全球高通量卫星发展概况及应用前景

航天 · 2016-11-22 23:43:59

一、引言　　多媒体化、泛在化、宽带化是信息网络发展的基本趋势。为了适应宽带化发展的时代要求，光纤通信出现了DWDM、OTN、PON，地面移动通信出现了LTE、4G、5G，而卫星通信则出现了HTS（High Throughput Satellite ，高通量卫星）。　　开发利用新频率资源、提高频率使用效率是任何通信系统扩展带宽容量的基本方式。与C、Ku频段相比，Ka频段频率资源更加丰富，而多点波束则可以数十倍地提高了频率利用效率，两者结合使得HTS容量得以百倍地增加。　　基于HTS、新一代VSAT和IP技术的宽带卫星通信系统传输能力接近4G水平，体系结构方面与地面互联网高度兼容，在宽带接入、基站中继、机载/船载/车载移动通信、企业联网、视频分发与采集等方面得到广泛应用。　　宽带已经成为与水电路同等重要的基础设施、各国优先发展的国家战略，我国也于2013年开始实施“宽带中国”计划。卫星通信在信息网络中举足轻重，我国自主建设的中星16号HTS也在建设之中。与发达国家相比，我国卫星通信仍然落后。因此，跟踪研究全球HTS的发展情况、探索国内的应用前景，应该成为我国宽带发展过程中的重要议题。　　二、全球HTS的发展情况　　1、市场规模显著增长，收入比重并不对称　　Euroconsult预测，2013年，HTS占全球总卫星带宽容量需求的17%，到2023年，占比将增长到将近50%。NSR预计，到2022年，全球HTS总供应容量超过2.3Tbps，总需求容量超过1Tbps。其中，静止轨道HTS超过900Gbps,O3b等中轨道HTS将达到100Gbps。在这1Tbps以上的HTS总容量需求中，宽带接入占73%；基站中继、IP中继、VSAT联网占168Gbps；各类移动应用占140Gbps。　　到2023年，虽然HTS总带宽求将与一般通信卫星平分秋色，但在188亿美元的总收入中仅占32%。这主是由HTS的带宽定价和出租率相对较低等原因引起的，而出租率低又源于各个点波束中业务分布不均，制约了带宽利用率的提高。在有限的收入中，各种应用所占比重相对平均。尽管宽带接入在带宽需求中一枝独秀，但其收入贡献并不明显。这是由于家庭用户带宽占用多，而ARPU值又相对较低决定的。HTS带宽需求增长和收入结构见图1所示。

图1：HTS的带宽需求和收入结构　　2、网络运营全球覆盖，美欧地区保持领先　　Euroconsult统计数据表明，到2013年底，全球有20家FSS运营商投资于HTS或载荷。其中，已经运营的有11家，另外9家在后面4年时间里陆续发射其首颗HTS或载荷，见表1所示。

在今后几年里，HTS服务将实现全球覆盖，但市场重心仍在美欧。例如，北美的HNS和VIASAT已分别发展了100万和60万以上的宽带用户，并且都将在2016年发射各自更为先进的HTS，而欧洲的EUTELSAT、SES等也分别拥有10万以上的宽带用户。与一般卫星通信相比，HTS在不同地区的发展水平反差更大。这是因为，世界不同地区的科技、生产力和消费水平参差不齐，发展中国家的卫星宽带通信消费能力较低，而建设成本相对较高，见图2所示。

