● 文|北京空間科技信息研究所 薛培元

國(guó)外高通量衛(wèi)星（HTS）在機(jī)載通信中的應(yīng)用

● 文|北京空間科技信息研究所 薛培元

坐過(guò)飛機(jī)的人都知道，在大多數(shù)航班上，上飛機(jī)后的一件大事，就是要關(guān)閉手機(jī)、iPad等移動(dòng)電子設(shè)備，原因是防止對(duì)飛機(jī)的飛行造成信號(hào)干擾，確保飛行安全。即使你平日的工作、學(xué)習(xí)和生活離不開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)時(shí)候也只能回到?jīng)]有網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代。但在遵守飛行規(guī)定的同時(shí)，忍受數(shù)小時(shí)甚至十幾小時(shí)的“與世隔絕”，實(shí)在是不好受的事情。對(duì)于習(xí)慣了隨時(shí)隨地連接互聯(lián)網(wǎng)的乘客來(lái)說(shuō)，如此長(zhǎng)時(shí)間的“不連接”是一種煎熬。如何消除飛行途中的“信息孤島”，是航空服務(wù)業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)一直在努力解決的問(wèn)題。

一、機(jī)載通信及市場(chǎng)前景

本文所稱的機(jī)載通信，是指航空器對(duì)地面的通信，包括前艙通信和后艙通信。

前艙通信屬于安全業(yè)務(wù)通信。對(duì)于前艙通信，各航空公司都有較為成熟的手段，確保飛機(jī)飛行中通信的及時(shí)暢通。后艙通信主要是指乘客通過(guò)衛(wèi)星或地面基站方式，接入互聯(lián)網(wǎng)或與地面人員進(jìn)行話音等通信，一般稱之為“航空客艙通信娛樂(lè)”（In-Flight Entertainment and Connectivity，IFEC）。隨著3G及4G手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)電子設(shè)備的普及，航空客艙寬帶業(yè)務(wù)需求呈顯著增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)航空公司的通信服務(wù)提出了更高的要求。

機(jī)載通信為衛(wèi)星應(yīng)用提供了重要的市場(chǎng)機(jī)遇。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球有超過(guò)3000架次的航班可以為乘客提供基本的IFEC服務(wù)，其中一半是通過(guò)衛(wèi)星技術(shù)來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。據(jù)北方天空研究公司（NSR）的分析數(shù)據(jù)，未來(lái)10年機(jī)載衛(wèi)星通信市場(chǎng)會(huì)有穩(wěn)步發(fā)展。預(yù)計(jì)到2024年，全球機(jī)載衛(wèi)星通信市場(chǎng)規(guī)模將從2014年的47500單元（units）增長(zhǎng)到95500單元，零售業(yè)銷售收入將達(dá)到32億美元。

歐洲咨詢公司（Euroconsult）2014年發(fā)布的《航空客艙通信娛樂(lè)服務(wù)展望》（Prospects for In-flight Entertainment and Connectivity）的報(bào)告，勾畫(huà)出了一個(gè)令人鼓舞的情景。報(bào)告預(yù)計(jì)，隨著全球航空公司對(duì)IFEC的需求增加，到2023年，大約有12900架客機(jī)（commercial jet）和24000架公務(wù)機(jī)（business jet）會(huì)為乘客提供IFEC服務(wù)。

IFEC服務(wù)的實(shí)現(xiàn)有多種方式，有的服務(wù)提供商采用的是地空寬帶互聯(lián)技術(shù)（ATG），通過(guò)地面基站為旅客提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，如美國(guó)的GOGO。隨著大容量、高頻段、點(diǎn)波束及復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在IFEC服務(wù)中的比重逐漸增加，特別是高通量衛(wèi)星（HTS）在IFEC服務(wù)中扮演著越來(lái)越重要的角色，機(jī)載通信成為衛(wèi)星通信越來(lái)越重要的目標(biāo)市場(chǎng)。

二、高通量衛(wèi)星（HTS）前景概況

“高通量衛(wèi)星”（High Throughput Satellite，HTS）一詞最早由北方天空研究公司（NSR）于2008年提出?！案咄俊币辉~是相對(duì)于同等軌道頻譜的常規(guī)衛(wèi)星而言的，主要體現(xiàn)在高水平的頻率復(fù)用及點(diǎn)波束技術(shù)上，通過(guò)上述技術(shù)可提供比常規(guī)衛(wèi)星高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的容量。

