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5G时代卫星通讯的生涯规则
2020-04-17 / 阅读次数：2228
文 | 沈永言
转 | 卫星与网络
1、前言
在当今信息网络中 ，卫星通讯、地面光纤通讯和移动通讯可谓三�？� ，它们三足鼎峙、三分天下。与地面光纤通讯主要用于主干传输和牢靠接入、地面移动通讯主要用于移动接入相比 ，卫星通讯可以应用于主干传输、牢靠接入、移动接入、企业联网、电视广播、应急通讯、军事通讯等多种场景 ，在军、民、商等各个领域都占有不可或缺的职位�？雌鹄� ，卫星通讯更像个万能选手 ，十八般武艺没有它玩不转的。现实也简直云云 ，它的这些能耐泉源于它的广笼罩、远毗连、能移动这三大自然特征。
不过 ，由于卫星通讯在频轨资源、制造和发射本钱方面受到一定的局限 ，而地面光纤通讯和移动通讯在容量和性价例如面取得了更大的成绩 ，因此 ，卫星通讯早期在主干传输方面受到地面光纤通讯的替换 ，后期在移动接入方面受到地面移动通讯的挑战。同样作为无线通讯手艺 ，地面移动通讯对卫星通讯的影响更大。3G之后 ，地面移动通讯的传输速率越来越高 ，功效越来越强盛。
特殊是5G同时笼罩高带宽、大毗连、低延时三大应用场景 ，摆出一副通吃高清/超高清视频、物联网、车联网等所有营业的架势。毫无疑问 ，相比以往的移动通讯系统 ，5G的高带宽将更适合于新闻收罗、视频广播、在线直播等营业 ，会进一步推动移动网络上IPTV和OTT TV的生长 ，这将对卫星视频分发、卫星电视直播爆发直接的攻击。
不过 ，人们也不要过于担心5G移动通讯对卫星通讯的攻击 ，由于5G“随遇接入、万物互联”愿景的实现还需要可以全球无缝笼罩的卫星通讯这个“同胞兄弟”脱手相助。现在ITU、3GPP和SaT5G等标准化组织无一不在从事卫星通讯和5G的融合研究。好比 ，5G数目众多的远程基站有的需要卫星通讯往返传营业流量 ，5G广播也可能需要卫星通讯来提供内容投递。
别的 ，尚有机载和船载通讯等。也就是说 ，卫星通讯与地面移动通讯是相生相克的关系。只管云云 ，卫星通讯必需要正视5G时代的到来 ，由于5G的简直确在与卫星通讯争频率、抢营业。卫星通讯要一连生涯、生长下去 ，就必需使出全身解数来为自己创立市场。由于 ，手艺是为市场保存的 ，企业是为客户保存的。
2、做大容量 ，吸引市场
带宽容量是权衡所有信息网络性能的最基本指标 ，是它们克敌制胜的主要武艺。面临高清/超高清视频、社交网络等应用带宽需求的日益增添 ，信息网络必需一直提高网络带宽。就卫星通讯来讲 ，信道编码效率基本靠近极限水平 ，网络带宽只能通过多点波束空分复用、高频传输这两者路径来获得。
现在 ，种种HTS都在通过这种路径来扩大带宽。Viasat在建的GEO HTS——Viasat－3容量抵达1Tbps ，这险些是通例卫星容量的1千倍。Hughes和Eutelsat公司划分在建Jupiter－3、KONNECT容量也抵达500Gbps。这三大VHTS（超等HTS）都将在2021年发射。HTS容量的迅速提升使得GEO HTS的单位Gbps制造本钱降至百万美元以下 ，从而在效劳能力和资费水平方面与地面宽带网络旗鼓相当。随着VHTS的推出 ，卫星通讯在信息网络中的吸引力将会获得有力的提高。
为了进一步扩大卫星通讯容量 ，在充分使用多点波束和频分复用手艺的同时 ，Ka之上的频率资源更为富厚的Q、V频段已经最先进入商用。
2016年3月 ，Eutelsat率先在Eutelsat 65 West A卫星上使用Q频段。SpaceX、O3b、Boeing、Amazon以及海内相关单位的星座系统都有V频段的使用妄想 ，而西欧等国已最先举行频率更高的W频段的研究事情。
