□ 吳名

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)新浪潮天基互聯(lián)網(wǎng)

□ 吳名

天基互聯(lián)網(wǎng)

概念

天基互聯(lián)網(wǎng)是什么

天基互聯(lián)網(wǎng)是指最近逐漸成熟的利用位于地球上空的各類空中平臺(tái)提供給地面和空中終端寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)，天基互聯(lián)網(wǎng)主要有兩種基礎(chǔ)設(shè)施模式：一是通過不同高度層和軌道的高通量衛(wèi)星星座向地面提供信號(hào)，高度一般在200千米～36000千米，這些衛(wèi)星可以認(rèn)為是一類空間基站；二是通過臨近空間平臺(tái)向地面提供信號(hào)，如高空太陽(yáng)能的氣球、飛艇、無(wú)人飛機(jī)等，高度一般在20千米～200千米，這些平臺(tái)可以認(rèn)為是一類高空基站。

一方面，近年來(lái)衛(wèi)星通信正在向高通量和寬帶化方向發(fā)展，美國(guó)的Intelsat、Viasat、HughesNet、歐洲Eutelsat等公司都在大規(guī)模部署裝備Ka波束的高通量衛(wèi)星。另一方面，近年來(lái)臨近空間平臺(tái)技術(shù)的逐漸成熟，Google、Facebook等相繼提出了Google Loon氣球、Facebook internet.org高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)等項(xiàng)目，開始積極推動(dòng)WiFi覆蓋全球化?？傮w來(lái)看高通量衛(wèi)星相比臨近空間平臺(tái)的天基互聯(lián)網(wǎng)模式全面探索，目前已經(jīng)開始投入大規(guī)模商業(yè)服務(wù)，例如美國(guó)Viasat公司利用Ka高通量衛(wèi)星為多家美國(guó)航空公司提供全免費(fèi)的機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

高通量（HTS）衛(wèi)星是發(fā)展趨勢(shì)

協(xié)同

天地協(xié)同發(fā)展的天基互聯(lián)網(wǎng)

自從20世紀(jì)90年代移動(dòng)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)走入個(gè)人生活，人們“無(wú)處不在”的通信和連網(wǎng)需求持續(xù)走強(qiáng)，這種需求直接造成了20多年來(lái)地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從2G、3G到4G，及面向5G的快速演進(jìn)。

目前為止，雖然地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋了地球上超過80%的人口，但野外、飛機(jī)、海上等場(chǎng)景仍然無(wú)法有效覆蓋。來(lái)自聯(lián)合國(guó)的數(shù)據(jù)顯示，全球仍有超30億人未接入互聯(lián)網(wǎng)。更快、更強(qiáng)、更廣的網(wǎng)絡(luò)使用需求，使基于衛(wèi)星的通信技術(shù)——天基互聯(lián)網(wǎng)成為大勢(shì)所趨。

事實(shí)上，早在地面網(wǎng)絡(luò)還處于2G早期發(fā)展階段時(shí)，摩托羅拉公司就提出了第一個(gè)全球移動(dòng)天基通信網(wǎng)絡(luò)——銥星計(jì)劃，并于1998年開通了全球通信業(yè)務(wù)。但由于成本高昂、進(jìn)程緩慢，被地面移動(dòng)通信高性價(jià)比方案快速超越，最終退位到行業(yè)服務(wù)的利基市場(chǎng)。最近10年來(lái)，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信結(jié)束了早期的互相競(jìng)爭(zhēng)、頻率爭(zhēng)奪，進(jìn)入到如今全面融合、天地一體化協(xié)同發(fā)展的新階段。

天基互聯(lián)網(wǎng)與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)5G通信技術(shù)，正在類似的場(chǎng)景上并行演進(jìn)著，旨在實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)和低時(shí)延高可靠通信(URLLC)。對(duì)比地面5G服務(wù)的場(chǎng)景，在衛(wèi)星場(chǎng)景下，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景可以由高容量的HTS 衛(wèi)星承載，基于Ku、Ka等頻段的中低軌星座（低時(shí)延組網(wǎng)更靈活）則是另外兩種場(chǎng)景的完美詮釋。

