5G时代卫星通信的生存法则
5G时代卫星通信的生存法则
文 | 沈永言
在当今信息网络中，卫星通信、地面光纤通信和移动通信可谓三剑客，它们三足鼎立、三分天下。与地面光纤通信主要用于骨干传输和固定接入、地面移动通信主要用于移动接入相比，卫星通信可以应用于骨干传输、固定接入、移动接入、企业联网、电视广播、应急通信、军事通信等多种场景，在军、民、商等各个领域都占有不可或缺的地位。看起来，卫星通信更像个全能选手，十八般武艺没有它玩不转的。实际也的确如此，它的这些能耐来源于它的广覆盖、远连接、能移动这三大天然特性。
不过，由于卫星通信在频轨资源、制造和发射成本方面受到一定的局限，而地面光纤通信和移动通信在容量和性价比方面取得了更大的成就，因此，卫星通信早期在骨干传输方面受到地面光纤通信的替代，后期在移动接入方面受到地面移动通信的挑战。同样作为无线通信技术，地面移动通信对卫星通信的影响更大。3G之后，地面移动通信的传输速率越来越高，功能越来越强大。
特别是5G同时覆盖高带宽、大连接、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、车联网等所有业务的架势。毫无疑问，相比以往的移动通信系统，5G的高带宽将更适合于新闻采集、视频广播、在线直播等业务，会进一步推动移动网络上IPTV和OTT TV的发展，这将对卫星视频分发、卫星电视直播产生直接的冲击。
不过，人们也不要过于担心5G移动通信对卫星通信的冲击，因为5G“随遇接入、万物互联”愿景的实现还需要可以全球无缝覆盖的卫星通信这个“同胞兄弟”出手相助。目前ITU、3GPP和SaT5G等标准化组织无一不在从事卫星通信和5G的融合研究。比如，5G数目众多的远程基站有的需要卫星通信来回传业务流量，5G广播也可能需要卫星通信来提供内容投递。
此外，还有机载和船载通信等。也就是说，卫星通信与地面移动通信是相生相克的关系。尽管如此，卫星通信必须要正视5G时代的到来，因为5G的的确确在与卫星通信争频率、抢业务。卫星通信要持续生存、发展下去，就必须使出浑身解数来为自己创造市场。因为，技术是为市场存在的，企业是为客户存在的。
带宽容量是衡量所有信息网络性能的最基本指标，是它们克敌制胜的首要武艺。面对高清/超高清视频、社交网络等应用带宽需求的日益增长，信息网络必须不断提高网络带宽。就卫星通信来讲，信道编码效率基本接近极限水平，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。
目前，各种HTS都在通过这种路径来扩大带宽。Viasat在建的GEO HTS——Viasat－3容量达到1Tbps，这几乎是常规卫星容量的1千倍。Hughes和Eutelsat公司分别在建Jupiter－3、KONNECT容量也达到500Gbps。这三大VHTS（超级HTS）都将在2021年发射。HTS容量的迅速提升使得GEO HTS的单位Gbps制造成本降至百万美元以下，从而在服务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，卫星通信在信息网络中的吸引力将会得到有力的提高。
为了进一步扩大卫星通信容量，在充分利用多点波束和频分复用技术的同时，Ka之上的频率资源更为丰富的Q、V频段已经开始进入商用。
2016年3月，Eutelsat率先在Eutelsat 65 West A卫星上使用Q频段。SpaceX、O3b、Boeing、Amazon以及国内相关单位的星座系统都有V频段的使用计划，而欧美等国已开始进行频率更高的W频段的研究工作。
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，空间激光通信的带宽更大、抗干扰能力更强。经过多年来美欧、日本等的一系列研究，目前卫星激光通信开始进入实用阶段。
2019年2月，欧洲Airbus公司与日本SKY Perfect JSAT公司签订了合作协议，旨在共同开展激光数据中继卫星业务。SpaceX、Telesat以及国内相关星座系统都有卫星激光通信计划。我国2019年底发射的“实践20卫星”上同时开展Q、V和激光通信传输试验，其中星地激光通信传输速率达到10Gbps的国际先进水平。
此外，特性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，理论传输速度可达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。
成本是任何企业在市场竞争中获取优势地位的杀手锏，这样的案例在家电、通信、计算行业比比皆是，卫星通信行业亦不例外。这轮全球LEO星座热潮兴起的重要原因之一就是卫星制造和发射成本得到大幅降低。
