5G時(shí)代背景下衛(wèi)星通信的發(fā)展

+趙冬梅（中信數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)有限公司衛(wèi)星通信分公司）

今年我國5G開始正式商用，其實(shí)從3G開始，地面移動(dòng)通信技術(shù)每5年就要經(jīng)過一次更新?lián)Q代，相對(duì)而言衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展就緩慢許多。特別是現(xiàn)在進(jìn)入5G時(shí)代，衛(wèi)星傳輸和地面通信的技術(shù)指標(biāo)、傳輸能力等差距就會(huì)越來越大。今后，衛(wèi)星通信技術(shù)會(huì)如何發(fā)展，衛(wèi)星通信該怎樣改變來適應(yīng)這個(gè)時(shí)代，今天在這里與各位進(jìn)行一些探討。

一、中信衛(wèi)星介紹

中信衛(wèi)星隸屬于1979年成立的中信集團(tuán)，目前，中信集團(tuán)已經(jīng)發(fā)展成為一家金融與實(shí)業(yè)并舉的大型跨國企業(yè)集團(tuán)，2018年位列世界五百強(qiáng)的第149位。

1、中信衛(wèi)星是中信集團(tuán)旗下從事衛(wèi)星通信的專業(yè)公司

1988年，中國信托投資公司作為發(fā)起股東之一，正式成立了亞洲衛(wèi)星（公司），亞洲衛(wèi)星是亞洲地區(qū)第一家商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營組織，在1990年成功發(fā)射亞洲一號(hào)衛(wèi)星，這也是亞洲地區(qū)第一顆通信衛(wèi)星，并且成功完成了1990年中國承辦的亞運(yùn)會(huì)轉(zhuǎn)播任務(wù)。1998年股權(quán)重組，中信集團(tuán)成為亞洲衛(wèi)星的控股股東。2008年，因?yàn)槲覈鞴懿块T的規(guī)定，衛(wèi)星運(yùn)營屬于基礎(chǔ)電信任務(wù)，需要國內(nèi)的公司持相應(yīng)的牌照方可運(yùn)作，所以由中信網(wǎng)絡(luò)獲得了相應(yīng)的衛(wèi)星運(yùn)營許可，并成立了衛(wèi)星公司。自那以后，由中信衛(wèi)星全面承接了亞洲衛(wèi)星在國內(nèi)的業(yè)務(wù)。2015年，由于中信集團(tuán)業(yè)務(wù)調(diào)整，將牌照轉(zhuǎn)移到了中信數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)有限公司。

2、現(xiàn)有在軌衛(wèi)星及主要業(yè)務(wù)

亞洲衛(wèi)星從成立到現(xiàn)在31年，共發(fā)射了9顆衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星有7顆，最早的是1999年發(fā)射的亞洲3S衛(wèi)星，到今天已經(jīng)運(yùn)行了20年。（圖1）

現(xiàn)在能為國內(nèi)用戶提供通信廣播服務(wù)的是4顆衛(wèi)星，分別是亞洲五號(hào)、亞洲七號(hào)、亞洲六號(hào)和亞洲九號(hào)，其中亞洲六號(hào)是專門為廣電提供服務(wù)的C頻段專用衛(wèi)星。

亞洲九號(hào)是2017年發(fā)射的，它是其中最年輕的衛(wèi)星，同時(shí)也是亞太地區(qū)功率最強(qiáng)，覆蓋面最廣的一顆通信衛(wèi)星。

我們現(xiàn)在擁有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器出租出售和VSAT兩張牌照，也是國內(nèi)持有這種二類衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)基礎(chǔ)應(yīng)用牌照，從事衛(wèi)星業(yè)務(wù)的三家運(yùn)營商之一。

圖1 亞洲衛(wèi)星的波段示意圖

我們的主要業(yè)務(wù)概括起來，就是將亞洲系列衛(wèi)星的帶寬租給國內(nèi)相應(yīng)的用戶使用，提供本地化的配套服務(wù)。開展的業(yè)務(wù)主要有以下6類：電信網(wǎng)絡(luò)、寬帶通信、移動(dòng)應(yīng)用、應(yīng)急通信、臨時(shí)業(yè)務(wù)、電視廣播，這些都是常規(guī)的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。