在這一概念剛提出不久，業(yè)界95%的人都自然地認(rèn)為HTS的基本特點(diǎn)是：Ka頻段、多點(diǎn)波束、整星吞吐量100Gbit/s以上、主要用于寬帶接入服務(wù)，認(rèn)為Hughes網(wǎng)絡(luò)、Exede或者Tooway提供的就是這樣的服務(wù)。但是在NSR看來(lái)，HTS可以使用任意頻段（例如Thaicom-4使用的就是Ku頻段），總吞吐量視所分配的在軌頻率及頻率復(fù)用情況可大可小，從技術(shù)上可以服務(wù)于任何目前由傳統(tǒng)C頻段及Ku頻段固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）提供的商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用或服務(wù)。業(yè)界對(duì)HTS有不同的分類。

按使用頻段和衛(wèi)星軌道劃分，HTS主要有三種類型：

1）Ku頻段GEO的HTS：主要在寬體飛機(jī)上使用，用于越洋連接，滿足長(zhǎng)途飛行機(jī)載通信的需要。根據(jù)NSR的預(yù)測(cè)，未來(lái)10年，對(duì)Ku頻段GEO的HTS容量需求將達(dá)到30Gbit/s，其中45%為寬體客機(jī)使用，用于越洋連接。

2）Ka頻段GEO的HTS：主要在窄體飛機(jī)和商務(wù)機(jī)上使用。對(duì)于商務(wù)機(jī)乘客來(lái)說(shuō)，飛機(jī)提供更高帶寬服務(wù)應(yīng)該是標(biāo)配。

3）非GEO的HTS：主要在寬體飛機(jī)上使用，但目前吸引力較低，隨著電控平板天線技術(shù)的成熟，應(yīng)用會(huì)更廣。最為典型的是OneWeb公司，計(jì)劃發(fā)射700顆LEO衛(wèi)星，其業(yè)務(wù)之一就是提供航空寬帶服務(wù)。

從系統(tǒng)分類上看，HTS主要分為兩類：開(kāi)放系統(tǒng)（open systems）和封閉系統(tǒng)（closed systems）。所謂開(kāi)放系統(tǒng)，是指服務(wù)提供商向衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買容量，自己定義服務(wù)等級(jí)，選擇設(shè)備并向用戶出售服務(wù)。歐洲的Avanti、SES、亞洲的IPstar、Intelsat的EPIC、O3b網(wǎng)絡(luò)等就屬于這種類型。封閉系統(tǒng)則是指服務(wù)提供商只能轉(zhuǎn)售由衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商確定的服務(wù)，不能定義服務(wù)等級(jí)。北美地區(qū)的Hughes網(wǎng)絡(luò)、 Viasat Exede，歐洲的Tooway以及中東地區(qū)的YahClick就屬于封閉系統(tǒng)。

根據(jù)NSR的報(bào)告，到2023年，全球?qū)TS的通信容量需求將超過(guò)1000Gbit/s，全球HTS容量租用銷售收入將超過(guò)20億美元，而2011年底僅為1.63億美元。到2021年，寬帶接入將成為HTS需求的最大業(yè)務(wù)。

從當(dāng)前及未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，HTS集中了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：頻譜效率高、點(diǎn)波束天線、超寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和高吞吐量，基本是傳統(tǒng)衛(wèi)星的5～10倍。盡管大多數(shù)HTS在設(shè)計(jì)之初使用的是Ka頻段，但運(yùn)營(yíng)商也在將該技術(shù)運(yùn)用于其他頻段，特別是Ku頻段。HTS的點(diǎn)波束可以改善鏈路性能，相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星，HTS數(shù)據(jù)速率更高，可用性更好。

HTS最大的優(yōu)勢(shì)是降低成本。有資料統(tǒng)計(jì)，目前一顆HTS衛(wèi)星的總?cè)萘砍^(guò)100Gbit/s，但衛(wèi)星建造、火箭發(fā)射、發(fā)射保險(xiǎn)的費(fèi)用與傳統(tǒng)衛(wèi)星持平，每Gbit/s的投資已經(jīng)降到400萬(wàn)～500萬(wàn)美元，僅是一顆傳統(tǒng)FSS衛(wèi)星的1/50。由此，HTS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的帶寬成本可以與地面網(wǎng)絡(luò)的帶寬成本相當(dāng)。

三、HTS提供IFEC服務(wù)的現(xiàn)狀

在HTS服務(wù)于機(jī)載通信的鏈條中，涉及衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、機(jī)載通信服務(wù)提供商和航空公司。衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商提供通信所需要的衛(wèi)星，機(jī)載通信服務(wù)提供商租用衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的帶寬，再向航空公司的航班提供機(jī)載通信服務(wù)，有的情況下衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商直接為航空公司的航班提供機(jī)載通信服務(wù)（圖1，圖2）。從衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的角度看，提供HTS機(jī)載通信服務(wù)的既有固定衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商，也有移動(dòng)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商。近年來(lái)，全球衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商不斷尋求新的增長(zhǎng)引擎，主要措施一個(gè)是針對(duì)新興市場(chǎng)發(fā)射新衛(wèi)星，另一個(gè)就是投資于HTS系統(tǒng)及載荷。

