“一帶一路”戰(zhàn)略下大容量寬帶通信衛(wèi)星發(fā)展策略及規(guī)劃建議

·文|中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部 鄧恒 彭菲 袁俊 沈宇飛

“一帶一路”戰(zhàn)略下大容量寬帶通信衛(wèi)星發(fā)展策略及規(guī)劃建議

·文|中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部 鄧恒 彭菲 袁俊 沈宇飛

受高清電視、高速互聯(lián)網(wǎng)接入等大用戶量、大帶寬需求的推動，以Ka頻段（18～30GHz）為代表的大容量寬帶通信衛(wèi)星成為衛(wèi)星通信發(fā)展的新熱點。目前，美國、加拿大、歐洲、泰國、日本、阿聯(lián)酋、澳大利亞等國均發(fā)展了相應(yīng)的大容量寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)。其中，美、歐等國的Ka頻段衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展較快，已經(jīng)從早期的試驗衛(wèi)星逐步走向商業(yè)應(yīng)用，衛(wèi)星和地面系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也不斷成熟與創(chuàng)新。

“互聯(lián)互通”是推進“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想實施的基本條件，同時“一帶一路”戰(zhàn)略的實施也為衛(wèi)星應(yīng)用帶來了新的機遇。建立自主可控的空間通信系統(tǒng)對于保障“一帶一路”互聯(lián)互通至關(guān)重要，當(dāng)前“一帶一路”區(qū)域衛(wèi)星通信資源與需求間存在較大差距，未來，大力發(fā)展高頻段大容量寬帶衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng)并在覆蓋范圍上進行相應(yīng)拓展是助力國家“一帶一路”戰(zhàn)略的最佳選擇。

一、國際發(fā)展綜述

大容量寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)一般是指由高吞吐量通信衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，也就是HTS系統(tǒng)，采用多點波束、頻率復(fù)用、信關(guān)—用戶雙跳通信等技術(shù)，充分利用頻率資源，具有較高的系統(tǒng)容量和頻譜利用率，使得單顆衛(wèi)星的通信容量從傳統(tǒng)的不到10Gbit/s，增加到幾十甚至幾百Gbit/s。由于單位帶寬資費低，支持的用戶數(shù)多，因此越來越受到市場的青睞。據(jù)統(tǒng)計，截至2015年，全球已有48顆HTS衛(wèi)星發(fā)射并在軌運行，主要包括運行在地球靜止軌道（GEO）的Ka頻段衛(wèi)星（Kasat）、衛(wèi)訊-1（Viasat-1）、亞塞特衛(wèi)星-1A/1B（Yahsat-1A/1B）、回聲星-17（Echostar-17）、Hylas-2和國際移動衛(wèi)星-5（Inmarsat-5）星座。按計劃，2016年陸續(xù)發(fā)射Viasat-2、Echostar-19、國際通信衛(wèi)星-29E（Intelsat-29E）等。在后續(xù)3年里，還將有33顆HTS載荷衛(wèi)星發(fā)射，屆時，全球高吞吐量通信衛(wèi)星總?cè)萘繉⑦_到1400Gbit/s。國際在軌高吞吐量通信衛(wèi)星系統(tǒng)情況如表1所示。

表1 國際在軌高吞吐量通信衛(wèi)星系統(tǒng)情況

在“十二五”初期，業(yè)內(nèi)還在對Viasat-1衛(wèi)星的100G容量討論；僅僅過了5年，2016年2月，Viasat-3的“三星”計劃已公布，單星容量“1T”，計劃于2019年發(fā)射。從Viasat-1的北美本土覆蓋，到Viasat-2的區(qū)域覆蓋，Viasat-3組成的“三星”計劃的目標是全球?qū)拵Ц采w。

綜合來看，技術(shù)的進步推動了高吞吐量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展。目前全球高吞吐量通信衛(wèi)星在Ka頻段的業(yè)務(wù)容量已達600G左右，根據(jù)歐洲咨詢公司、北方天空研究公司等預(yù)測，到2022年，高吞吐量衛(wèi)星將占全球總衛(wèi)星帶寬的50%，總需求將超過2Tbit/s。高吞吐量衛(wèi)星技術(shù)和應(yīng)用進入一個新的快速發(fā)展期，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛在需求，代表了未來衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢。