需要強(qiáng)調(diào)的是這幾年發(fā)展迅速的機(jī)載通信和船載通信。亞洲衛(wèi)星其實(shí)是亞太地區(qū)參與該領(lǐng)域最早的一個(gè)通信公司。早在2003年，亞洲3S衛(wèi)星就為波音公司的高速寬帶通信服務(wù)Connexion提供了帶寬。但是很可惜后來該項(xiàng)目因嚴(yán)重虧損而被關(guān)閉；2011年，亞洲五號(hào)衛(wèi)星為松下公司提供南亞地區(qū)的機(jī)載通信波束；2014年，國內(nèi)開始使用Ku頻段的衛(wèi)星，做機(jī)載通信的一些實(shí)驗(yàn)和商用，亞洲衛(wèi)星也參與其中。到現(xiàn)在為止，亞洲七號(hào)衛(wèi)星已經(jīng)成為國內(nèi)機(jī)載衛(wèi)星用量最大的通信衛(wèi)星。2018年亞洲九號(hào)衛(wèi)星也獲得了工信部的許可，可以從事機(jī)載通信服務(wù)。

在海洋方面，我們利用亞洲五號(hào)衛(wèi)星、亞洲七號(hào)衛(wèi)星的移動(dòng)波束，把它調(diào)到我們國家領(lǐng)海的上空，這兩顆衛(wèi)星基本能夠覆蓋我國領(lǐng)海，以及包括太平洋往西一直到印度洋的一部分海域，為我國的漁民、運(yùn)輸、客輪、海上執(zhí)法等提供了衛(wèi)星通信的保證（圖2、圖3）。

二、全球衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展預(yù)測(cè)

下面我想從衛(wèi)星運(yùn)營商的角度，討論一下全球衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

1、衛(wèi)星通信市場(chǎng)的預(yù)測(cè)

根據(jù)歐洲咨詢公司2018年的報(bào)告，從長期來看，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的容量供應(yīng)是一個(gè)持續(xù)增長的態(tài)勢(shì)，大概在2022年左右，會(huì)有一個(gè)指數(shù)性的增長。這是因?yàn)楦鶕?jù)預(yù)測(cè)，那一年會(huì)有超大容量的高通量衛(wèi)星投入使用；同時(shí)，大量的星座也會(huì)投入使用。但是在容量出租方面，增長沒有那么快，因?yàn)橐〞r(shí)間去培育市場(chǎng)，發(fā)展分銷網(wǎng)絡(luò)，以及建立新的商業(yè)模式。

而衛(wèi)星容量的up值，就是每月每兆赫茲的價(jià)錢則呈現(xiàn)一個(gè)持續(xù)走低的趨勢(shì)。這也是為什么有些衛(wèi)星運(yùn)營商要轉(zhuǎn)型，成為衛(wèi)星服務(wù)提供商。另外，衛(wèi)星容量是有望繼續(xù)增長的，它的驅(qū)動(dòng)來自于寬帶接入、機(jī)載通信以及基站回傳等等業(yè)務(wù)。

從全球固定衛(wèi)星容量的供應(yīng)來看，需求和供應(yīng)都在持續(xù)增長，但一直是供大于求的關(guān)系，這對(duì)用戶來說是好事兒。

就衛(wèi)星的出租率來看，長期以來高通量衛(wèi)星比傳統(tǒng)衛(wèi)星低，這是因?yàn)樾枨罂隙ú皇蔷獾模@在業(yè)內(nèi)很常見，肯定有些波束沒有什么業(yè)務(wù)，這就造成了平均的出租率并不高。

2、各類通信衛(wèi)星

我們把用于通信的衛(wèi)星分為4大類。

第一類是工作在靜止軌道的傳統(tǒng)的大波束衛(wèi)星，此類衛(wèi)星由于都是大波束，所以它的復(fù)用率不高，一個(gè)衛(wèi)星的吞吐量也就是幾個(gè)Gbps的水平，所以單價(jià)相對(duì)較高，比較適合電視廣播和大型VSAT網(wǎng)絡(luò)。

第二類是近幾年異軍突起的高通量衛(wèi)星，這里指的是位于靜止軌道的高通量衛(wèi)星，頻段除了Ka、Ku之外，其實(shí)C頻段也可組這樣的點(diǎn)波束，它是通過幾十到上百個(gè)點(diǎn)波束來提供一個(gè)非常高的吞吐量，如達(dá)到100Gbps以上，但是這類衛(wèi)星更適合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入等等，衛(wèi)星的建造成本稍高。

第三和第四類就是所謂的星座。其中，第三類是以O(shè)neWeb、Starlink為代表的寬帶通信星座，它的主要問題是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)成本高昂，終端成本也居高不下。

