基于衛(wèi)星通信的WIFI應(yīng)用

呂強(qiáng) 周志成 李峰 曹桂興 張楊 （中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

1 引言

無線局域網(wǎng)（WIFI）是目前應(yīng)用最為普及的一種短程無線傳輸技術(shù)。隨著地面移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，WIFI憑借自身的優(yōu)勢逐漸得到了廣泛的認(rèn)知與認(rèn)可，甚至演變成為一種熱潮，無論是企業(yè)商務(wù)還是家庭生活娛樂都體現(xiàn)出了對WIFI與日俱增的需求。也正因?yàn)槿绱?，WIFI技術(shù)顯示出了極大的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場前景。當(dāng)前，全球支持WIFI的終端設(shè)備越來越多，但是能訪問互聯(lián)網(wǎng)的人口不足60%。盡管智能手機(jī)和平板電腦等終端設(shè)備的價(jià)格不斷下降，但是獲取互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)仍有許多限制，必須在地面不斷增加新的WIFI熱點(diǎn)，以擴(kuò)大WIFI網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域和接入能力。

衛(wèi)星WIFI系統(tǒng)

考慮到地面WIFI無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域小、布局受限、安全性低以及成本高等問題，近年來有人提出將衛(wèi)星通信與WIFI技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢，利用通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)WIFI信號的廣域覆蓋，使WIFI更廣域、更靈活地服務(wù)于更多用戶。根據(jù)WIFI技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的使用位置，可以將衛(wèi)星WIFI系統(tǒng)分為兩大類：第一類是WIFI衛(wèi)星，即利用空間段衛(wèi)星直接播發(fā)WIFI信號，終端或用戶可以直接接入衛(wèi)星，享受WIFI服務(wù)；第二類是衛(wèi)星WIFI，即以衛(wèi)星為遠(yuǎn)距離中繼傳輸?shù)氖侄位蛲ǖ?，通過在地面段衛(wèi)星終端接收數(shù)據(jù)、WIFI基站發(fā)射的方式，進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋提供WIFI服務(wù)。

美國“外聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃示意圖

對于第一類技術(shù)體制，美國在2014年初提出的“外聯(lián)網(wǎng)”（Outernet）計(jì)劃是典型的代表，該計(jì)劃使用WIFI頻段，擬在2015年發(fā)射數(shù)百顆立方體衛(wèi)星，這些衛(wèi)星面向地球持續(xù)輻射WIFI信號覆蓋世界各地，從而免費(fèi)為全球所有支持WIFI的終端提供無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。2015年1月14日，一網(wǎng)公司（OneWeb）宣布計(jì)劃投資15億～20億美元，在距離地球約1200km高的軌道上建設(shè)一個(gè)由648顆小衛(wèi)星組成的星座，向地球發(fā)送互聯(lián)網(wǎng)信號，預(yù)計(jì)2018年投入運(yùn)行，該星座可提供更快速、范圍更廣的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）也宣布，將耗時(shí)5年時(shí)間投資至少100億美元建設(shè)一個(gè)由4000顆衛(wèi)星組成的全球衛(wèi)星星座，提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

這種技術(shù)概念初看非常具有吸引力，但是仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)其存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。首先，WIFI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)初衷是適用短距離、相對靜止?fàn)顟B(tài)下的室內(nèi)高速無線通信。如果在低軌衛(wèi)星和普通手機(jī)終端之間直接進(jìn)行星地通信，受限于手機(jī)終端的接收靈敏度和立方體衛(wèi)星的體積功耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足WIFI標(biāo)準(zhǔn)所支持的最低通信速率要求。另外，星地距離帶來的長時(shí)延，低軌衛(wèi)星高速運(yùn)動帶來的多普勒頻偏和頻繁切換，都是現(xiàn)有WIFI技術(shù)所無法支持的。因此，在不改變現(xiàn)有WIFI協(xié)議的條件下，該類體制技術(shù)不具備可行性。

衛(wèi)星WIFI系統(tǒng)圖

衛(wèi)星與WIFI結(jié)合目前只能采用第二類技術(shù)體制，即衛(wèi)星WIFI寬帶通信系統(tǒng)。通過一套衛(wèi)星通信終端和WIFI基站，形成服務(wù)區(qū)內(nèi)的WIFI信號覆蓋，支持覆蓋區(qū)域內(nèi)所有的手機(jī)、筆記本、臺式機(jī)等具有標(biāo)準(zhǔn)WIFI接口終端的寬帶接入，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電話、寬帶上網(wǎng)、視頻、數(shù)據(jù)傳輸?shù)染C合業(yè)務(wù)服務(wù)。

