5G时代卫星通信的发展态势

沈永言（中国卫通集团股份有限公司）

1 引言

在信息基础设施三大通信方式中，光纤主要用于骨干传输和固定接入，地面无线主要用于移动接入，而卫星可以用于骨干传输、固定接入、移动接入、电视广播，适用于空天地海等各种环境，在广播和电信公网以及政府、交通、能源、军事、应急等专网中一直在发挥着不可或缺的支撑作用。

几十年来，光纤、地面无线和卫星三大通信方式一直在齐头并进发展，并同时向互联网方向演进。目前，地面无线通信已经进入5G时代。5G有增强移动宽带（eMMB）、大规模机器通信（mMTC）、高可靠低时延通信（uRLLC）三类场景，有高速、泛在、低功耗、低时延四大基本特点。5G的万物互联愿景必然要求组合应用各种技术。卫星通信的无线通信本质和用途多样性决定了5G对卫星通信比以往任何地面移动通信有更多的期待。只有大力发展卫星通信，5G才能真正实现万物互联和全球覆盖。由于地面移动互联网聚集了巨量的用户和应用资源，互联网化的卫星通信也比以前更加依赖于5G的融合发展。

近年来，随着互联网的普及发展以及机载等移动平台通信需求的日益增加，卫星通信出现高通量卫星（HTS）、非静止轨道卫星（NGSO）星座、软件定义、小型平台、平板天线（FPA）、星地融合、通导结合等新的态势。这些态势的出现都与5G发展有着千丝万缕的联系。

2 高通量卫星突破带宽瓶颈

为满足宽带接入、基站中继、机载通信、高清/超高清视频分发等应用带来的带宽增长需求，基于多点波束和频分复用技术的高通量卫星应运而生。目前，全球大部分卫星运营商都在积极发展高通量卫星，宽带已经成为与直播电视并驾齐驱的业务领域。高通量卫星包括地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）、低地球轨道（LEO）三种形式，其中应用较多的是GEO 高通量卫星，其次是MEO 高通量卫星，而LEO 高通量卫星正在建设之中。

目前，比较代表性的GEO 高通量卫星系统有卫讯公司（Viasat）的卫讯－2（Viasat－2）和休斯公司（Hughes）的木星－2（Jupiter－2）卫星，它们的容量分别达到300Gbit/s和220Gbit/s，在建的卫讯－3和木星－3已属于超高通量卫星（VHTS），它们的容量将分别达到1Tbit/s和500Gbit/s。此外，欧洲通信卫星公司（Eutelsat）的“KONNECT”超高通量卫星的容量也达500Gbit/s，这三个超高通量卫星都将在2021年发射。2019年8月，卫讯公司宣布卫讯－4系列已处于初期研制阶段，它将广泛利用卫讯－3卫星的研发成果。高通量卫星容量的迅速增长使得大型GEO 高通量卫星单位Gbit/s制造成本降至到百万美元以下，从而接近地面宽带网络的服务能力。

3 高中低轨星座立体化覆盖

5G万物互联愿景对网络带宽、地域覆盖和传输时延都有不同程度的需求。虽然地面互联网高度发达，但其地域覆盖能力非常有限，这需要不同高度轨道的卫星星座来支持。比如，GEO星座可以服务机载和海事通信，NGSO星座可以服务IP和基站中继、低时延物联网类应用需求。目前，全球GEO星座的典型代表是卫讯－3和国际移动卫星－5（Inmarsat－5）。各类NGSO星座系统有二十多个，其中比较突出的当属一网公司（OneWeb）和太空探索技术公司（SpaceX）的LEO星座以及另外三十亿人公司（O3b）的MEO星座。

卫讯－3 GEO星座由三颗超高通量卫星构成，将于2022年之前发射完毕，主要面向机载通信市场。Inmarsat－5四颗GEO 高通量卫星已于2016年在轨运行。到2023年，Inmarsat将新增10颗高通量卫星卫星，以进一步增强全球和特定区域的服务能力。早在2016年，卫讯公司就向美国联邦通信委员会（FCC）提出了一个由24颗MEO卫星组成的星座系统（后来缩减为20颗）。该MEO星座有3个轨道面，使用Ka和V频段，它将能够与卫讯公司的GEO卫星进行通信，以在MEO卫星与地面之间提供额外路由。