圖2 亞洲五號(hào)Ku波段海洋區(qū)域覆蓋圖

圖3 亞洲七號(hào)Ku波段海洋區(qū)域覆蓋圖

第四類就是物聯(lián)網(wǎng)星座，包括早期的銥星、全球星以及國內(nèi)的天啟星座。

3、國際GEO HTS的歷程

按照容量，可以把國際上的HTS發(fā)展歷程分為4代。

第1代是2005年到2011年，單星容量在50Gbps左右。

第2代是2011年到2017年，單星容量大約是50～140Gbps，這是現(xiàn)在的主流。

第3代從2017年開始，代表是Viasat-2以及休斯公司的Echostar 19，容量可以達(dá)到200Gbps以上，這已經(jīng)不叫HTS，而叫VHTS（Very HST，甚高通量）。

第4代有望在2021年以后實(shí)現(xiàn)，叫UHTS（Ultra-HTS，超高通量），包括Echostar 24和Viasat-3，容量能接近1Tbps。

衛(wèi)星上的載荷可以分為彎管載荷和數(shù)字載荷兩種。傳統(tǒng)高通量衛(wèi)星一般使用的都是彎管載荷，衛(wèi)星上的鏈接都是通過硬件直接連接的，靈活性不佳，也不支持遠(yuǎn)端站之間的直接通信，必須要通過關(guān)口站。由于它每個(gè)波束的容量帶寬是固定不變的，所以利用效率不高。

第二類叫數(shù)字載荷，是通過使用數(shù)字透明處理器技術(shù)以及多端口功放，能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的靈活性。從2013年開始，國際上的衛(wèi)星運(yùn)營商已經(jīng)不再采購彎管載荷的傳統(tǒng)高通量衛(wèi)星，而轉(zhuǎn)向數(shù)字載荷的衛(wèi)星，現(xiàn)在不少衛(wèi)星都采取了數(shù)字載荷的技術(shù)。

簡單的比較一下這兩種衛(wèi)星的區(qū)別。

模擬彎管載荷只適用于星狀網(wǎng)這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，專網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)無法使用。而數(shù)字載荷技術(shù)支持星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、甚至支持在一個(gè)波束下環(huán)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而且它在不同的波束之間的頻率、功率可以進(jìn)行一定彈性的分配，也就是說業(yè)務(wù)多的地方可以分配多一些的容量，沒有業(yè)務(wù)的就可以分配少一些。當(dāng)然它帶來最大的好處是對(duì)于地面系統(tǒng)的建設(shè)來說，如果用數(shù)字載荷，初期用一個(gè)關(guān)口站就可以支持所有的用戶波束，未來隨著業(yè)務(wù)的增加再逐漸增加關(guān)口站，初期建設(shè)成本減少了很多，這對(duì)用戶來說會(huì)降低使用成本。另外它在抗干擾能力、載波監(jiān)控等方面也更加先進(jìn)。

衛(wèi)星空間段的建設(shè)成本是逐年下降的，常規(guī)的衛(wèi)星空間段建設(shè)成本基準(zhǔn)是6000萬美元/Gbps以上；發(fā)展到今天HTS-CLASS II，容量是50～150Gbps，帶寬的成本就是300萬美元/Gbps以上；未來VHTS-CLASS的成本可能會(huì)下降到70萬美元/Gbps。

4、全球衛(wèi)星行業(yè)總體發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)

●地球同步軌道傳統(tǒng)衛(wèi)星通信行業(yè)總體增長緩慢

●衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)增長乏力（受OTT沖擊）

●地球同步軌道HTS衛(wèi)星快速增長

●更多的新技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星制造領(lǐng)域，衛(wèi)星平臺(tái)能力不斷提升

●私營、民營航天企業(yè)為衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)注入生機(jī)

●天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)成為新的熱點(diǎn)

●移動(dòng)終端成為新的增長點(diǎn)

●中低軌星座亂花迷眼

三、5G與衛(wèi)星通信

1、5G與衛(wèi)星的現(xiàn)狀與未來

5G已經(jīng)到來，6G也在路上。那么5G和衛(wèi)星通信會(huì)發(fā)生更多的聯(lián)系。首先體現(xiàn)在5G與衛(wèi)星頻譜資源的爭奪與共享上，因?yàn)?G需要的頻譜資源很多，現(xiàn)在用的是6G赫茲以下的頻譜，首當(dāng)其沖受影響的是C頻段的衛(wèi)星。

圖4 亞洲衛(wèi)星濾波器的技術(shù)參數(shù)

