固定衛(wèi)星服務(wù)隧道盡頭的曙光

+《ViaSatellite》Tom Choi/ 文 沈永言（中國(guó)衛(wèi)通）/ 譯

FSS（固定衛(wèi)星服務(wù)）行業(yè)正在迎來第四年的下滑，容量過剩，價(jià)格下跌的局面仍在持續(xù)。由于地面網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的快速擴(kuò)展，客戶正在重新考慮他們未來對(duì)GEO（高軌）衛(wèi)星的承諾。DirecTV等客戶宣布他們將把所有未來的流量轉(zhuǎn)移到光纖上，而不再購(gòu)買衛(wèi)星?！八拇蟆保↖ntelsat、Telesat、SES和Eutelsat）和區(qū)域運(yùn)營(yíng)商也在繼續(xù)報(bào)告收入減少。

除了GEO衛(wèi)星容量過剩之外，我們還看到了光纖、4G和即將推出的5G網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)張。這種令人難以置信的帶寬爆炸導(dǎo)致OTT和在線視頻系統(tǒng)的增長(zhǎng)，它們由YouTube牽引，并主導(dǎo)了全球互聯(lián)網(wǎng)流量和收視時(shí)間，使得廣告遠(yuǎn)離傳統(tǒng)廣播媒體。與此同時(shí)，我們也正在經(jīng)歷一波躍躍欲試的LEO項(xiàng)目，這些項(xiàng)目直接針對(duì)我們的行業(yè)。雖然這些系統(tǒng)中的大多數(shù)商業(yè)計(jì)劃都有可疑之處，并面臨巨大的融資、技術(shù)和監(jiān)管挑戰(zhàn)，但是，它們?cè)黾恿宋覀冃袠I(yè)未來生存性上的不和諧。

雖然GEOFSS運(yùn)營(yíng)商的情況看起來很黯淡，但仍有一些帶有希望的跡象，一個(gè)的新應(yīng)用即將出現(xiàn)，它可能會(huì)刺激該行業(yè)的增長(zhǎng)。因此，現(xiàn)在不是放棄，而是應(yīng)加倍關(guān)注這個(gè)行業(yè)的時(shí)候，因?yàn)樗淼辣M頭的曙光已經(jīng)開始出現(xiàn)。

當(dāng)前，全球確實(shí)出現(xiàn)了光纖和4G系統(tǒng)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但這些系統(tǒng)的投資需要一個(gè)關(guān)鍵方面——最低水平的人口或用戶密度。光纖只能在用戶相對(duì)密集的環(huán)境中推出。為了使寬帶4G和5G無線網(wǎng)絡(luò)能夠工作，需要有足夠的用戶來證明設(shè)備成本、月租費(fèi)以及這些耗電網(wǎng)絡(luò)帶來的大量電費(fèi)的合理性。

如果城市或郊區(qū)有成千上萬(wàn)的用戶，那么運(yùn)行寬帶無線系統(tǒng)的CAPEX（資本支出）和OPEX（運(yùn)營(yíng)支出）是合理的。但是，如果要覆蓋的區(qū)域人口稀少，那么部署蜂窩網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)效益就沒有合理性，這意味著大面積的區(qū)域?qū)o法覆蓋。

據(jù)估計(jì)，美國(guó)有超過1000萬(wàn)家庭無法使用任何形式的寬帶連接。針對(duì)這一尚未覆蓋的市場(chǎng)，HNS和Viasat公司都報(bào)告了收入和EBITDA（稅息折舊及攤銷前利潤(rùn)）的兩位數(shù)增長(zhǎng)。在GEOFSS市場(chǎng)的危機(jī)期間，這些公司能夠產(chǎn)生顯著增長(zhǎng)的閃亮信標(biāo)，因?yàn)樗鼈兎?wù)于對(duì)無線或光纖服務(wù)來講是不經(jīng)濟(jì)的利基市場(chǎng)。