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高通量衛(wèi)星是什么

“高通量衛(wèi)星”（High Throughput Satellite，HTS）一詞最早在 2008 年由北方天空研究公司提出，是指通過點(diǎn)波束、賦形波束及頻率復(fù)用等技術(shù)， 在同等軌道和頻譜條件下，能夠提供比傳統(tǒng)衛(wèi)星高出數(shù)倍至數(shù)十倍容量的新型衛(wèi)星。我國(guó)今年4月發(fā)射了中星16號(hào)高通量衛(wèi)星，首次應(yīng)用了Ka頻段點(diǎn)波束技術(shù)，通信總?cè)萘靠梢猿^20Gbit/s，這超過了我國(guó)此前所有通信衛(wèi)星容量的總和。該衛(wèi)星完成入軌及測(cè)試后，由中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。后者還將部署中星18號(hào)及更大容量的Ka頻段高通量衛(wèi)星。計(jì)劃在2020年前，形成覆蓋中國(guó)全疆域及亞太周邊地區(qū)的通信能力，滿足“寬帶中國(guó)”和“一帶一路”的寬帶通信要求。

應(yīng)用

天基互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

目前地面移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到每個(gè)人每個(gè)行業(yè)，用戶聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到了高級(jí)階段，但地面互聯(lián)網(wǎng)也有很多場(chǎng)景仍然不能提供很好的覆蓋和用戶體驗(yàn)，而這些場(chǎng)景聯(lián)網(wǎng)需求比地面移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)能夠覆蓋的區(qū)域需求要更為關(guān)鍵或者更為迫切，例如戶外、野外、飛機(jī)、海上等場(chǎng)景非常需要寬帶互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋和良好的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。

根據(jù)調(diào)查顯示，超過73%的旅客在戶外第一意愿是上網(wǎng)，而當(dāng)在森林、 雪山、沙漠等危急場(chǎng)景，這一意愿接近100%。有了天基互聯(lián)網(wǎng)，無(wú)論在何時(shí)何地，都能安心從容。

一網(wǎng)機(jī)載天線

Jetblue的機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

一網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃

【相關(guān)鏈接】

Ka頻段高通量衛(wèi)星帶來(lái)的服務(wù)革命

發(fā)展于2005年初的Ka衛(wèi)星技術(shù)，因其頻率高、頻率資源豐富、終端尺寸小，而成為寬帶衛(wèi)星發(fā)展的重點(diǎn)方向。經(jīng)過面向HTS的兩代演進(jìn)，在全球已有了完整的產(chǎn)業(yè)鏈支持——衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商可以用不超過3年的時(shí)間制造一顆大容量的Ka衛(wèi)星；系統(tǒng)供應(yīng)商已支持寬載波、波束切換和網(wǎng)絡(luò)漫游等技術(shù)；終端供應(yīng)商則擁有Ka終端和天線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相應(yīng)技術(shù)早已達(dá)到規(guī)模應(yīng)用水準(zhǔn)。

此前，在衛(wèi)星的頻率資源上，傳統(tǒng)的L頻段和Ku頻段已十分擁擠，Ka頻段則相對(duì)空閑，也相對(duì)更容易申請(qǐng)頻率和軌位。目前在國(guó)際電聯(lián)，已經(jīng)有逾千份空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料登記申報(bào)。

成本方面，據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)基于Ku頻段每 Gbit/s帶寬的投資成本超過2億美元，而美國(guó)2011和2012年相繼發(fā)射的ViaSat-1和Jupiter-1兩顆Ka衛(wèi)星，同樣的單位成本已經(jīng)降低到400萬(wàn)美元，僅為Ku頻段通信衛(wèi)星的約 2%。

可以預(yù)見，基于Ka頻段的中星16號(hào)投入使用后，不僅將帶來(lái)中國(guó)上空帶寬資源的極大豐富，還將迅速降低單位帶寬的使用成本。更重要的是，寬帶衛(wèi)星通信將第一次有機(jī)會(huì)向普通消費(fèi)者直接提供服務(wù)，這是衛(wèi)星通信服務(wù)的升級(jí)，更是衛(wèi)星通信邁向互聯(lián)網(wǎng)接入的革命。

