逐鹿新基建，且说互联网、移动互联网和卫星互联网三国演义
互联网、移动互联网和卫星互联网发展简史
——新基建启动时刻的思索
文 | 沈永言（中国卫通集团股份有限公司）
今天，互联网家喻户晓，移动互联网如日中天，而卫星互联网也在冉冉升起。这些网络就像同交通、电力、燃气、自来水等一样，都是人类社会不可或缺的基础设施。如果说早先基础设施传递的是物质和能量，那么互联网、移动互联网和卫星互联网等传递的则是信息，所以它们被称为信息基础设施。与物质和能量不同，信息具有天然的渗透性、知识性和智能型，其生产、传递的边际成本要远小于物质和能量，因此，它对人类社会发展的推动作用要远大于物质和能量。
在我国为应对新冠疫情对全球经济的影响而启动的新基建中，5G、物联网、工业互联网、卫星互联网等信息基础设施，以及与其相关的智能交通、智慧能源等基础设施都成为主要的建设内容。卫星互联网被列入新基建范围让我国卫星通信业内人兴奋不已，整个行业似乎突然有了一种翻身做主人的感觉。毫无疑问，卫星互联网被列入新基建范围对我国卫星通信的发展是个大好事。此时此刻，要知道新基建的内容从何而来，就有必要回顾一下互联网、移动互联网卫星互联网的发展简史。因为，温故而知新。
说到互联网，不得不望文生义。互联网起源于美国，其英文名字叫Internet，它最初曾被我国音译成因特网。从字面上看，Internet是由Inter和net组合而成，表示相互连接起来的网络。互联网始于1969年美国ARPA（国防部研究计划署）启动的用于军事通信目的的网络互连研究项目，连接的对象主要的计算机。在那个年代，PSTN（公用电话网）、X.25（公用数据网）和DDN（公用数字数据网）以及IBM的DEC等公司的专网等都是服务于特定领域的业务网络，彼此异构，不能互通。ARPA网络互联研究项目计划开发出一套以TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）为核心的协议族，其目的是将各种异构网络相互连接起来，实现计算机之间的互联互通。所以，初期的互联网又叫计算机网。
TCP/IP是从ISO（国际标准化组织）的OSI（开放系统互连）七层协议简化而来的，共分物理、链路、网络、传送和应用五个层次。物理层是实现信号在各种介质上的传输，信道编码和调制解调是其中的主要技术；链路层实现网络节点之间的点到点传输，同步、纠错是其中的主要技术；网络层实现数据包在从信源到信宿的投递，路由选择和交换是其中的主要技术；传送层实现端到端的会话和确认；应用层为各种应用提供接口和界面。IP和TCP分别对应于网络和传送层，其中IP又是互联网协议族的中枢。
互联网中的节点就是大家所熟知的路由器，它用IP协议将各种异构网络连接在一起。终端用户数据被封装成统一格式的IP数据包，其中包括全球唯一的IP地址。IP数据包封装在各种网络协议之上，由路由器来进行数据包的路由选择和接力传递，这个过程被形象地称为IPover everything，这个everything指的是各种异构网络。
图1互联网协议族和系统模型
早期，路由器不得不处理各种网络协议，如X.25、FrameRelay、ISDN（综合业务数字网络）和ATM（异步传输模式）等。因为使用的人不多，处理的数据量不大，一般的路由器可以得心应手。1993年，美国克林顿政府提出国家信息基础设施（NII）或信息高速公路计划，人们对信息网络重要性的认识得到空前的提高。互联网因为其强大的开放性和包容性脱颖而出，很快超越了电信行业精心设计的ISDN和ATM等网络。基于HTML（超文本标记语言）的WWW（万维网）的流行、语音和视频的分组化和IP包化传输丰富了互联网的应用，也使得网上的数据量呈现指数增长，这对互联网原有的数据传输和交换模式都形成了巨大的冲击。
为了应对以上冲击，互联网有三个重要的解决之道。一是用在大容量SDH（同步数字体系）光纤网络之上运行PPP（点对点协议），来在骨干、汇聚和接入层取代各种低速的业务网络，二是在路由器中引入MPLS（多协议标记交换）等技术来提高数据的处理速度。根据应用场景和业务处理能力的不同，路由器响应地分为骨干、汇聚和接入路由。此外，还有家庭路由器。三是对各种应用数据划分优先级，对话音等应用提供电信级的服务。此外，在互联网商业化过程中，网络接入技术也是前仆后继，基于电话双绞铜线的xDSL（数字用户线路）、基于有线电视电缆的DOCSIS（有线电缆数据服务接口规范）都发挥过重要的支撑作用，但最终都被WiFi（无线保真）无线网络和各种PON（无源光网络）光纤网络所取代。