今天，美國(guó)有成千上萬(wàn)的家庭由HTS（高通量衛(wèi)星）系統(tǒng)提供服務(wù)，這絕對(duì)是推動(dòng)GEO系統(tǒng)下一個(gè)增長(zhǎng)階段的關(guān)鍵應(yīng)用之一。說Viasat和HNS的成功或許過于簡(jiǎn)單化，因?yàn)槊绹?guó)以外的市場(chǎng)機(jī)會(huì)與這一商業(yè)模式不兼容。今天任何一家公司購(gòu)買價(jià)值3—6億美元的HTS衛(wèi)星，不分青紅皂白地用點(diǎn)波束覆蓋非洲和亞洲，如果不仔細(xì)考慮這些新興市場(chǎng)的當(dāng)?shù)貤l件，是很難取得成功的。

根據(jù)ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）的數(shù)據(jù)，截至2018年底，仍有大約32億人仍未連接到互聯(lián)網(wǎng)。這些人大多數(shù)生活在發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體的農(nóng)村地區(qū)。新興市場(chǎng)有三種反復(fù)出現(xiàn)的農(nóng)村社區(qū)模式：收入水平很低，人口密度也很低，電力供應(yīng)非常低、不存在或非常昂貴。

太平洋島國(guó)和非洲國(guó)家的電費(fèi)是世界上最高的。除了缺乏光纖骨干外，采購(gòu)電力的成本是無線網(wǎng)絡(luò)部署的主要成本驅(qū)動(dòng)因素。新興市場(chǎng)國(guó)家的大多數(shù)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商向?yàn)槠錈o線系統(tǒng)供電的發(fā)電機(jī)提供柴油。由于柴油燃料非常昂貴且后勤繁瑣，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商短期內(nèi)難以輕易解決農(nóng)村數(shù)字鴻溝問題。

作為示例，讓我們考慮配備2X2MIMO（多輸入多輸出）和三扇區(qū)天線系統(tǒng)的LTE基站。這種類型的電站需要大約4—5千瓦的電力。向農(nóng)村小區(qū)提供柴油燃料的費(fèi)用可能超過每月1000美元。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的范圍相對(duì)較小，因此除非在給定區(qū)域內(nèi)有數(shù)千個(gè)用戶，即使他們可以通過衛(wèi)星接入到低成本的骨干網(wǎng)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也不會(huì)將LTE站點(diǎn)部署到農(nóng)村地區(qū)。實(shí)際上，除非我們對(duì)此采取措施，否則，電力的缺乏將減緩衛(wèi)星采用的增長(zhǎng)速度。各種形式的節(jié)電將是我們行業(yè)增長(zhǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

如果GEOFSS運(yùn)營(yíng)商能夠向30億生活在農(nóng)村和人煙稀少地區(qū)的居民提供一個(gè)電力有效、衛(wèi)星傳送的解決方案，那么100Gbps或以上的HTS的全球需求可能超過30000顆(30億人x1Mbps/人/100Gbps/衛(wèi)星=30000顆衛(wèi)星。假定每個(gè)用戶需要專用的1Mbps)。顯然，大部分需求將被其他無線技術(shù)的進(jìn)步所滿足，但衛(wèi)星仍有足夠的發(fā)展空間，因?yàn)榧词刮覀冎荒芊?wù)其中10%的需求，那也意味著我們需要部署3000顆GEOHTS。

由于目前部署的HTS屈指可數(shù)，該行業(yè)將會(huì)有很大的增長(zhǎng)。主要的問題是，我們不能使用目前HNS和ViaSat正在使用的HTS來滿足這個(gè)市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兲嘿F，而且不允許在地面上節(jié)約電力。然而，如果復(fù)制Viasat和HNS模型行不通，那還有什么辦法呢?