2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，衛(wèi)星WIFI應(yīng)用主要體現(xiàn)在高鐵和民航飛機(jī)領(lǐng)域。歐洲于2007年率先在“歐洲之星”高速鐵路上采用了衛(wèi)星寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)；日本的新干線于2009年通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)無線接入；美國高速鐵路起步較晚，但從2008年起美國列車的互聯(lián)網(wǎng)接入均采用了衛(wèi)星技術(shù)。

衛(wèi)訊公司VMT－1500終端外形圖

衛(wèi)訊公司Yonder服務(wù)類型

衛(wèi)星WIFI應(yīng)用于民用航空領(lǐng)域主要有Gogo公司和衛(wèi)訊公司（VIASAT）。Gogo公司是目前全球航空寬帶連接市場最大的服務(wù)提供商，目前，該公司已經(jīng)為全球超過2000架商用飛機(jī)和超過6000架公務(wù)飛機(jī)提供空中上網(wǎng)服務(wù)。Gogo公司合作伙伴包括12家大型航空公司，例如墨西哥航空、美國航空、加拿大航空、阿拉斯加航空、日本航空、聯(lián)合航空、越南航空、維珍銀河等航空公司。Gogo公司可提供2種服務(wù)模式：一站式解決方案和特定航線服務(wù)。其所采用的技術(shù)手段包括衛(wèi)星、地面基站以及混合式方案。

衛(wèi)訊公司主要利用自己的Ka頻段大容量寬帶通信衛(wèi)星給航空、海事等用戶提供寬帶連接服務(wù)，旗艦服務(wù)名為Yonder。

衛(wèi)訊公司的產(chǎn)品與服務(wù)支持全球各類飛機(jī)。在商用飛機(jī)方面，包括加拿大飛機(jī)與列車制造商龐巴迪公司生產(chǎn)的Global 5000/XRS/6000等、波音公司的商用噴氣式飛機(jī)；在政府飛機(jī)方面，包括C-130、King Air 300以及部分軍用直升機(jī)。VMT-1500是其為商用噴氣式飛機(jī)提供的典型終端，整套終端質(zhì)量15.9kg，反射器天線口徑30cm，已安裝在500多架飛機(jī)上。

對于國內(nèi)市場，衛(wèi)星WIFI應(yīng)用僅僅在民航客機(jī)上做過鏈路試驗(yàn)。2014年7月23日，東航通過通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了32Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)接入速率試驗(yàn)，能夠滿足機(jī)上200名乘客上網(wǎng)需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、話音聊天和空中購物，或滿足40～50名乘客實(shí)現(xiàn)視頻連線、在線視頻播放。中國首個(gè)空中互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在2014年第十屆珠海航展上成立，包括中國銀聯(lián)、新浪、京東、優(yōu)酷土豆等企業(yè)，這意味著即使你在空中飛行，也可以隨時(shí)購物、下單和支付。船舶寬帶接入目前正在應(yīng)用推廣，而高鐵寬帶接入應(yīng)用市場為空白。隨著國家寬帶戰(zhàn)略的實(shí)施，我國衛(wèi)星WIFI應(yīng)用將迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。

3 國內(nèi)市場需求分析

高鐵應(yīng)用領(lǐng)域

2013年,全國鐵路累計(jì)發(fā)送旅客20.75億人次,其中動車組運(yùn)送旅客8億人次，動車組的年旅客輸送量以40%的速度增長，未來將超過鐵路旅客發(fā)送量的50%。據(jù)調(diào)查，高鐵人群以高話語權(quán)、高素質(zhì)、高收入的“三高”人群為主，在高鐵人群里，企事業(yè)單位和公司中高層管理人員所占比重高達(dá)33.5%，他們大都擁有良好的職業(yè)，在企業(yè)中有較高的話語權(quán)。

高鐵乘客出行目的調(diào)查結(jié)果顯示，60%以上的乘客以公務(wù)/商務(wù)出差為目的，再加上乘客大多數(shù)是政府及企事業(yè)單位的中高層管理者，導(dǎo)致乘客經(jīng)常需要在移動中處理公務(wù)，引發(fā)出上網(wǎng)等寬帶通信需求。