O3b系统是目前全球唯一实现商用化的MEO高通量卫星星座系统，该系统于2013年开始建设，目前在轨20颗。2017年11月，O3b计划新增30颗MEO卫星，其中，20颗O3bN卫星运行于赤道轨道，另外10颗O3bI卫星运行于倾斜轨道，且新增30颗卫星中的12颗采用先进的全电推进和波束形成技术，以进一步提高服务能力。2019年，卫讯公司开始评估把GEO卫星同低时延的LEO卫星结合起来，以带来一种GEO-LEO混合体验。

OneWeb公司LEO星座有720颗卫星，总容量达10Tbit/s，已获得FCC运营许可。2018年，OneWeb公司向FCC提出增加1280颗MEO卫星（后扩展到2560颗），OneWeb公司将根据需要在这两个星座之间动态分配业务。2019年2月28号，OneWeb公司成功发射首批6颗卫星，计划2020年开始商用。

SpaceX公司 LEO星座最初有4425颗卫星，2018年11月增加7518颗，合计约1.2万颗。这些卫星分别位于3个轨道：340km上约7500颗；550km上约1600颗；1150km上约2800颗。SpaceX公司LEO星座于2019年开始建设，2020－2021年开始服务。2019年5月、11月和2020年1月，SpaceX公司先后发射3批60颗小卫星。当卫星规模达到800颗时，将基本具备覆盖全球能力。2019年10月，SpaceX公司计划再部署3万颗卫星，这些卫星将工作于328～580km不等的轨道上。

4 软件定义技术赋予卫星通信灵活性

传统GEO卫星技术状态在发射前两三年就要冻结，在入轨后的十五年服役时间内无法更改，这一固定模式无法适应今天动态变化的信息服务市场环境。多年来，卫星运营商一直希望在轨卫星具有相对的灵活性和重新配置内部程序的能力。基于软件定义技术的灵活载荷卫星可根据应用需求的变化，对卫星的覆盖、连接、带宽、频率、功率、路由等性能进行动态调整和功能重构。根据欧洲咨询公司（Euroconsult）的统计，目前全球一半左右的高通量卫星卫星带有灵活性载荷，其中覆盖灵活性占35%，连接、带宽和频率各占15%，功率占9%。

空客公司（Airbus）、泰雷兹-阿莱尼亚公司（Thales-Alenia）和波音公司（Boeing）是目前全球主要的灵活性卫星提供商。2019年5月10日，全球真正意义上的首颗灵活性通信卫星——欧洲量子（Eutelsat Quantum）卫星成功完成有效载荷舱与平台的对接。该星由空客公司建造，可调整覆盖、频率和功率。此外，2019年，空客、波音和泰雷兹-阿莱尼亚三家公司还分别推出了各自的软件定义卫星：“一星”（OneSat）、702X系列和“灵感”（Inspire）卫星。

空客公司OneSat赢得了Inmarsat公司的商业合同，为Inmarsat－5系统制造GX7、GX8、GX9三颗卫星，它们具有机载处理系统和有源天线，能够调整其覆盖范围、容量和频率。波音公司的702X系列软件定义卫星包括一个1900kg的GEO平台以及一个小型MEO平台。泰雷兹-阿莱尼亚公司的“空间卓越”（Space Inspired）可根据客户需求进行即时在轨调整，或实现从视频广播到宽带连接服务的过渡。

5 小型GEO 高通 量卫星成为新的发展方向

在高通量卫星向大容量迈进的同时，一些卫星制造商和运营商将目光瞄向针对小国家、容量在100Gbit/s以下、质量在几百到2000kg之间的低成本小型GEO 高通量卫星。低成本源于全数字波束形成、数字化信道器和电推进等技术的深度应用，这些技术提高了小型GEO 高通量卫星的性能，降低了功率、质量和成本，这样，即便总容量在100Gbit/s以下，单位Gbit/s的成本仍能低于100万美元。

2019年6月17日，亚洲广播卫星公司（ABS）前首席执行官Tom Choi牵头组建了土星公司（Saturn），专门从事小型GEO卫星的建造业务。土星公司的客户是那些既想有自己的卫星又嫌传统卫星太大的国家，这样的卫星号称“国家星”（Nationsat）。该卫星包括两类小型GEO卫星：传统C/Ku频段宽波束卫星和100Gbit/s以下的高通量卫星。拥有48个36MHz转发器的C/Ku频段卫星的价格约为6500万美元，85Gbit/s的Ka频段高通量卫星约为8500万美元。土星公司打算每年建造两颗“国家星”，并具备把产能提高到年产6颗的能力。

