移動互聯(lián)網(wǎng)新浪潮天基互聯(lián)網(wǎng)

□ 吳名

移動互聯(lián)網(wǎng)新浪潮天基互聯(lián)網(wǎng)

□ 吳名

天基互聯(lián)網(wǎng)

概念

天基互聯(lián)網(wǎng)是什么

天基互聯(lián)網(wǎng)是指最近逐漸成熟的利用位于地球上空的各類空中平臺提供給地面和空中終端寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務的新型網(wǎng)絡，天基互聯(lián)網(wǎng)主要有兩種基礎設施模式：一是通過不同高度層和軌道的高通量衛(wèi)星星座向地面提供信號，高度一般在200千米～36000千米，這些衛(wèi)星可以認為是一類空間基站；二是通過臨近空間平臺向地面提供信號，如高空太陽能的氣球、飛艇、無人飛機等，高度一般在20千米～200千米，這些平臺可以認為是一類高空基站。

一方面，近年來衛(wèi)星通信正在向高通量和寬帶化方向發(fā)展，美國的Intelsat、Viasat、HughesNet、歐洲Eutelsat等公司都在大規(guī)模部署裝備Ka波束的高通量衛(wèi)星。另一方面，近年來臨近空間平臺技術的逐漸成熟，Google、Facebook等相繼提出了Google Loon氣球、Facebook internet.org高空太陽能無人機等項目，開始積極推動WiFi覆蓋全球化?？傮w來看高通量衛(wèi)星相比臨近空間平臺的天基互聯(lián)網(wǎng)模式全面探索，目前已經(jīng)開始投入大規(guī)模商業(yè)服務，例如美國Viasat公司利用Ka高通量衛(wèi)星為多家美國航空公司提供全免費的機上互聯(lián)網(wǎng)服務。

高通量（HTS）衛(wèi)星是發(fā)展趨勢

協(xié)同

天地協(xié)同發(fā)展的天基互聯(lián)網(wǎng)

自從20世紀90年代移動通信技術和互聯(lián)網(wǎng)走入個人生活，人們“無處不在”的通信和連網(wǎng)需求持續(xù)走強，這種需求直接造成了20多年來地面移動通信網(wǎng)絡從2G、3G到4G，及面向5G的快速演進。

目前為止，雖然地面移動通信網(wǎng)絡已覆蓋了地球上超過80%的人口，但野外、飛機、海上等場景仍然無法有效覆蓋。來自聯(lián)合國的數(shù)據(jù)顯示，全球仍有超30億人未接入互聯(lián)網(wǎng)。更快、更強、更廣的網(wǎng)絡使用需求，使基于衛(wèi)星的通信技術——天基互聯(lián)網(wǎng)成為大勢所趨。

事實上，早在地面網(wǎng)絡還處于2G早期發(fā)展階段時，摩托羅拉公司就提出了第一個全球移動天基通信網(wǎng)絡——銥星計劃，并于1998年開通了全球通信業(yè)務。但由于成本高昂、進程緩慢，被地面移動通信高性價比方案快速超越，最終退位到行業(yè)服務的利基市場。最近10年來，衛(wèi)星通信與地面移動通信結束了早期的互相競爭、頻率爭奪，進入到如今全面融合、天地一體化協(xié)同發(fā)展的新階段。

天基互聯(lián)網(wǎng)與地面移動網(wǎng)絡5G通信技術，正在類似的場景上并行演進著，旨在實現(xiàn)增強型移動寬帶（eMBB）、海量物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)和低時延高可靠通信(URLLC)。對比地面5G服務的場景，在衛(wèi)星場景下，增強型移動寬帶場景可以由高容量的HTS 衛(wèi)星承載，基于Ku、Ka等頻段的中低軌星座（低時延組網(wǎng)更靈活）則是另外兩種場景的完美詮釋。

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高通量衛(wèi)星是什么

“高通量衛(wèi)星”（High Throughput Satellite，HTS）一詞最早在 2008 年由北方天空研究公司提出，是指通過點波束、賦形波束及頻率復用等技術， 在同等軌道和頻譜條件下，能夠提供比傳統(tǒng)衛(wèi)星高出數(shù)倍至數(shù)十倍容量的新型衛(wèi)星。我國今年4月發(fā)射了中星16號高通量衛(wèi)星，首次應用了Ka頻段點波束技術，通信總容量可以超過20Gbit/s，這超過了我國此前所有通信衛(wèi)星容量的總和。該衛(wèi)星完成入軌及測試后，由中國衛(wèi)通集團有限公司負責運營。后者還將部署中星18號及更大容量的Ka頻段高通量衛(wèi)星。計劃在2020年前，形成覆蓋中國全疆域及亞太周邊地區(qū)的通信能力，滿足“寬帶中國”和“一帶一路”的寬帶通信要求。

