高通量通信卫星发展综述与思考

庞立新，李 杰，冯建元*

(1.鹏城实验室,深圳 518052；2.亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司，深圳 518126)

0 引言

卫星通信在海洋、天空以及偏远地区等地面通信无法触及的领域提供着必要的基础通信服务，同时也是地面在紧急状态下的备份与补充。发展卫星通信对我国有着现实需求，特别是应对多发的灾难救援、边疆地区警备与反恐，以及保障我国日益增长的海外利益，卫星通信都有不可替代的作用。我国卫星通信事业起步较晚，但发展很快，特别是近年来相继试验成功了天通一号移动通信卫星和实践十三号(后称“中星16号”)高通量卫星，使得我国卫星通信技术与世界领先水平的差距快速缩小。

其中，高通量卫星成功在轨交付，对我国卫星通信应用是划时代的变化。原因有二：一是通信容量跨越式发展，犹如蜂窝技术2G到3G的跨越，高吞吐量意味着卫星通信能够支撑更多样的多媒体数据服务，卫星通信市场呈现多元化发展；二是通信成本大幅度降低，某种程度甚至可以和地面通信资费比拟，这使得卫星通信可以走入个人消费市场，从而得到更大规模应用。同时，流量费降低将更有利于催生互联网模式等多种灵活经营模式出现，最终带来卫星通信行业的颠覆性变革。

当前我国在轨运行的高通量卫星只有“中星16”，但由于其最初为试验而研制，有效载荷数量较少、覆盖区域较小，实际开展业务时受限较多。但这一情况马上得到改变，另一颗全商用设计的高通量卫星“亚太6D”即将发射，该颗卫星容量远超“中星16”，并形成东印度洋到太平洋的全视场覆盖。该星将带来我国高通量卫星应用的新阶段。

已有文献中，对国内外卫星技术[1]、市场[2]和发展趋势[3-4]有所论述，但针对我国高通量卫星技术现状和市场的实际，进行针对性数据分析和技术评估判断得较少。为了把握新技术带来的变革机遇，本文通过数据分析和关键技术研究与评估，从市场和技术两方面对我国高通量卫星的发展趋势进行论述，从中分析出高通量卫星的市场需求与技术发展关键，评估出未来高通量卫星技术和运营发展的趋势。

1 高通量通信卫星的市场需求展望

据国际卫星咨询机构“北方天空研究所”(NSR)预计，到2022年，全球高通量卫星总需求容量将超过1 Tbps[5]。但目前全球高通量卫星不到10颗，总容量仅500 Gbps。特别是在亚太地区，只有国际通信卫星公司INTELSAT 33E、欧洲卫星全球公司SES-12、中国卫通“中星16”、泰国Thaicom-4等高通量宽带卫星，且大多数没有对中国市场优化，或缺乏符合中国市场需求、法规、频率要求的高通量卫星资源。与此同时，随着中国及亚太地区经济社会发展，海事宽带卫星通信、航空机载互联网等领域的需求正加速迸发，发展潜力巨大。

1.1 海事宽带卫星通信需求分析

2017年，中国海洋经济GDP逾7万亿元，而海洋是没有地面运营商提供通信服务的。海洋经济领域的电子商务、移动互联网、船舶物联网信息回传、突发事件海陆联动等应用将越来越普及，对通过卫星实现船舶及海上设施的互联互通，建立海上信息高速公路的需求日益迫切。船舶航运市场潜力巨大，包括海上工程船、政府公务船、科考船、航运船、客轮与邮轮及游艇等七大类型。

海事通信服务主要面向大中型货船、工程船和渔船。长期以来，这类船舶使用带宽不足1 Mbps的窄带通信系统，即使用短波、超短波、“北斗”系统、海事卫星以及VSAT等通信设备进行话音通信、“北斗”定位和短消息通信等[6-7]。船上人员若要登陆互联网，需要购买价值数十万元的设备并支付高昂的通信费用，性价比让人难以接受，使得船员娱乐及与外界通信受到极大限制。海事通信亟待由窄带向宽带发展。