波音公司小型GEO 高通量卫星是其新推出的702X产品系列的一部分。在O3b第二代高通量卫星（即mPower）基础上，波音公司利用数字载荷和3D打印技术将卫星质量从3750kg压缩到1900kg。与土星公司配套提供低成本的地面无线宽带平台（Curvalux）相类似，波音也提供与702X系列配套的地面段解决方案，包括卫星健康与状态监测乃至全网络管理等地面基础设施。

除了土星公司和波音公司，美国Astranis公司、香港填空星公司（GapSat）和瑞典索尔纳离区公司（Ovzon）都计划在2020年或2021年发射小型GEO卫星。小型GEO高通量卫星已成为高通量卫星新的发展方向。

6 平板天线助推移动应用

为了满足车载、机载、船载等移动平台通信和NGSO卫星互联网发展的需要，卫星通信终端天线逐步从抛物面向尺寸小、功耗低、响应快的FPA方向发展。新一代FPA能够同时跟踪多颗卫星、多个波束，因而成为动中通应用和卫星互联网中的一项关键技术。NSR公司预测，2020年后，卫星天线市场将开始向电调平板天线转型。

国 际 上，Kymeta、ALCAN Systems、 一网、卫讯、Phasor、Thinkom、Gilat、SatixFy、Isotropic、C-COM、Intellian等公司均在利用超材料、相控阵等新技术开发具有创新性的FPA。其中，美国Kymeta公司的天线是基于超材料设计，这种材料被描述为“一种类似于液晶显示器的玻璃结构”。Kymeta公司与日本夏普公司合作，采用液晶显示器生产线制造平板天线。2017年，Kymeta公司测试了其研发的mTenna天线，该天线可在超过1万公里路程中与通信卫星保持连接。2019年底，德国ALCAN Systems公司基本完成了模块化相控阵天线的研发，其数据吞吐量可以达到250Mbit/s，波束切换速度大约为5ms。该平板天线产品分为两个版本，企业用户版本目标价格低于1万欧元，消费者用户版价格低于1千欧元。

2019年1月25日，一网公司宣称开发了一种成本仅15美元的天线模块，为用户终端价格定位在200～300美元之间打下了基础，该天线有望在2020年初实现商业化。“一网”天线首先用于Ku频段，其成本几乎不变就可调整工作于Ka、X、V和其他频段。测试结果表明，OneWeb原型天线可实现50Mbit/s的下行速率。通过多个天线的组合，该天线可实现更高吞吐量。该天线主要面向大规模消费市场需求，并不适合航空之类的小型市场。航空终端需要在恶劣的环境中工作，要经过较长的试验、认证和改进过程，因此价格较贵。

卫讯公司的全电调相控阵平板天线采用其专有核心技术，包括新的RF集成电路和模块，它支持消费者宽带、机载和车载通信、基站中继等应用环境。这款相控阵平板天线可工作在Ka或Ku频段，将用于O3b 高通量卫星网络。

7 星地融合应用取得实质性进展

随着信息网络天地一体化程度的不断加深，近年来，国际电信联盟（ITU）、第三代合作伙伴计划（3GPP）、5G卫星和地面网络（SaT5G）联盟等国际标准化组织纷纷开始研究卫星互联网与5G的融合问题。

ITU提出了IP中继、基站中继、移动平台接入及混合多播4种卫星互联网与5G融合应用场景。支持这些场景的关键技术有：多播、智能路由、动态缓存管理及自适应流、延时、一致的服务质量、网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN）兼容、商业模式灵活性等。

3GPP定义了卫星互联网与5G融合中的连续服务、泛在服务和扩展服务三大类用例，提出了内容投递、基站中继、固定宽带接入、移动平台接入四种应用场景，研究了卫星互联网与5G网络间的切换等问题。

2019年6月19日，在2019欧洲网络与通信大会（EuCNC2019）上，SaT5G联盟宣布近期成功进行了一系列卫星的5G演示，包括：①基于星地多链路和移动边缘计算（MEC）的分层视频流传输；②基于卫星组播的视频缓存和实况内容分发；③基于5G卫星链路的机载视频通信；④基于星地混合中继网络和移动边缘计算的5G本地内容缓存；⑤基于卫星网络的5G新无线（NR）视频演示；⑥面向农村市场和大型集会事件扩展服务的混合5G基站中继演示。在以上6项卫星5G服务中，机载通信和农村宽带接入最具吸引力。

