一、前言
在當今信息網絡中，衛(wèi)星通信、地面光纖通信和移動通信可謂三劍客，它們三足鼎立、三分天下。與地面光纖通信主要用于骨干傳輸和固定接入、地面移動通信主要用于移動接入相比，衛(wèi)星通信可以應用于骨干傳輸、固定接入、移動接入、企業(yè)聯(lián)網、電視廣播、應急通信、軍事通信等多種場景，在軍、民、商等各個領域都占有不可或缺的地位。看起來，衛(wèi)星通信更像個全能選手，十八般武藝沒有它玩不轉的。實際也的確如此，它的這些能耐來源于它的廣覆蓋、遠連接、能移動這三大天然特性。
不過，由于衛(wèi)星通信在頻軌資源、制造和發(fā)射成本方面受到一定的局限，而地面光纖通信和移動通信在容量和性價比方面取得了更大的成就，因此，衛(wèi)星通信早期在骨干傳輸方面受到地面光纖通信的替代，后期在移動接入方面受到地面移動通信的挑戰(zhàn)。同樣作為無線通信技術，地面移動通信對衛(wèi)星通信的影響更大。3G之后，地面移動通信的傳輸速率越來越高，功能越來越強大。
特別是5G同時覆蓋高帶寬、大連接、低延時三大應用場景，擺出一副通吃高清/超高清視頻、物聯(lián)網、車聯(lián)網等所有業(yè)務的架勢。毫無疑問，相比以往的移動通信系統(tǒng)，5G的高帶寬將更適合于新聞采集、視頻廣播、在線直播等業(yè)務，會進一步推動移動網絡上IPTV和OTT TV的發(fā)展，這將對衛(wèi)星視頻分發(fā)、衛(wèi)星電視直播產生直接的沖擊。
不過，人們也不要過于擔心5G移動通信對衛(wèi)星通信的沖擊，因為5G“隨遇接入、萬物互聯(lián)”愿景的實現(xiàn)還需要可以全球無縫覆蓋的衛(wèi)星通信這個“同胞兄弟”出手相助。目前ITU、3GPP和SaT5G等標準化組織無一不在從事衛(wèi)星通信和5G的融合研究。比如，5G數(shù)目眾多的遠程基站有的需要衛(wèi)星通信來回傳業(yè)務流量，5G廣播也可能需要衛(wèi)星通信來提供內容投遞。
此外，還有機載和船載通信等。也就是說，衛(wèi)星通信與地面移動通信是相生相克的關系。盡管如此，衛(wèi)星通信必須要正視5G時代的到來，因為5G的的確確在與衛(wèi)星通信爭頻率、搶業(yè)務。衛(wèi)星通信要持續(xù)生存、發(fā)展下去，就必須使出渾身解數(shù)來為自己創(chuàng)造市場。因為，技術是為市場存在的，企業(yè)是為客戶存在的。
二、做大容量，吸引市場
帶寬容量是衡量所有信息網絡性能的最基本指標，是它們克敵制勝的首要武藝。面對高清/超高清視頻、社交網絡等應用帶寬需求的日益增長，信息網絡必須不斷提高網絡帶寬。就衛(wèi)星通信來講，信道編碼效率基本接近極限水平，網絡帶寬只能通過多點波束空分復用、高頻傳輸這兩者路徑來獲得。
目前，各種HTS都在通過這種路徑來擴大帶寬。Viasat在建的GEO HTS——Viasat－3容量達到1Tbps，這幾乎是常規(guī)衛(wèi)星容量的1千倍。Hughes和Eutelsat公司分別在建Jupiter－3、KONNECT容量也達到500Gbps。這三大VHTS（超級HTS）都將在2021年發(fā)射。HTS容量的迅速提升使得GEO HTS的單位Gbps制造成本降至百萬美元以下，從而在服務能力和資費水平方面與地面寬帶網絡旗鼓相當。隨著VHTS的推出，衛(wèi)星通信在信息網絡中的吸引力將會得到有力的提高。
為了進一步擴大衛(wèi)星通信容量，在充分利用多點波束和頻分復用技術的同時，Ka之上的頻率資源更為豐富的Q、V頻段已經開始進入商用。
