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  • 陳根:為什么要發展衛星互聯網?


    發布時間:2021-01-18   瀏覽次數: 175 次

  • 5G的發展如火如荼。5G構建起萬物互聯的核心基礎能力,帶來了更快更好的網絡通信,肩負起賦能各行各業的歷史使命。而在5G應用火熱的另一邊,衛星互聯網也正以追趕之勢走向人類的現實生活。

      2020年4月20日,衛星互聯網首次作為重要的信息基礎設施被納入國家“新基建”政策支持的重點方向,我國低軌衛星互聯網發展迎來重大發展機遇。近日,馬斯克的Starlink星鏈衛星寬帶系統宣布獲得英國通信監管機構的用戶終端許可證,開始進入英國市場。希臘、德國和澳大利亞也相繼批準。

      衛星互聯網的戰略地位和商業價值不言自明,或許,衛星互聯網開啟的大航天時代,將是比大航海時代更加波瀾壯闊的偉大時代。在這個時代,人們將建立前所未有的緊密連接,新的世界觀甚至宇宙觀也即將形成。

      

      從5G到衛星互聯網

      衛星互聯網是基于衛星通信的互聯網,通過一定數量的衛星形成規模組網,從而輻射全球,構建具備實時信息處理的大衛星系統。同時,它也是一種能夠完成向地面和空中終端提供寬帶互聯網接入等通信服務的新型網絡。

      衛星互聯網以衛星為中繼站轉發微波信號,從而實現多個地面站之間的通信,可實現全球性的互聯網連接。與移動通信、地面光通信一樣作為現代通信的重要方式之一,衛星通信也具有低延時、低成本、廣覆蓋、寬帶化等優點。

      衛星互聯網系統由空間段、地面段、用戶端三部分組成。空間段由衛星構成,主要負責接收和轉發地面站傳輸的信號,完成地面站與衛星以及衛星之間通信;地面段主要包括地面站、控制站,負責對衛星下達相關指令;用戶端則指各種接收終端等,主要用來發出和接收信號。

      當太空中的通信衛星達到一定數量的時候,將相互交錯形成一個輻射整個地球的衛星互聯網,為地面和空中終端提供寬帶互聯網接入服務。

      衛星互聯網最早可以追溯到上世紀80年代,主要經歷了三個階段的迭代升級。在企圖替代地面通信網絡階段(20世紀80年代-2000年)里,衛星互聯網主要以提供語音、低速數據、物聯網等服務為主。隨著地面通信系統快速發展,衛星互聯網由于市場定位錯誤、技術復雜度高、投資過大、研發周期長及系統能力弱等多方面原因,在與地面通信網絡的競爭中宣告失敗。

      進入21世紀后,衛星進入成為地面通信網絡的補充階段(2000-2014年)。這個階段里,互聯網衛星的主要定位就是對地面通信系統的補充和延伸,同時也在極端條件下向航空、航海等用戶提供移動通信服務。

      從2014年開始,衛星互聯網的發展進入到第三階段,即衛星與地面通信網絡融合階段。這個階段隨著運載火箭、材料工藝、毫米波通訊等技術的創新與進步,以一網公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)等為代表的企業開始主導新型衛星互聯網星座建設。以星鏈(StarAink)、0neWeb等計劃為代表,衛星定位于與地面通信互補合作、融合發展的寬帶互聯網時期。

      

      目前,在時延方面,衛星互聯網已能達到幾十毫秒級別的延時,可以與4G網絡媲美,但這與5G網絡10毫秒以內的延時相比差距仍然巨大。這意味著,衛星互聯網依然無法滿足自動駕駛、遠程醫療等低延時場景應用。

      一方面,在頻譜資源稀缺的情況下,若要提升系統容量意味著增加衛星數量及單顆星采用多波束技術,即通過頻率復用原理來提升系統容量。在帶寬方面,雖然目前單顆衛星峰值通信速率已能達到20Gbps,與5G基站容量在同一數量級。但與組網衛星數目相比,地面基站數量更加龐大,衛星互聯網在海量終端接入方面受到限制。也就是說,即衛星互聯網目前并不會與5G等地面網絡構成競爭關系。