應用

天基互聯(lián)網(wǎng)的應用

目前地面移動互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到每個人每個行業(yè)，用戶聯(lián)網(wǎng)體驗已經(jīng)達到了高級階段，但地面互聯(lián)網(wǎng)也有很多場景仍然不能提供很好的覆蓋和用戶體驗，而這些場景聯(lián)網(wǎng)需求比地面移動互聯(lián)網(wǎng)能夠覆蓋的區(qū)域需求要更為關鍵或者更為迫切，例如戶外、野外、飛機、海上等場景非常需要寬帶互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋和良好的移動互聯(lián)網(wǎng)體驗。

根據(jù)調(diào)查顯示，超過73%的旅客在戶外第一意愿是上網(wǎng)，而當在森林、 雪山、沙漠等危急場景，這一意愿接近100%。有了天基互聯(lián)網(wǎng)，無論在何時何地，都能安心從容。

一網(wǎng)機載天線

Jetblue的機上互聯(lián)網(wǎng)服務

一網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)星座計劃

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Ka頻段高通量衛(wèi)星帶來的服務革命

發(fā)展于2005年初的Ka衛(wèi)星技術，因其頻率高、頻率資源豐富、終端尺寸小，而成為寬帶衛(wèi)星發(fā)展的重點方向。經(jīng)過面向HTS的兩代演進，在全球已有了完整的產(chǎn)業(yè)鏈支持——衛(wèi)星運營商可以用不超過3年的時間制造一顆大容量的Ka衛(wèi)星；系統(tǒng)供應商已支持寬載波、波束切換和網(wǎng)絡漫游等技術；終端供應商則擁有Ka終端和天線設計經(jīng)驗，相應技術早已達到規(guī)模應用水準。

此前，在衛(wèi)星的頻率資源上，傳統(tǒng)的L頻段和Ku頻段已十分擁擠，Ka頻段則相對空閑，也相對更容易申請頻率和軌位。目前在國際電聯(lián)，已經(jīng)有逾千份空間衛(wèi)星網(wǎng)絡資料登記申報。

成本方面，據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)基于Ku頻段每 Gbit/s帶寬的投資成本超過2億美元，而美國2011和2012年相繼發(fā)射的ViaSat-1和Jupiter-1兩顆Ka衛(wèi)星，同樣的單位成本已經(jīng)降低到400萬美元，僅為Ku頻段通信衛(wèi)星的約 2%。

可以預見，基于Ka頻段的中星16號投入使用后，不僅將帶來中國上空帶寬資源的極大豐富，還將迅速降低單位帶寬的使用成本。更重要的是，寬帶衛(wèi)星通信將第一次有機會向普通消費者直接提供服務，這是衛(wèi)星通信服務的升級，更是衛(wèi)星通信邁向互聯(lián)網(wǎng)接入的革命。

全球

全球視野下的天基互聯(lián)網(wǎng)基礎設施進展

近幾年來支持天基互聯(lián)網(wǎng)的全球空間基礎設施正加速升級換代。目前階段形成商業(yè)服務能力的天基互聯(lián)網(wǎng)普遍是采用衛(wèi)星星座模式。根據(jù)衛(wèi)星的軌道類型劃分，與天基互聯(lián)網(wǎng)直接相關的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，則可分為“低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)（LEO）”、“中軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)（MEO）”和“高軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)（GEO）”。無論是何種高度軌道衛(wèi)星星座系統(tǒng)，總體的趨勢都是快速向HTS衛(wèi)星演進。

在GEO方面，“高軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)”發(fā)展迅猛，美國衛(wèi)訊公司的下一代大容量寬帶衛(wèi)星ViaSat-2，整星的容量預計會達到300 Gbit/s，可為手握70萬終端用戶的衛(wèi)訊公司提供更好的市場發(fā)力空間。同時，Viasat-3 的“三星”計劃也已公布：單星容量將達1 Tbit/s，從2019年開始覆蓋全球。

在MEO方面，“中軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)”發(fā)展平穩(wěn)，作為世界第一個中軌道通信星座，目前由12星構成的O3b系統(tǒng)已經(jīng)開始向全球海上船只提供服務。O3b系統(tǒng)名稱取自“other 3 billion”（“要為地球上另外30億人提供網(wǎng)絡服務” ），專注于為地面通信不方便達到的區(qū)域提供接入和骨干網(wǎng)傳輸，有“空中光纖”之稱。自2014年提供商業(yè)服務以來，僅用半年時間就達到原計劃1年1億美元的收入水平，以市場的認可證明了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展前景，現(xiàn)已經(jīng)被全球第二大衛(wèi)星運營商SES納入旗下。到2018 年，O3b的星座衛(wèi)星數(shù)量將達到20顆，其單星容量也將達到12 Gbit/s。