高鐵乘客特征

到2017年，中國的智能手機(jī)保有量將增長到7.01億部，平板電腦的數(shù)量將突破4.2億臺，將極大地促進(jìn)無線WIFI的應(yīng)用需求。以中青年社會精英階層為主體的高鐵乘客，也是引領(lǐng)時(shí)尚的消費(fèi)者，“處處尋WIFI”、“無處不WIFI”，對高鐵移動WIFI有極強(qiáng)的需求。據(jù)調(diào)查，目前高鐵列車上有近50%的旅客在旅程中使用智能手機(jī)和平板電腦進(jìn)行各種活動以消磨時(shí)間，近75%的旅客有WIFI上網(wǎng)的消費(fèi)需求。高鐵商旅人群平均每月手機(jī)話費(fèi)約300元，其中每月手機(jī)話費(fèi)400元以上者占25%，這部分人群是通信服務(wù)的VIP客戶，其通信消費(fèi)能力強(qiáng)，消費(fèi)積極，因此在高鐵上提供高品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)接入和多媒體娛樂服務(wù)將會有很好的市場效果。

據(jù)2014年度“中國衛(wèi)星應(yīng)用大會”相關(guān)報(bào)告預(yù)測，2015年底，全國鐵路動車組列車開行數(shù)量將達(dá)到1500對。到2017年，全國高速鐵路網(wǎng)列車數(shù)量將達(dá)到1940列，預(yù)計(jì)寬帶需求58Gbit/s。如果采用傳統(tǒng)地面移動網(wǎng)絡(luò)解決，則面臨列車高速移動帶來的多普勒頻移等技術(shù)問題以及鐵路沿線高密度布基站等工程實(shí)施代價(jià)問題，衛(wèi)星WIFI寬帶通信系統(tǒng)將成為解決這些問題的有效途徑。

根據(jù)國內(nèi)目前高速鐵路的消費(fèi)能力來看，以低收費(fèi)的方式導(dǎo)入市場，衛(wèi)星寬帶WIFI服務(wù)仍是極具客戶吸引力的。以我國高鐵的運(yùn)量來看，其流量收入及相關(guān)潛在的市場價(jià)值不可估量。

“一帶一路”海洋應(yīng)用

2013年9月，習(xí)近平總書記提出“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想，旨在建立發(fā)源于我國，貫通中亞、東南亞、南亞、西亞乃至歐洲部分區(qū)域，東牽亞太經(jīng)濟(jì)圈，西系歐洲經(jīng)濟(jì)圈。為響應(yīng)該戰(zhàn)略，2014年我國投入運(yùn)營的中星－11衛(wèi)星的海洋波束正式為“海上絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”服務(wù)，旨在為我國船舶及海上設(shè)施提供衛(wèi)星通信服務(wù)，建立海上信息高速公路，為涉海行業(yè)提供信息化服務(wù)，我國大部分遠(yuǎn)洋船舶均可享受到通信衛(wèi)星系統(tǒng)帶來的福利。另外，我國即將開始研制的新一代大容量通信衛(wèi)星—東方紅－5首發(fā)星的應(yīng)用也將在我國“一帶一路”戰(zhàn)略中有所作為，這些都為寬帶WIFI衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用并服務(wù)于“一帶一路”海上信息保障提供了條件。

高鐵WIFI寬帶接入應(yīng)用場景

該領(lǐng)域市場主要是大中型漁政、海監(jiān)、漁船和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶。目前，這類船舶所使用的通信設(shè)備主要有短波、超短波、“北斗”、海事以及甚小口徑終端（VSAT）等，開展的業(yè)務(wù)主要包括話音通信、“北斗”定位和短信，以及窄帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)業(yè)務(wù)。隨著國家“海上絲綢之路”戰(zhàn)略逐步推進(jìn)，互聯(lián)互通需求迫切，海上電子商務(wù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、船舶物聯(lián)網(wǎng)信息回傳等應(yīng)用將越來越普及，必將促使各類航運(yùn)船舶安裝衛(wèi)星WIFI系統(tǒng)。

