低轨卫星互联网发展问题研究

姜燕丽 ，刘晓娟 ，张雪梅 ，何广乐 ，李婷婷

（1.中国信息通信研究院，北京 100091；2.中国泰尔系统实验室，北京 100088；3.中国联合网络通信有限公司北京市分公司，北京 100000）

1 引言

近年来，众多新兴公司竞相开展卫星互联网研究，OneWeb已在2014年完成了频率轨位的申请，并于2017年6月25日取得了美国联邦无线电管理委员会（FCC）的低轨道卫星通信网络的运营执照，我国也在2016年8月提出构建覆盖全球的天地一体化信息网络，可见新一代小卫星系统也在描绘着新星座图，但同时卫星互联网也将带来安全、监管等方面的挑战，需要我们提早进行研究。

2 国内外典型低轨卫星互联网星座建设计划

2.1 Starlink低轨道卫星星座

Starlink低轨道卫星星座由SpaceX公司提出。2016年前后，SpaceX分别通过美国联邦通讯委员会（FCC）和挪威政府向ITU申报了建设Starlink低轨道卫星星座的频率和轨位，从两者申请文件可以看出，整个Starlink低轨道卫星星座计划发射4425 颗通信卫星Ka/ku波段卫星和7518颗V波段卫星，其轨道高度分别约为1200千米和340千米。2018 年2月，Space发射了首批测试卫星，开始搭建其“Starlink”卫星互联网项目。SpaceX计划于2019 年启动正式的卫星发射工作，2020年开始提供限定的服务，2024年之前全面运行。

2.2 O3B卫星系统

“另外30亿人”（Other 3Billion，O3B Networks）由Google与金融集团汇丰银行（HSBC）以及国际有线电视集团Liberty-Global于2008年9月共同组建，致力于专门提供卫星宽带批发业务。截止到2018年6日，O3B中轨道MEO星座部署卫星的数量已达到了16颗，O3B编队总容量提高了38%，覆盖区在南北纬50度之间。根据O3B计划，2019年O3B将再发射4颗卫星进而完成第一代星座的组网建设工作。第二代O3B卫星全部采用全电推进，拟在2021年部署完成。第二代卫星轨道高度不变，但将新引入70度的轨道倾角，以实现近乎全球的覆盖，目前SES尚未选定“O3B增强”卫星的发射服务商。

2.3 OneWeb卫星系统

OneWeb已在2014年完成了频率轨位的申请，实际其使用的是20世纪90年代Sky-br idge星座的频率轨位资源，其用户段是Ku波段。此外，OneWeb 还与全球最大的高轨卫星运营商Intelsat达成合作协议，为频率协调提供了极大的便利。2017年6月25日，OneWeb取得了美国联邦无线电管理委员会（FCC）的低轨道卫星通信网络的运营执照，代表着OneWeb的频率协调工作可以被允许在美国市场上正式开展业务。可以看出，OneWeb已经完成频率轨位资源申请和协调，抢占了发展的先机。OneWeb 计划共部署900颗卫星，其中有720颗卫星将被发射到1200km、18个轨道面上，每个轨道面上每隔9度部署一颗卫星，不提供星间链路。2018年初OneWeb发射最初的10颗卫星，根据OneWeb计划，2019年将会全面启动卫星发射计划，到2022年为目前无法使用互联网连接的农村和难以到达的地区提供互联网，到2027年弥合数字鸿沟。OneWeb就已经与欧洲火箭发射服务Arianespace签署了协议，在2017年至2019年之间进行至少21次卫星发射。

2.4 波音公司系统

波音公司于2016年正式向美国联邦通信委员会（FCC）申请建设一个由2956颗卫星组成的低轨卫星星座网络，旨在为全世界的商业和政府用户提供互联网和通信服务。该星座通过系统网络接入网关和相关地面光纤网络为用户终端提供高速、低延迟的互联网连接。在计划中提出先期在6年内部署1396颗卫星在近地轨道星座。最终，该卫星星座将由2956颗卫星组成。

2.5 LEOSAT系统

LeoSat低轨星座系统由LeoSat公司提出，致力于打造120～140颗高功率Ka频段卫星星座（有信息显示是108颗），提供全球数据传输服务，其宗旨是通过在LEO轨道构建一个高通量的卫星星座来实现高质量的数据服务。

