶，乘客娛樂通常需要連接互聯網，這方面的需求近年來以幾何級數的趨勢增長，推動了整個衛星通信行業的增長。據電信運營商MTN統計，全球有超過427艘300噸以上的郵輪，最大的可以裝載5 400名乘客以及2 100名水手及客服人員，相關衛星帶寬在過去5年增加了6倍。中國郵輪產業發展方興未艾，根據中國交通運輸協會郵輪游艇分會(CCYIA)數據統計，2016 年全年我國11個大郵輪港共接待郵輪1 010艘次，同比增長61%。到2020年底，活躍于中國及周邊市場的郵輪數量將接近40艘，郵輪旅客數量達到450萬人次。若按照每艘郵輪帶寬需求100 Mbps測算，則衛星帶寬總需求將達到4 Gbps。

1.2 機載衛星通信需求分析

近年來，移動互聯網和航空旅客運輸業市場都呈現高速發展態勢，對機載航空通信產生巨大需求。2017年，我國手機上網用戶約11.5億戶，是全球第一的移動互聯網市場，航空旅客運輸量達5.52億人次，出境的中國游客超過1.33億人次，是全球第二大航空運輸市場。根據國際海事衛星組織2017年調查統計，90%的中國旅客傾向于選擇提供WiFi服務的航空公司，65%的旅客愿意為其付費。霍尼韋爾公司的調查顯示同樣結果。能否實現空中無線網絡連接正逐漸成為乘客機票購買行為的重要選擇，這為航空公司通過提供差異化寬帶通信服務來吸引旅客提供重大機遇。但相比歐美機載寬帶通信的快速發展，我國97%以上的航班尚未實現寬帶通信，這與之前我國禁止機上使用電子設備的民航政策密不可分。目前，政府主管部門已經放開機上手機使用，《中華人民共和國民用航空法》(2016年11月修正)完善了“違反規定使用手機或者其他禁用的電子設備列為非法干擾行為”等表述；交通運輸部 《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》(2017年10月實施)放寬了對于飛機上使用便攜式電子設備的規定，允許由航空公司對便攜式電子設備的影響進行評估，并制定相應的使用政策。

2018年初，機載航空通信產業迎來重要的發展機遇，繼東方航空、海南航空為手機飛行模式“解禁”之后，南方航空、廈門航空、山東航空、春秋航空和祥鵬航空也陸續宣布允許乘客在飛機上使用手機，寬帶衛星通信需求爆發在即。根據對市場的調研，目前國內各航空公司均在積極推出機載寬帶服務，制定了相關計劃，通過對既有飛機的改裝和新采購預裝有機載寬帶通信系統的波音、空客飛機等方式來滿足乘客需求。

據《2015-2034年民用飛機中國市場預測年報》，至2020年民航客運人次將增加到7億人次，至2034年，我國客機機隊規模將達到7 210架，旅客周轉量年均增速為7.4%[8]。隨著航空機載WiFi應用的推廣，高通量寬帶衛星將發揮出巨大的業務推進作用。假定每架飛機僅使用50 Mbps下載帶寬，以同時執飛航班數為總飛機數10%計算，航空總帶寬需求至少為35 Gbps。考慮機載航空產業上下游產值，全國機載航空通信全產業鏈規模有望超過500億元。

1.3 高鐵寬帶有望采用衛星通信

歐洲于2007年率先在“歐洲之星”高速鐵路上采用了衛星寬帶接入互聯網；美國高速鐵路起步稍晚，但從2008年起美國列車的互聯網接入均采用了衛星技術；日本新干線于2009年通過衛星實現互聯網無線接入；目前，我國高鐵衛星寬帶接入應用市場為空白。雖然中國鐵路總公司進行了地面4G的接入試驗，但由于多普勒頻移等技術問題以及鐵路沿線高密度布基站等工程實施代價問題，效果不理想，采用衛星實現高鐵寬帶接入是政府與業界認為極為可行的方案。

若未來我國高鐵使用衛星寬帶技術，可推算如下：2019年我國擁有在役高鐵動車超過3 300列，未來車輛增長平均預計每年在300標準列以上。假定每輛動車需要50 Mbps的下載帶寬，同時運行動車數占總數的1/6，到2020年末對衛星帶寬的需求量約為30 Gbps。

