低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展問題研究

姜燕麗 ，劉曉娟 ，張雪梅 ，何廣樂 ，李婷婷

（1.中國信息通信研究院，北京 100091；2.中國泰爾系統(tǒng)實驗室，北京 100088；3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司北京市分公司，北京 100000）

1 引言

近年來，眾多新興公司競相開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)研究，OneWeb已在2014年完成了頻率軌位的申請，并于2017年6月25日取得了美國聯(lián)邦無線電管理委員會（FCC）的低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的運營執(zhí)照，我國也在2016年8月提出構建覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡，可見新一代小衛(wèi)星系統(tǒng)也在描繪著新星座圖，但同時衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也將帶來安全、監(jiān)管等方面的挑戰(zhàn)，需要我們提早進行研究。

2 國內外典型低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設計劃

2.1 Starlink低軌道衛(wèi)星星座

Starlink低軌道衛(wèi)星星座由SpaceX公司提出。2016年前后，SpaceX分別通過美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）和挪威政府向ITU申報了建設Starlink低軌道衛(wèi)星星座的頻率和軌位，從兩者申請文件可以看出，整個Starlink低軌道衛(wèi)星星座計劃發(fā)射4425 顆通信衛(wèi)星Ka/ku波段衛(wèi)星和7518顆V波段衛(wèi)星，其軌道高度分別約為1200千米和340千米。2018 年2月，Space發(fā)射了首批測試衛(wèi)星，開始搭建其“Starlink”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目。SpaceX計劃于2019 年啟動正式的衛(wèi)星發(fā)射工作，2020年開始提供限定的服務，2024年之前全面運行。

2.2 O3B衛(wèi)星系統(tǒng)

“另外30億人”（Other 3Billion，O3B Networks）由Google與金融集團匯豐銀行（HSBC）以及國際有線電視集團Liberty-Global于2008年9月共同組建，致力于專門提供衛(wèi)星寬帶批發(fā)業(yè)務。截止到2018年6日，O3B中軌道MEO星座部署衛(wèi)星的數(shù)量已達到了16顆，O3B編隊總容量提高了38%，覆蓋區(qū)在南北緯50度之間。根據(jù)O3B計劃，2019年O3B將再發(fā)射4顆衛(wèi)星進而完成第一代星座的組網(wǎng)建設工作。第二代O3B衛(wèi)星全部采用全電推進，擬在2021年部署完成。第二代衛(wèi)星軌道高度不變，但將新引入70度的軌道傾角，以實現(xiàn)近乎全球的覆蓋，目前SES尚未選定“O3B增強”衛(wèi)星的發(fā)射服務商。

2.3 OneWeb衛(wèi)星系統(tǒng)

OneWeb已在2014年完成了頻率軌位的申請，實際其使用的是20世紀90年代Sky-br idge星座的頻率軌位資源，其用戶段是Ku波段。此外，OneWeb 還與全球最大的高軌衛(wèi)星運營商Intelsat達成合作協(xié)議，為頻率協(xié)調提供了極大的便利。2017年6月25日，OneWeb取得了美國聯(lián)邦無線電管理委員會（FCC）的低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的運營執(zhí)照，代表著OneWeb的頻率協(xié)調工作可以被允許在美國市場上正式開展業(yè)務?？梢钥闯?，OneWeb已經(jīng)完成頻率軌位資源申請和協(xié)調，搶占了發(fā)展的先機。OneWeb 計劃共部署900顆衛(wèi)星，其中有720顆衛(wèi)星將被發(fā)射到1200km、18個軌道面上，每個軌道面上每隔9度部署一顆衛(wèi)星，不提供星間鏈路。2018年初OneWeb發(fā)射最初的10顆衛(wèi)星，根據(jù)OneWeb計劃，2019年將會全面啟動衛(wèi)星發(fā)射計劃，到2022年為目前無法使用互聯(lián)網(wǎng)連接的農村和難以到達的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)，到2027年彌合數(shù)字鴻溝。OneWeb就已經(jīng)與歐洲火箭發(fā)射服務Arianespace簽署了協(xié)議，在2017年至2019年之間進行至少21次衛(wèi)星發(fā)射。