全球

全球視野下的天基互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)展

近幾年來(lái)支持天基互聯(lián)網(wǎng)的全球空間基礎(chǔ)設(shè)施正加速升級(jí)換代。目前階段形成商業(yè)服務(wù)能力的天基互聯(lián)網(wǎng)普遍是采用衛(wèi)星星座模式。根據(jù)衛(wèi)星的軌道類型劃分，與天基互聯(lián)網(wǎng)直接相關(guān)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，則可分為“低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)（LEO）”、“中軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)（MEO）”和“高軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)（GEO）”。無(wú)論是何種高度軌道衛(wèi)星星座系統(tǒng)，總體的趨勢(shì)都是快速向HTS衛(wèi)星演進(jìn)。

在GEO方面，“高軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)”發(fā)展迅猛，美國(guó)衛(wèi)訊公司的下一代大容量寬帶衛(wèi)星ViaSat-2，整星的容量預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到300 Gbit/s，可為手握70萬(wàn)終端用戶的衛(wèi)訊公司提供更好的市場(chǎng)發(fā)力空間。同時(shí)，Viasat-3 的“三星”計(jì)劃也已公布：?jiǎn)涡侨萘繉⑦_(dá)1 Tbit/s，從2019年開始覆蓋全球。

在MEO方面，“中軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)”發(fā)展平穩(wěn)，作為世界第一個(gè)中軌道通信星座，目前由12星構(gòu)成的O3b系統(tǒng)已經(jīng)開始向全球海上船只提供服務(wù)。O3b系統(tǒng)名稱取自“other 3 billion”（“要為地球上另外30億人提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)” ），專注于為地面通信不方便達(dá)到的區(qū)域提供接入和骨干網(wǎng)傳輸，有“空中光纖”之稱。自2014年提供商業(yè)服務(wù)以來(lái)，僅用半年時(shí)間就達(dá)到原計(jì)劃1年1億美元的收入水平，以市場(chǎng)的認(rèn)可證明了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展前景，現(xiàn)已經(jīng)被全球第二大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商SES納入旗下。到2018 年，O3b的星座衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到20顆，其單星容量也將達(dá)到12 Gbit/s。

中星16高通量衛(wèi)星

O3b衛(wèi)星發(fā)射升空

ViaSat-2衛(wèi)星

Google-Loon在新澤西州降落

在LEO方面，“低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)”更是百花齊放。一網(wǎng)（Oneweb）系統(tǒng)計(jì)劃發(fā)展由648 顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座，工作頻段為Ku 頻段，單星吞吐量大于6 Gbit/s，系統(tǒng)總吞吐量5 Tbit/s左右，系統(tǒng)建成后，可向偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供50 Mbit/s的互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務(wù)。最新消息，一網(wǎng)除了與世界最大的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商Intelsat合并（獲得軟銀等公司的直接投資）之外，還發(fā)布了下一階段1972顆衛(wèi)星的發(fā)展計(jì)劃。

有“衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)攪局者”之稱的太空探索公司，除了成功實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)射回收及復(fù)用之外，還發(fā)布了Stream互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃，并已經(jīng)向ITU申報(bào)了頻率和軌位。從申報(bào)的情況來(lái)看，衛(wèi)星數(shù)量達(dá)4000多顆，使用Ku和Ka頻段，運(yùn)行在43個(gè)軌道面。更為激進(jìn)的是，太空探索公司在今年3月發(fā)布了基于V頻段的LEO計(jì)劃（稱作VLEO），星座數(shù)量更是達(dá)到了驚人7518顆。

到2020年左右，全球天基互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星容量將超過7Tbit/s，衛(wèi)星星座數(shù)量也在快速發(fā)展中。

中國(guó)

天基互聯(lián)網(wǎng)的“中國(guó)計(jì)劃”

