龐立新，李 杰，馮建元*

(1.鵬城實(shí)驗(yàn)室,深圳 518052；2.亞太衛(wèi)星寬帶通信(深圳)有限公司，深圳 518126)

0 引言

衛(wèi)星通信在海洋、天空以及偏遠(yuǎn)地區(qū)等地面通信無(wú)法觸及的領(lǐng)域提供著必要的基礎(chǔ)通信服務(wù)，同時(shí)也是地面在緊急狀態(tài)下的備份與補(bǔ)充。發(fā)展衛(wèi)星通信對(duì)我國(guó)有著現(xiàn)實(shí)需求，特別是應(yīng)對(duì)多發(fā)的災(zāi)難救援、邊疆地區(qū)警備與反恐，以及保障我國(guó)日益增長(zhǎng)的海外利益，衛(wèi)星通信都有不可替代的作用。我國(guó)衛(wèi)星通信事業(yè)起步較晚，但發(fā)展很快，特別是近年來(lái)相繼試驗(yàn)成功了天通一號(hào)移動(dòng)通信衛(wèi)星和實(shí)踐十三號(hào)(后稱“中星16號(hào)”)高通量衛(wèi)星，使得我國(guó)衛(wèi)星通信技術(shù)與世界領(lǐng)先水平的差距快速縮小。

其中，高通量衛(wèi)星成功在軌交付，對(duì)我國(guó)衛(wèi)星通信應(yīng)用是劃時(shí)代的變化。原因有二：一是通信容量跨越式發(fā)展，猶如蜂窩技術(shù)2G到3G的跨越，高吞吐量意味著衛(wèi)星通信能夠支撐更多樣的多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)，衛(wèi)星通信市場(chǎng)呈現(xiàn)多元化發(fā)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(fèi)比擬，這使得衛(wèi)星通信可以走入個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)，從而得到更大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，流量費(fèi)降低將更有利于催生互聯(lián)網(wǎng)模式等多種靈活經(jīng)營(yíng)模式出現(xiàn)，最終帶來(lái)衛(wèi)星通信行業(yè)的顛覆性變革。

當(dāng)前我國(guó)在軌運(yùn)行的高通量衛(wèi)星只有“中星16”，但由于其最初為試驗(yàn)而研制，有效載荷數(shù)量較少、覆蓋區(qū)域較小，實(shí)際開展業(yè)務(wù)時(shí)受限較多。但這一情況馬上得到改變，另一顆全商用設(shè)計(jì)的高通量衛(wèi)星“亞太6D”即將發(fā)射，該顆衛(wèi)星容量遠(yuǎn)超“中星16”，并形成東印度洋到太平洋的全視場(chǎng)覆蓋。該星將帶來(lái)我國(guó)高通量衛(wèi)星應(yīng)用的新階段。

已有文獻(xiàn)中，對(duì)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星技術(shù)[1]、市場(chǎng)[2]和發(fā)展趨勢(shì)[3-4]有所論述，但針對(duì)我國(guó)高通量衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)狀和市場(chǎng)的實(shí)際，進(jìn)行針對(duì)性數(shù)據(jù)分析和技術(shù)評(píng)估判斷得較少。為了把握新技術(shù)帶來(lái)的變革機(jī)遇，本文通過(guò)數(shù)據(jù)分析和關(guān)鍵技術(shù)研究與評(píng)估，從市場(chǎng)和技術(shù)兩方面對(duì)我國(guó)高通量衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行論述，從中分析出高通量衛(wèi)星的市場(chǎng)需求與技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵，評(píng)估出未來(lái)高通量衛(wèi)星技術(shù)和運(yùn)營(yíng)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 高通量通信衛(wèi)星的市場(chǎng)需求展望

據(jù)國(guó)際衛(wèi)星咨詢機(jī)構(gòu)“北方天空研究所”(NSR)預(yù)計(jì)，到2022年，全球高通量衛(wèi)星總需求容量將超過(guò)1 Tbps[5]。但目前全球高通量衛(wèi)星不到10顆，總?cè)萘績(jī)H500 Gbps。特別是在亞太地區(qū)，只有國(guó)際通信衛(wèi)星公司INTELSAT 33E、歐洲衛(wèi)星全球公司SES-12、中國(guó)衛(wèi)通“中星16”、泰國(guó)Thaicom-4等高通量寬帶衛(wèi)星，且大多數(shù)沒有對(duì)中國(guó)市場(chǎng)優(yōu)化，或缺乏符合中國(guó)市場(chǎng)需求、法規(guī)、頻率要求的高通量衛(wèi)星資源。與此同時(shí)，隨著中國(guó)及亞太地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，海事寬帶衛(wèi)星通信、航空機(jī)載互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的需求正加速迸發(fā)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.1 海事寬帶衛(wèi)星通信需求分析