2.4 波音公司系統(tǒng)

波音公司于2016年正式向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）申請建設一個由2956顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡，旨在為全世界的商業(yè)和政府用戶提供互聯(lián)網(wǎng)和通信服務。該星座通過系統(tǒng)網(wǎng)絡接入網(wǎng)關和相關地面光纖網(wǎng)絡為用戶終端提供高速、低延遲的互聯(lián)網(wǎng)連接。在計劃中提出先期在6年內部署1396顆衛(wèi)星在近地軌道星座。最終，該衛(wèi)星星座將由2956顆衛(wèi)星組成。

2.5 LEOSAT系統(tǒng)

LeoSat低軌星座系統(tǒng)由LeoSat公司提出，致力于打造120～140顆高功率Ka頻段衛(wèi)星星座（有信息顯示是108顆），提供全球數(shù)據(jù)傳輸服務，其宗旨是通過在LEO軌道構建一個高通量的衛(wèi)星星座來實現(xiàn)高質量的數(shù)據(jù)服務。

根據(jù)LeoSat的對整個衛(wèi)星系統(tǒng)的估計，LeoSat 互聯(lián)網(wǎng)星座至少需要融資25～30億美元。2015年6 月，LeoSat與美國紐約一家投資公司簽署了合作協(xié)議，由該公司負責幫助LeoSat開展首輪融資用于衛(wèi)星設計。截止到2018年初，LeoSat公司尚未完成衛(wèi)星的研制工作，目前LeoSat目前正在尋找投資者，目標是從2019年開始發(fā)射高容量寬帶衛(wèi)星，并在2022 年發(fā)射70～108顆衛(wèi)星并投入運行。

2.6 我國布局天地一體化信息網(wǎng)絡

2016年8月，國務院印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》（下稱《規(guī)劃》）正式發(fā)布。這是我國首次以“國家”命名科技創(chuàng)新規(guī)劃。規(guī)劃提出12項主要指標，多項指標在未來五年將翻番或有重大躍升。要推進天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的全面融合，形成覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡。

3 未來非靜止寬帶衛(wèi)星星座的發(fā)展趨勢

3.1 從系統(tǒng)發(fā)展角度看

（1）加速蓬勃發(fā)展態(tài)勢日趨明顯。2015年至2020年期間，中低軌寬帶衛(wèi)星星座互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的容量將實現(xiàn)翻兩番。當前，多家商業(yè)航天公司提出了中低軌寬帶衛(wèi)星星座系統(tǒng)的建設計劃，利用商業(yè)資本高速推進，其中又以OneWeb為代表，已經(jīng)獲得頻率和軌道資源，并構建了完整的產業(yè)合作體系，擬在2020年前后完成系統(tǒng)的正式商用。未來5年內，衛(wèi)星通信行業(yè)借助互聯(lián)網(wǎng)熱潮的東風，將實現(xiàn)加速蓬勃發(fā)展。

（2）系統(tǒng)發(fā)展市場需求為導向。從全球各大衛(wèi)星通信公司發(fā)展計劃來看，由于衛(wèi)星系統(tǒng)建設成本高、周期長，其發(fā)展計劃均遵循市場需求導向原則。通過準確的對軍民應用市場需求預測，實現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)建設的高效性和經(jīng)濟性；通過與互聯(lián)網(wǎng)服務商、內容提供商、軍隊保障部門開展廣泛的商業(yè)合作，提高了傳統(tǒng)衛(wèi)星制造企業(yè)活力，增強了衛(wèi)星通信行業(yè)的市場競爭力。

（3）技術創(chuàng)新驅動系統(tǒng)的快速發(fā)展。各衛(wèi)星公司積極發(fā)展新興技術，中低軌寬帶衛(wèi)星方面，結構化、模塊化的設計理念、3D打印等快速制造技術的應用、激光通信等高速星間鏈路的試驗等新興技術被廣泛使用到小衛(wèi)星的設計制造中，大大縮短了研制成本和周期，推動了系統(tǒng)建設速度。