但從高吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)的調(diào)研可以看出，現(xiàn)有大容量衛(wèi)星運營商市場仍集中在歐、美。亞洲市場當(dāng)前僅有IPstar等少數(shù)衛(wèi)星提供服務(wù)。那么，“一帶一路”周邊區(qū)域的陸上和海運通信將是今后幾年需求和發(fā)展的重要區(qū)域，預(yù)計將會占全球1/4的市場。因此，在“一帶一路”的戰(zhàn)略計劃下，亞洲市場具有非常大的潛力。

二、HTS系統(tǒng)市場應(yīng)用需求與業(yè)務(wù)分析

高吞吐量通信衛(wèi)星系統(tǒng)具有高通量、低成本、廣覆蓋、終端小等優(yōu)勢特點，應(yīng)用非常廣泛，特別適合并且能夠提供IP類業(yè)務(wù)，如因特網(wǎng)寬帶接入業(yè)務(wù)、IP中繼業(yè)務(wù)、政府民用和企業(yè)網(wǎng)等。其中面向個人和家庭用戶的寬帶接入服務(wù)占高吞吐量通信衛(wèi)星市場容量的60%，是目前最主流的業(yè)務(wù)方向。地面蜂窩網(wǎng)基站回傳、干線傳輸以及政府民用和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保持著35%的年增長率，視頻服務(wù)量穩(wěn)步增加，商業(yè)航空、商業(yè)海事和軍事衛(wèi)星通信服務(wù)中的使用也日益突出。隨著高吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)和體制的不斷成熟，各種類型的應(yīng)用將會越來越蓬勃發(fā)展。Ka頻段寬帶衛(wèi)星應(yīng)用業(yè)務(wù)分類如表2所示。

表2 Ka頻段寬帶衛(wèi)星應(yīng)用業(yè)務(wù)分類

下面按照業(yè)務(wù)類型，分別針對HTS系統(tǒng)提供的市場應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析。

1.寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入

寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入是當(dāng)今衛(wèi)星行業(yè)增長最快的應(yīng)用，也是維系衛(wèi)星工業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵應(yīng)用。對于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，服務(wù)提供商要針對不同的應(yīng)用市場制定系列服務(wù)套餐計劃，主要業(yè)務(wù)為面向個人或家庭的寬帶接入業(yè)務(wù)。

利用衛(wèi)星實現(xiàn)寬帶接入業(yè)務(wù)并非新業(yè)務(wù)，使用傳統(tǒng)Ku頻段完全可以實現(xiàn)寬帶接入，只是下載速率較慢。第一代Ka頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，如早期的Direct-PC系統(tǒng)等，基于大波束的Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，下載速率在256kbit/s以下，可以提供網(wǎng)頁瀏覽、電子郵件等簡單業(yè)務(wù)。第二代Ka頻段寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)如“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”、“狂藍”（Wildblue）、阿尼克-F2（Anik-F2）等，下載速率在256kbit/s～4Mbit/s之間，可以提供簡單的視頻業(yè)務(wù)。由于大型Ka頻段寬帶衛(wèi)星的投入使用，第三代Ka頻段寬帶衛(wèi)星寬帶產(chǎn)品可以提供超過12Mbit/s的下載速率，其他一些高速視頻類業(yè)務(wù)，均可以通過衛(wèi)星實現(xiàn)，如表3所示。

表3 衛(wèi)星寬帶接入業(yè)務(wù)的演進

基于Ka頻段寬帶衛(wèi)星的個人及家庭寬帶接入業(yè)務(wù)在美國和澳大利亞有了較好的發(fā)展，目前，美國衛(wèi)訊、休斯等公司在美國的客戶加起來已經(jīng)超過100萬，澳大利亞政府投入巨資發(fā)展衛(wèi)星寬帶接入業(yè)務(wù)。在其他地區(qū)，使用寬帶衛(wèi)星推廣個人及家庭寬帶業(yè)務(wù)，發(fā)展較緩慢。在歐洲，歐洲通信衛(wèi)星公司的Ka頻段衛(wèi)星系統(tǒng)，目前發(fā)展到8萬客戶，歐洲SES公司主導(dǎo)的Sat 3 Play系統(tǒng)從2007年開始運營，目前發(fā)展到10萬用戶。

鑒于HTS衛(wèi)星通信經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，服務(wù)提供商能夠提供與地面4G/LTE服務(wù)抗衡的包月服務(wù)資費，美國AT&T在2013年6月向公眾提供每月10GB的服務(wù)計劃，價格為每月120美元。相比之下，同等帶寬配額的HughesNet GEN4服務(wù)每月僅為40美元。