中星16高通量衛(wèi)星

O3b衛(wèi)星發(fā)射升空

ViaSat-2衛(wèi)星

Google-Loon在新澤西州降落

在LEO方面，“低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)”更是百花齊放。一網(wǎng)（Oneweb）系統(tǒng)計劃發(fā)展由648 顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座，工作頻段為Ku 頻段，單星吞吐量大于6 Gbit/s，系統(tǒng)總吞吐量5 Tbit/s左右，系統(tǒng)建成后，可向偏遠地區(qū)用戶提供50 Mbit/s的互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務。最新消息，一網(wǎng)除了與世界最大的衛(wèi)星運營商Intelsat合并（獲得軟銀等公司的直接投資）之外，還發(fā)布了下一階段1972顆衛(wèi)星的發(fā)展計劃。

有“衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)攪局者”之稱的太空探索公司，除了成功實現(xiàn)火箭發(fā)射回收及復用之外，還發(fā)布了Stream互聯(lián)網(wǎng)星座計劃，并已經(jīng)向ITU申報了頻率和軌位。從申報的情況來看，衛(wèi)星數(shù)量達4000多顆，使用Ku和Ka頻段，運行在43個軌道面。更為激進的是，太空探索公司在今年3月發(fā)布了基于V頻段的LEO計劃（稱作VLEO），星座數(shù)量更是達到了驚人7518顆。

到2020年左右，全球天基互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星容量將超過7Tbit/s，衛(wèi)星星座數(shù)量也在快速發(fā)展中。

中國

天基互聯(lián)網(wǎng)的“中國計劃”

全球空間基礎設施目前正加速升級換代，而我國空間基礎設施也正處于轉型發(fā)展關鍵期。為了推動中國天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，中國《民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃》提出：2020年通信衛(wèi)星將在軌20余顆，2025年通信衛(wèi)星將實現(xiàn)在軌25顆左右，滿足全球覆蓋需求。

而在國務院提出推進的“中國制造2025”中，在航天裝備方面也明確提出了“發(fā)展新型衛(wèi)星等空間平臺與有效載荷、空天地寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，形成長期持續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星遙感、通信、導航等空間信息服務能力”。

在衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)方面，目前中國在軌運營的10顆通信衛(wèi)星多集中在C、Ku頻段，覆蓋集中于中國國土及亞太地區(qū)，主要滿足商用通信、廣播電視。

最新發(fā)射的中星16號投入運營后，可向終端用戶提供最高150Mbit/s下載和12Mbit/s上行接入速度，實現(xiàn)真正意義上的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)。隨后將發(fā)射的中星18將搭載Ka頻段通信載荷，形成對中星16號覆蓋范圍的全面的補充和完善，滿足“一帶一路”沿線國家和地區(qū)覆蓋。

中國和亞太區(qū)域其它運營商也都在積極地部署高通量衛(wèi)星計劃。亞太衛(wèi)星2016年11月公告，該公司的全資附屬公司亞太通信與合作方簽訂意向書，開發(fā)由四顆地球同步軌道衛(wèi)星組成的高通量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)計劃，總投資額約人民幣100億元。系統(tǒng)建成后將面向全球提供寬帶衛(wèi)星固定通信和移動通信服務。首顆衛(wèi)星亞太6D將于2019年前發(fā)射使用。

在移動通信系統(tǒng)方面，中國2016年8月6日發(fā)射的天通一號01星，作為我國首顆S頻段移動通信衛(wèi)星將滿足更廣泛的需求，支持語音、短信及最高384kbit/s的互聯(lián)網(wǎng)接入服務。此外，根據(jù)規(guī)劃，天通一號02星和03星將逐步進化，提高整星功率和天線口徑，支持更大容量的寬帶通信。

在低軌互聯(lián)星座方面，由中國航天科工總規(guī)劃的虹云工程，已經(jīng)完成了首顆衛(wèi)星的發(fā)射技術實驗。按照三步走的發(fā)展策略，將發(fā)射156顆衛(wèi)星，在距離地面1000千米的軌道上組網(wǎng)運行，實現(xiàn)覆蓋全球的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入。到“十三五”末，發(fā)射4顆業(yè)務試驗星組建小星座，到“十四五”末，實現(xiàn)全部衛(wèi)星組網(wǎng)運行，完成業(yè)務星構建。