（4）頻軌資源日趨緊缺。衛(wèi)星通信經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)射近2000顆衛(wèi)星或人造航天設備，宇宙空間已經(jīng)日漸擁擠，頻率和軌道資源成為各衛(wèi)星通信企業(yè)競爭的焦點。尤其是各商業(yè)航天公司提出的低軌寬帶衛(wèi)星星座動輒成百上千顆衛(wèi)星，一旦系統(tǒng)建成，將對后建的其他星座造成極大的協(xié)調難度。

3.2 從技術層面看

（1）表現(xiàn)Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信將成未來衛(wèi)星通信的主流。Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信將成未來衛(wèi)星通信的主流，給衛(wèi)星通信帶來新的競爭力。目前國外各大衛(wèi)星運營商都將眼光投向了Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信，Ka頻段具有更寬的帶寬，能提供更多的通信容量，用戶終端的天線尺寸可以更小，便于終端的小型化和便攜化。具有衛(wèi)星寬帶通信功能的多模手持終端必將在移動互聯(lián)發(fā)展的浪潮中脫穎而出。因此，運營商運營成本的降低以及用戶終端普及率的提高，將給衛(wèi)星通信帶來新的競爭力，使其與地面固定/移動寬帶通信更好的融合。

（2）載荷配置以透明轉發(fā)為主。從星上載荷類型來看，有的采用星上透明轉發(fā)的方式，有的采用星上處理交換的方式，均根據(jù)各自的系統(tǒng)需求而定。兩種載荷方式各具特點，星上處理交換可以實現(xiàn)系統(tǒng)靈活組網(wǎng)，通過單跳通信提高服務質量，通過增強終端反向接入能力進而降低終端功耗和成本，但星上載荷實現(xiàn)復雜，所需技術難度較高。星上透明轉發(fā)服務延時大且不便靈活組網(wǎng)，但可充分利用星上有限資源實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸，便于系統(tǒng)升級。但目前超過100Gb/s的超大容量通信衛(wèi)星系統(tǒng)都采用了星上透明轉發(fā)模式。

（3）采用先進傳輸和接入體制。在傳輸技術方面，對于頻帶和功率均受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其頻帶有效性和功率有效性是一對矛盾。對于大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過采用先進的信號傳輸和ACM 技術，在提高系統(tǒng)的頻帶和功率利用率的同時，兼顧了系統(tǒng)靈活性和用戶可用性。

在系統(tǒng)接入方式方面，基于透明轉發(fā)器的系統(tǒng)分別采用了基于DVB標準和基于DOCSIS標準的接入體制，其中超過70Gb/s的系統(tǒng)目前采用的是基于DOCSIS標準的接入體制。這兩種標準在多址方式上都采用了反向MF-TDMA、前向TDM的方式。MF-TDMA是一種頻分和時分相結合的二維多址方式，適合全網(wǎng)狀網(wǎng)業(yè)務應用，對固定的綜合業(yè)務支持能力較好，在網(wǎng)管中心的控制下，可應用于星狀網(wǎng)，支持虛擬子網(wǎng)。TDM是通過時分的方式使鏈路能夠同時傳輸來自多個輸入源的比特，進而增加傳輸鏈路的容量。

3.3 從應用角度看

在應用方面，已經(jīng)從主要面向大型機構、少量重點用戶提供應急和干線傳輸服務，發(fā)展到面向廣大公眾提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務轉變，各個系統(tǒng)都大量裝備了機載、車載和便攜式衛(wèi)星通信終端，終端設計向通用規(guī)范化、小型化低成本以及提升互操作性和兼容性等方向發(fā)展。由于基于Ka頻段的LEO 衛(wèi)星群蜂窩網(wǎng)的發(fā)展，不僅使可用頻率資源和通信容量大幅度增長，而且使用戶終端的成本大大降低，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢凸現(xiàn)，在國際民用通信市場中確實可以占據(jù)一個不小比例。但是我國的情況略有不同，由于基于4G的地面蜂窩網(wǎng)在我國民用通信市場中占有比例明顯高于國外大多數(shù)國家，而衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的競爭力還遠不如4G，目前衛(wèi)星通信可實現(xiàn)的可用頻率資源的地域覆蓋密度，比4G的覆蓋密度低幾個數(shù)量級。衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的應用，在我國近期內仍然只是對地面網(wǎng)絡覆蓋不足的一種重要補充。當然，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢可以產生很高的實用價值和社會效益，這是無法用市場份額大小衡量的。民用衛(wèi)星通信在規(guī)模和實際效益將會超過軍用衛(wèi)星通信，我國衛(wèi)星通信產業(yè)將由政府主導轉變?yōu)槭袌鲋鲗?。因此，衛(wèi)星通信的發(fā)展無疑是前途光明而且意義重大的。