2.政府和企業(yè)通信

對于政府和企業(yè)，衛(wèi)星通信最有意義的應(yīng)用是做地面線路的備份。如圖1所示，地面和衛(wèi)星相結(jié)合，互為備份，確保任何情況下企業(yè)的數(shù)據(jù)都能正常傳輸。此外，衛(wèi)星電路可以根據(jù)要求靈活調(diào)整帶寬分配。

圖 1 地面通信線路備份

以休斯公司為例，通過Echostar 17為消費者衛(wèi)星寬帶、中小企業(yè)和政府機構(gòu)推出HN Gen 4高速衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這種Ka頻段衛(wèi)星寬帶服務(wù)可以提供高達15Mbit/s的下載速度以及更大的下載能力，支持社交媒體、視頻和音樂流媒體等高寬帶應(yīng)用。讓消費者獲得前所未有的媒體豐富的互聯(lián)網(wǎng)體驗。已有大批客戶激活HN Gen4服務(wù)，成為休斯公司新Ka頻段衛(wèi)星寬帶服務(wù)訂戶。

3.基站數(shù)據(jù)回傳

4G移動蜂窩網(wǎng)對中繼電路的帶寬要求很高，4G/LTE基站的中繼電路帶寬通常要求下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的信息速率。在市區(qū)和主要交通要道開展4G/LTE業(yè)務(wù)時，地面回傳采用光纖手段。若要對邊遠地區(qū)進行覆蓋4G/LTE覆蓋，因為蜂窩基站的距離較遠，使用地面通信手段的成本過高，這時衛(wèi)星回傳手段就顯出技術(shù)優(yōu)勢。移動運營商要將4G/LTE服務(wù)延伸到偏遠地區(qū)，HTS衛(wèi)星系統(tǒng)大有用武之地。伴隨著全球移動通信從2G、3G向4G/LTE的整體遷移，從2013年開始，全球衛(wèi)星基站中繼技術(shù)模式已開始從運行于C、Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的解決方案——SCPC和TDMA，向基于Ka的HTS、O3b衛(wèi)星等下一代解決方案升級。例如，IPstar、Hughes、O3b、Intelsat、Inmarsat等衛(wèi)星運營商都在積極開拓LTE、4G基站中繼市場。

4.動中通

（1）商業(yè)航空

在Ka寬帶通信衛(wèi)星應(yīng)用中，商業(yè)航空，即機載通信最引人注目。航空器客艙衛(wèi)星寬帶通信服務(wù)國外已于2008年開始商業(yè)運營。最初，美航采用的是Ku頻段，到目前為止，美國2/3的民航飛機提供了此項服務(wù)。2013年6月，ViaSat公司開始與機載娛樂和寬帶服務(wù)提供商LiveTV合作，2015年底前完成了在兩家航空公司所有370多架飛機上推出首個新一代機載Ka頻段衛(wèi)星通信服務(wù)。2013年1月，Eutelsat與LiveTV合作，向歐洲商業(yè)航空公司的乘客提供Ka寬帶服務(wù)—“Eutelsat Air Access”，每架飛機的連接速度可達100Mbit/s。目前的系統(tǒng)使用常規(guī)Ku衛(wèi)星資源。而隨著Ka系統(tǒng)的推出，由于其寬帶的特性，飛機在云層上飛行，Ka頻段通信的雨衰問題可以得到很好的解決，Ka終端又小，因此Ka機載業(yè)務(wù)受到了業(yè)界的關(guān)注。

（2）商業(yè)海事

與C、Ku頻段相比，Ka具有更高的增益和G/T值，終端天線更小，因而有利于加裝天線罩，以有效避免海上風(fēng)暴和鹽霧等惡劣環(huán)境對衛(wèi)星天線的不良影響。2015年中期，Inmarsat-5 Global Xpress Ka寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)運行后，海事衛(wèi)星船載通信應(yīng)用將從L頻段向Ka 頻段遷移。憑借50Mbit/s的下行速度和5Mbit/s的上行速度，Inmarsat不僅將可以向船員提供寬帶上網(wǎng)、在線購物、遠程醫(yī)療等服務(wù)，還可以進行視頻監(jiān)控，這將成為全球海事寬帶衛(wèi)星通信的新標準。

