作者 |:王激扬(中国移动通信集团设计院有限公司)  来源  :《电信工程技术与标准化》2018年第11期

 

本文从卫星通信技术和应用发展历史提出从“能用”到“好用”的技术发展方向,并从业务、网络、标准、终端等方面对卫星通信的近期发展趋势进行整理和分析,提出发展关键在于保持全球覆盖优势的同时,降低应用成本、提升网络能力,并与地面通信手段相融合,拓宽卫星互联网应用市场。

 

一、引言

 

2018 年对于卫星通信行业而言是一个技术和市场发展承前启后的重要节点。立足国内,第一颗国产高通量卫星“中星 16号”投入运营、第一颗国产移动通信卫星“天通一号”正式商用、“北斗三号”导航系统连续发射多颗卫星确保年底具备覆盖一带一路的能力。航天科技和航天科工同时吹响低轨卫星星座建设的号角,大量人才技术资金涌入商业航天市场。

 

放眼国际,总吞吐量达史无前例 1Tbit/s 的 Viasat-3 号卫星即将完成建设等待发射 ;Inmarsat 以其五代星 Global Xpress 的命名展示全球无缝宽带服务的雄心 ;初创公司 Planet Labs 打造的“鸽群”星座成为全球规模最大的遥感卫星系统 ;前所未有由 720 颗卫星组成的 OneWeb 低轨卫星星座和由 SpaceX 打造的第一期就包括 4 425 颗卫星的 Starlink 星座接连发射试验卫星以摆脱纸上谈兵的名声。

 

长久以来,对卫星通信的定位总是强调广覆盖、全球覆盖、无缝覆盖。在地面蜂窝移动通信突飞猛进发展背景下,卫星通信技术演进缓慢,能力提升有限,使用范围也长期局限在“没有别的手段了只能上卫星”的尴尬境地。

 

在通信和网络飞速发展的今天,及时的信息交互成为人们必不可少的基础需求,在海上、空中和偏远地带这些传统地面网络无法覆盖或者成本高昂的领域,卫星通信理应抓住机遇跟上宽带发展的步伐。“广覆盖”、“全球覆盖”意味着卫星通信“能用”,如何使其“好用”才是技术发展进一步追求的目标。本文试从业务、网络、标准、终端等方面对卫星通信的发展趋势进行整理和分析。

 

二、业务平台化

 

由于卫星通信的不可替代性及在广播通信行业的独特优势,全球已打造出一个年均 1 000 多亿美元的卫星通信服务市场。美国卫星工业协会每年均会发布年度卫星产业状况报告,由 BRYCE 空间技术公司发布的报告将卫星服务产业划分为大众通信消费业务、卫星固定业务、卫星移动业务和对地观测业务四大类,2012-2016 年各类业务的规模如图 1 所示。

 

图1 2012-2016年全球卫星通信业务发展情

 

可见,以直播到户为主要市场的卫星电视业务占据绝大部分份额,转发器出租出售业务紧随其后,但差距明显。值得注意的是,从发展趋势看,前者已经停止增长,后者已经进入负增长通道,从 BRYCE 最新披露的卫星产业状况报告 2018版重点数据来看,这种趋势更为明显。

 

与此形成鲜明对比的是,支撑卫星服务业市场的反而是份额较小但稳步增长的卫星宽带、管理服务(包括VSAT、船载、机载等业务)、卫星移动和对地观测业务。

 

这些业务均有一个相同的平台化特点,卫星通信与运营平台深度融合。例如美国的休斯和 Viasat 打造的卫星宽带业务平台,家庭宽带用户数量达到百万级,并已带动美国各航空公司的机载 Wi-Fi 覆盖率达到 80% 以上 ;中国卫通利用开展海上宽带卫星通信服务的“海星通”,覆盖全球 90% 航线,入网船只达 5000 余艘。

 

平台化的业务为何发展较快 ?“好用”是一个重要原因。相对于传统卫星网由卫星公司提供带宽、用户自购设备自主运维的模式,由平台运营方统一搭建平台、用户直接接入的运营模式,既可降低用户使用难度且节约用户使用成本,又可提升卫星资源整体管理调度效率,可达到双赢的效果。高通量卫星不断升空带来容量供给飞跃,机载、船载业务蓬勃开展使得业务需求激增,在两者的合力下,互联网业务与卫星通信相结合的平台式运营将会推动卫星通信服务业迎来新的发展。

 

三、网络宽带化

 

长久以来,卫星通信被人所诟病的重要一点就是容量不足,以及由此带来的昂贵的价格。当地面移动通信一路突飞猛进即将迈进 Gbit/s 级别的 5G 时代,卫星VSAT 用户仍然徘徊在 Mbit/s 级别时代。能否实现宽带化,进而平价化,带动服务“好用”,是卫星通信能否保住阵地并有所开拓的关键。