首先，農(nóng)村貧困人口的收入水平無法證明ARPU（每個(gè)用戶每月平均收入）在50—100美元之間是合理的。農(nóng)村貧困人口無法購(gòu)買價(jià)格500美元的需要電力驅(qū)動(dòng)的寬帶VSAT終端，因?yàn)樗麄儫o電可用。這意味著每月資費(fèi)必須降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，用戶終端成本也必須降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，用戶終端需要在沒有商業(yè)電力的情況下運(yùn)行。當(dāng)衛(wèi)星終端的購(gòu)買成本仍然是300美元，而它的進(jìn)口和安裝成本超過500美元時(shí)，這怎么可能呢?

這似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)榇笮凸?yīng)商提供HTS的成本在3—6億美元之間，使容量成本低于100萬(wàn)美元/Gbps。因此，為了使衛(wèi)星發(fā)揮其潛力，必須對(duì)GEO衛(wèi)星提供的寬帶進(jìn)行徹底的重新考慮。

如果電力消耗是限制無線網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的因素，那么我們需要解決電力問題。目前，VSAT終端消耗50—100瓦的電力。為了降低衛(wèi)星終端所需的功率，我們需要提高地面波束的下行功率和上行G/T值。如果能在下行鏈路上獲得60以上的EIRP，再加上25dB/Ks以上的G/T，那么VSAT終端只需要毫瓦級(jí)的上行鏈路功率，就能與GEO衛(wèi)星建立鏈路。

這將允許一個(gè)成本非常低的太陽(yáng)能電池板和電池系統(tǒng)，為一個(gè)VSAT終端提供可靠的電力，它可能只需要10—20瓦的電力。為了實(shí)現(xiàn)如此高功率的EIRP和G/T，地面點(diǎn)波束的大小必須在0.1到0.2度之間。這種波束大小可以通過空間中的大型天線和波束形成系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。此外，由于新興市場(chǎng)的農(nóng)村貧困人口負(fù)擔(dān)不起500美元的VSAT系統(tǒng)，我們必須找到一種方式，讓帶寬由一個(gè)社區(qū)共享，而不是像今天的美國(guó)那樣，由一個(gè)用戶使用。

VSAT系統(tǒng)可以與Wi-Fi接入點(diǎn)集成，通過全向天線來為50—100米距離的范圍提供服務(wù)，或者與Curvalux(一種寬帶多波束相控陣系統(tǒng)）之類遠(yuǎn)程無線系統(tǒng)捆綁，以將VSAT系統(tǒng)擴(kuò)展到10千米范圍。Curvalux需要不到3瓦的電力，將2-3Gbps傳輸?shù)?0公里的范圍。這將使成千上萬(wàn)的農(nóng)村社區(qū)能夠共享相同的VSAT設(shè)備。用戶設(shè)備，如支持的Wi-Fi和低成本智能手機(jī)、平板電腦和Wi-Fi客戶辦公設(shè)備（CPE）等，都可以使用價(jià)格實(shí)惠的太陽(yáng)能電池來充電。

利用這些技術(shù)，我們可以解決昂貴的終端和地面電力問題?，F(xiàn)在，我們?nèi)绾谓鉀Q太空中昂貴的衛(wèi)星和電力問題呢?

提供0.1—0.2度的波束尺寸來解決地面的電力問題，意味著要用GEO衛(wèi)星覆蓋整個(gè)地球，需要一顆擁有數(shù)萬(wàn)點(diǎn)波束的大型衛(wèi)星。這在目前可行、切合實(shí)際嗎？最重要的是，負(fù)擔(dān)得起嗎？顯然，答案是否定的。那么，為什么要這樣做呢?也許，其中一個(gè)解決方案是，有人設(shè)計(jì)了一顆衛(wèi)星，它用足夠數(shù)量的點(diǎn)波束能覆蓋更小的區(qū)域（例如覆蓋更小的國(guó)家），投資規(guī)模使其為新興市場(chǎng)提供負(fù)擔(dān)得起的寬帶服務(wù)變得經(jīng)濟(jì)（100萬(wàn)美元/Gbps）。