航运作为全球贸易最重要的运输手段，占据80%左右的市场。其中，东亚、中南半岛是世界航运船只最密集的区域之一，船载业务对通信带宽需求在不断增加。据国家海事局截至2014年底统计，全国登记运营船舶共230 883艘，其中海船22 801艘，河船208 082艘，存在利用卫星实现互联网接入的巨大通信市场。综合各类船只特点，按照10%的船只(即23 000艘)需要上网，兼顾船员上网和公司内部管理网络需求，假定每艘船需要10 Mbps上网，同时上线率20%，则海洋运输和渔业的卫星带宽需求约为46 Gbps的带宽容量。

依据国际经验，大型邮轮是海事卫星宽带业务的主要用户，乘客娱乐通常需要连接互联网，这方面的需求近年来以几何级数的趋势增长，推动了整个卫星通信行业的增长。据电信运营商MTN统计，全球有超过427艘300吨以上的邮轮，最大的可以装载5 400名乘客以及2 100名水手及客服人员，相关卫星带宽在过去5年增加了6倍。中国邮轮产业发展方兴未艾，根据中国交通运输协会邮轮游艇分会(CCYIA)数据统计，2016 年全年我国11个大邮轮港共接待邮轮1 010艘次，同比增长61%。到2020年底，活跃于中国及周边市场的邮轮数量将接近40艘，邮轮旅客数量达到450万人次。若按照每艘邮轮带宽需求100 Mbps测算，则卫星带宽总需求将达到4 Gbps。

1.2 机载卫星通信需求分析

近年来，移动互联网和航空旅客运输业市场都呈现高速发展态势，对机载航空通信产生巨大需求。2017年，我国手机上网用户约11.5亿户，是全球第一的移动互联网市场，航空旅客运输量达5.52亿人次，出境的中国游客超过1.33亿人次，是全球第二大航空运输市场。根据国际海事卫星组织2017年调查统计，90%的中国旅客倾向于选择提供WiFi服务的航空公司，65%的旅客愿意为其付费。霍尼韦尔公司的调查显示同样结果。能否实现空中无线网络连接正逐渐成为乘客机票购买行为的重要选择，这为航空公司通过提供差异化宽带通信服务来吸引旅客提供重大机遇。但相比欧美机载宽带通信的快速发展，我国97%以上的航班尚未实现宽带通信，这与之前我国禁止机上使用电子设备的民航政策密不可分。目前，政府主管部门已经放开机上手机使用，《中华人民共和国民用航空法》(2016年11月修正)完善了“违反规定使用手机或者其他禁用的电子设备列为非法干扰行为”等表述；交通运输部 《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》(2017年10月实施)放宽了对于飞机上使用便携式电子设备的规定，允许由航空公司对便携式电子设备的影响进行评估，并制定相应的使用政策。

2018年初，机载航空通信产业迎来重要的发展机遇，继东方航空、海南航空为手机飞行模式“解禁”之后，南方航空、厦门航空、山东航空、春秋航空和祥鹏航空也陆续宣布允许乘客在飞机上使用手机，宽带卫星通信需求爆发在即。根据对市场的调研，目前国内各航空公司均在积极推出机载宽带服务，制定了相关计划，通过对既有飞机的改装和新采购预装有机载宽带通信系统的波音、空客飞机等方式来满足乘客需求。

据《2015-2034年民用飞机中国市场预测年报》，至2020年民航客运人次将增加到7亿人次，至2034年，我国客机机队规模将达到7 210架，旅客周转量年均增速为7.4%[8]。随着航空机载WiFi应用的推广，高通量宽带卫星将发挥出巨大的业务推进作用。假定每架飞机仅使用50 Mbps下载带宽，以同时执飞航班数为总飞机数10%计算，航空总带宽需求至少为35 Gbps。考虑机载航空产业上下游产值，全国机载航空通信全产业链规模有望超过500亿元。

1.3 高铁宽带有望采用卫星通信

欧洲于2007年率先在“欧洲之星”高速铁路上采用了卫星宽带接入互联网；美国高速铁路起步稍晚，但从2008年起美国列车的互联网接入均采用了卫星技术；日本新干线于2009年通过卫星实现互联网无线接入；目前，我国高铁卫星宽带接入应用市场为空白。虽然中国铁路总公司进行了地面4G的接入试验，但由于多普勒频移等技术问题以及铁路沿线高密度布基站等工程实施代价问题，效果不理想，采用卫星实现高铁宽带接入是政府与业界认为极为可行的方案。