（3）車載通信

一直以來，汽車是各種“動中通”和“靜中通”衛(wèi)星通信應(yīng)用中的最普通平臺。然而，今天車載平臺已擴展到火車，甚至高鐵。例如，以色列Orbit公司已經(jīng)開發(fā)出可運行于Ka頻段，能夠有效應(yīng)對鐵路電磁干擾、鐵磁影響等特殊環(huán)境的高鐵“動中通”天線——RailTRxTM2-500，以迎接高鐵Ka寬帶衛(wèi)星通信時代的到來。

5.新聞采集

在消費者衛(wèi)星寬帶服務(wù)市場日益增長的同時，美國衛(wèi)星通信設(shè)備及寬帶服務(wù)提供商Viasat和歐洲衛(wèi)星運營商Eutelsat在2012年也透過其高性能的Viasat及Kasat衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，為歐美地區(qū)廣播機構(gòu)推出其定制的專業(yè)衛(wèi)星寬帶服務(wù)。

2012年3月，歐洲通信衛(wèi)星公司通過其附屬Skylogic公司推出了基于Kasat的NewSpotter服務(wù)，專門用于衛(wèi)星通信采集業(yè)務(wù)，其節(jié)目上傳的速率可以達到20Mbit/s，而設(shè)備從安裝、調(diào)試、到投入使用僅需要幾分鐘的時間。Eutelsat和Viasat采用的VSAT 網(wǎng)絡(luò)都是Viasat的SurfBeam2系統(tǒng)，其回傳速度可達20Mbit/s。它們同時展現(xiàn)了Ka寬帶衛(wèi)星通信在新聞采集方面所具有的小型、移動、快速、簡單、大容量、經(jīng)濟、應(yīng)用廣泛等多種優(yōu)勢。

三、結(jié)論和建議

1.將寬帶衛(wèi)星建設(shè)納入“一帶一路”戰(zhàn)略，逐鹿區(qū)域?qū)拵袌?/p>

預(yù)測表明，2020年左右，大容量衛(wèi)星將占全球衛(wèi)星帶寬總量的50%；現(xiàn)有大容量衛(wèi)星運營商仍集中在歐美市場。亞洲市場（陸上和海運）是今后幾年需求和發(fā)展的重要區(qū)域，預(yù)計將會占全球的1/4。“一帶一路”國家戰(zhàn)略的發(fā)展階段，是對寬帶衛(wèi)星的市場化最有利的支持。高吞吐量寬帶衛(wèi)星不僅對于我國的空間信息走廊工程建設(shè)具有重要支持作用，對于我國“走出去”的重要發(fā)展戰(zhàn)略也是極大的支持和補充。在此時期，憑借我國衛(wèi)星研制能力的提升和提供的服務(wù)，作為制造商，應(yīng)努力把寬帶衛(wèi)星建設(shè)納入“一帶一路”計劃，將會在亞洲乃至更廣的區(qū)域內(nèi)扮演越來越重要角色。

2.抓住“寬帶中國”國家戰(zhàn)略，搶占先機

2015年12月16日，習(xí)近平總書記在“浙江·烏鎮(zhèn)”講話指出“到2020年，中國寬帶網(wǎng)絡(luò)將基本覆蓋所有行政村”，“寬帶中國”進入實施階段。

縱觀國際成功寬帶發(fā)展案例，無不適時抓住了政府政策。例如美國衛(wèi)訊、休斯等公司利用2009年推出的“美國復(fù)蘇和再投資法案”，獲得10萬個寬帶用戶，總用戶數(shù)陡增近10%；歐洲相關(guān)公司利用“英國農(nóng)村資助鏈接計劃”等政策，獲得廣泛業(yè)務(wù)。相反，Kasat運營的不成功也說明了爭取政府支持的重要性。

中國農(nóng)村“地廣人疏”的特點使得大容量寬帶衛(wèi)星優(yōu)勢更顯，但“寬帶中國”資金投向也包括衛(wèi)星通信和地面光纖兩種選擇?！皩拵е袊睉?zhàn)略發(fā)展機遇難得，需要在此發(fā)展機遇下爭取政府支持，發(fā)展大容量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)。

3.初期發(fā)展瞄準需求用戶，進行基礎(chǔ)設(shè)施投資

基礎(chǔ)設(shè)施歷來是各類行業(yè)建設(shè)的重要支撐。當(dāng)前，我國經(jīng)濟正面臨巨大下行壓力，政府勢必將采取加大基礎(chǔ)設(shè)施投資等刺激計劃?！案哞F無法打電話”、“飛機無法上網(wǎng)”等都是現(xiàn)實的民生問題。大容量寬帶通信衛(wèi)星是解決此類問題的必要基礎(chǔ)條件。借力高鐵、民航等基礎(chǔ)建設(shè)，可推動空間基礎(chǔ)設(shè)施的落實進程。巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資中，蘊含著對大容量衛(wèi)星的迫切需求。