至此，互联网完成了华丽的转身，它不再寄人篱下，而是自立门户，并且在三网融合中实现对电话网和有线电视网的整合。今天人们习以为常的IP电话、IPTV和OTTTV就是三网融合的典型产物。它们在应用形式上像电话网、电视网，但是网络结构却是互联网。这个结果被人们形象地成为EverythingoverIP，这里的Everything指的是各种内容和应用。今天国外的Facebook、Google和Twitter以及国内的百度、阿里和腾讯等所谓互联网公司实际都是在从事互联网应用，如电子商务、社交网络等，而物理意义上的互联网则主要掌握在电信运营商手里。
应该说，尽管无线、微波传输也曾发挥一定的作用，但互联网最初主要是在有线网络之上发展起来的。互联网的目标在于网络互联，实现全世界的计算机联合起来，移动网络的目标在于实现随时随地通信。从上个世纪七十年到现在，移动通信基本上每隔十年就更新换代一次。如果说，最初的1G是模拟话音移动通信系统，与互联网没有关联，那么，从2G数字通信开始，移动通信的每一步发展都受到互联网的强大影响，并且最终成为互联网的重要组成部分和应用形式，而且大有后来居上势头。
移动通信逐步融入互联网、发展成为移动互联网是在2G和3G时期完成过渡的，其起点是2G时期的GPRS（通用分组无线业务）。GPRS是在GSM网络话音电路交换基础上引入的无线分组交换技术，以提供端到端的、广域的无线IP连接和数据传输。GPRS是GSM网络向3G过渡的2.5G技术，它实现了移动通信与互联网的对接，其理论带宽可达171.2Kbps，实际大约在40~100Kbps。在GPRS之上，WAP（无线应用协议）把互联网上的HTML数据转换成用简单的WML（无线标记语言）格式，以适应当时网速和手机智能化程度都受限的应用场景。
进入3G时代后，为了满足苹果之类智能手机和各种增值应用带来的带宽增长需要，比GPRS速率更高的HSDPA（高速下行分组接入）和HSUPA（高速上行分组接入）及其加强版HSPA+等技术开始陆续登场。HSPA+的上行速率达5.76Mbps，下行速率达21Mbps或28Mbps。
图2 2G和3G时期移动互联网的演技过程
与2G、3G通过电路和分组域来分别传输话音和数据不同，4G彻底取消了电路域，用统一的分组域来承载所有的业务，它通过IMS（IP多媒体子系统）来处理话音等实时性的业务，VoLTE（长期演进语音承载）就是一个在IP之上传输话音的标准。可见，4G让移动通信脱胎换骨，变成了真正的移动互联网。进入5G移动互联网阶段，其应用领域已从普通互联网应用扩展到物联网、车联网和工业互联网。不仅如此，5G还实现了物联网、云计算、大数据和区块链技术的系统整合，使得整个社会走向人工智能时代。人工智能时代的互联网更像人的大脑，它有听觉、视觉、触觉，可以分析、计算、存储、判断，最终可能会有自我意识。
图3 5G阶段互联网的智能特征
虽然地面互联网已非常发达，但它仅覆盖地球陆地面积的20%、地球表面的5.8%。要真正实现5G的万物互联和随遇接入愿景，还需要借助可以真正全球覆盖的卫星互联网。
应该说，卫星通信网络的互联网化早在2000年之前就已开始，其中，VSAT网络与DVB-S（数字视频广播—卫星）、DVB－RCS（数字视频广播—卫星回传信道）等标准的结合是关键的一环。DVB-S原来是ETSI（欧洲电信标准协会）开发的一套用于卫星数字视频广播的技术标准，包含信源编码以及信道编码和调制。后来，随着卫星信道编码和调制技术的进步，ETSI又先后提出DVB-S2和DVB-S2X标准，其周期恰好也是十年。DVB－RCS是ETSI为了满足卫星宽带通信的发展需要而提出的回传信道标准。DVB-S系列和DVB－RCS标准得到全球VSAT网络设备主流厂商的共同支持，这使得全球VSAT网络有了共同的开放标准，从而为卫星通信网络的IP化和卫星互联网的发展奠定了坚实的基础。
