全球高通量衛(wèi)星發(fā)展概況及應(yīng)用前景

沈永言（中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司）

全球高通量衛(wèi)星發(fā)展概況及應(yīng)用前景

沈永言（中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司）

多媒體化、泛在化、寬帶化是信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基本趨勢(shì)。為了適應(yīng)寬帶化發(fā)展的時(shí)代要求，光纖通信出現(xiàn)了密集波分復(fù)用（DWDM）、光傳送網(wǎng)絡(luò)（OTN）、無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)，地面移動(dòng)通信出現(xiàn)了3G系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）和4G、5G進(jìn)步，而衛(wèi)星通信則出現(xiàn)了高通量衛(wèi)星（HTS）。

寬帶已經(jīng)成為與水電路同等重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略，我國(guó)也于2013年開始實(shí)施“寬帶中國(guó)”計(jì)劃。衛(wèi)星通信在信息網(wǎng)絡(luò)中舉足輕重，為此，我國(guó)正在研制中星-16 高通量衛(wèi)星。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)衛(wèi)星通信仍然落后。所以，跟蹤研究全球高通量衛(wèi)星的發(fā)展情況、探索國(guó)內(nèi)的應(yīng)用前景，應(yīng)該成為我國(guó)寬帶發(fā)展過(guò)程中的重要議題。

高通量衛(wèi)星的帶寬需求和收入結(jié)構(gòu)

1　全球高通量衛(wèi)星的發(fā)展情況

開發(fā)利用新頻率資源、提高頻率使用效率是任何通信系統(tǒng)擴(kuò)展帶寬容量的基本方式。與C、Ku頻段相比，Ka頻段頻率資源更加豐富，而多點(diǎn)波束則可以數(shù)十倍地提高了頻率利用效率，兩者結(jié)合使得高通量衛(wèi)星容量得以百倍地增加。

基于高通量衛(wèi)星、新一代甚小孔徑終端（VSAT）和IP技術(shù)的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸能力接近4G水平，體系結(jié)構(gòu)方面與地面互聯(lián)網(wǎng)高度兼容，在寬帶接入、基站中繼、機(jī)載/船載/車載移動(dòng)通信、企業(yè)聯(lián)網(wǎng)、視頻分發(fā)與采集等方面得到廣泛應(yīng)用。

市場(chǎng)規(guī)模顯著增長(zhǎng)，收入比重并不對(duì)稱

歐洲咨詢公司（Euroconsult）預(yù)測(cè)，2013年高通量衛(wèi)星占全球總衛(wèi)星帶寬容量需求的17%，到2023年占比將增長(zhǎng)到將近50%。北方天空研究公司（NSR）預(yù)計(jì)，到2022年全球高通量衛(wèi)星總供應(yīng)容量將超過(guò)2.3Tbit/s，總需求容量超過(guò)1Tbit/s。其中，靜止軌道高通量衛(wèi)星超過(guò)900Gbit/s,O3b等中軌道高通量衛(wèi)星將達(dá)到100Gbit/s。在這1Tbit/s以上的高通量衛(wèi)星總?cè)萘啃枨笾?，寬帶接入?3%；基站中繼、IP中繼、VSAT聯(lián)網(wǎng)為168Gbit/s；各類移動(dòng)應(yīng)用為140Gbit/s。

到2023年，雖然高通量衛(wèi)星總帶寬需求將與一般通信衛(wèi)星平分秋色，但在188億美元的總收入中僅占32%。這主要是由高通量衛(wèi)星的帶寬定價(jià)和出租率相對(duì)較低等原因引起的，而出租率低又源于各個(gè)點(diǎn)波束中業(yè)務(wù)分布不均，制約了帶寬利用率的提高。在有限的收入中，各種應(yīng)用所占比重相對(duì)平均。盡管寬帶接入在帶寬需求中一枝獨(dú)秀，但其收入貢獻(xiàn)并不明顯。這是由于家庭用戶帶寬占用多，而每用戶平均收入（ARPU）值又相對(duì)較低決定的。