若未来我国高铁使用卫星宽带技术，可推算如下：2019年我国拥有在役高铁动车超过3 300列，未来车辆增长平均预计每年在300标准列以上。假定每辆动车需要50 Mbps的下载带宽，同时运行动车数占总数的1/6，到2020年末对卫星带宽的需求量约为30 Gbps。

1.4 海外卫星通信市场需求潜力可观

在亚太地区特别是南亚、东南亚及太平洋岛国地区，由于电信基础设施建设仍然相对落后，平均互联网渗透率只有30%左右。以印尼为例，2016年统计数据显示仍有60%的人口不能接入互联网；又如缅甸等新兴市场，经济发展刚起步，对宽带接入有较大的需求。卫星通信具有覆盖广、部署快的特点，特别适合于地貌复杂、地面基础设施发展不均衡的区域。根据该区域的人口总量、经济发展潜力和目前的电信基础设施的发展情况分析，高通量卫星在宽带互联网接入业务在该区域将有较大的市场机遇。根据NSR关于东南亚地区2015～2025年Ku频段转发器的市场应用需求预测、市场业务变化预测和市场供求预测如图1～图3所示。

图1 Ku频段转发器市场各业务需求预测Fig.1 Demand prediction of Ku-band TPEs

图2 Ku频段转发器各业务需求变化预测Fig.2 Change prediction of Ku-band TPEs demand

图3 Ku频段转发器市场供求预测Fig.3 Supply and demand prediction of Ku-band TPEs

根据上述统计预测，2015—2025年，东南亚地区对于Ku频段转发器的需求，主要源于电视直播、视频分发和企业数据三大业务，其中电视直播业务的市场需求量最大，且年需求增长率最高；电视直播业务的净需求增长量为61.1×36 MHz，视频分发业务的净需求增长量为22.1×36 MHz，移动通信业务的净需求量为19.7×36 MHz，而高清电视、宽带接入和卫星电话3种业务的净需求量，将呈小幅下降趋势；移动通信业务需求的年复合平均增长率最高(17.1%)，卫星电话业务需求的年复合平均增长率最低(-3.1%)。

随着国家对外经济联系愈加紧密，合作领域也呈现多样化趋势，对自主安全的全球通信能力需求也日趋迫切。截至2016年底，中国境外企业已超过2.2万家，遍布全球179个国家和地区，员工人数超过350万人。2017年中国出境旅游市场达到1.3亿人次，已成为世界排名第一的世界客源地。

综上所述，以移动终端宽带互联网接入和固定接入通信领域来看，中国内地市场及东南亚/岛国市场对于高通量宽带卫星容量需求非常巨大，仅上述主要的国内业务市场可汇总带宽需求即超过140 Gbps，且由于国内市场需求、政策法规、频率的客观原因，参与国内高通量卫星通信市场竞争的运营商并不多，是远远不能满足亚太地区的市场需求。

2 卫星与卫星组网趋势

在未来几十年里，无论是向海事、航空、高铁用户等提供移动通信服务，还是向占全球总人口3/4的、经济发展水平低的人口提供基础的互联网接入(现在尚未实现此服务)，“性价比”都是卫星通信能否快速发展的决定性因素。因此，未来通信卫星市场面临的主要挑战是降低卫星通信的总成本，优化卫星设计、采购和运营。为此，卫星通信运营商可以采取如下措施：

① 优化和简化卫星与运载火箭设计和制造，适应商业发展的需要；② 为卫星和发射服务寻找新的供应渠道；③ 寻找新的方法提高卫星效率，减轻传输干扰等问题；④ 配备灵活可配置的有效载荷，以满足卫星寿命周期内不断变化的市场需求，例如：重构卫星轨迹、功率分配、频率分配以及多波束有效载荷中用户波束容量的重新分配等[9]；⑤ 促进电推进的广泛使用，此途径可显著减少对发射重量的要求和相关费用，并延长卫星寿命。