在基于DVB-S系列和DVB－RCS标准的卫星互联网前向信道中，IP数据包采用MPE（多协议封装）进行分段，然后装入到MPEG2-TS（传输流）包中。反向信道的IP数据包可以采用ATM或MPE来分装，然后装入到MPEG2-TS。最初，这类卫星互联网的前向信道速率可达45Mbps，反向信道速率可达2Mbps。随着大容量HTS（高通量卫星）和更高效率信道编码调制技术的推出，前向信道和反向信道速率都得到十倍以上的提升，它们充分满足了消费者宽带接入、移动平台接入、基站中继、内容投递等应用的带宽需求。
图4卫星互联网的应用场景
目前，卫星互联网主要是以HTS的形式出现，它们共有GEO（高轨）、MEO（中轨）和LEO（低轨）三种形式。其中GEOHTS系统传输时延较长，高纬度地区覆盖能力较弱，但系统结构简单，可以广域覆盖，适合机载通信、海事通信、消费者宽带接入、视频广播和内容投递之类应用；LEOHTS复杂一些，但时延较短，可以实现全球无缝覆盖，适用于基站中继、物联网等低时延类应用；MEOHTS则介于前面两者之间。在GEO卫星方面，北美Viasat公司Viasat-2和Hughes公司Jupiter-2两颗在轨HTS的容量分别达到300Gbps和220Gbps，在建的Viasat-3和Jupiter-3容量将分别达到1Tbps和500Gbps，而传统通信卫星容量只有1Gbps左右。在MEO星座方面，SES公司旗下的O3b目前在轨20颗，主要应用是中继和回传。2017年11月，O3b计划新增30颗卫星。在LEO星座方面，SpaceXLEO星座一马当先，最终计划发射4.2万颗卫星。目前，SpaceX已经通过一箭60星技术完成七次发射，当卫星数量达到800颗就可具备初步的服务能力。值得一提的是，DVB-S系列和DVB－RCS标准主要适用于GEO卫星。对于MEO和LEO卫星，由于信道特性的改变，通常需要更合适的空口标准和协议，但是VSAT网络方面大同小异。
卫星互联网是互联网，尤其是移动互联网的自然延伸。为了促进卫星互联网与5G的融合，ITU、3GPP、SaT5G（卫星5G联盟）和CBA（C波段联盟）等国际标准化组织都在开展相关研究工作。在2019欧洲网络与通信大会（EuCNC2019）上，SaT5G进行了一系列卫星5G演示：
1）利用卫星和地面网络的MEC（移动边缘计算）：比特率自适应、链路选择、增强视频流传输；
2）基于卫星组播技术的视频缓存和实况内容分发；
3）基于MEO卫星的航空机载通信；
4）利用混合回传网络和MEC的5G本地内容缓存；
5）卫星网络5G视频演示；
6)面向农村市场和大型集会事件扩展服务的混合5G基站中继。其中，机载通信和农村宽带最具吸引力。
2019年5月，Telesat、英国萨里大学与比利时Newtec联合进行了LEO卫星5G回传测试，往返时延为18-40毫秒，主要应用包括8K流媒体传输、网页浏览和视频通信。这些试验成果表明，卫星互联网与5G已经实现全面的融合。卫星互联网将为互联网和移动互联网展现广阔的发展空间，在普遍服务方面发挥独特作用，让人类所有成员享受上网和信息服务的基本权利。
互联网、移动互联网和卫星互联网的发展历程是人类信息通信应用不断丰富、活动范围不断扩大的过程，或者说是从固定到移动、从地面到海空、从网络到信息、从应用到智能不断升华的过程。其中，互联网实现了三网融合，移动网络基本实现了随遇接入和万物互联，卫星互联网实现了空天地海全球覆盖。如果说卫星互联网和5G的融合还仅仅停留在通信范围，那么在即将到来的6G中，卫星互联网、卫星导航、卫星遥感都将会大显身手。
在信息网络天地一体化时代，互联网、移动互联网、卫星互联网以及卫星导航和卫星遥感的全面发展和相互融合才能构建完整的国家信息基础设施，才能真正实现网络强国和航天强国，这正是我国开展天地一体化信息网络重大工程建设，并在新基建中启动卫星互联网建设的意义所在。
值得注意的是，互联网和移动互联网之所以蓬勃发展、深入人心，主要得益于技术、网络和市场等方面的开放性。在未来的天地一体信息基础设施中，卫星互联网以及卫星导航和卫星遥感能有多大规模的发展同样依赖于技术、网络和市场方面的开放性。