首个Ka频段全球商业宽带通信卫星系统建成

航天 · 2016-11-22 23:51:11

莫斯科时间2015年8月28日14：44（北京时间19：44），国际移动卫星公司（INMARSAT）的国际移动卫星－5 F3（Inmarsat－5 F3）由“质子”（Proton）火箭发射升空。　　Inmarsat－5 F3由美国波音公司研制。该卫星基于波音卫星系统－702HP（BSS－702HP）平台设计，质量6.07t、功率15kW、设计寿命15年。卫星携带89台Ka频段转发器，将为太平洋地区提供海上、空中及其他交通工具的卫星通信服务，卫星同时支持高分辨率视频、音频和数据通信。Inmarsat－5 F3的成功发射，标志着国际移动卫星公司旨在提供全球高速卫星移动宽带互联网服务的“全球快讯”（Global Xpress）系统部署完成。

卫星发射现场　　1 国际移动卫星公司概况　　国际移动卫星公司成立于1979年，前身为国际海事卫星组织，目前是全球最大的移动卫星服务提供商，为各类型（海事、航空与陆地）终端用户提供数据和话音通信服务。习近平主席于2015年10月访英时参观了该公司总部。截至2015年9月，共拥有在轨卫星11颗，其中L频段9颗，Ka频段3颗（即Inmarsat－5系列卫星），全部工作在地球静止轨道（GEO），涵盖4个系列。　　2 国际移动卫星公司业务转型　　国际移动卫星公司自成立以来，前四代卫星系统都采用L频段。该频段由于天线波束宽、终端寻星和对星速度快以及传播损耗和雨衰小等优点，特别适用于卫星移动通信服务，便于机载、车载和船载终端使用。以Inmarsat－4星座为基础，国际移动卫星公司构建了唯一的全球性L频段卫星通信网络，可提供星基话音与较高速率数据通信，积累了大量用户群[截至2014年底，普通终端用户数超过37万，机器对机器（M2M）终端超过27万]，并与40余家经销商以及多达800家的支持服务商保持稳定的商业合作关系。　　在第五代Inmarsat系统推出之前，国际移动卫星公司的主要业务包括：　　1）宽带全球区域网（BGAN）：由Inmarsat－4系统支持，可提供高达492kbit/s的宽带服务，并能同时进行话音通信，适用于便携式、固定和移动用户终端；　　2）船队宽带（FleetBroadband）：主要应用于海事服务，数据速率最高492kbit/s；　　3）机载宽带（SwiftBroadband）：主要应用于航空服务，数据速率最高432kbit/s。

国际移动卫星公司业务发展路线　　随着卫星通信产业的发展和用户规模的扩大，传统频谱资源越来越紧张，运营商可提供的服务能力与市场需求之间的差距日益显现，国际移动卫星公司也不例外，其所分配到的L频段带宽仅34MHz，在有限的带宽内很难有进一步的作为。另一方面，Ka频段的发展前景被持续看好，越来越多的卫星运营商开始选择该频段提供服务。　　2008年，在第四代Inmarsat系统投入运营还不到3年时，国际移动卫星公司开始着眼于第五代，即Inmarsat－5系统的研发，谋划将L频段的业务拓展至Ka频段，以该频段的甚小口径终端（VSAT）业务作为未来新的收入增长点，构建全球宽带移动卫星通信网络，即Global Xpress，并与L频段形成优势互补，提供无缝的全球覆盖和移动宽带服务。　　3 Global Xpress系统情况　　2010年，国际移动卫星公司正式宣布Global Xpress系统建设计划，该系统将成为第一个使用Ka频段的全球性商业宽带通信系统。卫星由波音公司负责研制，地面网络和核心模块设计由iDirect公司负责，舰载/机载网络服务设备（NSD）则由思科公司（Cisco）以国际移动卫星公司名义代为生产。从2013年12月Inmarsat－5 F1发射成功到如今星座组建完成，耗时不超过2年。　　　　Global Xpress技术特点　　从技术的角度来看，Global Xpress属于典型的高通量通信卫星（HTS），此类卫星通过采用点波束，覆盖面积仅为传统波束的1%～2%左右，支持频率复用以获得更高的数据速率。　　此外，高通量通信卫星绝大部分工作在Ka频段，可用频谱宽度远远高过C和L频段，可大幅提升卫星容量，同时显著减少吉比特每秒的成本花费（约为传统宽带卫星对应成本的1%）。该频段的终端尺寸也较小，在充分满足固定卫星宽带服务需求的同时，可有效应用于移动卫星宽带服务领域。　　（1）技术特性　　Inmarsat－5的3颗卫星，其89个点波束将覆盖除高纬两极以外的全球区域范围（同一时间内最大激活波束数目为72个），每个波束被分配了32MHz/64MHz带宽以提供区域服务。此外，每颗卫星上还搭载了1台高容量转发器（HCP），具备6个可调波束，用于为业务需求量大的区域提供附加容量服务。国际移动卫星公司计划于2016年发射第4颗卫星作为备用星，同时也将使Global Xpress网络容量得到一定的提升。据北方天空咨询公司（NSR）估算，整个Global Xpress网络的数据吞吐能力将达到50Gbit/s。　　为了抵抗Ka频段雨衰影响，Global Xpress在用户下行链路采用多频时分多址接入（MF/TDMA）制式，每波束共计32MHz的带宽被划分为多个载波，可依据用户终端返回的链路状态报告（信噪比值）自适应实时调整调制编码和载波资源分配方案，并使用预留的可调卫星功率来控制数据速率，同时依据服务质量（QoS）、终端等效全向辐射功率（EIRP）以及信道衰落特性等多因素综合分配用户端可支配的时隙资源数目。　　此外，在地面段采用经过iDirect公司优化过的网络结构，卫星接入站（SAS）分为主站和备用站，实现了空间分集，2个相距数百千米的站点均能接收和处理所有的业务流量。印度洋区域的卫星接入站分别建在意大利富奇诺（Fucino）和希腊奈迈阿（Nemea），大西洋区域站分别建在美国利诺湖（Lino）和加拿大温尼伯（Winnipeg），而太平洋区域站址选在新西兰。