根据LeoSat的对整个卫星系统的估计，LeoSat 互联网星座至少需要融资25～30亿美元。2015年6 月，LeoSat与美国纽约一家投资公司签署了合作协议，由该公司负责帮助LeoSat开展首轮融资用于卫星设计。截止到2018年初，LeoSat公司尚未完成卫星的研制工作，目前LeoSat目前正在寻找投资者，目标是从2019年开始发射高容量宽带卫星，并在2022 年发射70～108颗卫星并投入运行。

2.6 我国布局天地一体化信息网络

2016年8月，国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》（下称《规划》）正式发布。这是我国首次以“国家”命名科技创新规划。规划提出12项主要指标，多项指标在未来五年将翻番或有重大跃升。要推进天基信息网、未来互联网、移动通信网的全面融合，形成覆盖全球的天地一体化信息网络。

3 未来非静止宽带卫星星座的发展趋势

3.1 从系统发展角度看

（1）加速蓬勃发展态势日趋明显。2015年至2020年期间，中低轨宽带卫星星座互联网系统的容量将实现翻两番。当前，多家商业航天公司提出了中低轨宽带卫星星座系统的建设计划，利用商业资本高速推进，其中又以OneWeb为代表，已经获得频率和轨道资源，并构建了完整的产业合作体系，拟在2020年前后完成系统的正式商用。未来5年内，卫星通信行业借助互联网热潮的东风，将实现加速蓬勃发展。

（2）系统发展市场需求为导向。从全球各大卫星通信公司发展计划来看，由于卫星系统建设成本高、周期长，其发展计划均遵循市场需求导向原则。通过准确的对军民应用市场需求预测，实现卫星系统建设的高效性和经济性；通过与互联网服务商、内容提供商、军队保障部门开展广泛的商业合作，提高了传统卫星制造企业活力，增强了卫星通信行业的市场竞争力。

（3）技术创新驱动系统的快速发展。各卫星公司积极发展新兴技术，中低轨宽带卫星方面，结构化、模块化的设计理念、3D打印等快速制造技术的应用、激光通信等高速星间链路的试验等新兴技术被广泛使用到小卫星的设计制造中，大大缩短了研制成本和周期，推动了系统建设速度。

（4）频轨资源日趋紧缺。卫星通信经过数十年的发展，已经发射近2000颗卫星或人造航天设备，宇宙空间已经日渐拥挤，频率和轨道资源成为各卫星通信企业竞争的焦点。尤其是各商业航天公司提出的低轨宽带卫星星座动辄成百上千颗卫星，一旦系统建成，将对后建的其他星座造成极大的协调难度。

3.2 从技术层面看

（1）表现Ka频段宽带卫星通信将成未来卫星通信的主流。Ka频段宽带卫星通信将成未来卫星通信的主流，给卫星通信带来新的竞争力。目前国外各大卫星运营商都将眼光投向了Ka频段宽带卫星通信，Ka频段具有更宽的带宽，能提供更多的通信容量，用户终端的天线尺寸可以更小，便于终端的小型化和便携化。具有卫星宽带通信功能的多模手持终端必将在移动互联发展的浪潮中脱颖而出。因此，运营商运营成本的降低以及用户终端普及率的提高，将给卫星通信带来新的竞争力，使其与地面固定/移动宽带通信更好的融合。

（2）载荷配置以透明转发为主。从星上载荷类型来看，有的采用星上透明转发的方式，有的采用星上处理交换的方式，均根据各自的系统需求而定。两种载荷方式各具特点，星上处理交换可以实现系统灵活组网，通过单跳通信提高服务质量，通过增强终端反向接入能力进而降低终端功耗和成本，但星上载荷实现复杂，所需技术难度较高。星上透明转发服务延时大且不便灵活组网，但可充分利用星上有限资源实现大容量数据传输，便于系统升级。但目前超过100Gb/s的超大容量通信卫星系统都采用了星上透明转发模式。

（3）采用先进传输和接入体制。在传输技术方面，对于频带和功率均受限的卫星通信系统，其频带有效性和功率有效性是一对矛盾。对于大容量宽带卫星通信系统通过采用先进的信号传输和ACM 技术，在提高系统的频带和功率利用率的同时，兼顾了系统灵活性和用户可用性。