2017年，中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)GDP逾7萬(wàn)億元，而海洋是沒有地面運(yùn)營(yíng)商提供通信服務(wù)的。海洋經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的電子商務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、船舶物聯(lián)網(wǎng)信息回傳、突發(fā)事件海陸聯(lián)動(dòng)等應(yīng)用將越來(lái)越普及，對(duì)通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)船舶及海上設(shè)施的互聯(lián)互通，建立海上信息高速公路的需求日益迫切。船舶航運(yùn)市場(chǎng)潛力巨大，包括海上工程船、政府公務(wù)船、科考船、航運(yùn)船、客輪與郵輪及游艇等七大類型。

海事通信服務(wù)主要面向大中型貨船、工程船和漁船。長(zhǎng)期以來(lái)，這類船舶使用帶寬不足1 Mbps的窄帶通信系統(tǒng)，即使用短波、超短波、“北斗”系統(tǒng)、海事衛(wèi)星以及VSAT等通信設(shè)備進(jìn)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(lián)網(wǎng)，需要購(gòu)買價(jià)值數(shù)十萬(wàn)元的設(shè)備并支付高昂的通信費(fèi)用，性價(jià)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?qū)拵Оl(fā)展。

航運(yùn)作為全球貿(mào)易最重要的運(yùn)輸手段，占據(jù)80%左右的市場(chǎng)。其中，東亞、中南半島是世界航運(yùn)船只最密集的區(qū)域之一，船載業(yè)務(wù)對(duì)通信帶寬需求在不斷增加。據(jù)國(guó)家海事局截至2014年底統(tǒng)計(jì)，全國(guó)登記運(yùn)營(yíng)船舶共230 883艘，其中海船22 801艘，河船208 082艘，存在利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入的巨大通信市場(chǎng)。綜合各類船只特點(diǎn)，按照10%的船只(即23 000艘)需要上網(wǎng)，兼顧船員上網(wǎng)和公司內(nèi)部管理網(wǎng)絡(luò)需求，假定每艘船需要10 Mbps上網(wǎng)，同時(shí)上線率20%，則海洋運(yùn)輸和漁業(yè)的衛(wèi)星帶寬需求約為46 Gbps的帶寬容量。

依據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，大型郵輪是海事衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)的主要用戶，乘客娛樂通常需要連接互聯(lián)網(wǎng)，這方面的需求近年來(lái)以幾何級(jí)數(shù)的趨勢(shì)增長(zhǎng)，推動(dòng)了整個(gè)衛(wèi)星通信行業(yè)的增長(zhǎng)。據(jù)電信運(yùn)營(yíng)商MTN統(tǒng)計(jì)，全球有超過(guò)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(guān)衛(wèi)星帶寬在過(guò)去5年增加了6倍。中國(guó)郵輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾，根據(jù)中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)郵輪游艇分會(huì)(CCYIA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016 年全年我國(guó)11個(gè)大郵輪港共接待郵輪1 010艘次，同比增長(zhǎng)61%。到2020年底，活躍于中國(guó)及周邊市場(chǎng)的郵輪數(shù)量將接近40艘，郵輪旅客數(shù)量達(dá)到450萬(wàn)人次。若按照每艘郵輪帶寬需求100 Mbps測(cè)算，則衛(wèi)星帶寬總需求將達(dá)到4 Gbps。