全球空間基礎(chǔ)設(shè)施目前正加速升級(jí)換代，而我國(guó)空間基礎(chǔ)設(shè)施也正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展關(guān)鍵期。為了推動(dòng)中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，中國(guó)《民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》提出：2020年通信衛(wèi)星將在軌20余顆，2025年通信衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)在軌25顆左右，滿足全球覆蓋需求。

而在國(guó)務(wù)院提出推進(jìn)的“中國(guó)制造2025”中，在航天裝備方面也明確提出了“發(fā)展新型衛(wèi)星等空間平臺(tái)與有效載荷、空天地寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，形成長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星遙感、通信、導(dǎo)航等空間信息服務(wù)能力”。

在衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)方面，目前中國(guó)在軌運(yùn)營(yíng)的10顆通信衛(wèi)星多集中在C、Ku頻段，覆蓋集中于中國(guó)國(guó)土及亞太地區(qū)，主要滿足商用通信、廣播電視。

最新發(fā)射的中星16號(hào)投入運(yùn)營(yíng)后，可向終端用戶提供最高150Mbit/s下載和12Mbit/s上行接入速度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)。隨后將發(fā)射的中星18將搭載Ka頻段通信載荷，形成對(duì)中星16號(hào)覆蓋范圍的全面的補(bǔ)充和完善，滿足“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)覆蓋。

中國(guó)和亞太區(qū)域其它運(yùn)營(yíng)商也都在積極地部署高通量衛(wèi)星計(jì)劃。亞太衛(wèi)星2016年11月公告，該公司的全資附屬公司亞太通信與合作方簽訂意向書，開發(fā)由四顆地球同步軌道衛(wèi)星組成的高通量寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃，總投資額約人民幣100億元。系統(tǒng)建成后將面向全球提供寬帶衛(wèi)星固定通信和移動(dòng)通信服務(wù)。首顆衛(wèi)星亞太6D將于2019年前發(fā)射使用。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)方面，中國(guó)2016年8月6日發(fā)射的天通一號(hào)01星，作為我國(guó)首顆S頻段移動(dòng)通信衛(wèi)星將滿足更廣泛的需求，支持語(yǔ)音、短信及最高384kbit/s的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。此外，根據(jù)規(guī)劃，天通一號(hào)02星和03星將逐步進(jìn)化，提高整星功率和天線口徑，支持更大容量的寬帶通信。

在低軌互聯(lián)星座方面，由中國(guó)航天科工總規(guī)劃的虹云工程，已經(jīng)完成了首顆衛(wèi)星的發(fā)射技術(shù)實(shí)驗(yàn)。按照三步走的發(fā)展策略，將發(fā)射156顆衛(wèi)星，在距離地面1000千米的軌道上組網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入。到“十三五”末，發(fā)射4顆業(yè)務(wù)試驗(yàn)星組建小星座，到“十四五”末，實(shí)現(xiàn)全部衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，完成業(yè)務(wù)星構(gòu)建。

此外，還有其他市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的高通量衛(wèi)星星座計(jì)劃正在陸續(xù)浮出水面。

場(chǎng)景

天基互聯(lián)網(wǎng)顛覆機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)（IFEC）體驗(yàn)

全球高通量衛(wèi)星和空間衛(wèi)星資源的快速發(fā)展，也引領(lǐng)著全球機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)（IFEC）進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段。截至2017年初，美國(guó)Jetblue航空公司的227架飛機(jī)，已全部安裝了基于Ka衛(wèi)星的Fly-Fi系統(tǒng)，面向乘客提供超過12Mbit/s的全程WiFi服務(wù)。乘客除了可以享受收發(fā)郵件、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、聊天等基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，還可以進(jìn)行在線視頻點(diǎn)播。這項(xiàng)開始于2013年的服務(wù)，成為了這家航空公司的新名片。

德國(guó)漢莎航空公司與全球移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)提供商Inmarsat于2016年10月共同宣布，基于Inmarsat 第五代星（Global Express，三顆Ka衛(wèi)星覆蓋全球）啟動(dòng)其下一代機(jī)上寬帶服務(wù)GX for Aviation。這也是首個(gè)Ka頻段的全球機(jī)上連接方案。