全球20家固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商的高通量衛(wèi)星發(fā)展情況

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)全球覆蓋，美歐地區(qū)保持領(lǐng)先

歐洲咨詢公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，到2013年底，全球有20家固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）運(yùn)營(yíng)商投資于高通量衛(wèi)星或載荷。其中，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的有11家，另外9家在今后4年時(shí)間里陸續(xù)發(fā)射其首顆高通量衛(wèi)星或載荷。

不同地區(qū)高通量衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)和部分國(guó)家的寬帶衛(wèi)星通信消費(fèi)能力

在今后幾年里，高通量衛(wèi)星服務(wù)將實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但市場(chǎng)重心仍在美歐。例如，美國(guó)的休斯公司和衛(wèi)訊公司已分別發(fā)展了100萬(wàn)和60萬(wàn)以上的寬帶用戶，并且都將在2016年發(fā)射各自更為先進(jìn)的高通量衛(wèi)星，而歐洲通信衛(wèi)星公司、SES公司等也分別擁有10萬(wàn)以上的寬帶用戶。與一般衛(wèi)星通信相比，高通量衛(wèi)星在不同地區(qū)的發(fā)展水平差異很大，主要原因在于，不同地區(qū)的科技、生產(chǎn)力和消費(fèi)水平參差不齊，發(fā)展中國(guó)家的衛(wèi)星寬帶通信消費(fèi)能力較低，而建設(shè)成本相對(duì)較高。

寬帶接入地位突出，普遍服務(wù)有待扶持

衛(wèi)星寬帶通信在完善寬帶基礎(chǔ)設(shè)施、消除數(shù)字鴻溝、保證社會(huì)均衡發(fā)展方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這就決定了寬帶接入正成為高通量衛(wèi)星最主要的應(yīng)用方向。目前，越來(lái)越多的國(guó)家將寬帶衛(wèi)星通信納入普遍服務(wù)提供計(jì)劃之中。歐洲咨詢公司預(yù)測(cè)，全球衛(wèi)星寬帶接入用戶數(shù)量從2013年的225萬(wàn)將增長(zhǎng)到2023年的880萬(wàn)戶，這些用戶將主要由高通量衛(wèi)星來(lái)提供服務(wù)。

由于技術(shù)原因，與地面寬帶相比，衛(wèi)星寬帶通信服務(wù)和終端設(shè)備的性價(jià)比都存在一定的差距，因此許多國(guó)家都為寬帶衛(wèi)星通信提供不同程度的資金支持。例如，2009年美國(guó)政府通過(guò)“美國(guó)復(fù)蘇和再投資法案”為家庭寬帶接入提供了1億美元的“一攬子”支持，高通量衛(wèi)星由此獲得了10萬(wàn)個(gè)美國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶；歐洲通信衛(wèi)星公司受益于“英國(guó)農(nóng)村資助鏈接計(jì)劃”，從而為德文郡等地區(qū)1千個(gè)家庭提供寬帶接入服務(wù)；西班牙衛(wèi)星公司為政府發(fā)起的Avanza I 和Avanza II計(jì)劃部署了4000個(gè)VSAT終端；2009年澳大利亞啟動(dòng)了總投資達(dá)620億美元（后調(diào)整為410億）的國(guó)家寬帶網(wǎng)絡(luò)（NBN）計(jì)劃，為其境內(nèi)的家庭和企業(yè)提供寬帶服務(wù)。其中，3%的用戶將由衛(wèi)星寬帶通信來(lái)提供。發(fā)達(dá)國(guó)家尚且如此，對(duì)于終端設(shè)備采購(gòu)、安裝等成本較高，而用戶支付能力較低的發(fā)展中國(guó)家來(lái)講，要開發(fā)利用衛(wèi)星寬帶通信，就更需要得到政府的資助。歐洲咨詢公司認(rèn)為，這些國(guó)家的服務(wù)價(jià)格應(yīng)低于20美元/月，這與高通量衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商可承受的價(jià)格之間存在明顯缺口。