在小卫星批量制造方面，卫星制造公司开始使用非航天级别的COTS（商业现货）组件，利用3D打印、模块化设计、即插即用、智能装配、大数据、机器人、增强现实等成熟技术，采用与飞机和汽车生产相似的流水线组装方式，从而可以每天生产数颗卫星，并将单颗LEO HTS的制造成本降到百万美元以下。
马斯克领导的SpaceX公司凭借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星发射和火箭回收再利用等独门绝技，将OneWeb这个强大对手挑下马来。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技术创新和成本控制方面的非凡功夫。
在卫星成本控制方面的明星企业，除了马斯克麾下的SpaceX，还有ABS公司前CEO Tom Choi新组建Saturn（土星）卫星公司。如果说马斯克的SpaceX更擅长卫星制造和发射，目标是抢占LEO卫星互联网市场，那么，Tom Choi的Saturn则更懂卫星通信用户需求和系统实现，志在争夺GEO卫星通信市场。Saturn致力于低成本的小型GEO卫星制造。通过全数字有效载荷等技术的应用，Saturn成功将85Gbps的Ka频段HTS成本降到约为8500万美元。
Tom Choi对LEO的冷静和对GEO的坚持态度正在被OneWeb的财务危机和GEO市场的回暖所印证。可见，卫星制造发射成本控制既来自于技术、产品和商业模式创新，更来源于市场机制和企业家精神发挥。
信息网络市场需求千变万化，这必然要求信息网络具有一定的弹性和智能来应对。5G中的SDN、NFV和切片等技术，通信卫星中的数字载荷和软件定义都是具体的解决之道。基于数字载荷和软件定义技术的灵活卫星可根据应用需求的变化，对卫星的覆盖、连接、带宽、频率、功率和路由等性能进行动态调整和功能重构。
根据Euroconsult的统计，目前全球一半左右的HTS卫星带有灵活性载荷，其中覆盖灵活性占35%，连接、带宽和频率灵活性各占15%，功率占9%。覆盖灵活性的重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。连接灵活性的重要应用形式是DTP（数字透明处理器），它可在不同波束之间建立连接，从而解决一般HTS星状结构带来的双跳通信影响。
这一技术在Intelsat EPIC系统得到充分运用，它无需要求用户更换终端就可以直接接入HTS网络。带宽灵活性的重要应用形式是跳波束（Beam Hopping），它通过时分技术，将有限的带宽资源在不同波束之间动态分配，从而有效解决多点波束带来的HTS资源碎片化和不同波束之间的业务忙闲不均问题，提高HTS带宽资源的利用率，其典型应用案例是Eutelsat- Quantum（欧卫量子）卫星。Eutelsat Quantum号称全球首颗真正意义上的灵活性卫星，该星由Airbus公司建造，可通过软件定义调整覆盖、频率和功率。
在天地一体化的卫星互联网时代，不仅需要通过数字载荷和软件定义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和云化技术来实现智能化，并积极融于基站回传、IP中继、移动平台接入、混合网络和物联网等5G应用生态之中。5G的新颖之处在于它标准化了服务编排。共享5G协议的卫星运营商和服务提供商可以使用标准化程序，来配置和管理多种类型的服务，从而提高卫星通信网络的市场适应能力。
由于经济规模的原因，卫星通信是一个相对封闭的行业。不同卫星通信网络在终端层面很难直接互通。DVB标准的采用改善了卫星通信网络的开放性，但是不同系统相互独立的局面短时很难彻底改变。卫星通信与地面通信网络的发展进程不太同步。卫星互联网启动的时候，5G已经商用。等到6G商用的时候，卫星互联网估计也已经定型。因此，卫星与地面网络的一体化设计只能是个理想。卫星通信网络与地面通信网络的融合应用主要还是通过网关互联，特别是终端聚合来实现。
在即将到来的高中低轨卫星互联网并存以及5G与卫星融合时代，在连接方面，需要通过小尺寸、低功耗、快响应的电调平板天线来在不同频段之间、不同卫星之间和卫星通信与地面通信网络之间进行快速切换，以保持通信连接的畅通无阻。在应用方面，还需要通过移动边缘计算技术来实现路由选择、速率适配、内容存储、数据分析、系统控制等终端应用管理工作。
近年来，电调平板天线商用化水平一直在不断提高。在EuCNC2019（2019欧洲网络与通信大会）上，移动边缘计算已经在SaT5G联盟进行的一系列卫星5G演示中得到应用。
除了电调平板天线和移动边缘计算技术，还需要具有局域或区域覆盖能力的无线网络与卫星通信网络对接，来真正实现随遇接入、无缝覆盖，并分摊用户使用成本。在Saturn公司之前，Tom Choi先创立了低成本、高能效的宽带无线平台Curvalux。Curvalux其使用固定的多波束相控阵天线，与传统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）展期间，Saturn公司向美国客户展示了Curvalux的技术，距离发射塔800米的智能手机下载速度达到了400Mbps。通过Wi-Fi接入点，从5公里外传输数据速度可达100Mbps。链路预算显示，最远传输可达15公里，甚至30公里。