另外，2019年5月，通信卫星公司（Telesat）、英国萨里大学（University of Surrey）与比利时纽泰克公司（Newtec）联合进行了8K流媒体传输、网页浏览和视频聊天等应用测试，证实了LEO卫星可为5G基站中继提供有效的解决方案。测试结果显示，往返时延为18～40ms，达到卫星连接的最低值。

8 通导遥结合增强卫星综合服务能力

卫星通信与卫星导航具有相似的技术基础，在很多环境下，卫星导航定位信息需要借助卫星通信链路来传输，卫星通信需要与卫星导航同时应用，来满足用户的综合信息服务需求。

在星基增强系统（SBAS）中，基于LEO的SBAS具有覆盖面广、信号衰耗小、计算收敛速度快、通信与导航信号可以融合设计等优点。铱星公司（Iridium）二代星搭载了美军集成全球定位系统（iGPS）有效载荷，可将GPS定位精度由原来的米级提高到厘米级。

除了一般性的导航定位之外，面向全球空中和海上交通监视和跟踪服务的广播式自动相关监视系统（ADS-B）和自动识别系统（AIS）也是卫星通信与导航结合的两个典型应用。铱星公司和全球星公司（Globalstar）二代星上都带有ADS-B、AIS等载荷。铱星公司二代星携带的Harris公司ADS-B载荷可单星监视3000个目标，处理1000个以上目标，目标用户包括空管、搜救和军方等。

2019年6月，欧洲航空安全局（EASA）认证了空中交通管制公司（Aireon）的星载ADS-B监视服务，这是其首次发放此类认证。通过此次认证，Aireon公司成为为航空导航服务商，可为其他欧洲空中导航服务商提供星载ADS-B监视服务。现在Aireon公司已经在为丹麦、爱尔兰、意大利和英国的飞行信息区域提供该服务。

轨道通信公司（Orbcomm）二代星中也增加了AIS载荷，用于海上资产的跟踪与管理。有了星载ADS-B这样的系统，类似马航MH370、法航AF447航班失踪等事故发生的概率就会大大降低。

9 结语

卫星互联网和5G的深度融合将推动卫星通信技术不断进步并拓展卫星通信的市场空间。未来，高通量卫星将继续向超高通量卫星和小型化方向演进。不同轨道卫星将齐头并进发展，且会通过中继通信相互关联，以形成立体化的天基互联网。卫星载荷将全面数字化，5G中的软件定义网络、网络功能虚拟化技术理念将被应用于卫星互联网之中。软件定义技术将应用于各类通信卫星之中，基于软件定义的卫星互联网的智能化也将带来新的网络安全风险。FPA将会日益普及，从而有力推动卫星通信的大众化应用。伴随着LEO星座的大规模部署和视频遥感的商业应用，卫星通信与卫星遥感也将逐渐深度融合。LEO星座的大规模部署将凸显通信频率冲突矛盾和使用人工智能进行频率资源统筹规划和管理的重要性。

卫星互联网与5G的融合应用领域主要集中在固定宽带接入、移动平台接入、基站中继、内容投递等几个方面。随着移动互联网中视频流量的持续增长以及5G接入带宽的大幅增长和广播功能的具体应用，基于卫星广播/组播功能和移动边缘计算的卫星组播、内容投递将在媒体与娱乐、应急广播、车联网和物联网等领域获得巨大的发展空间。未来，卫星组播到站点将5G广播共同构成一个高效的海量内容分发平台，它有可能成为与卫星直播电视（DTH）等量齐观的业务种类。

2019年既是5G商用元年，也是5G向6G进化元年。2017年11月，英国电信集团（BT）首席网络架构师尼尔·麦克雷（Neil McRae）认为，6G将是“5G+卫星网络”（通信、遥测、导航），在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖，为用户提供网络定位标识、多媒体与互联网接入、天气信息等服务。

在5G与卫星互联网融合、5G向6G进化过程中，提高网络带宽仍是一项基本的任务，极高频（EHF）、激光、太赫兹都将在其中发挥各自的优势。太赫兹不仅可以用于高速传输，还可以用于检测、成像，将在未来6G通信和卫星互联网中发挥关键作用。