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工业综述 | 卫星通讯应用的历史回首和未来展望
2020-04-10 / 阅读次数：2215
文 | 沈永言（中国卫通集团股份有限公司）
转 | 卫星与网络
1前言
说到商用通讯，人们会不假思索地想到光纤通讯、移动通讯和卫星通讯，并且，还会义正辞严地以为，光纤通讯和移动通讯比卫星通讯规模大、用户多。是的，今天的情形简直云云，可是最初并非这样。通讯行业资深一点的人士都知道，卫星通讯始于1957年，那年，前苏联发射了第1颗LEO卫星－Sputnic。1965年4月，Intelsat将第一代通讯卫星—Intelsat-1（即晨鸟）发射到地球静止轨道，提供国际通讯效劳，标记着卫星通讯正式进入商用阶段。1976年，美国在亚特兰大开通了天下上第一个适用化光纤通讯系统，速率为45Mbps，中继距离为10km。1980年，140Mb/s多模光纤通讯系统最先商用化，单模光纤通讯系统最先现场试验。1978年，美国贝尔实验室发明了AMPS（先进移动电话系统），即第一代模拟蜂窝移动通讯系统�？杉�，论历史的话，卫星通讯要比光纤通讯、移动通讯早不少。
卫星通讯是一种中继节点运行于太空中的一种特殊无线通讯方法，具有笼罩区域广、生涯能力强、建设速率快、营业种类多等优势。卫星通讯有FSS（牢靠卫星营业）、BSS（广播卫星营业）、MSS（移动卫星营业）三大营业种别，其中FSS、BSS的营业规模和社会影响更大�；厥桌�，卫星通讯曾在专线、VSAT网络方面创立过绚烂的业绩。展望未来，卫星将在高中地轨融合生长时代继续施展不可或缺的支持作用。
2卫星专线毗连五洲四海
在陆地、海底光缆普及之前，卫星通讯一经是国际海内电视和电信传输等营业中的主力军。1972年，我国建设的第一个卫星通讯地球站就是用于美国总统访华实况转播。1984年，我国乐成发射第一颗通讯广播试验卫星—东方红二号，该卫星携带2路C频段转发器，开展1路彩色电视和15路广播节目的传输试验。1985年先后建设了北京、拉萨、乌鲁木齐、呼和浩特、广州等5个公用网地球站，正式传送中央电视台节目。
我国卫星公用传输网始建于1985年。到2002年，共开通约3万多条海内双向电路和1万多条国际双向电路，主要用于话音、数据、电视传输和互联网接入等营业。我国卫星通讯专线先后接纳过SCPC（单路单载波）、FDM/FM（频分复用/频率调制）、TDMA（时分多址）和IDR（中速数据速率）等制式。
由于SCPC、FDM/FM属于模拟通讯手艺，没有顺应程控电话和互联网数据通讯等营业需要的数字电路复用和数字接口，而TDMA严酷的网时钟同步要求，且转发器带宽使用不敷无邪，因此从1993年5月最先被IDR所取代。那年，原邮电部引进加拿大Spar公司的IDR装备，不但装备海内北京、广州、乌鲁木齐、呼和浩特、拉萨、成都、青岛等原有地球站，并且新建了上海、西安、沈阳、厦门、哈尔滨、�？凇⒅厍臁⒗ッ鳌⒗贾荨⑽浜骸⒛夏⒏Ｖ莸刃碌厍蛘�。
IDR营业是由Intelsat在80年月中期提供的一种新型数据通讯营业。IDR营业有1.544、2.048、6.312和8.448Mbps四种信息速率。IDR相当于对FDM/FM的数字化，属于TDM/FDMA（时分复用/频分多址）体制，但不需要网时钟同步。IDR与基于DSI（数字话音插空）、ADPCM（自顺应脉冲编码调制）的DCME（数字电路倍增装备）组合使用，可将卫星专线传输能力提高到原来的5倍，例如，8.448Mbps电路可传600路话音。
3VSAT网络通达千家万户
在毗连五洲四海、实现公用通讯网络互联互通方面，IDR可谓功不可没。可是，IDR有两个缺乏，一是在容量、时延和性价例如面，被厥后居上的光纤通讯所逾越；二是点到点传输模式限制了它的应用规模，多次转接也会损伤话音等营业性能。这就为随后兴起的VSAT（甚小型口径天线终端）卫星网络手艺提供了大显身手的时机。
上个世纪八十年月末，卫星转发器性能和终端电子手艺取得重大的前进，这使得VSAT天线和用户终端装备逐渐实现小型化。与IDR相比，VSAT可以自我组网，具有本钱低、结构无邪、应用多样、装置容易、操作简朴等优点，因此在公用网络主干传输和用户接入以及种种专网互联等领域获得普遍使用。
1984年，Intelsat首次开设了VSAT营业,连忙引起了我国邮电等部分的关注。1988年,原中国通讯广播卫星公司引进外洋通讯装备,建成我国第一个VSAT通讯网。它包括1个主站和35个端站,为我国铁道部、能源部、地动局、海洋局、民航局、海关总署、经济信息中心和农业银行等8个行业部分提供通讯效劳。