除了頻譜資源之外，國際衛(wèi)星組織也在就衛(wèi)星與5G如何深度融合進(jìn)行研究，比如ITU、3GPP等都有這方面的項(xiàng)目?？偟膩碚f，在將來5G的兩大場(chǎng)景中，增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶（eMBB）可以用到衛(wèi)星，因?yàn)樾l(wèi)星的靈活性和全覆蓋特性是不可忽視的優(yōu)勢(shì)。它可以為基站提供回傳，不光5G，在3G、4G時(shí)代都可以這樣操作。

天地一體化網(wǎng)絡(luò)、高低軌結(jié)合，低軌星作為節(jié)點(diǎn)，高軌星提供中繼，終端在地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間切換。5G可能會(huì)在協(xié)議、端口、終端等方面與衛(wèi)星進(jìn)行深入的融合。

而在將來大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）上，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的參與更是必不可少。

2、5G信號(hào)對(duì)衛(wèi)星接收系統(tǒng)的干擾

今年6月，工信部正式發(fā)放5G商用牌照，中國電信、中國聯(lián)通獲得3.4～3.6GHz的頻譜資源，首當(dāng)其沖受到影響的就是衛(wèi)星的擴(kuò)展C頻段，基本無法使用，必須要把擴(kuò)展C頻段的業(yè)務(wù)完全挪到標(biāo)注C頻段上，這個(gè)影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是5G的基站信號(hào)相對(duì)衛(wèi)星來說功率太高了，很容易影響衛(wèi)星信號(hào)的接收。

面對(duì)這樣的問題，有什么解決辦法呢？首先必選的是為地球站加裝5G抗干擾濾波器，如果這樣還不能解決問題，就要實(shí)施其他的舉措，比如加屏蔽網(wǎng)、更換高頻頭等等。

3、亞洲衛(wèi)星的濾波器

我們不是做衛(wèi)星的嗎？為什么現(xiàn)在走到地面上來了。亞洲衛(wèi)星工程部有星上波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以用于地面抗5G干擾，所以設(shè)計(jì)了這款性能很好的濾波器，適用于國內(nèi)的抗5G干擾，頻段是3.7～4.2GHz，目前已經(jīng)通過了廣電總局的核準(zhǔn)測(cè)試，在廣電系統(tǒng)的地球站的改造中得到了比較廣泛的應(yīng)用（圖4）。

此外，我們根據(jù)海外用戶的需求，還設(shè)計(jì)了不同頻段、不同型號(hào)的濾波器產(chǎn)品。

在5G時(shí)代幫C頻段留住更多的客戶，這是我們進(jìn)行這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)。

四、啟發(fā)與思考

首先，視頻傳輸仍然是傳統(tǒng)衛(wèi)星收入最多的部分，雖然根據(jù)預(yù)測(cè)它的占比將越來越小，但是其重要性無可替代，一定要利用好衛(wèi)星在視頻廣播傳輸領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。比如提供4K、8K超高清節(jié)目，改善用戶的觀看體驗(yàn)，與地面的OTT區(qū)分市場(chǎng)，創(chuàng)造更多價(jià)值。

第二，衛(wèi)星運(yùn)營商要向衛(wèi)星服務(wù)商下沉，拓展更多的業(yè)務(wù)，尋求產(chǎn)業(yè)鏈合作共贏?？傆型袉栁覀兪裁磿r(shí)候發(fā)射HTS衛(wèi)星，事實(shí)上我們這幾年一直與幾大衛(wèi)星制造商保持溝通，關(guān)注靈活載荷的衛(wèi)星設(shè)計(jì)，但是在決定投資這顆衛(wèi)星的時(shí)候，公司考慮到高通量衛(wèi)星基本面向的是全新的市場(chǎng)，面向的是寬帶服務(wù)，而不是傳統(tǒng)的廣播電視，所以市場(chǎng)到底有多大，投資回報(bào)怎么樣，都是作為一個(gè)商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營公司首先要考慮的。

此外，衛(wèi)星的制造成本逐年下降，兩年前我們考慮亞洲十號(hào)的時(shí)候，單位成本大概是300萬美元/Gbps，現(xiàn)在已經(jīng)降低到了200萬美元/Gbps以下，今后還會(huì)有更大的下降空間。亞洲衛(wèi)星的高通量衛(wèi)星肯定是要做的，但是我們希望能夠用更低的成本，做一顆更先進(jìn)的高通量衛(wèi)星。也希望能與業(yè)界有興趣的同行一起探討，共同開拓亞洲衛(wèi)星下一代的高通量衛(wèi)星。

第三，衛(wèi)星容量供應(yīng)保持供大于求，推動(dòng)新應(yīng)用的增長，建立新的業(yè)務(wù)模式，減少供需差距。

第四，關(guān)注衛(wèi)星通信與5G共存與融合。SATNET