1.2 機(jī)載衛(wèi)星通信需求分析

近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和航空旅客運(yùn)輸業(yè)市場(chǎng)都呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)機(jī)載航空通信產(chǎn)生巨大需求。2017年，我國(guó)手機(jī)上網(wǎng)用戶約11.5億戶，是全球第一的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，航空旅客運(yùn)輸量達(dá)5.52億人次，出境的中國(guó)游客超過(guò)1.33億人次，是全球第二大航空運(yùn)輸市場(chǎng)。根據(jù)國(guó)際海事衛(wèi)星組織2017年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，90%的中國(guó)旅客傾向于選擇提供WiFi服務(wù)的航空公司，65%的旅客愿意為其付費(fèi)?；裟犴f爾公司的調(diào)查顯示同樣結(jié)果。能否實(shí)現(xiàn)空中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接正逐漸成為乘客機(jī)票購(gòu)買行為的重要選擇，這為航空公司通過(guò)提供差異化寬帶通信服務(wù)來(lái)吸引旅客提供重大機(jī)遇。但相比歐美機(jī)載寬帶通信的快速發(fā)展，我國(guó)97%以上的航班尚未實(shí)現(xiàn)寬帶通信，這與之前我國(guó)禁止機(jī)上使用電子設(shè)備的民航政策密不可分。目前，政府主管部門已經(jīng)放開機(jī)上手機(jī)使用，《中華人民共和國(guó)民用航空法》(2016年11月修正)完善了“違反規(guī)定使用手機(jī)或者其他禁用的電子設(shè)備列為非法干擾行為”等表述；交通運(yùn)輸部 《大型飛機(jī)公共航空運(yùn)輸承運(yùn)人運(yùn)行合格審定規(guī)則》(2017年10月實(shí)施)放寬了對(duì)于飛機(jī)上使用便攜式電子設(shè)備的規(guī)定，允許由航空公司對(duì)便攜式電子設(shè)備的影響進(jìn)行評(píng)估，并制定相應(yīng)的使用政策。

2018年初，機(jī)載航空通信產(chǎn)業(yè)迎來(lái)重要的發(fā)展機(jī)遇，繼東方航空、海南航空為手機(jī)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(xù)宣布允許乘客在飛機(jī)上使用手機(jī)，寬帶衛(wèi)星通信需求爆發(fā)在即。根據(jù)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)各航空公司均在積極推出機(jī)載寬帶服務(wù)，制定了相關(guān)計(jì)劃，通過(guò)對(duì)既有飛機(jī)的改裝和新采購(gòu)預(yù)裝有機(jī)載寬帶通信系統(tǒng)的波音、空客飛機(jī)等方式來(lái)滿足乘客需求。

據(jù)《2015-2034年民用飛機(jī)中國(guó)市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)》，至2020年民航客運(yùn)人次將增加到7億人次，至2034年，我國(guó)客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)到7 210架，旅客周轉(zhuǎn)量年均增速為7.4%[8]。隨著航空機(jī)載WiFi應(yīng)用的推廣，高通量寬帶衛(wèi)星將發(fā)揮出巨大的業(yè)務(wù)推進(jìn)作用。假定每架飛機(jī)僅使用50 Mbps下載帶寬，以同時(shí)執(zhí)飛航班數(shù)為總飛機(jī)數(shù)10%計(jì)算，航空總帶寬需求至少為35 Gbps?？紤]機(jī)載航空產(chǎn)業(yè)上下游產(chǎn)值，全國(guó)機(jī)載航空通信全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模有望超過(guò)500億元。

1.3 高鐵寬帶有望采用衛(wèi)星通信

歐洲于2007年率先在“歐洲之星”高速鐵路上采用了衛(wèi)星寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)；美國(guó)高速鐵路起步稍晚，但從2008年起美國(guó)列車的互聯(lián)網(wǎng)接入均采用了衛(wèi)星技術(shù)；日本新干線于2009年通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入；目前，我國(guó)高鐵衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用市場(chǎng)為空白。雖然中國(guó)鐵路總公司進(jìn)行了地面4G的接入試驗(yàn)，但由于多普勒頻移等技術(shù)問題以及鐵路沿線高密度布基站等工程實(shí)施代價(jià)問題，效果不理想，采用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高鐵寬帶接入是政府與業(yè)界認(rèn)為極為可行的方案。

若未來(lái)我國(guó)高鐵使用衛(wèi)星寬帶技術(shù)，可推算如下：2019年我國(guó)擁有在役高鐵動(dòng)車超過(guò)3 300列，未來(lái)車輛增長(zhǎng)平均預(yù)計(jì)每年在300標(biāo)準(zhǔn)列以上。假定每輛動(dòng)車需要50 Mbps的下載帶寬，同時(shí)運(yùn)行動(dòng)車數(shù)占總數(shù)的1/6，到2020年末對(duì)衛(wèi)星帶寬的需求量約為30 Gbps。