在我国VSAT生长历程中，无线寻呼联网、证券信息广播、村村通电话、地面光纤电路备份、村村通和户户通电视等工程是几个最具代表性的应用案例。至2006年底，村村通电话VSAT小站达2780个，解决了绝大大都偏远地区的电话通讯难题。天下VSAT小站总数达46444个，其中单向小站34140个，双向小站9524个。在2008年“5.12”四川地动后，电信运营商最先接纳VSAT作为地面光纤网络的备份，仅中国移动“超等基站”一个项目就在天下建设了1000多个VSAT站点。阻止到2019年6月，我国户户通（含少数村村通）VSAT单收站达1.4亿个。单从终端用户数上看，我国户户通电视工程建成了天下上最大的DTH（直播到户）平台，只是还没有进入商业化运营。
可以说，DTH是VSAT最大的应用领域，而DTH是卫星通讯的最大市场。现在，北美DTH用户有5000多万，而欧洲达8000多万。2018年，全球通过卫星分发的电视频道数目凌驾43500个，付费电视频道15227个，DTH总收入达942亿美元。只管受到IPTV（IP电视）、OTTTV（网络电视）的攻击，近年来DTH的用户数和收入有所下滑，但在卫星通讯和电视广播领域仍然占有举足轻重的职位。
2000年之后，3G、4G移动通讯和地面光纤通讯的大生长对VSAT应用造成不小的攻击，但它仍然在基站中继、IP中继、企业和政府专网、应急通讯等领域施展奇异作用。由于“动中通”手艺的泛起，VSAT乐成地进入机载/船载/车载等移动宽带接入市场。应该说，是VSAT让卫星通讯进入千家万户和各行各业，也是VSAT为卫星通讯的宽带化应用涤讪了基础。反之，卫星宽带网络的生长也在一直推动VSAT手艺的前进。
4高中低轨笼罩空天地海
宽带化、互联网化是通讯网络的生长趋势，卫星通讯也不破例。卫星通讯的宽带化首先是通过VSAT举行的。虽然VSAT为卫星通讯的宽带化应用涤讪了基础，但古板GEO（静止轨道）FSS卫星带宽太小，这使得最近十多年来GEOHTS（高通量卫星）获得空前的生长。而GEOHTS时延较大、区域笼罩能力有限，不可充分知足5G基站中继等低时延营业要求，这又使得MEO（中轨）HTS，特殊是LEOHTS获得卫星通讯行业的高度重视。
近年来，在航天和信息手艺以及商业实力的推动下，全球卫星通讯行业进入了以HTS和LEO星座为代表的卫星互联网生长阶段。卫星互联网是人类运动从陆地向海洋和太空扩展的一定效果，5G随遇接入和万物互联愿景实现的一定要求。在信息网络空天地海一体化时代，卫星互联网在信息网络清静、航空海事通讯、普遍效劳、军事通讯、应急指挥、空间频轨资源维护等各个方面都具有主要的包管作用，进而成为全球航天工业领域的生长热门、移动互联网之后又一个新的经济增添点。
现在，全球主要卫星制造和运营商都在起劲生长基于多点波束空分复用手艺的HTS。HTS包括GEO（地球同步轨道）、MEO（中地球轨道）、LEO（低地球轨道）三种形式。当下应用较多的是GEOHTS，其次是MEOHTS，LEOHTS则正在建设之中。现在，较量代表性的在轨GEOHTS是美国Viasat公司的Viasat－2和Hughes公司的Jupiter－2，它们的容量划分抵达300和220Gbps。在建的Viasat－3和Jupiter－3的容量将划分抵达1Tbps和500Gbps，它们将于2021年发射。
在MEOHTS星座方面，SES公司旗下的O3b是现在全球唯一商用化的MEOHTS星座系统，其一期20颗卫星已经所有在轨运行，功效更强的二代卫星已在建设之中。在LEOHTS星座方面，SpaceX一马领先，其StarlinkLEO星座最初妄想发射4425颗卫星，2018年11月增添7518颗，合计1.2万颗。这些卫星划分位于三个轨道：340千米上7500颗；550千米上1600颗；1150千米上2800颗。2019年10月SpaceX又增添3万颗，总数达4.2万颗。2019年5和11月、2020年1、2和3月，SpaceX公司先后发射6批60颗小卫星。当卫星规模抵达800颗时，Starlink星座将基本具备全球效劳能力。
高中低轨HTS的生长充分释放卫星互联网的带宽潜能。现在，全球HTS总带宽供应量不到4Tbps，NSR（北方天空研究公司）预计，到2028年，将增添到40Tbps。其中，GEOHTS和非GEOHTS中分秋色，见图1所示：
图1全球HTS带宽供应量增添情形
高中低轨HTS的生长为VSAT提供富足的带宽资源，其前向载波速率正在迫近1Gbps的水平，这为消耗者宽带接入、基站中继、机载通讯、海事通讯、政府和企业通讯等卫星互联网应用提供了富足的容量包管。这些应用配合的点到多点传输模式和互联网接入特点是由HTS多点波束空分复用和星地一体化设计最优结构要求所决议的。