圖1 新加坡航空空中娛樂(lè)通信系統(tǒng)

圖2 新加坡民航飛機(jī)衛(wèi)星通信終端

1．固定衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商（FSS）

根據(jù)歐洲咨詢公司的報(bào)告，2013年有11家固定衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商向市場(chǎng)提供HTS容量，總?cè)萘窟_(dá)550Gbit/s，另有9家運(yùn)營(yíng)商在未來(lái)4年內(nèi)發(fā)射首顆HTS衛(wèi)星。表1是主要固定衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商2013年HTS容量的基本情況，后面對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)商情況進(jìn)行介紹。

表1 ITU對(duì)Ka頻段頻譜資源的分配

（1）衛(wèi)訊（Viasat）公司

在軌衛(wèi)星為Viasat-1，2011年10月發(fā)射，由勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）采用1300平臺(tái)制造，起飛質(zhì)量6740kg，軌位115°W，設(shè)計(jì)壽命15年。衛(wèi)星總?cè)萘?50Gbit/s，72個(gè)Ka頻段點(diǎn)波束，可以覆蓋美國(guó)大陸地區(qū)75%，以及阿拉斯加、夏威夷及加拿大人口稠密地區(qū)。除Viasat-1外，衛(wèi)訊公司還擁有Ka頻段的Wildblue-1衛(wèi)星，還租用了加拿大Anik-F2的部分容量。Viasat-2衛(wèi)星計(jì)劃2016年夏季由SpaceX公司發(fā)射，屆時(shí)其覆蓋區(qū)域是Viasat-1的7倍，帶寬是Viasat-1的2倍。

衛(wèi)訊是GEO HTS服務(wù)的重要提供商，在全球商務(wù)機(jī)通信市場(chǎng)中占比從2013年的19%上升到2014年的26%。服務(wù)對(duì)象主要是美國(guó)的JetBlue Airways和United Continental兩家公司，HTS機(jī)載通信的下載速度可達(dá)12Mbit/s，上傳速度1Mbit/s。衛(wèi)訊目前在JetBlue Airways航空公司航班上提供的是免費(fèi)服務(wù)。

2014年7月，衛(wèi)訊公司與Eutelsat訂立了一份開(kāi)創(chuàng)性的協(xié)議，將允許在各自的HTS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上（Eutelsat公司的KA-SAT衛(wèi)星和衛(wèi)訊的ViaSat-1 衛(wèi)星）進(jìn)行漫游和接入服務(wù)。兩個(gè)Ka頻段網(wǎng)絡(luò)容量超過(guò)全球所有在軌Ka頻段容量的一半以上，共享相同的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)使用衛(wèi)訊寬帶系統(tǒng)，以及其他由Eutelsat和衛(wèi)訊擁有和運(yùn)營(yíng)的地面基礎(chǔ)設(shè)施。基于以上網(wǎng)絡(luò)的高容量服務(wù)區(qū)域?qū)⒖缭奖泵?、歐洲和地中海盆地。用戶將能夠在兩網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的任意地點(diǎn)，使用包括機(jī)載通信在內(nèi)的一系列固定和移動(dòng)服務(wù)。

（2） Eutelsat公司

Eutelsat公司為松下電子公司（美國(guó)的一家IFEC服務(wù)商）訂購(gòu)了Eutelsat-172B衛(wèi)星上的HTS載荷。通過(guò)172B衛(wèi)星可以為亞洲地區(qū)提供空中聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。172B衛(wèi)星由空客防務(wù)與航天公司（Airbus Defense & Space）制造，采用C和Ku兩種頻段。172B衛(wèi)星在軌道轉(zhuǎn)移上采用了電推進(jìn)技術(shù)，還在連接到高通量載荷的波束之間采用動(dòng)態(tài)功率分配技術(shù)。松下電子公司通過(guò)該HTS載荷為跨太平洋及亞洲的商業(yè)航班提供空中寬帶及實(shí)時(shí)電視服務(wù)。松下公司的全球連接服務(wù)的名稱為eXConnect，可以為用戶提供免費(fèi)的客艙wifi服務(wù)。乘客可以在網(wǎng)上沖浪、與朋友及家人通過(guò)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系、甚至可以查看電子郵件并發(fā)送最新的銷售情況。