2018年6月20日 ，由芬兰研制的纳卫星首次从太空向地球发送W频段信号。与Q、V频段相比 ，空间激光通讯的带宽更大、抗滋扰能力更强。经由多年来美欧、日本等的一系列研究 ，现在卫星激光通讯最先进入适用阶段。
2019年2月 ，欧洲Airbus公司与日本SKY Perfect JSAT公司签署了相助协议 ，旨在配合开展激光数据中继卫星营业。SpaceX、Telesat以及海内相关星座系统都有卫星激光通讯妄想。我国2019年底发射的“实践20卫星”上同时开展Q、V和激光通讯传输试验 ，其中星地激光通讯传输速率抵达10Gbps的国际先进水平。
别的 ，特征介于毫米波和激光之间的太赫兹也在研究之中。太赫兹频率在0.1-10THz之间 ，理论传输速率可达1Tbps。2018年5月 ，Tektronix/IEMN（一个法国研究试验室）在252-325GHz频段实现了100Gbps无线传输。
3、降低本钱 ，抢占市场
本钱是任何企业在市场竞争中获取优势职位的杀手锏 ，这样的案例在家电、通讯、盘算行业触目皆是 ，卫星通讯行业亦不破例。这轮全球LEO星座热潮兴起的主要缘故原由之一就是卫星制造和发射本钱获得大幅降低。
在小卫星批量制造方面 ，卫星制造公司最先使用非航天级别的COTS（商业现货）组件 ，使用3D打印、�？榛杓啤⒓床寮从谩⒅悄茏芭洹⒋笫荨⒒等恕⒃銮肯质档瘸墒焓忠� ，接纳与飞机和汽车生产相似的流水线组装方法 ，从而可以天天生产数颗卫星 ，并将单颗LEO HTS的制造本钱降到百万美元以下。
马斯克向导的SpaceX公司依附卫星制造和发射一体化控制能力 ，易于量产、装载、发射的卫星扁平化设计 ，以及一箭60星发射和火箭接纳再使用等独门特技 ，将OneWeb这个强盛敌手挑下马来。SpaceX在航天运输方面的异军突起以及在卫星互联网方面的雄心壮志也是来自于手艺立异和本钱控制方面的特殊功夫。
在卫星本钱控制方面的明星企业 ，除了马斯克麾下的SpaceX ，尚有ABS公司前CEO Tom Choi新组建Saturn（土星）卫星公司。若是说马斯克的SpaceX更善于卫星制造和发射 ，目的是抢占LEO卫星互联网市场 ，那么 ，Tom Choi的Saturn则更懂卫星通讯用户需求和系统实现 ，志在争取GEO卫星通讯市场。Saturn致力于低本钱的小型GEO卫星制造。通过全数字有用载荷等手艺的应用 ，Saturn乐成将85Gbps的Ka频段HTS本钱降到约为8500万美元。
Tom Choi对LEO的冷静和对GEO的坚持态度正在被OneWeb的财务�；虶EO市场的回暖所印证�？杉� ，卫星制造发射本钱控制既来自于手艺、产品和商业模式立异 ，更泉源于市场机制和企业家精神施展。
4、增强智能 ，顺应市场
信息网络市场需求千变万化 ，这一定要求信息网络具有一定的弹性和智能来应对。5G中的SDN、NFV和切片等手艺 ，通讯卫星中的数字载荷和软件界说都是详细的解决之道�；谑衷睾珊腿砑缢凳忠盏奈扌拔佬强善局びτ眯枨蟮淖� ，对卫星的笼罩、毗连、带宽、频率、功率和路由等性能举行动态调解和功效重构。
凭证Euroconsult的统计 ，现在全球一半左右的HTS卫星带有无邪性载荷 ，其中笼罩无邪性占35% ，毗连、带宽和频率无邪性各占15% ，功率占9%。笼罩无邪性的主要应用形式是移动波束 ，它已在O3b、Inmarsat、Intelsat等公司的HTS普遍应用。毗连无邪性的主要应用形式是DTP（数字透明处置惩罚器） ，它可在差别波束之间建设毗连 ，从而解决一样平常HTS星状结构带来的双跳通讯影响。
这一手艺在Intelsat EPIC系统获得充分运用 ，它无需要求用户替换终端就可以直接接入HTS网络。带宽无邪性的主要应用形式是跳波束（Beam Hopping） ，它通过时别离艺 ，将有限的带宽资源在差别波束之间动态分派 ，从而有用解决多点波束带来的HTS资源碎片化和差别波束之间的营业忙闲不均问题 ，提高HTS带宽资源的使用率 ，其典范应用案例是Eutelsat- Quantum（欧卫量子）卫星。Eutelsat Quantum号称全球首颗真正意义上的无邪性卫星 ，该星由Airbus公司制作 ，可通过软件界说调解笼罩、频率和功率。