面对传统卫星通信市场的发展瓶颈，各大卫星运营商可谓八仙过海，各显神通，积极扩展市场。Intelsat投资于OneWeb，分享市场资源，共同应对频率干扰。现在后来因种种原因，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利用自身GEO卫星和卫星中继通信技术，为一家LEO星座运营商提供全球天候的卫星测控、任务控制和故障查找等资产运行和管理服务。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机会，来开创新的发展局面。
卫星通信是国家信息基础设施的重要组成部分，它同时隶属于航天产业和信息产业，其战略地位十分突出。在航天产业中，卫星通信的产业化程度最高，其中，商业化发展卫星通信提供了强大的推动力量。尽管如此，政府政策上的扶持也是极为重要的因素。以SpaceX为例，今天它在卫星制造和发射的一马当先与其发展过程中美国政府在资金、技术、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合同，自此，SpaceX成为全球仅有的承担国家航天发射任务的私营企业。2015年，美国国防部授予SpaceX军用卫星发射许可证书，并将某些军用发射场和基地提供给SpaceX用于发射猎鹰火箭。美国军方鼓励退役军人在保密前提下，转换角色，重新进入企业，承担咨询或研制任务，以此促进人才的流动，为提升企业的实力提供人才保证。SpaceX军负责政府销售的副总裁曾是美国空军官员。
在火箭发动机技术上，美国NASA向SpaceX派驻技术人员并转让专利，开放阿波罗计划的部分技术，提供火箭发动机试车测试台，帮助SpaceX发展猎鹰火箭关键技术，并开放风动实验设施，以充分利用。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业务补贴资金竞争机会。历史上，ViaSat就曾获得过类似的农村宽带业务补贴资金支持。可见，SpaceX、ViaSat的成功都不是一种偶然，获得充分的市场哺育是它们取得成功的关键因素。
当前，我国正处于卫星互联网建设、卫星通信产业化和国际化发展的关键时期。我国卫星通信产业面临卫星和地面设备技术相对落后以及市场受限双重困境，而后者尤为严重。我们知道，对于传统卫星通信市场而言，最大的需求来自于卫星电视直播。截止2018年底，全球卫星行业总产值为2774亿美元（美国占43%），其中通信为主的卫星服务业为1265亿美元，卫星直播电视为942亿美元，可见其地位之高。
而我国卫星直播电视还处于公益服务阶段，不仅没有商业收入，而且每年国家还需要提供财政资助。对于新兴的卫星互联网市场而言，最大需求来自于消费者宽带接入。在国家宽带普遍服务计划中，上千亿的资金基本上都用于地面光纤和移动通信系统的建设，目前98%的行政村都实现了光纤和移动通信网络连接。
图1 传统通信卫星和HTS带宽需求结构
目前，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巨大，且各地开展区域卫星直播电视的意愿也非常强烈。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常可观。如果这个两个市场能同时开放，无疑成为我国卫星通信产业化发展的双翼。
技术应用、商业模式、产业政策和市场需求都是卫星通信产业发展的强大动力，其中市场需求具有决定性的影响。卫星通信产业的持续发展，需要卫星制造商和运营商在网络容量、通信成本、系统智能、星地融合、模式创新、政策扶持等方面同时发力，以做大市场规模，实现良性循环发展。
目前，我国卫星通信产业最大的瓶颈在市场受限。市场受限的主要原因是卫星直播电视和消费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。从信息服务产业的客观规律看，IPTV、OTT TV取代地面有线电视将是必然的结果。而卫星直播电视由于具有信息传播的广域性、等时性、高效性、可靠性，本将可以长期存在下去。
就消费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成本效益权衡。地面光纤传输的成本是线性增长的，用户越是遥远、分散，成本越高，而卫星传输与距离无关，广域覆盖、远程通信是其天然的优势。
因此，我国卫星通信行业需要突破卫星直播电视和消费者宽带接入的政策壁垒，才能将国内市场做大、做强，进而才能有资格参与竞争更为激烈的国际市场的角逐，这是5G时代卫星通信行业不可回避的生存法则。