應(yīng)用海上衛(wèi)星寬帶WIFI系統(tǒng)，可以方便在船上開展遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻會議、遠(yuǎn)程維修、遠(yuǎn)程醫(yī)療等工作，同時(shí)還可以使用IP電話、接入互聯(lián)網(wǎng)，船員可免費(fèi)與家人、朋友通電話并在網(wǎng)上沖浪；安裝在船舶上的主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取船舶數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星傳輸，坐在陸地辦公室的人員可直接獲取主機(jī)數(shù)據(jù)、油耗數(shù)據(jù)、設(shè)備健康信息等，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出可靠的船舶運(yùn)營決策，提高運(yùn)營效率和效益；海上隨時(shí)可能出現(xiàn)各類事故，系統(tǒng)可將船上的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏斨陵懙?，第一時(shí)間形成海路一體聯(lián)動機(jī)制，妥善處理各類突發(fā)事件；長時(shí)間從事遠(yuǎn)?？菰锓ξ兜墓ぷ?，使員工工作激情下降，通過衛(wèi)星WIFI接入互聯(lián)網(wǎng)可使所有船員享受網(wǎng)上沖浪，提高工作效率。

中星－11海洋波束覆蓋示意

2012－2017年民航飛機(jī)數(shù)量及預(yù)測

2014－2017年航空領(lǐng)域衛(wèi)星WIFI帶寬需求及預(yù)測

民航應(yīng)用領(lǐng)域

我國幅員遼闊，不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展程度不同，使用民航需求的地區(qū)也存在明顯差異，航空運(yùn)輸是滿足人們快速旅行和高速物流的需求?，F(xiàn)有高頻和甚高頻通信系統(tǒng)在民用航空導(dǎo)航、交通空管、飛行運(yùn)控等航空飛行運(yùn)管信息傳輸方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。另外，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和個(gè)人智能通信的廣泛普及使用，客艙寬帶通信也是潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。而衛(wèi)星通信與WIFI等其他技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)合，可以為航空公司提供非常豐富的航空信息服務(wù)。

2015年，我國民航客運(yùn)量4.5億人次，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到7億人次。據(jù)民航局統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，民航客運(yùn)乘客包括商務(wù)、旅游和探親等類型，其中，中高端商務(wù)人士占到50%以上，這些乘客對于旅途中互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)具有強(qiáng)烈需求。衛(wèi)星WIFI寬帶通信的速率可達(dá)數(shù)十兆比特每秒，能為航空運(yùn)管提供話音和寬帶數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，也可為客艙旅客提供互聯(lián)網(wǎng)和實(shí)時(shí)電視等服務(wù)。2012年7月，國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》；2013年5月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《國家民用航空工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2013－2020）》，民航局發(fā)布了《航空公司運(yùn)行控制衛(wèi)星通信實(shí)施方案》，這些政策規(guī)劃的發(fā)布實(shí)施都將加快推動衛(wèi)星通信在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

對于通用航空市場，據(jù)民航局預(yù)測，預(yù)計(jì)未來5～10年，我國需要各類通用航空飛機(jī)10000～12000架，通用航空飛機(jī)數(shù)量的年均增長率將達(dá)到30%，通用航空將帶動萬億市場規(guī)模。隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，公務(wù)飛行、商用飛行、空中游覽、私人飛機(jī)等正受到越來越多人的青睞。衛(wèi)星WIFI寬帶系統(tǒng)在通用航空領(lǐng)域也將迎來發(fā)展機(jī)遇。

4 結(jié)論

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、不受環(huán)境影響等優(yōu)勢，已經(jīng)成為地面通信網(wǎng)絡(luò)的延伸和補(bǔ)充，尤其是應(yīng)急通信場合和地面網(wǎng)絡(luò)不易覆蓋的區(qū)域，衛(wèi)星通信成為了唯一有效通信手段。相比傳統(tǒng)的甚小孔徑終端衛(wèi)星通信，衛(wèi)星WIFI可以有效降低用戶成本和系統(tǒng)維護(hù)成本，提升衛(wèi)星帶寬利用率，將成為衛(wèi)星通信應(yīng)用市場的新動力。隨著Ka頻段大容量寬帶衛(wèi)星的發(fā)展應(yīng)用，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資費(fèi)將不斷下降，基于衛(wèi)星WIFI的寬帶接入應(yīng)用將會迎來更廣闊的應(yīng)用前景。