在天地一体化的卫星互联网时代 ，不但需要通过数字载荷和软件界说来实现空间段卫星智能化 ，地面段VSAT网络也要借鉴5G中的SDN、NFV和云化手艺来实现智能化 ，并起劲融于基站回传、IP中继、移动平台接入、混淆网络和物联网等5G应用生态之中。5G的新颖之处在于它标准化了效劳编排。共享5G协议的卫星运营商和效劳提供商可以使用标准化程序 ，来设置和治理多种类型的效劳 ，从而提高卫星通讯网络的市场顺应能力。
5、融合星地 ，汇聚市场
由于经济规模的缘故原由 ，卫星通讯是一个相对关闭的行业。差别卫星通讯网络在终端层面很难直接互通。DVB标准的接纳改善了卫星通讯网络的开放性 ，可是差别系统相互自力的时势短时很难彻底改变。卫星通讯与地面通讯网络的生长历程不太同步。卫星互联网启动的时间 ，5G已做生意用。比及6G商用的时间 ，卫星互联网预计也已经定型。因此 ，卫星与地面网络的一体化设计只能是个理想。卫星通讯网络与地面通讯网络的融合应用主要照旧通过网关互联 ，特殊是终端聚合来实现。
在即将到来的高中低轨卫星互联网并存以及5G与卫星融适时代 ，在毗连方面 ，需要通过小尺寸、低功耗、快响应的电调平板天线来在差别频段之间、差别卫星之间和卫星通讯与地面通讯网络之间举行快速切换 ，以坚持通讯毗连的流通无阻。在应用方面 ，还需要通过移动边沿盘算手艺来实现路由选择、速率适配、内容存储、数据剖析、系统控制等终端应用治理事情。
近年来 ，电调平板天线商用化水平一直在一直提高。在EuCNC2019（2019欧洲网络与通讯大会）上 ，移动边沿盘算已经在SaT5G同盟举行的一系列卫星5G演示中获得应用。
除了电调平板天线和移动边沿盘算手艺 ，还需要具有局域或区域笼罩能力的无线网络与卫星通讯网络对接 ，来真正实现随遇接入、无缝笼罩 ，并分摊用户使用本钱。在Saturn公司之前 ，Tom Choi先建设了低本钱、高能效的宽带无线平台Curvalux。Curvalux其使用牢靠的多波束相控阵天线 ，与古板LTE基站相比 ，其功耗降低到原先的1/100 ，同时提供7倍的吞吐量。
据称 ，全天候为Curvalux系统供电的100W太阳能电池套件只需200美元。在2019年拉斯维加斯NAB（美国广播电视）展时代 ，Saturn公司向美国客户展示了Curvalux的手艺 ，距离发射塔800米的智能手机下载速率抵达了400Mbps。通过Wi-Fi接入点 ，从5公里外传输数据速率可达100Mbps。链路预算显示 ，最远传输可达15公里 ，甚至30公里。
6、立异方法 ，拓展市场
面临古板卫星通讯市场的生长瓶颈 ，各大卫星运营商可谓八仙过海 ，各显神通 ，起劲扩展市场。Intelsat投资于OneWeb ，分享市场资源 ，配合应对频率滋扰。现在厥后因种种缘故原由 ，两家公司分道扬镳。SES整合O3b ，以拓展MEO HTS市场。Eutelsat建设LEO物联网星座—ELO ，以进军卫星物联网市场。Telesat通过Telesat这个LEO HTS星座 ，进入卫星互联网市场。Inmarsat使用自身GEO卫星和卫星中继通讯手艺 ，为一家LEO星座运营商提供全球天候的卫星测控、使命控制和故障查找等资产运行和治理效劳。SKY Perfect JSAT高度重视HTS、平流层飞艇、基于LEO的遥感数据传输和AIS（船舶自动识别系统）、电调平板天线等市场时机 ，来开立异的生长时势。
7、追求帮助 ，扩大市场
卫星通讯是国家信息基础设施的主要组成部分 ，它同时隶属于航天工业和信息工业 ，其战略职位十分突出。在航天工业中 ，卫星通讯的工业化水平最高 ，其中 ，商业化生长卫星通讯提供了强盛的推动实力。只管云云 ，政府政策上的帮助也是极为主要的因素。以SpaceX为例 ，今天它在卫星制造和发射的一马领先与其生长历程中美国政府在资金、手艺、人才、设施等方面的支持是分不开的。