目前國際上Ka寬帶衛(wèi)星的主要業(yè)務(wù)之一是因特網(wǎng)接入，據(jù)統(tǒng)計，每個美國家庭互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)增長到5.7臺，連接設(shè)備數(shù)量的增多，視頻流量的增加，遠端衛(wèi)星小站需要面對更大的工作壓力，要求地面通信系統(tǒng)的用戶端衛(wèi)星終端支持很高的傳輸容量和強大的處理能力。

我國Ka寬帶衛(wèi)星投入市場初期，應(yīng)瞄準高帶寬需求的團體用戶，如高端企業(yè)、政府機構(gòu)等，通過這些團體機構(gòu)的使用，逐漸打開寬帶衛(wèi)星應(yīng)用市場。因此，考慮到Ka寬帶系統(tǒng)終端的能力要求高，成本高，優(yōu)先考慮滿足政府機構(gòu)、高端企業(yè)（尤其是跨境企業(yè)）的高吞吐量需求，以此打開我國Ka寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的民商用大門。

4.提升系統(tǒng)能力，關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究

由于HTS衛(wèi)星采用點波束、頻率復(fù)用的方式增加容量，同頻干擾問題便成為困擾HTS衛(wèi)星系統(tǒng)正常運營的主要因素，在數(shù)萬個小站對準一個衛(wèi)星同頻工作時，必須有效控制每個小站的上行譜密度，否則，同頻上行干擾將成為HTS衛(wèi)星運營商和所有用戶的噩夢。因此，采用系統(tǒng)和鏈路提供雨衰儲備余量而不是增加小站硬件配置的方式應(yīng)是Ka頻段HTS衛(wèi)星克服雨衰問題的主要方向。

對抗雨衰以及系統(tǒng)配置之間的折中優(yōu)化，是國內(nèi)運營Ka系統(tǒng)的成本優(yōu)化關(guān)鍵，應(yīng)該有特別專門的研究考慮，可以借助我國相關(guān)衛(wèi)星對Ka頻段雨衰建立實測模型，開展相關(guān)測試，并設(shè)立具體技術(shù)研究課題項目，重點解決實際系統(tǒng)出現(xiàn)的新問題。通過技術(shù)預(yù)研，進一步提升我國建設(shè)Ka寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的能力。

5.結(jié)合扶持政策，配套商用發(fā)展

根據(jù)目前國際發(fā)展經(jīng)驗和狀態(tài)，寬帶接入是衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)最主要的應(yīng)用，個人家庭是衛(wèi)星運營商的主要的客戶和收入來源。以美國為例，鑒于HTS衛(wèi)星通信經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，服務(wù)提供商能夠提供與地面4G/LTE服務(wù)抗衡的包月服務(wù)資費，美國AT&T在2013年6月向公眾提供每月10GB的服務(wù)計劃，價格為每月120美元。相比之下，同等帶寬配額的HughesNet GEN4服務(wù)每月僅為40美元。

因此，Ka大規(guī)模商用的基礎(chǔ)是用戶量，用戶數(shù)量的多少與價格相關(guān)，在因特網(wǎng)接入方面，美國空間是地面價格的1/3，這是美國Ka普及的關(guān)鍵推動力之一，結(jié)合我國具體發(fā)展情況，僅僅依靠市場，等待市場催生Ka的大規(guī)模使用，會有一定程度的困難，空間系統(tǒng)無論在技術(shù)還是在規(guī)模上，輪動向前發(fā)展動力不足。推動Ka寬帶系統(tǒng)發(fā)展的配套政策措施對我國發(fā)展Ka系統(tǒng)至關(guān)重要。

［1］http：//www.yahsat.ae/

［2］http：//www.viasat.com/broadband-satellitenetworks/viasat-1

［3］ http：//www.eutelsat.com/satellites/9e_ka-sat.html

［4］http：//www.spacenews.com/launch/120706-echostar17-healthy.html

［5］http：//www.space-travel.com/reports/Avanti_ announces_successful_launch_of_its_HYLAS_2_ Satellite_999.html