基站中繼舉足輕重，亞洲地區(qū)潛力較大

衛(wèi)星通信在遠(yuǎn)程連接方面的天然優(yōu)勢(shì)、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)于普遍服務(wù)所承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任以及對(duì)市場(chǎng)范圍的拓展要求，這些因素共同決定了基站中繼是衛(wèi)星寬帶通信的重要應(yīng)用領(lǐng)域。全球移動(dòng)通信從2G向3G、4G的進(jìn)步必然要求采用帶寬容量更大、中繼能力更強(qiáng)的高通量衛(wèi)星，低功率的小蜂窩中繼將是熱點(diǎn)之一。歐洲咨詢公司認(rèn)為，衛(wèi)星基站中繼數(shù)量占全球基站總數(shù)的0.5%～1%。

2013年可謂全球高通量衛(wèi)星基站中繼應(yīng)用元年。歐洲咨詢公司發(fā)現(xiàn)，高通量衛(wèi)星基站中繼和IP中繼帶寬需求達(dá)到了4.6Gbit/s,而2012年僅為4.2Gbit/s。由于地理環(huán)境等方面的原因，與寬帶接入情況相反，發(fā)展中國(guó)家的衛(wèi)星基站中繼需求更大。北方天空研究公司認(rèn)為，在全球基站中繼市場(chǎng)中，亞洲地區(qū)所占份額最大，將占全球總量的1/4。

目前，亞洲地區(qū)高通量衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商主要是“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”（iPStar）。2013年初，“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”與中國(guó)電信衛(wèi)星和中國(guó)香港協(xié)同通信公司建立合作關(guān)系，由后者代理銷售“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”在中國(guó)市場(chǎng)的11 Gbit/s衛(wèi)星容量（占衛(wèi)星總?cè)萘康?4%），主要業(yè)務(wù)為基站和IP中繼以及企業(yè)聯(lián)網(wǎng)。在日本，“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”有4家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商客戶—軟銀（SoftBank）公司、KDDI公司、電信溝通無(wú)界限（NTT Docomo）公司、電郵移動(dòng)（EMobile）公司。其中，軟銀公司一家使用的容量達(dá)2Gbit/s，而其余3家共為0.5Gbit/s。

除了“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議星”，從2 0 1 3年開始，O3b、休斯、國(guó)際通信衛(wèi)星公司、國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司（INMARSAT）等公司也在積極開拓基于高通量衛(wèi)星的LTE和4G基站中繼市場(chǎng)。O3b將目標(biāo)市場(chǎng)鎖定在亞太、拉美、非洲等地區(qū)，應(yīng)用主要定位于基站和IP中繼。2014年，O3b成功發(fā)射了8顆中軌道衛(wèi)星，已與東帝汶、馬來(lái)西亞、巴基斯坦、索馬里、密克羅尼西亞群島等國(guó)家和地區(qū)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商簽署了預(yù)售合同。

移動(dòng)通信風(fēng)生水起，機(jī)載寬帶商家必爭(zhēng)

“動(dòng)中通”終端天線技術(shù)的成熟為飛機(jī)、船舶、列車、汽車等移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)通信衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)提供有效的途徑，其中，以機(jī)載移動(dòng)通信對(duì)通信衛(wèi)星的依賴程度最大、帶寬需求最多。

自從2008年美航率先采用Ku衛(wèi)星提供機(jī)載衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)以來(lái)，目前，美國(guó)2/3的民航飛機(jī)都開展了此項(xiàng)服務(wù)。2012年底，SES與Gogo公司開始合作，基于Ku衛(wèi)星為飛越北大西洋、歐洲和美洲的民航提供機(jī)載移動(dòng)通信服務(wù)。傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星容量的有限性迫使民航公司將目光轉(zhuǎn)向高通量衛(wèi)星。2013 年6月，美國(guó)衛(wèi)訊公司開始與在線電視（Live TV）公司合作，基于衛(wèi)訊-1Ka衛(wèi)星，向美國(guó)捷藍(lán)航空170架飛機(jī)和大陸航空公司200多架飛機(jī)提供寬帶服務(wù)，每個(gè)乘客的下載速度可達(dá)12Mbit/s或更高，此項(xiàng)工程將在2015年完成。此外，衛(wèi)訊公司也在與美國(guó)波音公司合作，在波音商用飛機(jī)上預(yù)裝Ka衛(wèi)星通信機(jī)載終端；還與以色列航空合作，基于歐洲“Ka頻段衛(wèi)星”，在歐洲和中東地區(qū)提供航空寬帶服務(wù)。2012年底，國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司與Gogo公司開始合作，共同開拓GX Ka衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)。2013 年1月，歐洲通信衛(wèi)星公司與在線電視公司合作，向歐洲商業(yè)航空公司的乘客提供Ka衛(wèi)星移動(dòng)服務(wù)，每架飛機(jī)的連接速度可達(dá)100Mbit/s。

