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从5G到卫星互联网,卫星大航海时代将至

2021-01-17 10:00
陈述根本
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文/陈根

5G的发展如火如荼。5G构建起万物互联的核心基础能力,带来了更快更好的网络通信,肩负起赋能各行各业的历史使命。而在5G应用火热的另一边,卫星互联网也正以追赶之势走向人类的现实生活。

2020年4月20日,卫星互联网首次作为重要的信息基础设施被纳入国家“新基建”政策支持的重点方向,我国低轨卫星互联网发展迎来重大发展机遇。近日,马斯克的Starlink星链卫星宽带系统宣布获得英国通信监管机构的用户终端许可证,开始进入英国市场。希腊、德国和澳大利亚也相继批准。

卫星互联网的战略地位和商业价值不言自明,或许,卫星互联网开启的大航天时代,将是比大航海时代更加波澜壮阔的伟大时代。在这个时代,人们将建立前所未有的紧密连接,新的世界观甚至宇宙观也即将形成。

陈根:天地共建,互联网走向卫星时代

从5G到卫星互联网

卫星互联网是基于卫星通信的互联网,通过一定数量的卫星形成规模组网,从而辐射全球,构建具备实时信息处理的大卫星系统。同时,它也是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。

卫星互联网以卫星为中继站转发微波信号,从而实现多个地面站之间的通信,可实现全球性的互联网连接。与移动通信、地面光通信一样作为现代通信的重要方式之一,卫星通信也具有低延时、低成本、广覆盖、宽带化等优点。

卫星互联网系统由空间段、地面段、用户端三部分组成。空间段由卫星构成,主要负责接收和转发地面站传输的信号,完成地面站与卫星以及卫星之间通信;地面段主要包括地面站、控制站,负责对卫星下达相关指令;用户端则指各种接收终端等,主要用来发出和接收信号。

当太空中的通信卫星达到一定数量的时候,将相互交错形成一个辐射整个地球的卫星互联网,为地面和空中终端提供宽带互联网接入服务。

卫星互联网最早可以追溯到上世纪80年代,主要经历了三个阶段的迭代升级。在企图替代地面通信网络阶段(20世纪80年代-2000年)里,卫星互联网主要以提供语音、低速数据、物联网等服务为主。随着地面通信系统快速发展,卫星互联网由于市场定位错误、技术复杂度高、投资过大、研发周期长及系统能力弱等多方面原因,在与地面通信网络的竞争中宣告失败。

进入21世纪后,卫星进入成为地面通信网络的补充阶段(2000-2014年)。这个阶段里,互联网卫星的主要定位就是对地面通信系统的补充和延伸,同时也在极端条件下向航空、航海等用户提供移动通信服务。

从2014年开始,卫星互联网的发展进入到第三阶段,即卫星与地面通信网络融合阶段。这个阶段随着运载火箭、材料工艺、毫米波通讯等技术的创新与进步,以一网公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)等为代表的企业开始主导新型卫星互联网星座建设。以星链(StarAink)、0neWeb等计划为代表,卫星定位于与地面通信互补合作、融合发展的宽带互联网时期。

陈根:天地共建,互联网走向卫星时代

目前,在时延方面,卫星互联网已能达到几十毫秒级别的延时,可以与4G网络媲美,但这与5G网络10毫秒以内的延时相比差距仍然巨大。这意味着,卫星互联网依然无法满足自动驾驶、远程医疗等低延时场景应用。

一方面,在频谱资源稀缺的情况下,若要提升系统容量意味着增加卫星数量及单颗星采用多波束技术,即通过频率复用原理来提升系统容量。在带宽方面,虽然目前单颗卫星峰值通信速率已能达到20Gbps,与5G基站容量在同一数量级。但与组网卫星数目相比,地面基站数量更加庞大,卫星互联网在海量终端接入方面受到限制。也就是说,即卫星互联网目前并不会与5G等地面网络构成竞争关系。

但不可否认,卫星互联网是建设天地一体化信息网络的重要基础设施。尽管与移动通信、地面光通信一样,卫星通信也具有低延时、低成本、广覆盖、宽带化等优点,但与光纤、5G等地面通信相比,卫星互联网不受地理条件限制,对地面设施依赖程度较低,是对光纤互联网、移动互联网很好的补充。

据国际电信联盟(ITU)统计,2019年全球互联网用户数首次突破40亿大关,达到41.03亿人,互联网渗透率上升到53.60%,但全球互联网市场仍存在庞大的空白区域,涉及30亿人口未能实现互联网覆盖。尤其是非洲、亚洲等欠发达和偏远地区的互联网用户渗透率还处于比较低的水平,这些地区人群的收入水平较低,不足以支撑成本较为昂贵的地面互联网基础设施建设。因此,卫星凭借其广覆盖、低成本优势,将成为光纤互联网、移动互联网的有效补充,真正建设天地一体化信息网络,实现全球无缝隙覆盖。

频率与轨道成为稀缺战略资源

卫星互联网是未来互联网发展的大方向之一。按照轨道高度,通信卫星又可以分为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球静止轨道)、SSO(太阳同步轨道)以及IGSO(倾斜地球同步轨道)。基于不同轨道构建的卫星通信系统,在覆盖范围、系统容量、传输时延、卫星寿命等方面,具有不同特点。

其中,低轨卫星星座更适合构建大规模卫星组网,是卫星互联网的必然选择。低轨卫星通信系统的优势在于传输时延短、稳定性好、链路损耗小、应用场景丰富,多星组网可实现全球覆盖。

相较于高轨卫星的卫星数量较少的特点,尽管单颗卫星的覆盖面积较广,但也存在单颗卫星发生损坏即影响整个卫星通信系统的正常运作的可能;而低轨通信卫星数量众多,呈现网状化结构,即使个别卫星出现问题,整个网络也仍然可以继续提供可靠的、连续的通信服务,是卫星互联网发展的必然趋势。