在系统接入方式方面，基于透明转发器的系统分别采用了基于DVB标准和基于DOCSIS标准的接入体制，其中超过70Gb/s的系统目前采用的是基于DOCSIS标准的接入体制。这两种标准在多址方式上都采用了反向MF-TDMA、前向TDM的方式。MF-TDMA是一种频分和时分相结合的二维多址方式，适合全网状网业务应用，对固定的综合业务支持能力较好，在网管中心的控制下，可应用于星状网，支持虚拟子网。TDM是通过时分的方式使链路能够同时传输来自多个输入源的比特，进而增加传输链路的容量。

3.3 从应用角度看

在应用方面，已经从主要面向大型机构、少量重点用户提供应急和干线传输服务，发展到面向广大公众提供宽带互联网接入服务转变，各个系统都大量装备了机载、车载和便携式卫星通信终端，终端设计向通用规范化、小型化低成本以及提升互操作性和兼容性等方向发展。由于基于Ka频段的LEO 卫星群蜂窝网的发展，不仅使可用频率资源和通信容量大幅度增长，而且使用户终端的成本大大降低，卫星通信无缝覆盖的优势凸现，在国际民用通信市场中确实可以占据一个不小比例。但是我国的情况略有不同，由于基于4G的地面蜂窝网在我国民用通信市场中占有比例明显高于国外大多数国家，而卫星通信接入因特网的竞争力还远不如4G，目前卫星通信可实现的可用频率资源的地域覆盖密度，比4G的覆盖密度低几个数量级。卫星通信接入因特网的应用，在我国近期内仍然只是对地面网络覆盖不足的一种重要补充。当然，卫星通信无缝覆盖的优势可以产生很高的实用价值和社会效益，这是无法用市场份额大小衡量的。民用卫星通信在规模和实际效益将会超过军用卫星通信，我国卫星通信产业将由政府主导转变为市场主导。因此，卫星通信的发展无疑是前途光明而且意义重大的。

4 对我国建设低轨道卫星互联网发展的建议

（1）加强顶层设计，统一军民力量，做好规划衔接，协同开展卫星互联网研究和实施。卫星通信系统，尤其是低轨卫星星座，初始投资大，回报周期长，同时，作为典型的军民融合系统，需充分发挥我国善于集中力量办大事的特点，加强顶层设计和军民融合，多部门协调步伐，联合做好《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》、天地一体化信息网络工程、以及军队相关规划的衔接，形成统一的长期发展路线图，集聚资源，优化配置，协同开展重大工程建设和应用，避免资源的分散配置，杜绝系统的重复建设。

（2）以需求为出发点，厘清政府与市场关系，多渠道筹措资金，加强系统建设、应用服务、运营推广的统筹。现阶段，我国航天科技（五院、八院）、航天科工、信威通信、上海微小卫星工程中心、中国电科集团、亚太卫星等均提出了自己的卫星互联网计划，须以需求为出发点，明确国家需求和市场需求，厘清政府与市场关系，并据此加强政府资金、企业自筹、社会融资的统筹，在系统建设上做好“高低轨”、“宽窄带”、“区域与全球”等方案的统一论证，在应用服务上做好政府服务、军用服务、商业服务的高效融合，逐步构建全球服务体系，在运营推广上做到可持续发展，促进产业良性循环。

（3）以长期路线图和重点工程为牵引，开展核心关键技术攻关，加强频率轨位资源储备。根据长期路线图的安排，瞄准实际工程的部署，开展传输体制、星座组网、星载天线及载荷、星间链路、终端芯片等核心关键技术的攻关，分布建设试验系统、商用系统，在系统建设的过程中，需积极开展相关的频率轨位协调，通过自己申报、购买、租借、共享等多种手段在全球抢占频率轨位资源。

（4）加强监管措施研究，加快监测与应对技术攻关，加大监管执行力度，制定好安全对策。卫星通信最大的风险点在于其天然的跨境覆盖特性，使我国境内的卫星通信终端可以通过天上卫星的中转或交换而直接在境外关口站落地，因此我国电信业务分类目录中已经要求跨境卫星业务应经过国家批准设立的国际通信出入口转接。同时，卫星网络容易受到外界信号的干扰。随着卫星互联网的发展，一方面，需从技术监控和安全审查两方面着手，避免非法连接服务、非法镜像数据传送的提供，同时提高干扰与抗干扰能力；另一方面，还需会同公安、海关、工商等部门加强对非法卫星终端的监管力度，确保我国信息安全。■