2　我國(guó)高通量衛(wèi)星的應(yīng)用前景

衛(wèi)星寬帶接入可助力“寬帶中國(guó)”計(jì)劃，但運(yùn)行模式需要?jiǎng)?chuàng)新

近年來(lái)，我國(guó)寬帶通信整體進(jìn)步較快，但是城鄉(xiāng)寬帶普及率差距仍在繼續(xù)擴(kuò)大。2012年底，我國(guó)農(nóng)村寬帶人口普及率只有6.3%，僅為城市的1/3。“寬帶中國(guó)”計(jì)劃實(shí)施情況表明，由于農(nóng)村地區(qū)人口分散、環(huán)境惡劣等原因，所以普遍存在著光纜設(shè)施建設(shè)投入大、維護(hù)成本高、效益產(chǎn)出少等難題。在貴州、云南等地，為一個(gè)住戶只有10多家的小山村鋪設(shè)一根10km光纜，就需要花費(fèi)1000萬(wàn)元人民幣。假如全國(guó)有400個(gè)類似山村（4000戶），就需40億人民幣建設(shè)投資。這個(gè)數(shù)字差不多就是一顆容量100Gbit/s以上、可服務(wù)100萬(wàn)家庭用戶的高通量衛(wèi)星建設(shè)成本。

目前，我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)的貧困人口仍有8200多萬(wàn)，還有3萬(wàn)個(gè)行政村、1.8億戶沒有通寬帶。未來(lái)幾年，國(guó)家每年用于行政村地面寬帶建設(shè)的投入是40億元。這說(shuō)明高通量衛(wèi)星在消除數(shù)字鴻溝方面不可或缺。必須注意到，高通量衛(wèi)星雖然在邊遠(yuǎn)地區(qū)寬帶設(shè)施建設(shè)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，高通量衛(wèi)星在服務(wù)性價(jià)比方面仍然處于劣勢(shì)。面對(duì)城鄉(xiāng)差別巨大的現(xiàn)實(shí)國(guó)情，我國(guó)必須在消除數(shù)字鴻溝過(guò)程中大力開發(fā)利用高通量衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)發(fā)展，積極采用寬帶普遍服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商給予適當(dāng)?shù)姆龀郑詫?shí)現(xiàn)國(guó)家、企業(yè)、用戶利益上的共贏。

衛(wèi)星基站中繼不僅商用需求巨大，而且社會(huì)效益也非?？捎^

2014年底，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司4G用戶已達(dá)到8000萬(wàn)，擁有基站70萬(wàn)個(gè)。預(yù)計(jì)，2015年底前，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司將建成100萬(wàn)個(gè)4G基站，用戶總數(shù)將超過(guò)1.5億；中國(guó)聯(lián)合通信有限公司也將在143城市將建5萬(wàn)個(gè)基站。在城市4 G網(wǎng)絡(luò)部署完成之后，借助高通量衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)的基站中繼將是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的必然需求。以每個(gè)基站中繼需要20Mbit/s帶寬來(lái)保守估計(jì)，全國(guó)1000個(gè)4G基站就需要20Gbit/s的高通量衛(wèi)星帶寬需求。

衛(wèi)星基站中繼不僅僅是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的商業(yè)需求，更是它們承擔(dān)普遍服務(wù)，參與“寬帶中國(guó)”計(jì)劃的重要方式。相對(duì)于面向單個(gè)用戶的寬帶接入，面向集團(tuán)用戶的基站中繼，建設(shè)成本更低，建設(shè)速度更快，受益人群更多，社會(huì)效益更大。