此外，還有其他市場驅動的高通量衛(wèi)星星座計劃正在陸續(xù)浮出水面。

場景

天基互聯(lián)網(wǎng)顛覆機上互聯(lián)網(wǎng)（IFEC）體驗

全球高通量衛(wèi)星和空間衛(wèi)星資源的快速發(fā)展，也引領著全球機上互聯(lián)網(wǎng)（IFEC）進入了一個嶄新階段。截至2017年初，美國Jetblue航空公司的227架飛機，已全部安裝了基于Ka衛(wèi)星的Fly-Fi系統(tǒng)，面向乘客提供超過12Mbit/s的全程WiFi服務。乘客除了可以享受收發(fā)郵件、網(wǎng)頁瀏覽、聊天等基本的網(wǎng)絡服務，還可以進行在線視頻點播。這項開始于2013年的服務，成為了這家航空公司的新名片。

德國漢莎航空公司與全球移動衛(wèi)星通信服務提供商Inmarsat于2016年10月共同宣布，基于Inmarsat 第五代星（Global Express，三顆Ka衛(wèi)星覆蓋全球）啟動其下一代機上寬帶服務GX for Aviation。這也是首個Ka頻段的全球機上連接方案。

機載終端廠商也在儲備下一代技術。伴隨低軌和中軌星座的發(fā)展，終端天線必須能夠快速跟蹤衛(wèi)星的運動軌跡。相控陣天線因其模塊化、易共形等特點倍受矚目，發(fā)展低成本的相控陣天線技術也是衛(wèi)星終端廠商的共識。

“空中WiFi”、“機上互聯(lián)網(wǎng)（IFEC）”也是近年來國內(nèi)航空公司積極布局的熱點項目。面對激烈的市場競爭，航空公司將IFEC服務視為新的盈利增長點，希望借此增加用戶黏度，拓展新的商業(yè)模式。早在5年前，國航就開始探索自身的IFEC發(fā)展之路，首架無線局域網(wǎng)航班于2011年首航，邁出了國內(nèi)IFEC布局的第一步；2013年初，海南航空首次在“廣州—寧波”航班上啟用WiFi服務；2014年7月，南方航空在京廣航線部分航班上推出機上寬帶WiFi上網(wǎng)驗證飛行。

2015年上半年，工信部正式批準國航、東航、南航等多家航空公司提供IFEC接入服務，此后，國內(nèi)各大航空公司IFEC建設的腳步明顯加快。2015年12月，東航率先在上海往返紐約、洛杉磯、多倫多航線上開啟空中互聯(lián)網(wǎng)服務，成為國內(nèi)首家將IFEC服務投入商用的航空公司，也是國內(nèi)首家在國際遠端航線中為旅客提供IFEC服務的航空公司。

與此同時，面對高速發(fā)展的空中互聯(lián)需求，不得不正視以同步軌道衛(wèi)星為代表的空間資源局限問題。據(jù)測算，2016年我國民航飛機數(shù)量為2900架，若單架飛機的帶寬需求僅為10 Mbit/s（此時飛機上每個乘客可以分到的帶寬僅為不到100Kbit/s），則整個中國上空，機上互聯(lián)網(wǎng)所需要的衛(wèi)星資源就達到29Gbit/s。單這一資源需求，就已經(jīng)超越了中星16號的全部容量需求。

目前機上互聯(lián)網(wǎng)需求已經(jīng)演進到每架飛機50Mbit/s以上帶寬，否則難以保證機上乘客享受到接近地面移動互聯(lián)網(wǎng)的體驗。已經(jīng)開通試點的幾家航空公司采用Ku衛(wèi)星服務均存在帶寬成本高昂、乘客體驗不佳的問題。

展望

天基互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢

令人欣喜的是，目前，基于衛(wèi)星星座的天基互聯(lián)網(wǎng)成熟度較高，有些甚至具備了規(guī)模應用的基礎。譬如高軌和中軌星座，投入商業(yè)運營后，在航空、航海等市場的滲透率超出預期。又譬如低軌星座，伴隨多家國際互聯(lián)網(wǎng)及IT巨頭的加入，正在迎來個人用戶的爆發(fā)式增長。

高通量衛(wèi)星

有理由相信，未來的3至5年，將是基于衛(wèi)星星座的天基互聯(lián)網(wǎng)的黃金時代；更可以預判，未來5至10年，基于臨近臨時空間平臺的天基互聯(lián)網(wǎng)，也將加速成熟。這一發(fā)展大勢意味著，天基互聯(lián)網(wǎng)將和快速到來的5G地基互聯(lián)網(wǎng)充分協(xié)同融合，天地一體化網(wǎng)絡將擁抱每個人的生活。

這一刻，大交通行業(yè)已為之準備了10年，通信衛(wèi)星行業(yè)已為之等待了20年。時刻準備著，以奔跑之姿，撞開天基互聯(lián)網(wǎng)的大門?！?/p>