 

宽带化首先取决于卫星信道能力,根据香农定律,在高斯白噪声背景下的连续信道的容量。

 

 

若信源的信息速率 R 小于 C,则理论上可实现无误差传输。高通量卫星正是利用该定律提升通道带宽。首先为增加可用频率。高通量卫星开始转用频率更高的 Ka 波段,根据国际电联的规定,中国所在的第三区,Ka 波段上行波段为 27.5 ~ 31 GHz,下 行 波 段 为 17.7 ~ 21.2 GHz, 上下行各有 3 500 MHz,是当前 C 和 Ku 波段可用频率总和的 3 倍多。

 

其次为增加卫星发射功率。星上采用更高能量的功率放大器和更高增益的天线,通过同时增加卫星和地面站接收信噪比的方式提升单个信道的容量。此外,采用纠错效率更高的 LDPC、TPC 等信道编码方式,采用分时复用、数据压缩、缓存等信源处理方式都有助于卫星信道有效容量进一步增加。

 

卫星宽带化最具突破性的技术变革是增加信道数量。参考地面蜂窝网的思路,高通量卫星保持传统卫星广覆盖特点,改大波束为多波束方式,将覆盖区域分割为多个小区域。

 

这样可以带来两个好处 :首先,地理位置上间隔较远的区域可按照通用的四色复用原则采用相同的频率进行覆盖 ;其次,波束变小后,可以将宝贵的星上功率调整至用户需求较大的区域,增大该区域的辐射功率。以海事卫星为例,早期系统采用 3 ~ 4 颗卫星大波束方式覆盖全球。

 

其最新的五代星仍然采用 3 颗卫星全球覆盖,但是每颗卫星都划分为 72 个波束,使得普通终端的传输能力从四代星的 kbit/s 级别提升至下行 50 Mbit/s、上行 5 Mbit/s 的能力,基本能够满足全球宽带通信的需求。宽带化的趋势不仅体现在同步轨道高通量卫星,以OneWeb 为代表的低轨卫星星座以及 MEO 宽带卫星星座 O3b 都是以多星多波束 Ka(或 Ka、Ku 混合)频段作为主要解决方案。

 

在上述技术发展推动下,单颗卫星的传输能力已从传统大波束卫星的 2 Gbit/s 的快速提升至高通量卫星的20 ~ 500 Gbit/s,并成功激发和开拓了机载、船载等新的应用市场,这类业务单站速率需求达到 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 水平。卫星容量需求的预测如图 2 所示。

 

图2 全球卫星宽带容量需求预测

 

可见,到 2022 年,高通量卫星容量需求将首次超过传统卫星(此时高通量卫星可提供的容量已远超传统卫星),其原因首先在于能够满足机载宽带、4G 基站回传等高信息速率业务需求,能够承载更丰富的业务 ;其次高通量将使得卫星传输通道单位带宽的成本下降至传统卫星的 1/5 至 1/10, 达到与地面通信相近的水平,从而吸引更多用户。

 

四、标准全球化

 

尽管理论上卫星通信可以做到“全球无缝覆盖”,具备从城市、乡镇到农村,从陆地、海上至空中的业务提供能力,然而从业务层面看,仍然缺乏能够提供全球一体化服务的应用。同样类型业务需要采用不同的终端、相异的网络,尚不能达到如移动通信网络般可以全球漫游的“好用”地步。

 

全球化的第一个限制点是各国的业务监管政策。卫星通信因其与地域跨度无关的特性,一向处于各国政府严格监管的范畴。为了能够提供相应的卫星服务,不仅需要在卫星频率方面与当地其他运营商进行协调,还需与政府当局进行政策协调,以满足国家的相关法律和法规。如何解决协调监管方面的问题是一大挑战。GPS 系统在全球取得的巨大成功重要原因在于美国的大力推广。INMARSAT 的全球发展得益于其脱胎于国际官方组织,以及作为全球唯一的遇险安全卫星移动通信服务的定位。

 

全球化的第二个限制点是缺乏统一的卫星通信标准。移动通信的全球发展与 GSM、WCDMA、LTE 等体系标准的成熟和推广密不可分,光通信的突飞猛进离不开具有严密协议和标准的 SDH、PTN 技术体系。

 

卫星通信长期以来并未形成一个全面认可的标准。缺乏统一标准,一方面形成市场壁垒扼杀后入者,另一方面造成用户需频繁更换设备、增加网络投资的不良后果。在快速发展的中低轨全球宽带卫星星座时代,卫星系统对于频段和轨道位置的竞争激烈度将不亚于卫星导航系统,掌握了全球通用标准的星座将无疑就掌握了主动权。