图2卫星互联网空天地海应用场景
Euconsult（欧洲咨询公司）的统计数据批注，消耗者宽带接入是GEOHTS，同时也是所有卫星带宽应用中需求最大的部分。全球消耗者宽带接入最大市场是北美，北美市场被Hughes和ViaSat两家所垄断，它们既是VSAT装备制造商，又是卫星宽带效劳提供商。阻止2018年底，这两家公司合计占该地区205万用户的90%。北美之外最大市场是欧洲，现在SES、Eutelsat和Avanti三家公司在该市场上占有主导职位，2018年用户总数为14.4万。到2028年，北美仍将是全球消耗者宽带接入的最大区域市场，占总用户的近一半，届时用户总数将抵达670万。
图3全球卫星应用带宽需求结构
基站中继是NGSO（非GEO）HTS中带宽需求最大，同时也是所有卫星带宽应用中需求排第二的部分。Euconsult展望，卫星基站中继站点数目将以约4％的复合年增添率增添，到2028年将抵达约53000个站点，而2018年为36700个。从区域上看，亚洲、非洲和拉美是最大的基站中继市场，从网络类型上看，4G和2G需求最大。
图4卫星基站中继需求结构
机载通讯和船载通讯在卫星带宽需求中占比不大，但其需求较为刚性，因而成为各大卫星宽带效劳提供商竞相追逐的新兴市场。凭证Euconsult报告的数据，阻止2018年年底，机载通讯中商用飞机潜在市场约为2.7万架，预计到2028年将抵达近4.2万架。公务机市场将从2018年下半年的3.7万架增至2028年下半年的近5万架。虽然船载通讯终端数目始终比机载通讯多，可是机载通讯的潜在收入要远大于船载通讯。
图5机载通讯和船载通讯需求和收入增添情形
只管基于HTS和高中低轨星座的卫星互联网的带宽供应量已经凌驾古板GEO大波束卫星，其收入规模最终也会凌驾卫星直播电视，可是GEO大波束卫星和卫星直播电视将恒久具有举足轻重的职位。特殊是基于GEO大波束广播的内容投递将在5G和卫星互联网互联应用施展要害。由于，高清、超高清视频和社交媒体的生长会给信息网络带来重大的流量压力。
借助于卫星广播和内容投递手艺，将共性内容高效地分发到网络边沿，无疑是一种主要的解决之道。近年来，ITU（国际电信同盟）、3GPP（第三代相助同伴妄想）、SaT5G（5G卫星同盟）等国际标准化组织纷纷将内容投递视为主要的卫星互联网与5G融合应用场景。卫星内容投递与5G的融合不是一样平常性的网络组合，而是一种体制性和架构性的融合。由于5G具有广播功效，它有可能取代DVB-T（数字视频广播—地面），卫星内容投递与5G对接，实现视频广播效劳中带宽和营业优化设置将具有重大的商业价值，值得业界深入的手艺研究和市场推动。
在高中低轨笼罩空天地海时代，VSAT无疑一个支持以上种种应用的须要网络基础设施。可是，仅有VSAT是不敷的，还需要可以多频段和多卫星毗连、小尺寸、低功耗的电调平板天线，以及移动边沿盘算手艺的配合。前者实现终端在差别频段和卫星之间的快速切换，后者实现路由选择、速率适配、内容存储、数据剖析、系统控制等终端应用治理事情。电调平板天线和移动边沿盘算也是空天地海时代卫星互联网支持广义物联网和工业互联网应用（如飞机、船只、车对治理和监视等）的须要条件。
近年来，电调平板天线商用化水平一直在一直提高。在EuCNC2019（2019欧洲网络与通讯大会）上，移动边沿盘算已经SaT5G同盟举行了一系列卫星5G演示中获得应用。
5结语
专线、VSAT、空天地海应用形态可以视为卫星通讯从直线、平面到立体的逐步进化历程。几十年来，卫星通讯一直在与地面通讯齐头并进生长。一方面，地面通讯在一直侵蚀卫星通讯的营业土地，同时，地面通讯又在一直为卫星通讯创立新的市场空间。
进入5G、6G时代，信息网络空天地海一体化的主要水平亘古未有，这为卫星通讯的生长展现了辽阔的生长远景。卫星通讯要在其中大显身手，除了电调平板天线和移动边沿盘算手艺之外，还需要继续在小型化VSAT终端、卫星数字载荷、软件界说网络、小卫星规模制造、多星发射、星际光通讯和太赫兹传输等方面加大立异力度，同时要重视与地面网络的融合生长。
近年来，我国卫星通讯取得长足的前进。但与西欧蓬勃国家相比，我国卫星通讯工业，尤其是卫星通讯效劳业规模较小，与我国天下第二大经济体职位的反差较大，其中卫星电视直播、宽带接入等营业产能尚未获得充分释放是一个主要缘故原由。为富厚卫星互联网应用、实现卫星互联网的工业化生长，我国不但需要增强卫星通讯手艺、产品、体制和标准立异，更要深化天地融合、军民融合和混淆所有制方面的机制体制立异。
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