4 對我國建設低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的建議

（1）加強頂層設計，統(tǒng)一軍民力量，做好規(guī)劃銜接，協(xié)同開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)研究和實施。衛(wèi)星通信系統(tǒng)，尤其是低軌衛(wèi)星星座，初始投資大，回報周期長，同時，作為典型的軍民融合系統(tǒng)，需充分發(fā)揮我國善于集中力量辦大事的特點，加強頂層設計和軍民融合，多部門協(xié)調步伐，聯(lián)合做好《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》、天地一體化信息網(wǎng)絡工程、以及軍隊相關規(guī)劃的銜接，形成統(tǒng)一的長期發(fā)展路線圖，集聚資源，優(yōu)化配置，協(xié)同開展重大工程建設和應用，避免資源的分散配置，杜絕系統(tǒng)的重復建設。

（2）以需求為出發(fā)點，厘清政府與市場關系，多渠道籌措資金，加強系統(tǒng)建設、應用服務、運營推廣的統(tǒng)籌。現(xiàn)階段，我國航天科技（五院、八院）、航天科工、信威通信、上海微小衛(wèi)星工程中心、中國電科集團、亞太衛(wèi)星等均提出了自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，須以需求為出發(fā)點，明確國家需求和市場需求，厘清政府與市場關系，并據(jù)此加強政府資金、企業(yè)自籌、社會融資的統(tǒng)籌，在系統(tǒng)建設上做好“高低軌”、“寬窄帶”、“區(qū)域與全球”等方案的統(tǒng)一論證，在應用服務上做好政府服務、軍用服務、商業(yè)服務的高效融合，逐步構建全球服務體系，在運營推廣上做到可持續(xù)發(fā)展，促進產業(yè)良性循環(huán)。

（3）以長期路線圖和重點工程為牽引，開展核心關鍵技術攻關，加強頻率軌位資源儲備。根據(jù)長期路線圖的安排，瞄準實際工程的部署，開展傳輸體制、星座組網(wǎng)、星載天線及載荷、星間鏈路、終端芯片等核心關鍵技術的攻關，分布建設試驗系統(tǒng)、商用系統(tǒng)，在系統(tǒng)建設的過程中，需積極開展相關的頻率軌位協(xié)調，通過自己申報、購買、租借、共享等多種手段在全球搶占頻率軌位資源。

（4）加強監(jiān)管措施研究，加快監(jiān)測與應對技術攻關，加大監(jiān)管執(zhí)行力度，制定好安全對策。衛(wèi)星通信最大的風險點在于其天然的跨境覆蓋特性，使我國境內的衛(wèi)星通信終端可以通過天上衛(wèi)星的中轉或交換而直接在境外關口站落地，因此我國電信業(yè)務分類目錄中已經(jīng)要求跨境衛(wèi)星業(yè)務應經(jīng)過國家批準設立的國際通信出入口轉接。同時，衛(wèi)星網(wǎng)絡容易受到外界信號的干擾。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一方面，需從技術監(jiān)控和安全審查兩方面著手，避免非法連接服務、非法鏡像數(shù)據(jù)傳送的提供，同時提高干擾與抗干擾能力；另一方面，還需會同公安、海關、工商等部門加強對非法衛(wèi)星終端的監(jiān)管力度，確保我國信息安全?！?/p>