1.4 海外衛(wèi)星通信市場(chǎng)需求潛力可觀

在亞太地區(qū)特別是南亞、東南亞及太平洋島國(guó)地區(qū)，由于電信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍然相對(duì)落后，平均互聯(lián)網(wǎng)滲透率只有30%左右。以印尼為例，2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示仍有60%的人口不能接入互聯(lián)網(wǎng)；又如緬甸等新興市場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展剛起步，對(duì)寬帶接入有較大的需求。衛(wèi)星通信具有覆蓋廣、部署快的特點(diǎn)，特別適合于地貌復(fù)雜、地面基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展不均衡的區(qū)域。根據(jù)該區(qū)域的人口總量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿湍壳暗碾娦呕A(chǔ)設(shè)施的發(fā)展情況分析，高通量衛(wèi)星在寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)在該區(qū)域?qū)⒂休^大的市場(chǎng)機(jī)遇。根據(jù)NSR關(guān)于東南亞地區(qū)2015～2025年Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的市場(chǎng)應(yīng)用需求預(yù)測(cè)、市場(chǎng)業(yè)務(wù)變化預(yù)測(cè)和市場(chǎng)供求預(yù)測(cè)如圖1～圖3所示。

圖1 Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器市場(chǎng)各業(yè)務(wù)需求預(yù)測(cè)Fig.1 Demand prediction of Ku-band TPEs

圖2 Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器各業(yè)務(wù)需求變化預(yù)測(cè)Fig.2 Change prediction of Ku-band TPEs demand

圖3 Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器市場(chǎng)供求預(yù)測(cè)Fig.3 Supply and demand prediction of Ku-band TPEs

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，2015—2025年，東南亞地區(qū)對(duì)于Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的需求，主要源于電視直播、視頻分發(fā)和企業(yè)數(shù)據(jù)三大業(yè)務(wù)，其中電視直播業(yè)務(wù)的市場(chǎng)需求量最大，且年需求增長(zhǎng)率最高；電視直播業(yè)務(wù)的凈需求增長(zhǎng)量為61.1×36 MHz，視頻分發(fā)業(yè)務(wù)的凈需求增長(zhǎng)量為22.1×36 MHz，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的凈需求量為19.7×36 MHz，而高清電視、寬帶接入和衛(wèi)星電話3種業(yè)務(wù)的凈需求量，將呈小幅下降趨勢(shì)；移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求的年復(fù)合平均增長(zhǎng)率最高(17.1%)，衛(wèi)星電話業(yè)務(wù)需求的年復(fù)合平均增長(zhǎng)率最低(-3.1%)。

隨著國(guó)家對(duì)外經(jīng)濟(jì)聯(lián)系愈加緊密，合作領(lǐng)域也呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，對(duì)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(guó)境外企業(yè)已超過(guò)2.2萬(wàn)家，遍布全球179個(gè)國(guó)家和地區(qū)，員工人數(shù)超過(guò)350萬(wàn)人。2017年中國(guó)出境旅游市場(chǎng)達(dá)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(dòng)終端寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和固定接入通信領(lǐng)域來(lái)看，中國(guó)內(nèi)地市場(chǎng)及東南亞/島國(guó)市場(chǎng)對(duì)于高通量寬帶衛(wèi)星容量需求非常巨大，僅上述主要的國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)市場(chǎng)可匯總帶寬需求即超過(guò)140 Gbps，且由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求、政策法規(guī)、頻率的客觀原因，參與國(guó)內(nèi)高通量衛(wèi)星通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的運(yùn)營(yíng)商并不多，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足亞太地區(qū)的市場(chǎng)需求。

2 衛(wèi)星與衛(wèi)星組網(wǎng)趨勢(shì)