機(jī)載終端廠商也在儲(chǔ)備下一代技術(shù)。伴隨低軌和中軌星座的發(fā)展，終端天線必須能夠快速跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡。相控陣天線因其模塊化、易共形等特點(diǎn)倍受矚目，發(fā)展低成本的相控陣天線技術(shù)也是衛(wèi)星終端廠商的共識(shí)。

“空中WiFi”、“機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)（IFEC）”也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)航空公司積極布局的熱點(diǎn)項(xiàng)目。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，航空公司將IFEC服務(wù)視為新的盈利增長(zhǎng)點(diǎn)，希望借此增加用戶黏度，拓展新的商業(yè)模式。早在5年前，國(guó)航就開始探索自身的IFEC發(fā)展之路，首架無(wú)線局域網(wǎng)航班于2011年首航，邁出了國(guó)內(nèi)IFEC布局的第一步；2013年初，海南航空首次在“廣州—寧波”航班上啟用WiFi服務(wù)；2014年7月，南方航空在京廣航線部分航班上推出機(jī)上寬帶WiFi上網(wǎng)驗(yàn)證飛行。

2015年上半年，工信部正式批準(zhǔn)國(guó)航、東航、南航等多家航空公司提供IFEC接入服務(wù)，此后，國(guó)內(nèi)各大航空公司IFEC建設(shè)的腳步明顯加快。2015年12月，東航率先在上海往返紐約、洛杉磯、多倫多航線上開啟空中互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，成為國(guó)內(nèi)首家將IFEC服務(wù)投入商用的航空公司，也是國(guó)內(nèi)首家在國(guó)際遠(yuǎn)端航線中為旅客提供IFEC服務(wù)的航空公司。

與此同時(shí)，面對(duì)高速發(fā)展的空中互聯(lián)需求，不得不正視以同步軌道衛(wèi)星為代表的空間資源局限問題。據(jù)測(cè)算，2016年我國(guó)民航飛機(jī)數(shù)量為2900架，若單架飛機(jī)的帶寬需求僅為10 Mbit/s（此時(shí)飛機(jī)上每個(gè)乘客可以分到的帶寬僅為不到100Kbit/s），則整個(gè)中國(guó)上空，機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)所需要的衛(wèi)星資源就達(dá)到29Gbit/s。單這一資源需求，就已經(jīng)超越了中星16號(hào)的全部容量需求。

目前機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)需求已經(jīng)演進(jìn)到每架飛機(jī)50Mbit/s以上帶寬，否則難以保證機(jī)上乘客享受到接近地面移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的體驗(yàn)。已經(jīng)開通試點(diǎn)的幾家航空公司采用Ku衛(wèi)星服務(wù)均存在帶寬成本高昂、乘客體驗(yàn)不佳的問題。

展望

天基互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

令人欣喜的是，目前，基于衛(wèi)星星座的天基互聯(lián)網(wǎng)成熟度較高，有些甚至具備了規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。譬如高軌和中軌星座，投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)后，在航空、航海等市場(chǎng)的滲透率超出預(yù)期。又譬如低軌星座，伴隨多家國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)及IT巨頭的加入，正在迎來(lái)個(gè)人用戶的爆發(fā)式增長(zhǎng)。

高通量衛(wèi)星

有理由相信，未來(lái)的3至5年，將是基于衛(wèi)星星座的天基互聯(lián)網(wǎng)的黃金時(shí)代；更可以預(yù)判，未來(lái)5至10年，基于臨近臨時(shí)空間平臺(tái)的天基互聯(lián)網(wǎng)，也將加速成熟。這一發(fā)展大勢(shì)意味著，天基互聯(lián)網(wǎng)將和快速到來(lái)的5G地基互聯(lián)網(wǎng)充分協(xié)同融合，天地一體化網(wǎng)絡(luò)將擁抱每個(gè)人的生活。

這一刻，大交通行業(yè)已為之準(zhǔn)備了10年，通信衛(wèi)星行業(yè)已為之等待了20年。時(shí)刻準(zhǔn)備著，以奔跑之姿，撞開天基互聯(lián)網(wǎng)的大門?！?/p>