图2：不同地区HTS的发展趋势以及部分国家的宽带卫星通信消费能力　　3、宽带接入地位突出，普遍服务有待扶持　　卫星宽带通信在完善宽带基础设施、消除数字鸿沟、保证社会均衡发展方面具有独特优势，这决定了宽带接入成为HTS最主要的应用方向。目前，越来越多的国家将宽带卫星通信纳入普遍服务提供计划之中。Euroconsult预测，全球卫星宽带接入用户数量将2013年的225万增长到2023年的880万，这些用户将主要由HTS来提供服务。　　由于技术原因，与地面宽带相比，卫星宽带通信服务和终端设备的性价比都存在一定的差距，因此许多国家都为宽带卫星通信提供不同程度的资金支持。例如，2009年，美国政府通过“美国复苏和再投资法案”为家庭宽带接入提供了1亿美元的一揽子支持，HNS由此获得了10万个美国边远地区用户。Eutelsat受益于“英国农村资助链接计划”，从而为德文郡等地区1千个家庭提供宽带接入服务。西班牙Hispasat为政府发起的Avanza I和Avanza II计划部署了4千VSAT终端。2009年，澳大利亚启动了总投资达620亿美元（后调整为410亿）的NBN（国家宽带网络）计划，为其境内的家庭和企业提供宽带服务。其中，3%的用户将由卫星宽带通信来提供。发达国家尚且如此，对于终端设备采购、安装等成本较高，而用户支付能力较低的发展中国家来讲，要开发利用卫星宽带通信，就更需要得到政府的资助。Euroconsult认为，这些国家的月服务价格应低于20美元，这与HTS运营商可承受的价格之间存在明显缺口。　　4、基站中继举足轻重，亚洲地区潜力较大　　卫星通信在远程连接方面的天然优势、移动运营商对于普遍服务所承担的社会责任以及对市场范围的拓展要求，这些因素共同决定了基站中继是卫星宽带通信的重要应用领域。全球移动通信从2G向3G、4G的迁移必然要求采用带宽容量更大、中继能力更强的HTS，低功率的小蜂窝中继将是热点之一。Euroconsult认为，卫星基站中继数量占全球基站总数的0.5-1%。　　2013年可谓全球HTS基站中继应用元年。Euroconsult发现，HTS基站中继和IP中继带宽需求达到了4.6Gbps,而2012年仅为4.2Gbps。由于地理环境等方面的原因，与宽带接入情况相反，发展中国家的卫星基站中继需求更大。NSR认为，在全球基站中继市场中，亚洲地区所占份额最大，将占全球总量的四分之一。　　目前，亚洲地区HTS运营商主要是IPStar。2013年初，IPStar与中国电信卫星和香港协同通信公司建立合作关系，由后者代理销售IPStar在中国市场的11Gbps卫星容量（占卫星总容量的24%），主要业务为基站和IP中继以及企业联网。在日本，IPStar有四家移动运营商客户——SoftBank、KDDI、NTT Docomo、EMobile。其中，SoftBank一家使用的容量达2Gbps，而其余三家共为0.5Gbps。　　除了IPStar，从2013年开始，O3b、HNS、Intelsat、Inmarsat等公司也在积极开拓基于HTS的LTE和4G基站中继市场。O3b将目标市场锁定在亚太、拉美、非洲等地区，应用主要定位于基站和IP中继。2013年，O3b成功发射了其8颗中轨道卫星星座中的4颗，已与东帝汶、马来西亚、巴基斯坦、索马里、密克罗尼西亚群岛等国家和地区的移动运营商签署了预售合同。　　5、移动通信风生水起，机载宽带商家必争　　“动中通”终端天线技术的成熟为飞机、船舶、列车、汽车等移动平台通过通信卫星接入互联网提供有效的途径，其中，以机载移动通信对通信卫星的依赖程度最大、带宽需求最多。　　自从2008年美航率先采用Ku卫星提供机载卫星移动通信服务以来，美国三分之二的民航飞机开展了此项服务。2012年底，SES与Gogo开始合作，基于Ku卫星为飞越北大西洋、欧洲和美洲的民航提供机载移动通信服务。传统Ku卫星容量的有限性迫使民航公司将目光转向HTS。2013年6月，Viasat公司开始与Live TV合作，基于Viasat1 Ka卫星，向美国捷蓝航空170架飞机和大陆航空公司200多架飞机提供宽带服务，每个乘客的下载速度可达12Mbps或更高，此项工程将在2015年完成。此外，ViaSat也在与美国波音公司合作，在波音商用飞机上预装Ka卫星通信机载终端，与以色列航空合作，基于欧洲Ka-Sat Ka卫星，在欧洲和中东地区提供航空宽带服务。2012年底，Inmarsat与Gogo开始合作，共同开拓GX Ka卫星移动通信服务。