1.4 海外衛星通信市場需求潛力可觀

在亞太地區特別是南亞、東南亞及太平洋島國地區，由于電信基礎設施建設仍然相對落后，平均互聯網滲透率只有30%左右。以印尼為例，2016年統計數據顯示仍有60%的人口不能接入互聯網；又如緬甸等新興市場，經濟發展剛起步，對寬帶接入有較大的需求。衛星通信具有覆蓋廣、部署快的特點，特別適合于地貌復雜、地面基礎設施發展不均衡的區域。根據該區域的人口總量、經濟發展潛力和目前的電信基礎設施的發展情況分析，高通量衛星在寬帶互聯網接入業務在該區域將有較大的市場機遇。根據NSR關于東南亞地區2015～2025年Ku頻段轉發器的市場應用需求預測、市場業務變化預測和市場供求預測如圖1～圖3所示。

圖1 Ku頻段轉發器市場各業務需求預測Fig.1 Demand prediction of Ku-band TPEs

圖2 Ku頻段轉發器各業務需求變化預測Fig.2 Change prediction of Ku-band TPEs demand

圖3 Ku頻段轉發器市場供求預測Fig.3 Supply and demand prediction of Ku-band TPEs

根據上述統計預測，2015—2025年，東南亞地區對于Ku頻段轉發器的需求，主要源于電視直播、視頻分發和企業數據三大業務，其中電視直播業務的市場需求量最大，且年需求增長率最高；電視直播業務的凈需求增長量為61.1×36 MHz，視頻分發業務的凈需求增長量為22.1×36 MHz，移動通信業務的凈需求量為19.7×36 MHz，而高清電視、寬帶接入和衛星電話3種業務的凈需求量，將呈小幅下降趨勢；移動通信業務需求的年復合平均增長率最高(17.1%)，衛星電話業務需求的年復合平均增長率最低(-3.1%)。

隨著國家對外經濟聯系愈加緊密，合作領域也呈現多樣化趨勢，對自主安全的全球通信能力需求也日趨迫切。截至2016年底，中國境外企業已超過2.2萬家，遍布全球179個國家和地區，員工人數超過350萬人。2017年中國出境旅游市場達到1.3億人次，已成為世界排名第一的世界客源地。

綜上所述，以移動終端寬帶互聯網接入和固定接入通信領域來看，中國內地市場及東南亞/島國市場對于高通量寬帶衛星容量需求非常巨大，僅上述主要的國內業務市場可匯總帶寬需求即超過140 Gbps，且由于國內市場需求、政策法規、頻率的客觀原因，參與國內高通量衛星通信市場競爭的運營商并不多，是遠遠不能滿足亞太地區的市場需求。

2 衛星與衛星組網趨勢

在未來幾十年里，無論是向海事、航空、高鐵用戶等提供移動通信服務，還是向占全球總人口3/4的、經濟發展水平低的人口提供基礎的互聯網接入(現在尚未實現此服務)，“性價比”都是衛星通信能否快速發展的決定性因素。因此，未來通信衛星市場面臨的主要挑戰是降低衛星通信的總成本，優化衛星設計、采購和運營。為此，衛星通信運營商可以采取如下措施：

① 優化和簡化衛星與運載火箭設計和制造，適應商業發展的需要；② 為衛星和發射服務尋找新的供應渠道；③ 尋找新的方法提高衛星效率，減輕傳輸干擾等問題；④ 配備靈活可配置的有效載荷，以滿足衛星壽命周期內不斷變化的市場需求，例如：重構衛星軌跡、功率分配、頻率分配以及多波束有效載荷中用戶波束容量的重新分配等[9]；⑤ 促進電推進的廣泛使用，此途徑可顯著減少對發射重量的要求和相關費用，并延長衛星壽命。

總體來說，提高性價比的要求導致衛星通信出現如下變化。

2.1 高通量衛星通信將成為主要服務產品

隨著頻率資源日益緊張，衛星運營商被迫尋找新的策略，一條可行的途徑是通過多波束和頻率復用的高通量通信衛星技術來提供更大的帶寬和降低單位帶寬成本，為用戶提供更經濟的連接。從商業靈活性來看：C波段用來提供高接通率的強健網絡；具有強大區域波束和點波束的Ku頻段用于廣播和寬帶數據傳輸；Ka波段服務則剛剛展開，主要用于寬帶服務[10]。