2008年 ，美国NASA宣布SpaceX获得由猎鹰号发射的IDIQ条约 ，自此 ，SpaceX成为全球仅有的肩负国家航天发射使命的私营企业。2015年 ，美国国防部授予SpaceX军用卫星发射允许证书 ，并将某些军用发射场和基地提供应SpaceX用于发射猎鹰火箭。美国军方勉励退役武士在保密条件下 ，转换角色 ，重新进入企业 ，肩负咨询或研制使命 ，以此增进人才的流动 ，为提升企业的实力提供人才包管。SpaceX军认真政府销售的副总裁曾是美国空军官员。
在火箭发念头手艺上 ，美国NASA向SpaceX派驻手艺职员并转让专利 ，开放阿波罗妄想的部别离艺 ，提供火箭发念头试车测试台 ，资助SpaceX生长猎鹰火箭要害手艺 ，并开放风动实验设施 ，以充分使用。2020年3月13日 ，美国FCC向SpaceX开放总价值160亿美元的农村宽带营业津贴资金竞争时机。历史上 ，ViaSat就曾获得过类似的农村宽带营业津贴资金支持�？杉� ，SpaceX、ViaSat的乐成都不是一种无意 ，获得充分的市场抚育是它们取得乐成的要害因素。
目今 ，我国正处于卫星互联网建设、卫星通讯工业化和国际化生长的要害时期。我国卫星通讯工业面临卫星和地面装备手艺相对落伍以及市场受限双重逆境 ，此后者尤为严重。我们知道 ，关于古板卫星通讯市场而言 ，最大的需求来自于卫星电视直播。阻止2018年底 ，全球卫星行业总产值为2774亿美元（美国占43%） ，其中通讯为主的卫星效劳业为1265亿美元 ，卫星直播电视为942亿美元 ，可见其职位之高。
而我国卫星直播电视还处于公益效劳阶段 ，不但没有商业收入 ，并且每年国家还需要提供财务资助。关于新兴的卫星互联网市场而言 ，最大需求来自于消耗者宽带接入。在国家宽带普遍效劳妄想中 ，上千亿的资金基本上都用于地面光纤和移动通讯系统的建设 ，现在98%的行政村都实现了光纤和移动通讯网络毗连。
图1 古板通讯卫星和HTS带宽需求结构
现在 ，我国卫星直播电视家庭用户数已达1.4亿 ，商业化运营市场潜力重大 ，且各地开展区域卫星直播电视的意愿也很是强烈。我国2%的行政没有通宽带 ，其比例虽然很小 ，但家庭用户总数依然非�？晒�。若是这个两个市场能同时开放 ，无疑成为我国卫星通讯工业化生长的双翼。
8、结语
手艺应用、商业模式、工业政策和市场需求都是卫星通讯工业生长的强盛动力 ，其中市场需求具有决议性的影响。卫星通讯工业的一连生长 ，需要卫星制造商和运营商在网络容量、通讯本钱、系统智能、星地融合、模式立异、政策帮助等方面同时发力 ，以做大市场规模 ，实现良性循环生长。
现在 ，我国卫星通讯工业最大的瓶颈在市场受限。市场受限的主要缘故原由是卫星直播电视和消耗者宽带接入两个主体市场未能充分发育。
就卫星直播电视市场而言 ，主要问题在于地面有线电视和卫星直播电视之间的利益平衡。从信息效劳工业的客观纪律看 ，IPTV、OTT TV取代地面有线电视将是一定的效果。而卫星直播电视由于具有信息撒播的广域性、等时性、高效性、可靠性 ，本将可以恒久保存下去。
就消耗者宽带接入市场而言 ，主要问题在于地面光纤传输和卫星传输的本钱效益权衡。地面光纤传输的本钱是线性增添的 ，用户越是遥远、疏散 ，本钱越高 ，而卫星传输与距离无关 ，广域笼罩、远程通讯是其自然的优势。
因此 ，我国卫星通讯行业需要突破卫星直播电视和消耗者宽带接入的政策壁垒 ，才华将海内市场做大、做强 ，进而才华有资格加入竞争更为强烈的国际市场的角逐 ，这是5G时代卫星通讯行业不可回避的生涯规则。
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