在未來(lái)幾十年里，無(wú)論是向海事、航空、高鐵用戶等提供移動(dòng)通信服務(wù)，還是向占全球總?cè)丝?/4的、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低的人口提供基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)接入(現(xiàn)在尚未實(shí)現(xiàn)此服務(wù))，“性價(jià)比”都是衛(wèi)星通信能否快速發(fā)展的決定性因素。因此，未來(lái)通信衛(wèi)星市場(chǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)是降低衛(wèi)星通信的總成本，優(yōu)化衛(wèi)星設(shè)計(jì)、采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)。為此，衛(wèi)星通信運(yùn)營(yíng)商可以采取如下措施：

① 優(yōu)化和簡(jiǎn)化衛(wèi)星與運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)和制造，適應(yīng)商業(yè)發(fā)展的需要；② 為衛(wèi)星和發(fā)射服務(wù)尋找新的供應(yīng)渠道；③ 尋找新的方法提高衛(wèi)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(wèi)星壽命周期內(nèi)不斷變化的市場(chǎng)需求，例如：重構(gòu)衛(wèi)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(jìn)電推進(jìn)的廣泛使用，此途徑可顯著減少對(duì)發(fā)射重量的要求和相關(guān)費(fèi)用，并延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。

總體來(lái)說(shuō)，提高性價(jià)比的要求導(dǎo)致衛(wèi)星通信出現(xiàn)如下變化。

2.1 高通量衛(wèi)星通信將成為主要服務(wù)產(chǎn)品

隨著頻率資源日益緊張，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商被迫尋找新的策略，一條可行的途徑是通過(guò)多波束和頻率復(fù)用的高通量通信衛(wèi)星技術(shù)來(lái)提供更大的帶寬和降低單位帶寬成本，為用戶提供更經(jīng)濟(jì)的連接。從商業(yè)靈活性來(lái)看：C波段用來(lái)提供高接通率的強(qiáng)健網(wǎng)絡(luò)；具有強(qiáng)大區(qū)域波束和點(diǎn)波束的Ku頻段用于廣播和寬帶數(shù)據(jù)傳輸；Ka波段服務(wù)則剛剛展開，主要用于寬帶服務(wù)[10]。

2.2 選擇最低成本方式組網(wǎng)

同步軌道方面，當(dāng)前大部分商用衛(wèi)星通信都是同步軌道衛(wèi)星提供的，如Inmarsat，Intelsat，因?yàn)檐壍栏撸菀讓?shí)現(xiàn)廣域覆蓋，理論上3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球，全球組網(wǎng)成本較低。高通量衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)后，多波束頻率復(fù)用后能夠?qū)崿F(xiàn)非常大的總?cè)萘?，每比特傳輸成本大大降低。但由于星站距離較大、時(shí)延長(zhǎng)、空間損耗較大，導(dǎo)致終端成本上升。

中軌星座方面，當(dāng)前市場(chǎng)上的系統(tǒng)如O3b，發(fā)射14顆中軌衛(wèi)星提供窄波束通信，因?yàn)檐壍栏叨戎挥? 063 km，所以時(shí)延比較小，可以與地面通信比擬，最大程度上解決了衛(wèi)星通信的長(zhǎng)時(shí)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(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)。

低軌星座方面，主要包括國(guó)際的銥星、Oneweb、Starlink和國(guó)內(nèi)的鴻雁、虹云星座等。低軌衛(wèi)星由于軌道低，組網(wǎng)所需衛(wèi)星數(shù)目龐大，如Starlink就制定了上萬(wàn)顆衛(wèi)星的星座計(jì)劃。

高軌衛(wèi)星相較于中、低軌衛(wèi)星而言，在組網(wǎng)覆蓋方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，組網(wǎng)成本較低。低軌星座龐大的衛(wèi)星數(shù)目導(dǎo)致兩個(gè)問題：一是完成組網(wǎng)資金耗費(fèi)巨大，且低軌小衛(wèi)星壽命有限，更新星座需要持續(xù)投入資金，如Oneweb就因耗費(fèi)巨大導(dǎo)致資金鏈斷裂而破產(chǎn)；二是曠日持久，如不能每年發(fā)射成千上萬(wàn)顆衛(wèi)星，則不能在早期衛(wèi)星壽命到期前完成組網(wǎng)。同時(shí)，高昂的組網(wǎng)成本也對(duì)中、低軌衛(wèi)星的商業(yè)利潤(rùn)有較高要求，當(dāng)前還沒有低軌星座成熟的商業(yè)模式[11]。