機(jī)載衛(wèi)星移動(dòng)通信需求最突出，高鐵和船舶衛(wèi)星移動(dòng)通信也是亮點(diǎn)

2014年底，我國(guó)民用飛機(jī)數(shù)量為2475架，客運(yùn)3.92億人次。到2007年，將增長(zhǎng)到3381架，5.38億人次。假定每架飛機(jī)飛行時(shí)間為4h，需要30Mbit/s下載帶寬，那么屆時(shí)并飛時(shí)的高通量衛(wèi)星帶寬總需求為17Gbit/s。

2013年底，我國(guó)擁有高鐵動(dòng)車1500輛，2017年將增長(zhǎng)到1700輛。假定每動(dòng)車需要50Mbit/s的下載帶寬，同時(shí)運(yùn)行數(shù)為1/6，那么，屆時(shí)需要14Gbit/s的高通量衛(wèi)星帶寬。

與民航、高鐵市場(chǎng)相比，船舶航運(yùn)市場(chǎng)相對(duì)分散，包括海上工程船、政府公務(wù)船、科考船、航運(yùn)船、客輪與郵輪、游艇等七大類型。其中，以航運(yùn)占比最大。目前，我國(guó)沿海航運(yùn)船舶11024艘，遠(yuǎn)洋2457艘。沿海可以通過(guò)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，遠(yuǎn)洋必須借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。假定每艘船需要5Mbit/s，共需要12Gbit/s。

3　結(jié)語(yǔ)

高通量衛(wèi)星已成為衛(wèi)星通信的發(fā)展方向，它的典型應(yīng)用以寬帶接入、基站中繼、移動(dòng)通信為代表，實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域是全方位的。與Ku頻段通信衛(wèi)星可以用于直播到戶（DTH）相類似，Ka頻段的高通量衛(wèi)星也可提供高清、本地化的直播到戶。然而，這需要制度上的創(chuàng)新，與一般應(yīng)用可以按照商業(yè)規(guī)律來(lái)進(jìn)行不同，關(guān)系到民生服務(wù)、社會(huì)公平的衛(wèi)星寬帶接入則需要得到政府的適度扶持。這對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)人口眾多、環(huán)境復(fù)雜、城鄉(xiāng)差距巨大的發(fā)展中國(guó)家來(lái)講，更是如此。

我國(guó)需要將高通量衛(wèi)星作為“寬帶中國(guó)”計(jì)劃和寬帶基礎(chǔ)建設(shè)中的重要支撐來(lái)對(duì)待。因?yàn)椋挥刑斓匾惑w，才能無(wú)縫覆蓋，從而真正滿足人們隨時(shí)隨地享受信息服務(wù)的需求。直播電視（DirecTV）公司與AT&T公司的融合，休斯公司與碟網(wǎng)絡(luò)公司（DISH）的協(xié)同、衛(wèi)訊公司與碟網(wǎng)絡(luò)公司的合作、英國(guó)天空廣播公司（BskyB）的綜合服務(wù)、國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司和O3b等公司的運(yùn)營(yíng)模式都是在展示信息網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

豐富的頻率資源使得Ka頻段成為目前高通量衛(wèi)星的主要選擇，然而仍有10%的高通量衛(wèi)星在使用Ku，甚至C頻段。必須注意到，Ka軌位和頻率資源也是有限的，而帶寬需求則是無(wú)限的。因此，將帶寬貢獻(xiàn)更大的多點(diǎn)波束技術(shù)與C、Ku頻段相結(jié)合，必將是未來(lái)高通量衛(wèi)星的發(fā)展方向。國(guó)際通信衛(wèi)星公司的史詩(shī)（EPIC）平臺(tái)已經(jīng)率先應(yīng)用這種模式。此外，空中交換、高階編碼調(diào)制、移動(dòng)波束等高效的頻率資源利用技術(shù)也將是未來(lái)高通量衛(wèi)星的重要發(fā)展方向。

Development Overview and Application Outlook of World High Throughput Satellites