主頁（http://www.by236.com）：從能用到好用——衛星通信技術發展趨勢分析

作者 |：王激揚（中國移動通信集團設計院有限公司）  來源  ：《電信工程技術與標準化》2018年第11期

本文從衛星通信技術和應用發展歷史提出從“能用”到“好用”的技術發展方向，并從業務、網絡、標準、終端等方面對衛星通信的近期發展趨勢進行整理和分析，提出發展關鍵在于保持全球覆蓋優勢的同時，降低應用成本、提升網絡能力，并與地面通信手段相融合，拓寬衛星互聯網應用市場。

一、引言

2018 年對于衛星通信行業而言是一個技術和市場發展承前啟后的重要節點。立足國內，第一顆國產高通量衛星“中星 16號”投入運營、第一顆國產移動通信衛星“天通一號”正式商用、“北斗三號”導航系統連續發射多顆衛星確保年底具備覆蓋一帶一路的能力。航天科技和航天科工同時吹響低軌衛星星座建設的號角，大量人才技術資金涌入商業航天市場。

放眼國際，總吞吐量達史無前例 1Tbit/s 的 Viasat-3 號衛星即將完成建設等待發射 ；Inmarsat 以其五代星 Global Xpress 的命名展示全球無縫寬帶服務的雄心 ；初創公司 Planet Labs 打造的“鴿群”星座成為全球規模最大的遙感衛星系統 ；前所未有由 720 顆衛星組成的 OneWeb 低軌衛星星座和由 SpaceX 打造的第一期就包括 4 425 顆衛星的 Starlink 星座接連發射試驗衛星以擺脫紙上談兵的名聲。

長久以來，對衛星通信的定位總是強調廣覆蓋、全球覆蓋、無縫覆蓋。在地面蜂窩移動通信突飛猛進發展背景下，衛星通信技術演進緩慢，能力提升有限，使用范圍也長期局限在“沒有別的手段了只能上衛星”的尷尬境地。

在通信和網絡飛速發展的今天，及時的信息交互成為人們必不可少的基礎需求，在海上、空中和偏遠地帶這些傳統地面網絡無法覆蓋或者成本高昂的領域，衛星通信理應抓住機遇跟上寬帶發展的步伐�！皬V覆蓋”、“全球覆蓋”意味著衛星通信“能用”，如何使其“好用”才是技術發展進一步追求的目標。本文試從業務、網絡、標準、終端等方面對衛星通信的發展趨勢進行整理和分析。

二、業務平臺化

由于衛星通信的不可替代性及在廣播通信行業的獨特優勢，全球已打造出一個年均 1 000 多億美元的衛星通信服務市場。美國衛星工業協會每年均會發布年度衛星產業狀況報告，由 BRYCE 空間技術公司發布的報告將衛星服務產業劃分為大眾通信消費業務、衛星固定業務、衛星移動業務和對地觀測業務四大類，2012-2016 年各類業務的規模如圖 1 所示。

圖1 2012－2016年全球衛星通信業務發展情

可見，以直播到戶為主要市場的衛星電視業務占據絕大部分份額，轉發器出租出售業務緊隨其后，但差距明顯。值得注意的是，從發展趨勢看，前者已經停止增長，后者已經進入負增長通道，從 BRYCE 最新披露的衛星產業狀況報告 2018版重點數據來看，這種趨勢更為明顯。

與此形成鮮明對比的是，支撐衛星服務業市場的反而是份額較小但穩步增長的衛星寬帶、管理服務（包括VSAT、船載、機載等業務）、衛星移動和對地觀測業務。

這些業務均有一個相同的平臺化特點，衛星通信與運營平臺深度融合。例如美國的休斯和 Viasat 打造的衛星寬帶業務平臺，家庭寬帶用戶數量達到百萬級，并已帶動美國各航空公司的機載 Wi-Fi 覆蓋率達到 80% 以上 ；中國衛通利用開展海上寬帶衛星通信服務的“海星通”，覆蓋全球 90% 航線，入網船只達 5000 余艘。

平臺化的業務為何發展較快 ?“好用”是一個重要原因。相對于傳統衛星網由衛星公司提供帶寬、用戶自購設備自主運維的模式，由平臺運營方統一搭建平臺、用戶直接接入的運營模式，既可降低用戶使用難度且節約用戶使用成本，又可提升衛星資源整體管理調度效率，可達到雙贏的效果。高通量衛星不斷升空帶來容量供給飛躍，機載、船載業務蓬勃開展使得業務需求激增，在兩者的合力下，互聯網業務與衛星通信相結合的平臺式運營將會推動衛星通信服務業迎來新的發展。

三、網絡寬帶化

長久以來，衛星通信被人所詬病的重要一點就是容量不足，以及由此帶來的昂貴的價格。當地面移動通信一路突飛猛進即將邁進 Gbit/s 級別的 5G 時代，衛星VSAT 用戶仍然徘徊在 Mbit/s 級別時代。能否實現寬帶化，進而平價化，帶動服務“好用”，是衛星通信能否保住陣地并有所開拓的關鍵。