此外,根据应用场景及业务领域的差异,低轨通信卫星又可分为窄带移动通信及宽带互联网通信(高通量卫星通信系统)。高通量卫星通信有效弥补了低频段移动通信星座宽带支持能力的不足,全球低轨卫星也经历了由窄带移动通信向宽带互联网的迭代发展历程。

窄带移动通信工作频段集中在L(1-2GHz)、S(2-4GHz)频段,以中低速率的传统手持移动通信及部分物联网服务为主。宽带互联网通信(高通量卫星通信系统)工作频段集中在Ku(12-18GHz)、Ka(26.5-40GHz)频段,可支持高速率的互联网数据传输。

目前,主流的低轨卫星的组网形式有星型组网(以OneWeb星座为代表)及网状组网(以Starlink星座为代表)两种代表模式。

星型组网方式又被称为“天星地网”。卫星将作为连通用户终端与网关总站的通道,卫星间不设星间链路,通过网关总站接入地面通信网络,借助分布全球的地面站实现全球网络服务。

网状组网方式又被称为“天星天网”。卫星将作为网络传输节点,卫星间架设星间链路,用户可以直接接入卫星互联网络而无需经过地面网络系统。其通信系统可降低对地面网络的依赖度,可灵活进行路由选择及网络管理,地面站数目更少且无需在他国部署地面站。因此,地面段的复杂度及投资成本明显较低。相比星型组网,网状组网缩短了传输延时,但同时提高了对用户终端的设备要求。

尤其值得一提的是,空间轨道资源和频谱资源具有稀缺性,已然成为一种重要战略资源。低轨卫星频率集中于C频段(4-8GHz)、Ku频段(12-18GHz)和Ka频段(26.5-40GHz),其中Ka频段速率更高,主要用于高通量卫星。

而Ka频段雨衰现象较为严重,以至于各国开始向更高频段的Q、V进行开发,卫星通信从低频段向高频段发展已成为大趋势。目前TU对于卫星频段轨道规划遵循“先登先占”原则,在频段轨道有限但组网卫星数量庞大的情形下,频率与轨道成为稀缺战略资源。

陈根:天地共建,互联网走向卫星时代

卫星大航海时代将至

在频道与轨道成为稀缺战略资源的背景下,各国将卫星互联网建设上升为国家战略,推动卫星互联网组网计划。美国政府于2016年提出了宣布投资5000万美元的创新基金,用于推动小卫星发展。俄罗斯发布向国内偏远地区、远离陆地的岛屿提供卫星互联网覆盖的计划。

1997-2019年间,全球共发射低轨通信卫星343颗,其中美国发射数量遥遥领先共计230颗,占全球数量的67.05%,俄罗斯、中国、阿根廷、加拿大、英国紧随其后。

欧美掀起全球低轨通信卫星发展热潮,使得多家公司已踏入初步建设阶段。2015年,在谷歌等互联网巨头的推动下,以一网公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)等为代表的企业不断涌现,其主导的新型卫星互联网星座随之兴起。

2014年 12月-2015 年4月,全球相关单位向国际电信联盟(ITU)递交的非地球同步轨道(NGSO)星座申报资料超过 10 份,涉及卫星数量达数万颗。众多商业公司纷纷提出低轨卫星互联网发展计划,其中OneWeb、Starlink 及 Telesat 处于行业前列,目前已进入建设初期。

就我国来看,“十三五”期间,以航天科技、航天科工为首的央企分别提出了自己的卫星互联网计划,并发射了试验星。

2018年,鸿雁、虹云、行云工程纷纷亮相,标志着我国新型卫星互联网布局启动,构建全球覆盖、天地融合、安全可靠和自主可控的卫星互联网系统呼之欲出。2018年,我国全年卫星发射 39次,首次超越美国成为全球单一年度发射次数最多的国家。2019年我国完成卫星发射34次,依旧占据全球首位。

当然,从制造、发射成本方面来看,美国成本优势明显,国内商用卫星仍需奋起直追。根据《2018中国商业航天产业投资报告》估计,我国商业卫星制造成本约为 376万美元/颗,发射成本约为470万美元/颗,而根据《THE FUTURE OF THE SPACE INDUSTRY》,美国卫星制造成本已下降至100 万美元左右/颗,重量更小的卫星制造成本甚至可以降至 15万美元。

陈根:天地共建,互联网走向卫星时代

当然,近年来,国防科工局、国家航天局、工信部等密集出台相关支持性政策文件,在短、中、长期时间内,也都积极部署着卫星通信产业的发展,促进“天地一体化”通信发展,鼓励和引导民间资本进入卫星空间领域。另外,“一带一路”、“军民融合”等其他政策的落地,不断带来市场增量空间。随着政府主导和行业推广,未来国内卫星互联网产业发展前景值得期待。

显然,基于频轨资源稀缺和商业潜力,卫星互联网已成为各国关注焦点。空间轨道和频段作为能够满足通信卫星正常运行的先决条件,已经成为各国卫星企业争相抢占的战略资源,而不仅仅是商业的竞争。卫星互联网核心应用场景广泛,商业化具有发展空间,可以广泛应用于偏远地区通信、海洋作业及科考宽带、航空宽带和灾难应急通道等行业,作为地面移动通信的有效补充。

可以说,全球互联网市场仍存在庞大的空白区域,而卫星互联网就是连接这些“信息孤岛”的最佳选择。太空之大,也容纳着人们古旧的梦想,卫星互联网将开启大航天时代。这将是比大航海时代更加波澜壮阔的伟大时代,人们将建立前所未有的紧密连接,新的世界观甚至宇宙观即将形成。

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