      但不可否認,衛星互聯網是建設天地一體化信息網絡的重要基礎設施。盡管與移動通信、地面光通信一樣,衛星通信也具有低延時、低成本、廣覆蓋、寬帶化等優點,但與光纖、5G等地面通信相比,衛星互聯網不受地理條件限制,對地面設施依賴程度較低,是對光纖互聯網、移動互聯網很好的補充。

      據國際電信聯盟(ITU)統計,2019年全球互聯網用戶數首次突破40億大關,達到41.03億人,互聯網滲透率上升到53.60%,但全球互聯網市場仍存在龐大的空白區域,涉及30億人口未能實現互聯網覆蓋。尤其是非洲、亞洲等欠發達和偏遠地區的互聯網用戶滲透率還處于比較低的水平,這些地區人群的收入水平較低,不足以支撐成本較為昂貴的地面互聯網基礎設施建設。因此,衛星憑借其廣覆蓋、低成本優勢,將成為光纖互聯網、移動互聯網的有效補充,真正建設天地一體化信息網絡,實現全球無縫隙覆蓋。

      頻率與軌道成為稀缺戰略資源

      衛星互聯網是未來互聯網發展的大方向之一。按照軌道高度,通信衛星又可以分為LEO(低地球軌道)、MEO(中地球軌道)、GEO(地球靜止軌道)、SSO(太陽同步軌道)以及IGSO(傾斜地球同步軌道)?;诓煌壍罉嫿ǖ男l星通信系統,在覆蓋范圍、系統容量、傳輸時延、衛星壽命等方面,具有不同特點。

      其中,低軌衛星星座更適合構建大規模衛星組網,是衛星互聯網的必然選擇。低軌衛星通信系統的優勢在于傳輸時延短、穩定性好、鏈路損耗小、應用場景豐富,多星組網可實現全球覆蓋。

      相較于高軌衛星的衛星數量較少的特點,盡管單顆衛星的覆蓋面積較廣,但也存在單顆衛星發生損壞即影響整個衛星通信系統的正常運作的可能;而低軌通信衛星數量眾多,呈現網狀化結構,即使個別衛星出現問題,整個網絡也仍然可以繼續提供可靠的、連續的通信服務,是衛星互聯網發展的必然趨勢。

      此外,根據應用場景及業務領域的差異,低軌通信衛星又可分為窄帶移動通信及寬帶互聯網通信(高通量衛星通信系統)。高通量衛星通信有效彌補了低頻段移動通信星座寬帶支持能力的不足,全球低軌衛星也經歷了由窄帶移動通信向寬帶互聯網的迭代發展歷程。

      窄帶移動通信工作頻段集中在L(1-2GHz)、S(2-4GHz)頻段,以中低速率的傳統手持移動通信及部分物聯網服務為主。寬帶互聯網通信(高通量衛星通信系統)工作頻段集中在Ku(12-18GHz)、Ka(26.5-40GHz)頻段,可支持高速率的互聯網數據傳輸。

      目前,主流的低軌衛星的組網形式有星型組網(以OneWeb星座為代表)及網狀組網(以Starlink星座為代表)兩種代表模式。

      星型組網方式又被稱為“天星地網”。衛星將作為連通用戶終端與網關總站的通道,衛星間不設星間鏈路,通過網關總站接入地面通信網絡,借助分布全球的地面站實現全球網絡服務。

      網狀組網方式又被稱為“天星天網”。衛星將作為網絡傳輸節點,衛星間架設星間鏈路,用戶可以直接接入衛星互聯網絡而無需經過地面網絡系統。其通信系統可降低對地面網絡的依賴度,可靈活進行路由選擇及網絡管理,地面站數目更少且無需在他國部署地面站。因此,地面段的復雜度及投資成本明顯較低。相比星型組網,網狀組網縮短了傳輸延時,但同時提高了對用戶終端的設備要求。

      尤其值得一提的是,空間軌道資源和頻譜資源具有稀缺性,已然成為一種重要戰略資源。低軌衛星頻率集中于C頻段(4-8GHz)、Ku頻段(12-18GHz)和Ka頻段(26.5-40GHz),其中Ka頻段速率更高,主要用于高通量衛星。

