低轨互联网产业发展探究

杨菠 戚少博 宋方方

(1.泰尔融创(北京)科技有限公司, 北京 100191；2.银河航天(北京)科技有限公司，北京100007)

0 引言

近年来，低轨互联网产业在全球发展迅速，美国、英国、加拿大等西方国家积极推进本国巨型低轨卫星星座计划。预计10年内，太空中活跃的卫星数量将突破5万颗，且至少有4座巨型低轨星座提供全球卫星互联网服务。

我国在2020年4月20日首次将卫星互联网纳入“新基建”范畴。2021年5月19日，国家国防科技工业局、中央军委装备发展部发布《关于促进微小卫星有序发展和加强安全管理的通知》，鼓励商业企业参与国家任务，积极促进科技成果转化应用，倡导微小卫星企业技术创新、管理创新和商业模式创新，避免低水平重复投入建设[1]。未来5年，我国将依托新成立的中国卫星网络集团有限公司，加快国产卫星互联网星座的部署。

1 群雄逐鹿频轨资源

目前，低轨互联网产业处于稀缺频轨资源争夺阶段。2011年5月以来，国际电信联盟(ITU)收到申请频轨资源的巨型星座网络申报材料超过60份，主要来自法国、英国、美国、中国和加拿大等，申报星座所包含的卫星数量近10万颗[2]。

近地频轨资源所能容纳的卫星总数大概6万颗。“先占永得”是ITU分配频轨资源的国际规则，也就是说，先获得ITU批准的星座计划，在规定的时间内快速提供服务，将永远占据该段不可再生的频轨资源。在有限的频轨资源与激烈的市场竞争双重挤压下，最终低轨互联网产业将聚集于少数几个头部企业。

目前最为抢眼的低轨星座当数SpaceX公司的Starlink，该星座计划由41 926颗卫星组成，截至2021年10月底，已有2 000多颗卫星发射成功，并向16个国家和地区的近10万用户提供服务。此外，超过50万用户注册了Starlink的服务并交付定金，预计在2022年系统覆盖注册人所在地后可享受服务[3]。

借助于领先的猎鹰9号可回收火箭发射技术，SpaceX已经发射了近80%的全球在轨卫星，目前正以每月180颗卫星的生产速度和每月3～4次的火箭发射频率快速部署Starlink星座。此外，正在研发的Starship重型运载火箭可将猎鹰9号一箭60星的纪录提升到一箭400星。

其他关注度较高的低轨星座有OneWeb、Telesat、Kuiper等，各星座性能特点各异(见表1)。OneWeb是Starlink目前最具竞争力的对手，其星座计划由6 372颗卫星构成，一期由648颗卫星覆盖全球，截至2021年9月底已发射322颗，预计2022年可提供覆盖全球的服务[3]。

Telesat专注于商业客户，其星座计划约由1 671颗卫星构成，技术相对更加先进，预计2023年发射第一批298颗卫星，在高纬度提供服务，2024年提供全球服务[3]。

Kuiper由亚马逊出资建设，其星座计划约由3 236颗卫星构成[3]。美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)要求其于2026年7月30日前完成一半的卫星部署，另一半于2029年前完成部署。

2 技术标准与关键技术缺失

2.1 急需行业技术标准

随着THALES公司主推的NR to Support NTN专项研究在3GPP立项通过，天地融合共建卫星互联网的时代开启。3GPP标准化组织的入局，使星地统一技术标准成为了可能。

目前已经商用或者即将商用的卫星互联网系统大多使用“星上透明转发”技术类型，即用于发生调制完成的无线信号基带设备置于地面卫星信关站，通过信关站的星地间传输通道，将信号发射到卫星，再由卫星变频转发至地面的卫星终端，从而实现卫星通信(见图1)。这种方案使卫星互联网的技术迭代更为便利，为进一步升级改造预留了更多的可能性。Starlink和OneWeb都采用了此技术方案，THALES也在3GPP中主推此方案(见图2)。这些现象反映了行业对于卫星互联网技术标准的期盼，同时也反映出卫星互联网产业中技术标准的严重缺失。长期的封闭生态运营导致卫星行业更多的是企业标准，缺少足够的行业标准。

2.2 关键技术缺失影响产业发展

一张由星与星之间直连的星间链路组成的低轨天基网络是卫星互联网的建设梦想，这就需要卫星具备“数字信号星上再生处理”能力(见图3)，这是低轨卫星互联网的理想形态。而事实是这种组网方式仅应用于部分中高轨卫星通信系统。这些通信系统具有星少、应用带宽较窄的特点。低轨宽带数字再生卫星也是各个国家或组织在未来形态的卫星互联网建设阶段重点发力的对象。

图1 透明转发通信模式示意图

制约低轨宽带数字再生卫星发展的产业难题是关键技术的缺失，这也进一步加大了统一技术标准的难度。具体缺失的技术有：适用于星间交互的组网技术、适用于通信基带上星的低轨卫星数字载荷技术、适用于卫星链路的高频宽带多址通信基带技术。这也是3GPP标准组织和Starlink等商业公司在初期选择“星上透明转发”这一技术类型的原因之一。它可以暂时避开这些缺失的关键技术。