 

这一趋势已经在 5G 标准中有所体现。国际电信联盟提出了星地 5G 融合的 4 种应用场景,包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景。3GPP TR 38.811 对“面向非地面网络中的 5G 新空口”进行专门研究,定义了 NTN(Non-Terrestrial Networks,非地面网络)部署场景和如图 3 所示的 4 种卫星 NTN 网络架构。

 

图3 3GPP正在讨论的5G NTN架构示意

 

从卫星通信的角度来看,上述架构分为透明 / 弯管转发和星上接入 / 处理两种模式。前者是经典的卫星通信模式,卫星易于实现,但需对 5G 已有空口进行大的改造以适应长时延和高多普勒频移。后者将卫星改造为基站,星上搭载相关的信号和信息处理器,卫星建造难度较大,但可较好兼容地面 5G。

 

不论采用何种方式,5G 新空口都需针对卫星系统的特点,在多普勒频移、时延等方面进行适应性改造和优化。对全球化标准的重视必将推动宽带卫星逐步形成统一的标准,我国需积极参与其中,大力发展国产标准,与北斗、天通一号等国产卫星体系合力,才能在未来占据一席之地。

 

五、终端易用化

 

卫星通信从“能用”到“好用”的一个必不可少的环节是“易用”,“易用”与否取决于卫星终端的布放便利程度,其中最关键的是卫星天线。随着天线制造技术的进步、星上发射功率的提升和卫星通信频率的升高,卫星天线也从大型抛物面天线固定使用,逐渐发展到VSAT 便携式、车载式固定使用,进而根据使用场景发展出适合车载、机载、船载使用的平板式、移动式形态。

 

小型化、自动化将是卫星通信终端发展的主要趋势。

 

1、机械结构巧化

通过天线座架折叠、天线主面分瓣安装的方式,1 m 口径以下的天线可以轻松放入高不到 80 cm 的行李箱,并可单箱集成功放、Modem 等设备,真正做到运输方便、应用简单。

 

2、对星智能化

通过内置天线控制器,可实现一键对星。或更进一步,去掉电机设备,采用带屏幕显示的辅助寻星仪,可降低重量、减少故障点。

 

3、平板化

传统的车载、机载卫星天线多数采用平板波导阵列天线,将抛物面天线转化为矩形平面,方位、俯仰和相位均采用机械扫描方式,整机高度一般在 40 cm 以上。

 

为降低天线高度,进一步发展为采用水平面机械扫描 垂直面电子扫描,将发射、接收天线分开。一方面不需垂直面机械装置使得天线高度更低 ;另一方面可利用电扫描响应更快、可靠性更高的优点,使得天线高度降低的同时反而提升了传输能力。

 

更进一步,水平和垂直面全部采用电子扫描方式,则可发展为全相控阵天线。整机无需机械部件,天线更薄,响应更快。该方式在军事领域已经开始应用,如能控制成本将可逐步进入民用市场。

 

4、采用超材料

使用超材料形成全息波束,天线使用电子射频波束指向控制、电子极化选择和角度控制。这种使用软件调整波束而不是通过机械部件调整天线指向的方式,可以比机械转动更快的速度实现卫星自动识别和跟踪,实现完全平板化的同时还降低了天线的功耗,适合于安装车载使用。

 

5、终端一体化

低轨星座卫星数量众多、轨道位置较低,可采用屋顶天线方式,天线无需实时跟踪卫星,只需大致朝上就可接收到 1 颗或数颗卫星信号。同时 Modem、BUC 等设备集成在室外终端,只需连接电源(或使用太阳能)就能通过 Wi-Fi 形成互联网接入热点。

 

六、结束语

 

从 1965 年世界第一颗实用静止轨道通信卫星国际通信卫星 1 号星开始服役至今,卫星通信因其特殊的应用场景、独一无二的覆盖优势,已经持续发展了 53 个年头,远远超过光通信、移动通信等当前的主流通信手段。然而卫星通信也需紧跟通信和信息业务发展的潮流,不断变革、持续创新,方可在通信市场上留得一席之地。

 

卫星通信从“能用”到“好用”的发展,首先应抓住卫星通信“全球覆盖”的独特优势,深耕广播通信、对地观测、遥感、导航、航海、航天、应急救援等垂直领域,采用“通信手段 业务平台”相结合的模式,巩固行业市场。其次应改变卫星通信“带宽受限、价格昂贵”的劣势,大力发展大容量、高速率的高通量卫星和低轨宽带星座,降低应用成本,拓宽互联网应用市场。最后,卫星通信应与地面通信手段相融合,在覆盖、可靠性及灵活性方面对地面移动通信进行补充,协同打造连通空、天、地、海多维空间的泛在网络。

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