為什么100萬(wàn)美元/Gbps是一個(gè)神奇的數(shù)字？對(duì)于一顆15年的衛(wèi)星來說，這意味著每個(gè)月每Mbps的成本為5美元，而交付給用戶的每Gbps的成本不到0.02美元。由于目前移動(dòng)資費(fèi)每Gbps遠(yuǎn)高于1美元，在為全球30億未聯(lián)網(wǎng)人口服務(wù)方面，GEO衛(wèi)星當(dāng)然有發(fā)揮重要作用的空間。

到目前為止，100萬(wàn)美元/Gbps的衛(wèi)星的唯一公開來源是VisaSat-3，這是一顆價(jià)值6億多美元的巨大衛(wèi)星，其容量超過1Tbps，它計(jì)劃覆蓋整個(gè)地球。盡管如此，Viasat-3不提供0.1或0.2度的波束，這將使25以上G/T允許100毫瓦的用戶終端。Viasat的CEOMarkDankberg是一個(gè)有遠(yuǎn)見卓識(shí)的人，在FSS行業(yè)中沒有多少人有勇氣承擔(dān)這么大的投資，我們也沒有機(jī)會(huì)獲得他的融資水平。因此，有必要以100萬(wàn)美元/Gbps的價(jià)格獲得HTS的能力，并以較小的增量投資規(guī)模獲得該能力，使該行業(yè)的其他企業(yè)能夠參與行業(yè)的下一個(gè)發(fā)展。

要想在不需要5億美元投資就能達(dá)到100萬(wàn)美元/Gbps的條件下，擁有一顆負(fù)擔(dān)得起的HTS，關(guān)鍵是一個(gè)由數(shù)字處理器或ASIC支持的動(dòng)態(tài)波束形成和信道化系統(tǒng)。帶有數(shù)字波束形成ASIC的HTS有效載荷將大大減少電力消耗。并且，與需要FPGA或模擬濾波器和波導(dǎo)的系統(tǒng)相比，重量要輕得多。

例如，一個(gè)100Gbps的HTS系統(tǒng)，如果采用模擬或FPGA信道化技術(shù)，將花費(fèi)1.8—2億美元。這顆衛(wèi)星需要10千瓦以上的電力，重量在5—6噸之間，發(fā)射需要6000萬(wàn)美元，保險(xiǎn)費(fèi)用超過3億美元。然而，在不久的將來，所有使用波束形成ASIC芯片的數(shù)字衛(wèi)星將能夠處理相同的容量，用電推進(jìn)技術(shù)只需要2—3千瓦的電力，重量不到1噸。降低功率要求也將減少航天器的尺寸和質(zhì)量，從而大大降低其成本。

一些公司已經(jīng)在研究全數(shù)字波束形成系統(tǒng)。波音公司為SES的mPower（O3B2.0）提供的數(shù)字處理器和Eutelsat購(gòu)買的由歐洲航天局資助的量子平臺(tái)就是這樣的系統(tǒng)例子。也有非公開宣布的私人倡議，正在進(jìn)行波束形成ASIC的研發(fā)。在不久的將來，我預(yù)測(cè)這些100Gbps的全數(shù)字衛(wèi)星被送入軌道（包括發(fā)射和保險(xiǎn)）將花費(fèi)不到1億美元。這可能是一個(gè)大膽的預(yù)測(cè)，但我確信，全數(shù)字波束形成的HTS將在2019年公開提供，在2021年交付使用。

將低成本衛(wèi)星容量和具有遠(yuǎn)程Wi-Fi的衛(wèi)星終端與相結(jié)合，是化解農(nóng)村數(shù)字鴻溝的關(guān)鍵。這將導(dǎo)致FSS行業(yè)的爆炸式增長(zhǎng)，這將確保我們的未來，最重要的是，為世界所有新興市場(chǎng)帶來知識(shí)、信息通信和財(cái)富。隧道盡頭的曙光會(huì)比我們想象的更早出現(xiàn)。SATNET