Global Xpress全球覆盖波束分布图（黄色点为网关站）　　当主站受到雨衰情况影响，系统可以自动切换至备用站消除该影响。通过冗余和分集手段，Global Xpress网络实现了高度的可用性。　　（2）网络架构　　建成后的Global Xpress将是端到端基于IP的网络，保持与BGAN L频段网络之间的互操作性。　　在用户下行，终端网络服务设备（NSD）将兼容Global Xpress和BGAN模块，通过分置的天线接收两个系统的卫星信号，服务于局域网络用户。接入网部分，Global Xpress与BGAN将使用不同的地面网关站通过统一的接入点（Meet Me Point，全球分设3个）接入其IP主干网。

Global Xpress建成后的国际移动卫星公司网络架构　　此外，在Global Xpress系统出现故障无法正常工作时，可以实现自动切换，使用BGAN网络继续服务。同时，地面网络部分将保证在同一卫星的不同波束之间进行切换的过程中，不会出现IP丢失现象，实现无缝切换；而在2颗卫星间进行切换的过程中，服务中断时间将缩小至30s。　　Global Xpress应用　　国际移动卫星公司在L频段所积累的用户群，是其拓展Global Xpress商业应用服务的基础，新系统将用户分为航空、海事、政府等不同类型以提供服务。　　（1）航空应用　　相比上一代“机载宽带”，Global Xpress航空解决方案性能更强，可在卫星覆盖范围内实现信号功率的均匀配置，并能够在小范围区域内进行带宽和功率调整与分配。　　据悉，该服务的数据吞吐量是基于现有用户数量而定的，每个用户都拥有一个“指定信息速率”（CIR），这是保障其可获取的最低数据速率。根据不同应用服务，实际数据速率有可能超过“指定信息速率”，甚至达到单个点波束所分配容量的级别。　　　　（2）海事应用　　国际移动卫星公司始终将海事应用市场作为其业务板块的重中之重，在Global Xpress网络研制和筹建阶段，已开始加紧并购其他服务提供商，扩大市场布局：　　1）2011年收购VSAT海事通信服务提供商船舶装备公司（Ship Equip）；　　2）2012年收购了Ship Equip的网络运营商新浪潮公司（New Wave）；　　3）2014年收购海事通信增值服务提供商寰球无线公司（Global Wireless）。　　从容量租用到网络运营再到增值服务，国际移动卫星公司的业务着力点已扩展至全产业链。　　而在应用方案上，Global Xpress将采取“分步走”的策略。首先提供的是名为“船队宽带增强版”的过渡性服务方案，在Inmarsat－5 F1开始运行时启用。如今，第五代Inmarsat系统组网完成，该方案将由“海上快讯”取代。后者是一个混合式的解决方案，将成为Global Xpress海事应用的主打项目，其一方面采用Global Xpress的Ka频段网络，另一方面则整合了L频段的海上宽带服务。此外，“海上快讯”将成为受国际移动卫星公司管理和控制的服务方案，通过Global Xpress附加值转销商（VAR）进行销售。　　　　（3）政府应用　　国际移动卫星公司在2010年收购了塞戈维亚公司（Segovia），并由此开始为政府机构客户提供可靠安全的IP管理解决方案与服务，Segovia公司目前以“国际移动卫星公司·政府”（Inmarsat Government）的名义开展商业活动。　　如今，部署完成的Global Xpress将为政府/军事用户提供以下便利。　　1）空军：将满足空基平台（有人/无人）执行情报、监视和侦查（ISR）任务所需高带宽、高速率需求，并为中继通信任务等提供高通量支持。　　2）海军：可以支持灵活的远程监控和远程视频会议等功能，提升舰基态势感知能力；此外也在很大程度上满足士兵的福利通信需求。　　3）陆军：Global Xpress的高带宽特点和小尺寸终端适用于地面的动中通，国际移动卫星公司也正在与终端制造商合作为特种作战人员研制背包便携式终端，方便其进行作战指挥与控制、数据传输以及战场态势感知。　　此外，国际移动卫星公司已就Global Xpress容量租用以及同美军“宽带全球卫星通信”（WGS）卫星系统兼容互操作等问题与军方达成一致，未来将为美军的宽带卫星通信系统提供补充与增强服务。　　4 Global Xpress商业服务策略　　Global Xpress的顺利组网，将大幅提升国际移动卫星公司在卫星移动宽带服务领域的竞争力，而其也早已针对新系统积极开展业务，布局调整，采用多种手段拓展产业价值链。　　并购拓展产业链，缩短与用户距离　　　　为获得其参与的产业价值链更多控制权，国际移动卫星公司直接收购多家经销商。2009－2014年，国际移动卫星公司收购了6家主要的服务提供商，统一提供用户服务，进一步巩固了其在端到端服务领域的地位。　　此外，国际移动卫星公司还同各类终端制造商提早达成终端研制协议，在组网未完成时就开辟Global Xpress应用市场。目前已同陆地、海事、航空在内8家终端制造商达成协议。　　1）陆地终端：将包括便携式、固定以及车载终端，终端尺寸45～240cm不等，将有4家终端制造商参与；　　2）海事终端：终端尺寸60cm～1m不等，参与的终端制造商包括海洋通信公司（Sea Tel）、鹰雷公司（Intellian，负责Ku-GX可升级天线的研制，该终端同XpressLink一起使用，经过简单升级就可使用Global Xpress网络），以及新日本无线股份公司（JRC）；　　3）航空终端：包括主流终端制造商霍尼韦尔宇航公司以及新兴制造商基梅塔公司（Kymeta）。　　通过战略调整，Global Xpress可直接为终端用户提供纵向一体化服务，也可以将服务打包至经销商，实现Inmarsat管理式服务（managed services）的高效分发。　　布局增值应用市场，搭建商业生态系统　　无论是只做卫星运营，还是将产业链范围拓展至用户服务，运营商的利润都很难实现大的突破，目前高通量通信卫星发展迅速，未来移动宽带卫星服务行业在提供更高带宽上的边际成本已经大幅削减。从地面移动通信系统的经验也可看出，在运营商平台之上，增值服务提供商才是最大的获利者。