就我國(guó)而言，目前提供商業(yè)通信服務(wù)的只有同步軌道衛(wèi)星。在軌的高通量衛(wèi)星，只有“中星16”(我國(guó)第2顆高通量衛(wèi)星“亞太6D”計(jì)劃于2020年6月發(fā)射)。但由于“中星16”主要任務(wù)為試驗(yàn)驗(yàn)證，覆蓋區(qū)域不理想(主要是我國(guó)南半部)，不能承擔(dān)全國(guó)的高通量衛(wèi)星服務(wù)任務(wù)。

3 衛(wèi)星地面設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信，除了空間段的衛(wèi)星，還包括地面設(shè)備及系統(tǒng)。降低衛(wèi)星通信總成本，也包括地面應(yīng)用的調(diào)整與改變。

3.1 關(guān)口站

關(guān)口站是衛(wèi)星通信網(wǎng)與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的接口設(shè)施，高通量衛(wèi)星關(guān)口站的主要特點(diǎn)是大規(guī)模的路由交換和大吞吐量。關(guān)口站終端設(shè)備包括射頻和基帶部分的集成。低成本、大批量生產(chǎn)通用或行業(yè)專用終端，并制定合理有效的業(yè)務(wù)推廣、運(yùn)營(yíng)模式，是衛(wèi)星終端關(guān)注的重點(diǎn)。關(guān)口站設(shè)備主要有以下兩部分。

3.1.1 基帶設(shè)備

基帶設(shè)備包括調(diào)制和解調(diào)設(shè)備、系統(tǒng)時(shí)鐘單元、中頻分配單元、切換開關(guān)、關(guān)口站服務(wù)器以及與地面互聯(lián)網(wǎng)之間的接口設(shè)備等。通常的數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要放置關(guān)口站基帶設(shè)備。

為了支撐高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高速率鏈路，基帶設(shè)備需要采用更先進(jìn)的技術(shù)以提高頻率利用率、極端特殊場(chǎng)景的適應(yīng)性和對(duì)大數(shù)量用戶組網(wǎng)的支撐能力。

具體來(lái)說(shuō)，一是要不斷提升調(diào)制解調(diào)器的高階調(diào)制能力，由現(xiàn)有的32APSK調(diào)制提升到至少256APSK；同時(shí)支持超大帶寬傳輸，由現(xiàn)有100 Msps(符號(hào)速率)以下提升到500 Msps。同時(shí)，提升終端設(shè)備在極低信噪比(VLSNR)場(chǎng)景下通信能力，滿足特殊極端場(chǎng)景需求。此外，針對(duì)DVB-RCS入向鏈路[12]，由于采用時(shí)分復(fù)用的多用戶資源調(diào)度方式，需要全網(wǎng)時(shí)鐘同步，可使用系統(tǒng)外接NTP服務(wù)器供鐘，調(diào)制器向網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)著力提高同步精度以實(shí)現(xiàn)信道時(shí)隙的進(jìn)一步減小，增加網(wǎng)絡(luò)調(diào)度靈活性，提高資源利用效率。為了應(yīng)對(duì)大數(shù)量用戶同時(shí)組網(wǎng)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度管理能力的要求，需在大用戶數(shù)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(tǒng)

衛(wèi)星終端射頻系統(tǒng)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(wù)是提高發(fā)射和接收增益，同時(shí)研究小型化便攜天線，以適應(yīng)未來(lái)個(gè)人用戶的需求[13]。通過(guò)采用新材料和工藝，在不斷提升性能的同時(shí)，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(wèi)星天線終端。液晶相控陣天線系統(tǒng)采用基于電磁液晶超材料的超表面相控陣設(shè)計(jì)，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(jīng)過(guò)初始取向后，其液晶分子可按一定規(guī)則排布。通過(guò)對(duì)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(shù)變化，進(jìn)而形成各陣元的相位而實(shí)現(xiàn)對(duì)波束方向的控制。新材料相控陣技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是成本低，并且散熱少，從而使系統(tǒng)更容易穩(wěn)定。