总体来说，提高性价比的要求导致卫星通信出现如下变化。

2.1 高通量卫星通信将成为主要服务产品

随着频率资源日益紧张，卫星运营商被迫寻找新的策略，一条可行的途径是通过多波束和频率复用的高通量通信卫星技术来提供更大的带宽和降低单位带宽成本，为用户提供更经济的连接。从商业灵活性来看：C波段用来提供高接通率的强健网络；具有强大区域波束和点波束的Ku频段用于广播和宽带数据传输；Ka波段服务则刚刚展开，主要用于宽带服务[10]。

2.2 选择最低成本方式组网

同步轨道方面，当前大部分商用卫星通信都是同步轨道卫星提供的，如Inmarsat，Intelsat，因为轨道高，容易实现广域覆盖，理论上3颗卫星即可覆盖全球，全球组网成本较低。高通量卫星技术出现后，多波束频率复用后能够实现非常大的总容量，每比特传输成本大大降低。但由于星站距离较大、时延长、空间损耗较大，导致终端成本上升。

中轨星座方面，当前市场上的系统如O3b，发射14颗中轨卫星提供窄波束通信，因为轨道高度只有8 063 km，所以时延比较小，可以与地面通信比拟，最大程度上解决了卫星通信的长时延、低信噪比的问题。但由于带宽有限，目前主要作为地面的补充网络。

低轨星座方面，主要包括国际的铱星、Oneweb、Starlink和国内的鸿雁、虹云星座等。低轨卫星由于轨道低，组网所需卫星数目庞大，如Starlink就制定了上万颗卫星的星座计划。

高轨卫星相较于中、低轨卫星而言，在组网覆盖方面具有巨大优势，组网成本较低。低轨星座庞大的卫星数目导致两个问题：一是完成组网资金耗费巨大，且低轨小卫星寿命有限，更新星座需要持续投入资金，如Oneweb就因耗费巨大导致资金链断裂而破产；二是旷日持久，如不能每年发射成千上万颗卫星，则不能在早期卫星寿命到期前完成组网。同时，高昂的组网成本也对中、低轨卫星的商业利润有较高要求，当前还没有低轨星座成熟的商业模式[11]。

就我国而言，目前提供商业通信服务的只有同步轨道卫星。在轨的高通量卫星，只有“中星16”(我国第2颗高通量卫星“亚太6D”计划于2020年6月发射)。但由于“中星16”主要任务为试验验证，覆盖区域不理想(主要是我国南半部)，不能承担全国的高通量卫星服务任务。

3 卫星地面设备发展趋势

实现卫星通信，除了空间段的卫星，还包括地面设备及系统。降低卫星通信总成本，也包括地面应用的调整与改变。

3.1 关口站

关口站是卫星通信网与国际互联网的接口设施，高通量卫星关口站的主要特点是大规模的路由交换和大吞吐量。关口站终端设备包括射频和基带部分的集成。低成本、大批量生产通用或行业专用终端，并制定合理有效的业务推广、运营模式，是卫星终端关注的重点。关口站设备主要有以下两部分。

3.1.1 基带设备

基带设备包括调制和解调设备、系统时钟单元、中频分配单元、切换开关、关口站服务器以及与地面互联网之间的接口设备等。通常的数据中心机房主要放置关口站基带设备。

为了支撑高通量卫星通信系统的高速率链路，基带设备需要采用更先进的技术以提高频率利用率、极端特殊场景的适应性和对大数量用户组网的支撑能力。

具体来说，一是要不断提升调制解调器的高阶调制能力，由现有的32APSK调制提升到至少256APSK；同时支持超大带宽传输，由现有100 Msps(符号速率)以下提升到500 Msps。同时，提升终端设备在极低信噪比(VLSNR)场景下通信能力，满足特殊极端场景需求。此外，针对DVB-RCS入向链路[12]，由于采用时分复用的多用户资源调度方式，需要全网时钟同步，可使用系统外接NTP服务器供钟，调制器向网络控制中心发送时钟信号，同时着力提高同步精度以实现信道时隙的进一步减小，增加网络调度灵活性，提高资源利用效率。为了应对大数量用户同时组网对卫星网络资源调度管理能力的要求，需在大用户数下用户波束间平滑切换，降低开销方面提升管控能力。