      而Ka頻段雨衰現象較為嚴重,以至于各國開始向更高頻段的Q、V進行開發,衛星通信從低頻段向高頻段發展已成為大趨勢。目前TU對于衛星頻段軌道規劃遵循“先登先占”原則,在頻段軌道有限但組網衛星數量龐大的情形下,頻率與軌道成為稀缺戰略資源。

      

      衛星大航海時代將至

      在頻道與軌道成為稀缺戰略資源的背景下,各國將衛星互聯網建設上升為國家戰略,推動衛星互聯網組網計劃。美國政府于2016年提出了宣布投資5000萬美元的創新基金,用于推動小衛星發展。俄羅斯發布向國內偏遠地區、遠離陸地的島嶼提供衛星互聯網覆蓋的計劃。

      1997-2019年間,全球共發射低軌通信衛星343顆,其中美國發射數量遙遙領先共計230顆,占全球數量的67.05%,俄羅斯、中國、阿根廷、加拿大、英國緊隨其后。

      歐美掀起全球低軌通信衛星發展熱潮,使得多家公司已踏入初步建設階段。2015年,在谷歌等互聯網巨頭的推動下,以一網公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)等為代表的企業不斷涌現,其主導的新型衛星互聯網星座隨之興起。

      2014年 12月-2015 年4月,全球相關單位向國際電信聯盟(ITU)遞交的非地球同步軌道(NGSO)星座申報資料超過 10 份,涉及衛星數量達數萬顆。眾多商業公司紛紛提出低軌衛星互聯網發展計劃,其中OneWeb、Starlink 及 Telesat 處于行業前列,目前已進入建設初期。

      就我國來看,“十三五”期間,以航天科技、航天科工為首的央企分別提出了自己的衛星互聯網計劃,并發射了試驗星。

      2018年,鴻雁、虹云、行云工程紛紛亮相,標志著我國新型衛星互聯網布局啟動,構建全球覆蓋、天地融合、安全可靠和自主可控的衛星互聯網系統呼之欲出。2018年,我國全年衛星發射 39次,首次超越美國成為全球單一年度發射次數最多的國家。2019年我國完成衛星發射34次,依舊占據全球首位。

      當然,從制造、發射成本方面來看,美國成本優勢明顯,國內商用衛星仍需奮起直追。根據《2018中國商業航天產業投資報告》估計,我國商業衛星制造成本約為 376萬美元/顆,發射成本約為470萬美元/顆,而根據《THE FUTURE OF THE SPACE INDUSTRY》,美國衛星制造成本已下降至100 萬美元左右/顆,重量更小的衛星制造成本甚至可以降至 15萬美元。

      

      當然,近年來,國防科工局、國家航天局、工信部等密集出臺相關支持性政策文件,在短、中、長期時間內,也都積極部署著衛星通信產業的發展,促進“天地一體化”通信發展,鼓勵和引導民間資本進入衛星空間領域。另外,“一帶一路”、“軍民融合”等其他政策的落地,不斷帶來市場增量空間。隨著政府主導和行業推廣,未來國內衛星互聯網產業發展前景值得期待。

      顯然,基于頻軌資源稀缺和商業潛力,衛星互聯網已成為各國關注焦點。空間軌道和頻段作為能夠滿足通信衛星正常運行的先決條件,已經成為各國衛星企業爭相搶占的戰略資源,而不僅僅是商業的競爭。衛星互聯網核心應用場景廣泛,商業化具有發展空間,可以廣泛應用于偏遠地區通信、海洋作業及科考寬帶、航空寬帶和災難應急通道等行業,作為地面移動通信的有效補充。

      可以說,全球互聯網市場仍存在龐大的空白區域,而衛星互聯網就是連接這些“信息孤島”的最佳選擇。太空之大,也容納著人們古舊的夢想,衛星互聯網將開啟大航天時代。這將是比大航海時代更加波瀾壯闊的偉大時代,人們將建立前所未有的緊密連接,新的世界觀甚至宇宙觀即將形成。

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