2.2 選擇最低成本方式組網

同步軌道方面，當前大部分商用衛星通信都是同步軌道衛星提供的，如Inmarsat，Intelsat，因為軌道高，容易實現廣域覆蓋，理論上3顆衛星即可覆蓋全球，全球組網成本較低。高通量衛星技術出現后，多波束頻率復用后能夠實現非常大的總容量，每比特傳輸成本大大降低。但由于星站距離較大、時延長、空間損耗較大，導致終端成本上升。

中軌星座方面，當前市場上的系統如O3b，發射14顆中軌衛星提供窄波束通信，因為軌道高度只有8 063 km，所以時延比較小，可以與地面通信比擬，最大程度上解決了衛星通信的長時延、低信噪比的問題。但由于帶寬有限，目前主要作為地面的補充網絡。

低軌星座方面，主要包括國際的銥星、Oneweb、Starlink和國內的鴻雁、虹云星座等。低軌衛星由于軌道低，組網所需衛星數目龐大，如Starlink就制定了上萬顆衛星的星座計劃。

高軌衛星相較于中、低軌衛星而言，在組網覆蓋方面具有巨大優勢，組網成本較低。低軌星座龐大的衛星數目導致兩個問題：一是完成組網資金耗費巨大，且低軌小衛星壽命有限，更新星座需要持續投入資金，如Oneweb就因耗費巨大導致資金鏈斷裂而破產；二是曠日持久，如不能每年發射成千上萬顆衛星，則不能在早期衛星壽命到期前完成組網。同時，高昂的組網成本也對中、低軌衛星的商業利潤有較高要求，當前還沒有低軌星座成熟的商業模式[11]。

就我國而言，目前提供商業通信服務的只有同步軌道衛星。在軌的高通量衛星，只有“中星16”(我國第2顆高通量衛星“亞太6D”計劃于2020年6月發射)。但由于“中星16”主要任務為試驗驗證，覆蓋區域不理想(主要是我國南半部)，不能承擔全國的高通量衛星服務任務。

3 衛星地面設備發展趨勢

實現衛星通信，除了空間段的衛星，還包括地面設備及系統。降低衛星通信總成本，也包括地面應用的調整與改變。

3.1 關口站

關口站是衛星通信網與國際互聯網的接口設施，高通量衛星關口站的主要特點是大規模的路由交換和大吞吐量。關口站終端設備包括射頻和基帶部分的集成。低成本、大批量生產通用或行業專用終端，并制定合理有效的業務推廣、運營模式，是衛星終端關注的重點。關口站設備主要有以下兩部分。

3.1.1 基帶設備

基帶設備包括調制和解調設備、系統時鐘單元、中頻分配單元、切換開關、關口站服務器以及與地面互聯網之間的接口設備等。通常的數據中心機房主要放置關口站基帶設備。

為了支撐高通量衛星通信系統的高速率鏈路，基帶設備需要采用更先進的技術以提高頻率利用率、極端特殊場景的適應性和對大數量用戶組網的支撐能力。

具體來說，一是要不斷提升調制解調器的高階調制能力，由現有的32APSK調制提升到至少256APSK；同時支持超大帶寬傳輸，由現有100 Msps(符號速率)以下提升到500 Msps。同時，提升終端設備在極低信噪比(VLSNR)場景下通信能力，滿足特殊極端場景需求。此外，針對DVB-RCS入向鏈路[12]，由于采用時分復用的多用戶資源調度方式，需要全網時鐘同步，可使用系統外接NTP服務器供鐘，調制器向網絡控制中心發送時鐘信號，同時著力提高同步精度以實現信道時隙的進一步減小，增加網絡調度靈活性，提高資源利用效率。為了應對大數量用戶同時組網對衛星網絡資源調度管理能力的要求，需在大用戶數下用戶波束間平滑切換，降低開銷方面提升管控能力。