寬帶化首先取決于衛星信道能力，根據香農定律，在高斯白噪聲背景下的連續信道的容量。

若信源的信息速率 R 小于 C，則理論上可實現無誤差傳輸。高通量衛星正是利用該定律提升通道帶寬。首先為增加可用頻率。高通量衛星開始轉用頻率更高的 Ka 波段，根據國際電聯的規定，中國所在的第三區，Ka 波段上行波段為 27.5 ～ 31 GHz，下 行 波 段 為 17.7 ～ 21.2 GHz， 上下行各有 3 500 MHz，是當前 C 和 Ku 波段可用頻率總和的 3 倍多。

其次為增加衛星發射功率。星上采用更高能量的功率放大器和更高增益的天線，通過同時增加衛星和地面站接收信噪比的方式提升單個信道的容量。此外，采用糾錯效率更高的 LDPC、TPC 等信道編碼方式，采用分時復用、數據壓縮、緩存等信源處理方式都有助于衛星信道有效容量進一步增加。

衛星寬帶化最具突破性的技術變革是增加信道數量。參考地面蜂窩網的思路，高通量衛星保持傳統衛星廣覆蓋特點，改大波束為多波束方式，將覆蓋區域分割為多個小區域。

這樣可以帶來兩個好處 ：首先，地理位置上間隔較遠的區域可按照通用的四色復用原則采用相同的頻率進行覆蓋 ；其次，波束變小后，可以將寶貴的星上功率調整至用戶需求較大的區域，增大該區域的輻射功率。以海事衛星為例，早期系統采用 3 ～ 4 顆衛星大波束方式覆蓋全球。

其最新的五代星仍然采用 3 顆衛星全球覆蓋，但是每顆衛星都劃分為 72 個波束，使得普通終端的傳輸能力從四代星的 kbit/s 級別提升至下行 50 Mbit/s、上行 5 Mbit/s 的能力，基本能夠滿足全球寬帶通信的需求。寬帶化的趨勢不僅體現在同步軌道高通量衛星，以OneWeb 為代表的低軌衛星星座以及 MEO 寬帶衛星星座 O3b 都是以多星多波束 Ka（或 Ka、Ku 混合）頻段作為主要解決方案。

在上述技術發展推動下，單顆衛星的傳輸能力已從傳統大波束衛星的 2 Gbit/s 的快速提升至高通量衛星的20 ～ 500 Gbit/s，并成功激發和開拓了機載、船載等新的應用市場，這類業務單站速率需求達到 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 水平。衛星容量需求的預測如圖 2 所示。

圖2 全球衛星寬帶容量需求預測

可見，到 2022 年，高通量衛星容量需求將首次超過傳統衛星（此時高通量衛星可提供的容量已遠超傳統衛星），其原因首先在于能夠滿足機載寬帶、4G 基站回傳等高信息速率業務需求，能夠承載更豐富的業務 ；其次高通量將使得衛星傳輸通道單位帶寬的成本下降至傳統衛星的 1/5 至 1/10, 達到與地面通信相近的水平，從而吸引更多用戶。

四、標準全球化

盡管理論上衛星通信可以做到“全球無縫覆蓋”，具備從城市、鄉鎮到農村，從陸地、海上至空中的業務提供能力，然而從業務層面看，仍然缺乏能夠提供全球一體化服務的應用。同樣類型業務需要采用不同的終端、相異的網絡，尚不能達到如移動通信網絡般可以全球漫游的“好用”地步。

全球化的第一個限制點是各國的業務監管政策。衛星通信因其與地域跨度無關的特性，一向處于各國政府嚴格監管的范疇。為了能夠提供相應的衛星服務，不僅需要在衛星頻率方面與當地其他運營商進行協調，還需與政府當局進行政策協調，以滿足國家的相關法律和法規。如何解決協調監管方面的問題是一大挑戰。GPS 系統在全球取得的巨大成功重要原因在于美國的大力推廣。INMARSAT 的全球發展得益于其脫胎于國際官方組織，以及作為全球唯一的遇險安全衛星移動通信服務的定位。

全球化的第二個限制點是缺乏統一的衛星通信標準。移動通信的全球發展與 GSM、WCDMA、LTE 等體系標準的成熟和推廣密不可分，光通信的突飛猛進離不開具有嚴密協議和標準的 SDH、PTN 技術體系。

衛星通信長期以來并未形成一個全面認可的標準。缺乏統一標準，一方面形成市場壁壘扼殺后入者，另一方面造成用戶需頻繁更換設備、增加網絡投資的不良后果。在快速發展的中低軌全球寬帶衛星星座時代，衛星系統對于頻段和軌道位置的競爭激烈度將不亞于衛星導航系統，掌握了全球通用標準的星座將無疑就掌握了主動權。