2013年1月，Eutelsat与LiveTV合作，向欧洲商业航空公司的乘客提供Ka卫星移动服务——“Eutelsat Air Access”，每架飞机的连接速度可达100Mbps。　　三、我国HTS的应用前景　　1、卫星宽带接入可助力“宽带中国”计划，但运行模式需要创新　　近年来，我国宽带通信整体进步较快，但是城乡宽带普及率差距仍在继续扩大。2012年底，我国农村宽带人口普及率只有6.3%，仅为城市的三分之一。“宽带中国”计划实施情况表明，由于农村地区由于人口分散、环境恶劣等原因，普遍存在着光缆设施建设投入大、维护成本高、效益产出少等难题。在贵州、云南等地，为一个住户只有10多家的小山村铺设一根10公里光缆，就需要花费1000万元人民币。假如全国只要有400个类似山村（4000户），你们就需40亿建设投资。这个数字差不多就是一颗容量100Gbps以上、可服务100万家庭用户的HTS建设成本。　　目前，我国边远地区的贫困人口仍有8200多万，还有3万个行政村、1.8亿户没有通宽带。未来几年，国家每年用于行政村地面宽带建设的投入是40亿元。这说明HTS在消除数字鸿沟方面不可或缺。必须注意到，HTS虽然在边远地区宽带设施建设方面具有一定优势，HTS在服务性价比方面仍然处于劣势。面对城乡差别巨大的现实国情，我国必须在消除数字鸿沟过程中大力开发利用HTS，实现地面网络与卫星网络的协调发展，积极采用宽带普遍服务补偿机制，对卫星运营商给予适当的扶持，以实现国家、企业、用户利益上的共赢。　　2、卫星基站中继不仅商用需求巨大，而且社会效益也非常可观　　2014年底，中国移动4G用户已达到8000万，拥有基站70万个。预计，2015年底前，中国移动将建成100万个4G基站，用户总数将超过1.5亿；中国联通也将在143城市将建5万个基站。在城市4G网络部署完成之后，借助HTS实现边远地区的基站中继将是移动运营商的必然需求。以每个基站中继需要20Mbps带宽来保守估计，全国1千个4G基站就需要20Gbps的HTS带宽需求。　　卫星基站中继不仅仅是移动运营商网络建设的商业需求，更是它们承担普遍服务，参与“宽带中国”计划的重要方式。相对于面向单个用户的宽带接入，面向集团用户的基站中继，建设成本更低，建设速度更快，受益人群更多，社会效益更大。　　3、机载卫星移动通信需求最突出，高铁和船舶卫星移动通信也是亮点　　2014年底，我国民用飞机数量为2475架，客运3.92亿人次。到2007年，将增长到3381架，5.38亿人次。假定每架飞机飞行时间为4小时，需要30Mbps下载带宽，那么届时并飞时的总HTS带宽需求为17Gbps。　　2013年底，我国拥有高铁动车1500辆，2017年将增长到1700辆。假定每动车需要50Mbps的下载带宽，同时运行数为六分之一，那么，届时需要14Gbps HTS带宽。　　与民航、高铁市场相比，船舶航运市场相对分散，包括海上工程船、政府公务船、科考船、航运船、客轮与邮轮、游艇等七大类型。其中，以航运占比最大。目前，我国沿海航运船舶11024艘，远洋2457艘。沿海可以通过地面移动网络实现通信，远洋必须借助卫星网络。假定每艘船需要5Mbps，共需要12Gbps。　　四、结语　　HTS已成为卫星通信的发展方向，它的典型应用以宽带接入、基站中继、移动通信为代表，实际应用领域是全方位的。与Ku频段通信卫星可以用于DTH相类似，Ka频段的HTS也可提供高清、本地化的DTH。然而，这需要制度上的创新。与一般应用可以按照商业规律来进行不同，关系到民生服务、社会公平的卫星宽带接入则需要得到政府的适度扶持。这对于我国这样一个人口众多、环境复杂、城乡差距巨大的发展中国家来讲，更是如此。　　我国需要将HTS作为“宽带中国”计划和宽带基础建设中的重要支撑来对待。因为，只有天地一体，才能无缝覆盖，从而真正满足人们随时随地享受信息服务的需求。DirecTV与AT&T的融合，HNS与DISH的协同、VIASAT与DISH的合作、BskyB的综合服务、Inmarsat和O3B等公司的运营模式都是在展示信息网络行业的发展趋势。　　丰富的频率资源使得Ka频段成为目前HTS的主要选择，然而仍有10%的HTS在使用Ku，甚至C频段。必须注意到，Ka轨位和频率资源也是有限的，而带宽需求则是无限的。因此，将带宽贡献更大的多点波束技术与C、Ku频段相结合，必将是未来HTS的发展方向。Intelsat的 EPIC平台已经率先应用这种模式。此外，空中交换、高阶编码调制、移动波束等高效的频率资源利用技术也将是未来HTS的重要发展方向。

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