3.1.2 射頻系統

衛星終端射頻系統由大口徑天線、上變頻器(BUC)、HPA安裝、低噪聲放大器(LNA)等組成。其核心任務是提高發射和接收增益，同時研究小型化便攜天線，以適應未來個人用戶的需求[13]。通過采用新材料和工藝，在不斷提升性能的同時，有效降低天線的制造成本。

其中的方向之一是研究液晶相控陣衛星天線終端。液晶相控陣天線系統采用基于電磁液晶超材料的超表面相控陣設計，選取了工作在微波、毫米波頻段的電磁液晶超材料，該液晶層經過初始取向后，其液晶分子可按一定規則排布。通過對液晶超材料層施加偏置電壓，改變液晶分子排列方向，從而形成液晶超材料等效介電常數變化，進而形成各陣元的相位而實現對波束方向的控制。新材料相控陣技術的突出優點是成本低，并且散熱少，從而使系統更容易穩定。

3.2 終端

終端的研制思路應當設計以互聯網為基礎的網絡應用方案，而不是傳統衛星的網狀網或星狀網的思路，終端的能力成為整個應用的核心，既要在高頻率段上降低成本，同時在吞吐能力上要有所提升。具體包括：

① 以氮化鎵管芯為基礎的Ka頻段寬帶功放模塊等關鍵部件的集成化以及寬角掃描。低成本的自跟蹤天線是終端產品批量化和低成本化的核心。氮化鎵功放模塊功率密度是傳統材料砷化鎵的5～10倍，熱導率7倍，意味著整個模塊能夠在體積上降低一個量級，而且帶寬更寬[14]。 氮化鎵的應用是保證終端可用性和成本競爭優勢的一個重要因素。

② 研制支持超過100 Mbps IP數據吞吐的高度集成調制解調器。在不明顯增加終端成本的條件下，單個用戶終端處理能力需要極大提升，這需要在更高效編碼技術和高階調制技術方面匹配主站技術的進步，并且研發出相應技術的低成本衛星基帶芯片。同時，需要增加利于終端提高傳輸效率的輔助功能，如動態解壓縮等技術，實現有限終端能力條件下，盡可能多地獲得高數據傳輸能力。

4 運營方式變化趨勢

傳統的封閉式衛星網絡運營方式由一個實體運營商運營衛星，構建地面系統，再直接向最終用戶提供服務，也可以通過一個或多個零售合作伙伴向最終用戶提供服務。在這樣的“Mbps”模型中，衛星運營商通過各種服務產品出售Mbps，最大限度提高投資回報率[15]。而一個或多個服務提供商從衛星運營商購買衛星物理帶寬來提供其衛星通信服務給用戶。這種運營模式下，產業的利潤來源于流量費用，隨著我國通信業不斷提速降費，這種封閉式經營思路會面臨利潤下降甚至虧損。同時，由于服務模式被固定在資源流量上，難以激發創新服務模式。封閉式運營圖如圖4所示。

為了避免衛星通信管道化，激發運營商和中間環節服務商探索創新應用和服務模式的動力，應轉變為更加開放的衛星運營方式。

圖4 封閉式運營Fig.4 Closed operation mode

開放式運營方式是衛星運營商在提供帶寬等物理資源外，同時向服務提供商提供系統能力的服務，例如提供標準的系統集成和運營平臺，服務提供商不用考慮基礎的通信系統建設，而專注于衛星通信應用模式創新。在這種模式下，衛星運營商通過合理的資源管理和動態調配，可以為遠大于封閉模式下數量的服務商提供通信能力，也增加了運營商的利潤。開放式運營如圖5所示。

圖5 開放式運營Fig.5 Open operation mode

5 結束語

隨著中國通信業不斷提速降費，衛星通信產業面臨著巨大壓力。在過去的幾年中，隨著數據業務的發展，我國衛星通信產業已經產生了一些積極的變化，但轉型速度較慢，既無法滿足廣闊的市場需求，也未呈現出國際競爭力大幅提升的態勢。業內企業一方面需要借鑒地面運營商與互聯網公司的經驗，真正從客戶需求與體驗出發，提出高性價比的星地一體化解決方案；另一方面，需要進一步打破傳統體制的束縛，在技術創新、商業模式創新方面敢于投入、大膽試錯，推動中國衛星通信行業躋身世界一流行列。