這一趨勢已經在 5G 標準中有所體現。國際電信聯盟提出了星地 5G 融合的 4 種應用場景，包括中繼到站、小區回傳、動中通及混合多播場景。3GPP TR 38.811 對“面向非地面網絡中的 5G 新空口”進行專門研究，定義了 NTN（Non-Terrestrial Networks，非地面網絡）部署場景和如圖 3 所示的 4 種衛星 NTN 網絡架構。

圖3 3GPP正在討論的5G NTN架構示意

從衛星通信的角度來看，上述架構分為透明 / 彎管轉發和星上接入 / 處理兩種模式。前者是經典的衛星通信模式，衛星易于實現，但需對 5G 已有空口進行大的改造以適應長時延和高多普勒頻移。后者將衛星改造為基站，星上搭載相關的信號和信息處理器，衛星建造難度較大，但可較好兼容地面 5G。

不論采用何種方式，5G 新空口都需針對衛星系統的特點，在多普勒頻移、時延等方面進行適應性改造和優化。對全球化標準的重視必將推動寬帶衛星逐步形成統一的標準，我國需積極參與其中，大力發展國產標準，與北斗、天通一號等國產衛星體系合力，才能在未來占據一席之地。

五、終端易用化

衛星通信從“能用”到“好用”的一個必不可少的環節是“易用”，“易用”與否取決于衛星終端的布放便利程度，其中最關鍵的是衛星天線。隨著天線制造技術的進步、星上發射功率的提升和衛星通信頻率的升高，衛星天線也從大型拋物面天線固定使用，逐漸發展到VSAT 便攜式、車載式固定使用，進而根據使用場景發展出適合車載、機載、船載使用的平板式、移動式形態。

小型化、自動化將是衛星通信終端發展的主要趨勢。

1、機械結構巧化

通過天線座架折疊、天線主面分瓣安裝的方式，1 m 口徑以下的天線可以輕松放入高不到 80 cm 的行李箱，并可單箱集成功放、Modem 等設備，真正做到運輸方便、應用簡單。

2、對星智能化

通過內置天線控制器，可實現一鍵對星�；蚋�進一步，去掉電機設備，采用帶屏幕顯示的輔助尋星儀，可降低重量、減少故障點。

3、平板化

傳統的車載、機載衛星天線多數采用平板波導陣列天線，將拋物面天線轉化為矩形平面，方位、俯仰和相位均采用機械掃描方式，整機高度一般在 40 cm 以上。

為降低天線高度，進一步發展為采用水平面機械掃描 垂直面電子掃描，將發射、接收天線分開。一方面不需垂直面機械裝置使得天線高度更低 ；另一方面可利用電掃描響應更快、可靠性更高的優點，使得天線高度降低的同時反而提升了傳輸能力。

更進一步，水平和垂直面全部采用電子掃描方式，則可發展為全相控陣天線。整機無需機械部件，天線更薄，響應更快。該方式在軍事領域已經開始應用，如能控制成本將可逐步進入民用市場。

4、采用超材料

使用超材料形成全息波束，天線使用電子射頻波束指向控制、電子極化選擇和角度控制。這種使用軟件調整波束而不是通過機械部件調整天線指向的方式，可以比機械轉動更快的速度實現衛星自動識別和跟蹤，實現完全平板化的同時還降低了天線的功耗，適合于安裝車載使用。

5、終端一體化

低軌星座衛星數量眾多、軌道位置較低，可采用屋頂天線方式，天線無需實時跟蹤衛星，只需大致朝上就可接收到 1 顆或數顆衛星信號。同時 Modem、BUC 等設備集成在室外終端，只需連接電源（或使用太陽能）就能通過 Wi-Fi 形成互聯網接入熱點。

六、結束語

從 1965 年世界第一顆實用靜止軌道通信衛星國際通信衛星 1 號星開始服役至今，衛星通信因其特殊的應用場景、獨一無二的覆蓋優勢，已經持續發展了 53 個年頭，遠遠超過光通信、移動通信等當前的主流通信手段。然而衛星通信也需緊跟通信和信息業務發展的潮流，不斷變革、持續創新，方可在通信市場上留得一席之地。

衛星通信從“能用”到“好用”的發展，首先應抓住衛星通信“全球覆蓋”的獨特優勢，深耕廣播通信、對地觀測、遙感、導航、航海、航天、應急救援等垂直領域，采用“通信手段 業務平臺”相結合的模式，鞏固行業市場。其次應改變衛星通信“帶寬受限、價格昂貴”的劣勢，大力發展大容量、高速率的高通量衛星和低軌寬帶星座，降低應用成本，拓寬互聯網應用市場。最后，衛星通信應與地面通信手段相融合，在覆蓋、可靠性及靈活性方面對地面移動通信進行補充，協同打造連通空、天、地、海多維空間的泛在網絡。