图2 THALES提案星座网络工作模式示意图

图3 星上数字再生通信模式示意图

这些问题的根源之一是缺少用于星间组网的弹性路由技术。星间传输会导致信令风暴和数据汇聚拥塞。因而Starlink和OneWeb等低轨宽带卫星互联网系统目前都没有商用星间链路技术。其应用范围和服务质量受限于信关站的部署数量。

通信基带上星不仅是一个技术问题，更是一个商业问题。接入的用户数少了，基带上星也就没有了意义。通信成本不仅不会降低，反而会进一步增加。星上的数字载荷需要能够具备宽带多址通信基带技术，这就带来了卫星功耗、散热和重量之间的矛盾难题，需要巧妙地设计低轨卫星的结构。

缺少适用于卫星链路的高频宽带多址通信基带技术，直接导致卫星互联网的用户数量下降，并间接导致卫星终端成本居高不下。大多数卫星互联网系统采用的技术标准体系为DVB-S2/DVB-RCS2。

该技术标准为卫星电视广播应用而设计，仅反向链路使用了MF-TDMA的多址技术，前向链路缺少多址技术。MF-TDMA的频谱利用率和灵活性都不足以满足大量用户的无线资源调度，因此制约了用户数量的上升。缺少信道化和随机接入流程也导致用户开户困难和动中通特性的受限。

缺少这种技术的直接表现就是Starlink的初期用户只能在开户时提供具体的坐标和可能的应用范围，并且在移动过程中信号质量没有保障。逐步从高层到底层引入3GPP系列标准的协议栈，补充或替换现有的DVB系列标准的技术体系，或可以解决多址通信基带的技术难题。

3 商业模式逐渐清晰

在地基通信系统已建设非常完善的地区和领域，低轨互联网没有竞争优势。马斯克多次强调，Starlink将与5G和光纤网络互补发展，与传统电信运营商开展合作，帮助其在偏远地区快速提供服务。Starlink将努力消除5G和光纤未到达地区的数字鸿沟，提高人类福祉。

Starlink下行链路平均频谱效率为2.7 bit/s/Hz，基本是3G移动通信的水平，5G移动通信的下行链路平均频谱效率是10 bit/s/Hz以上。此外，低轨卫星终端每比特能耗要比5G设计至少少一个数量级。

根据MIT研究团队公布的测试评估，Starlink、OneWeb、Telesat、Kuiper 4个巨型星座可以提供大约数十个Tbit/s 的总容量，这种量级的数据速率无法与目前的地基通信网络竞争，地基通信网络总容量约数千Tbit/s[5]。

由于SpaceX的第二代(理解为使用e波段馈线连接的3万颗卫星系统)是一个新的应用，所以MIT的分析中没有包含这部分卫星。

低轨卫星网络和地面通信网络都有各自的特点，地面网络适合为人口密集的大陆城市提供服务，地面基站的铺设数量与人口和经济活力成正相关，而低轨互联网主要用于需要花费大量人力物力成本才能铺设光纤的区域，或者光纤无法到达的区域，如农村地区、沙漠、森林、山脉、孤立的沿海和岛屿地区以及空中和海上移动用户。

在移动宽带应用需求场景下，低轨卫星的优势是服务于偏远地区的住户、空中的飞机乘客、海洋与大湖中船舶的乘客、穿越荒漠的火车乘客、野外科考者等。目前低轨卫星的终端形态多为机载、船载、车载等CPE设备，体积较大，提供Wi-Fi接入。野外科考队员会配备较为笨重的便携卫星电话，而对于城市普通用户而言，更倾向使用体积小、大带宽、低资费的手机终端。

在物联网应用需求场景下，针对海洋及沙漠地区的油气田开采、煤区矿区等野外开采、环境和气候监测、货运与交通长距离监测跟踪、边境和边防的电子围栏等行业应用场景，低轨卫星具有全球覆盖和成本比较优势。

在高可靠低延时应用需求场景下，低轨互联网处于劣势。地面通信时延可低至毫秒级；而低轨互联网的时延高达数十毫秒，自动驾驶、工业互联网等对可靠性和时延要求较高的应用场景无法满足。

在万物互联时代，某些行业应用通过地面移动通信网络较难实现，特别是空中飞机及无人机、海上油井和船舶、森林防火及野生动物的视频监控、天然气管道及电力线路和铁路沿线的巡检、边境线的防控等应用场景。此外，在前期商业模式不明朗的地面物联网应用中，建设地面基站初期成本较高，给低轨互联网带来了商机，低轨互联网的建设与区域覆盖成本敏感性及通信接入点区域密度没有直接关联性，特别是在低密度用户接入场景下，宽带互联和通信更具优势。

地面移动通信的覆盖率与人口密度和经济活动正相关，目前全球移动通信服务的人口覆盖率近70%，受到经济成本、技术等因素制约，仅覆盖<20%的陆地面积和<6%的地表面积。地面移动通信已经在全球造成了难以逾越的数字鸿沟。面对5G可能进一步扩大数字鸿沟的趋势，卫星互联网将在普遍服务领域大有前景[6]。

4 结束语

未来10年，随着各国企业间标准的逐步统一与技术难题的不断破解，低轨互联网产业将步入高速发展期。天基通信系统与地基通信系统的融合势不可挡，人们将进一步享受科技进步带来的红利。不久的将来，人们会体验到真正意义上无处不在的移动通信服务，这将进一步推动人们探索自然世界的决心与步伐，同时，也有助于消除城市与偏远地区之间的数字鸿沟。