国际移动卫星公司服务支撑平台体系架构　　因此，国际移动卫星公司在Global Xpress网络的建设之初就定下了战略目标，即通过Global Xpress网络将其从带宽提供者转变为价值创造者（提供增值服务），实现这一目标的重要举措就是建立支持各类增值服务解决方案的平台，即服务支撑平台（SEP）。作为国际移动卫星公司2012－2014年的一项基础设施投资项目，在网络开始提供服务时，服务支撑平台将正式启动。服务支撑平台将主要由服务分发云平台（SDP）、接入网络以及网络服务设备组成。其中：　　1）SDP负责集中式管理用户数据库、主页、收费等功能，并提供与上一代Inmarsat系统之间的接口，为主流云平台和互联网应用开发商提供标准的Web服务应用程序接口（API）和Web2.0服务。　　2）接入网络负责通过BGAN和Global Xpress接入技术实现寻址、移动性及策略管理等功能。　　3）网络服务设备提供与用户终端（包括各类舰载、机载和车载设备等）的接口，运行应用以及服务。　　服务支撑平台将支持经国际移动卫星公司许可和批准的“授权应用提供商”（CAP）。服务支撑平台的建立将支持开放式的应用开发以及内容分发服务，为国际移动卫星公司在未来移动宽带服务行业领域的发展提供有力支撑。　　5 总结与启示　　　　Global Xpress系统建设与商业布局，在一定程度上显现出当前国外宽带移动通信卫星市场的发展趋势：高通量通信卫星技术持续演进、通信容量大幅提升，将成为移动宽带卫星服务领域的主流选择，并加速传统固定和移动业务的融合；各大卫星运营商竞相部署高通量通信卫星系统，而据欧洲咨询公司（Euroconsult）预测，2023年，仅GEO轨道的高通量通信卫星的容量供给就将达到2Tbit/s，总带宽需求则只有1Tbit/s，市场竞争激烈将促使运营商谋求盈利模式的转变。　　对我国来说，卫星宽带移动互联网市场尚未形成，接入服务性价比仍然较低。而高通量通信卫星在演进过程中，卫星/地面技术不断升级、性能持续改进，应用优势逐步显现。因此，加快研制服务于我国的高通量移动宽带通信卫星，缩小与国际水平之间差距，并推进应用部署，将成为国内卫星通信行业可选取的着力点。另一方面，未来宽带容量供给势必超过用户需求，通信管道相对价值进一步削减，增值服务成为新的增长点。因此，最大化利用现有系统优势，从提供通信带宽分配和租用的模式中积极寻找新的增值服务机会，也是我国卫星运营商谋求长远发展和战略性业务布局的重点考虑方向。　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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