3.1.2 射频系统

卫星终端射频系统由大口径天线、上变频器(BUC)、HPA安装、低噪声放大器(LNA)等组成。其核心任务是提高发射和接收增益，同时研究小型化便携天线，以适应未来个人用户的需求[13]。通过采用新材料和工艺，在不断提升性能的同时，有效降低天线的制造成本。

其中的方向之一是研究液晶相控阵卫星天线终端。液晶相控阵天线系统采用基于电磁液晶超材料的超表面相控阵设计，选取了工作在微波、毫米波频段的电磁液晶超材料，该液晶层经过初始取向后，其液晶分子可按一定规则排布。通过对液晶超材料层施加偏置电压，改变液晶分子排列方向，从而形成液晶超材料等效介电常数变化，进而形成各阵元的相位而实现对波束方向的控制。新材料相控阵技术的突出优点是成本低，并且散热少，从而使系统更容易稳定。

3.2 终端

终端的研制思路应当设计以互联网为基础的网络应用方案，而不是传统卫星的网状网或星状网的思路，终端的能力成为整个应用的核心，既要在高频率段上降低成本，同时在吞吐能力上要有所提升。具体包括：

① 以氮化镓管芯为基础的Ka频段宽带功放模块等关键部件的集成化以及宽角扫描。低成本的自跟踪天线是终端产品批量化和低成本化的核心。氮化镓功放模块功率密度是传统材料砷化镓的5～10倍，热导率7倍，意味着整个模块能够在体积上降低一个量级，而且带宽更宽[14]。 氮化镓的应用是保证终端可用性和成本竞争优势的一个重要因素。

② 研制支持超过100 Mbps IP数据吞吐的高度集成调制解调器。在不明显增加终端成本的条件下，单个用户终端处理能力需要极大提升，这需要在更高效编码技术和高阶调制技术方面匹配主站技术的进步，并且研发出相应技术的低成本卫星基带芯片。同时，需要增加利于终端提高传输效率的辅助功能，如动态解压缩等技术，实现有限终端能力条件下，尽可能多地获得高数据传输能力。

4 运营方式变化趋势

传统的封闭式卫星网络运营方式由一个实体运营商运营卫星，构建地面系统，再直接向最终用户提供服务，也可以通过一个或多个零售合作伙伴向最终用户提供服务。在这样的“Mbps”模型中，卫星运营商通过各种服务产品出售Mbps，最大限度提高投资回报率[15]。而一个或多个服务提供商从卫星运营商购买卫星物理带宽来提供其卫星通信服务给用户。这种运营模式下，产业的利润来源于流量费用，随着我国通信业不断提速降费，这种封闭式经营思路会面临利润下降甚至亏损。同时，由于服务模式被固定在资源流量上，难以激发创新服务模式。封闭式运营图如图4所示。

为了避免卫星通信管道化，激发运营商和中间环节服务商探索创新应用和服务模式的动力，应转变为更加开放的卫星运营方式。

图4 封闭式运营Fig.4 Closed operation mode

开放式运营方式是卫星运营商在提供带宽等物理资源外，同时向服务提供商提供系统能力的服务，例如提供标准的系统集成和运营平台，服务提供商不用考虑基础的通信系统建设，而专注于卫星通信应用模式创新。在这种模式下，卫星运营商通过合理的资源管理和动态调配，可以为远大于封闭模式下数量的服务商提供通信能力，也增加了运营商的利润。开放式运营如图5所示。

图5 开放式运营Fig.5 Open operation mode

5 结束语

随着中国通信业不断提速降费，卫星通信产业面临着巨大压力。在过去的几年中，随着数据业务的发展，我国卫星通信产业已经产生了一些积极的变化，但转型速度较慢，既无法满足广阔的市场需求，也未呈现出国际竞争力大幅提升的态势。业内企业一方面需要借鉴地面运营商与互联网公司的经验，真正从客户需求与体验出发，提出高性价比的星地一体化解决方案；另一方面，需要进一步打破传统体制的束缚，在技术创新、商业模式创新方面敢于投入、大胆试错，推动中国卫星通信行业跻身世界一流行列。