3.2 終端

終端的研制思路應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案，而不是傳統(tǒng)衛(wèi)星的網(wǎng)狀網(wǎng)或星狀網(wǎng)的思路，終端的能力成為整個(gè)應(yīng)用的核心，既要在高頻率段上降低成本，同時(shí)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(chǔ)的Ka頻段寬帶功放模塊等關(guān)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(chǎn)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(tǒng)材料砷化鎵的5～10倍，熱導(dǎo)率7倍，意味著整個(gè)模塊能夠在體積上降低一個(gè)量級(jí)，而且?guī)捀鼘抂14]。 氮化鎵的應(yīng)用是保證終端可用性和成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要因素。

② 研制支持超過(guò)100 Mbps IP數(shù)據(jù)吞吐的高度集成調(diào)制解調(diào)器。在不明顯增加終端成本的條件下，單個(gè)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(shù)和高階調(diào)制技術(shù)方面匹配主站技術(shù)的進(jìn)步，并且研發(fā)出相應(yīng)技術(shù)的低成本衛(wèi)星基帶芯片。同時(shí)，需要增加利于終端提高傳輸效率的輔助功能，如動(dòng)態(tài)解壓縮等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有限終端能力條件下，盡可能多地獲得高數(shù)據(jù)傳輸能力。

4 運(yùn)營(yíng)方式變化趨勢(shì)

傳統(tǒng)的封閉式衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)方式由一個(gè)實(shí)體運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)衛(wèi)星，構(gòu)建地面系統(tǒng)，再直接向最終用戶提供服務(wù)，也可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)零售合作伙伴向最終用戶提供服務(wù)。在這樣的“Mbps”模型中，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商通過(guò)各種服務(wù)產(chǎn)品出售Mbps，最大限度提高投資回報(bào)率[15]。而一個(gè)或多個(gè)服務(wù)提供商從衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買衛(wèi)星物理帶寬來(lái)提供其衛(wèi)星通信服務(wù)給用戶。這種運(yùn)營(yíng)模式下，產(chǎn)業(yè)的利潤(rùn)來(lái)源于流量費(fèi)用，隨著我國(guó)通信業(yè)不斷提速降費(fèi)，這種封閉式經(jīng)營(yíng)思路會(huì)面臨利潤(rùn)下降甚至虧損。同時(shí)，由于服務(wù)模式被固定在資源流量上，難以激發(fā)創(chuàng)新服務(wù)模式。封閉式運(yùn)營(yíng)圖如圖4所示。

為了避免衛(wèi)星通信管道化，激發(fā)運(yùn)營(yíng)商和中間環(huán)節(jié)服務(wù)商探索創(chuàng)新應(yīng)用和服務(wù)模式的動(dòng)力，應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦娱_放的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)方式。

圖4 封閉式運(yùn)營(yíng)Fig.4 Closed operation mode

開放式運(yùn)營(yíng)方式是衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商在提供帶寬等物理資源外，同時(shí)向服務(wù)提供商提供系統(tǒng)能力的服務(wù)，例如提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成和運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，服務(wù)提供商不用考慮基礎(chǔ)的通信系統(tǒng)建設(shè)，而專注于衛(wèi)星通信應(yīng)用模式創(chuàng)新。在這種模式下，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商通過(guò)合理的資源管理和動(dòng)態(tài)調(diào)配，可以為遠(yuǎn)大于封閉模式下數(shù)量的服務(wù)商提供通信能力，也增加了運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)。開放式運(yùn)營(yíng)如圖5所示。

圖5 開放式運(yùn)營(yíng)Fig.5 Open operation mode

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)通信業(yè)不斷提速降費(fèi)，衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)面臨著巨大壓力。在過(guò)去的幾年中，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，我國(guó)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)產(chǎn)生了一些積極的變化，但轉(zhuǎn)型速度較慢，既無(wú)法滿足廣闊的市場(chǎng)需求，也未呈現(xiàn)出國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力大幅提升的態(tài)勢(shì)。業(yè)內(nèi)企業(yè)一方面需要借鑒地面運(yùn)營(yíng)商與互聯(lián)網(wǎng)公司的經(jīng)驗(yàn)，真正從客戶需求與體驗(yàn)出發(fā)，提出高性價(jià)比的星地一體化解決方案；另一方面，需要進(jìn)一步打破傳統(tǒng)體制的束縛，在技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新方面敢于投入、大膽試錯(cuò)，推動(dòng)中國(guó)衛(wèi)星通信行業(yè)躋身世界一流行列。