除了172B衛(wèi)星外，KA-SAT衛(wèi)星是Eutelsat公司提供Ka頻段HTS服務(wù)的主力。

KA-SAT衛(wèi)星2010年發(fā)射，2011年5月開(kāi)始提供服務(wù)，是首顆新一代Ka頻段HTS，制造商也是空客防務(wù)與航天公司。衛(wèi)星系統(tǒng)容量超過(guò)70Gbit/s，能夠支持100萬(wàn)個(gè)用戶，它所提供的服務(wù)與地面的ADSL2+類似。

（3） Intelsat公司

Intelsat的HTS衛(wèi)星為EpicNG系列，第一顆星是Intelsat 29e，由波音公司采用702MP平臺(tái)制造。衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域包括南北美洲、墨西哥灣、加勒比海以及連接北美與歐洲的北大西洋航線。EPIC IS-29e衛(wèi)星開(kāi)始正式運(yùn)行后，可向松下電子公司提供1Gbit/s的帶寬租賃服務(wù)，用于服務(wù)北大西洋航線。

2． 移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商（MSS）

提供HTS的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商以全球移動(dòng)衛(wèi)星組織（Inmarsat）為代表。Inmarsat衛(wèi)星系列目前已發(fā)展到第五代。

在Inmarsat-5之前，Inmarsat通過(guò)L、Ku等頻段向陸、海、空用戶提供通信服務(wù)。2010年，Inmarsat與波音公司簽訂合同，由波音公司利用702平臺(tái)制造3顆Ka頻段的大容量衛(wèi)星，稱之為Inmarsat-5，每顆衛(wèi)星有89個(gè)Ka頻段點(diǎn)波束，Inmarsat利用該系列衛(wèi)星開(kāi)展名為“全球快車”（Global Xpress， GX）的寬帶服務(wù)。

Inmarsat公司的HTS機(jī)載通信服務(wù)是由著名的IFEC服務(wù)提供商Thales公司實(shí)現(xiàn)的。兩家公司于2013年簽訂航空通信備忘錄，Inmarsat的GX和SwiftBroadband（L頻段）成為Thales的TopSeries IFEC系統(tǒng)主要的和首選的衛(wèi)星連接服務(wù)。

四、HTS在IFEC中應(yīng)用的商業(yè)模式探討

盡管目前IFEC服務(wù)發(fā)展如火如荼，但其商業(yè)模式尚未建立，依靠這一服務(wù)盈利尚需時(shí)日。根據(jù)歐洲咨詢公司的報(bào)告，只有6%的乘客愿意為客艙通信娛樂(lè)付費(fèi)。航空公司更會(huì)將其看作是對(duì)乘客體驗(yàn)的增強(qiáng)，而不是把它作為創(chuàng)收的工具。因此，IFEC服務(wù)提供商有必要找到適當(dāng)?shù)纳虅?wù)模式，既能使其掙錢，又能保持穩(wěn)定性和可獲利性。

從整體上說(shuō)，目前航空公司是免費(fèi)提供飛行途中的連接服務(wù)的。歐洲咨詢公司的報(bào)告發(fā)現(xiàn)，在他們所考察的服務(wù)提供商中，包括ATG、全球鷹（Global Eagle）和GoGo，還沒(méi)有通過(guò)IFEC獲利。目前盡管有不少航班已經(jīng)開(kāi)始提供IFEC服務(wù)，但成熟的商業(yè)模式遠(yuǎn)未建立，還處于不斷探索之中。

目前的IFEC主要有兩種商業(yè)模式。一種是以JetBlue Airways和Emirates為代表的公司，它們提供兩種服務(wù)：一種是免費(fèi)的基本服務(wù)，此種服務(wù)由做商業(yè)廣告的合作伙伴，如購(gòu)物、旅游等電子商務(wù)公司來(lái)買單；一種是旅客付費(fèi)的高速服務(wù)（服務(wù)內(nèi)容包括視頻和飛行途中的電視直播，針對(duì)的是商務(wù)級(jí)的旅客）。

另一種商業(yè)模式是航空公司將機(jī)上wifi作為必備服務(wù)，列入航空公司的原始成本，而非列入乘客的機(jī)票價(jià)格中。

機(jī)載通信未來(lái)在盈利方面，更多的可能是通過(guò)為前艙提供重要的連接服務(wù)，提高航班通信的安全性和效率，這一部分服務(wù)可以計(jì)入航空公司的安全成本。同時(shí)把IFEC作為航班的標(biāo)配服務(wù)，向普通乘客提供免費(fèi)的基本服務(wù)，向高端乘客提供付費(fèi)的高速服務(wù)，滿足不同客戶的個(gè)性需求，從而提高航空公司的競(jìng)爭(zhēng)力。

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