2016年3月，Eutelsat率先在Eutelsat 65 West A衛(wèi)星上使用Q頻段。SpaceX、O3b、Boeing、Amazon以及國內相關單位的星座系統(tǒng)都有V頻段的使用計劃，而歐美等國已開始進行頻率更高的W頻段的研究工作。
2018年6月20日，由芬蘭研制的納衛(wèi)星首次從太空向地球發(fā)送W頻段信號。與Q、V頻段相比，空間激光通信的帶寬更大、抗干擾能力更強。經過多年來美歐、日本等的一系列研究，目前衛(wèi)星激光通信開始進入實用階段。
2019年2月，歐洲Airbus公司與日本SKY Perfect JSAT公司簽訂了合作協(xié)議，旨在共同開展激光數(shù)據中繼衛(wèi)星業(yè)務。SpaceX、Telesat以及國內相關星座系統(tǒng)都有衛(wèi)星激光通信計劃。我國2019年底發(fā)射的“實踐20衛(wèi)星”上同時開展Q、V和激光通信傳輸試驗，其中星地激光通信傳輸速率達到10Gbps的國際先進水平。
此外，特性介于毫米波和激光之間的太赫茲也在研究之中。太赫茲頻率在0.1-10THz之間，理論傳輸速度可達1Tbps。2018年5月，Tektronix/IEMN（一個法國研究試驗室）在252-325GHz頻段實現(xiàn)了100Gbps無線傳輸。
三、降低成本，搶占市場
成本是任何企業(yè)在市場競爭中獲取優(yōu)勢地位的殺手锏，這樣的案例在家電、通信、計算行業(yè)比比皆是，衛(wèi)星通信行業(yè)亦不例外。這輪全球LEO星座熱潮興起的重要原因之一就是衛(wèi)星制造和發(fā)射成本得到大幅降低。
在小衛(wèi)星批量制造方面，衛(wèi)星制造公司開始使用非航天級別的COTS（商業(yè)現(xiàn)貨）組件，利用3D打印、模塊化設計、即插即用、智能裝配、大數(shù)據、機器人、增強現(xiàn)實等成熟技術，采用與飛機和汽車生產相似的流水線組裝方式，從而可以每天生產數(shù)顆衛(wèi)星，并將單顆LEO HTS的制造成本降到百萬美元以下。
馬斯克領導的SpaceX公司憑借衛(wèi)星制造和發(fā)射一體化控制能力，易于量產、裝載、發(fā)射的衛(wèi)星扁平化設計，以及一箭60星發(fā)射和火箭回收再利用等獨門絕技，將OneWeb這個強大對手挑下馬來。SpaceX在航天運輸方面的異軍突起以及在衛(wèi)星互聯(lián)網方面的雄心壯志也是來自于技術創(chuàng)新和成本控制方面的非凡功夫。
在衛(wèi)星成本控制方面的明星企業(yè)，除了馬斯克麾下的SpaceX，還有ABS公司前CEO Tom Choi新組建Saturn（土星）衛(wèi)星公司。如果說馬斯克的SpaceX更擅長衛(wèi)星制造和發(fā)射，目標是搶占LEO衛(wèi)星互聯(lián)網市場，那么，Tom Choi的Saturn則更懂衛(wèi)星通信用戶需求和系統(tǒng)實現(xiàn)，志在爭奪GEO衛(wèi)星通信市場。Saturn致力于低成本的小型GEO衛(wèi)星制造。通過全數(shù)字有效載荷等技術的應用，Saturn成功將85Gbps的Ka頻段HTS成本降到約為8500萬美元。
Tom Choi對LEO的冷靜和對GEO的堅持態(tài)度正在被OneWeb的財務危機和GEO市場的回暖所印證。可見，衛(wèi)星制造發(fā)射成本控制既來自于技術、產品和商業(yè)模式創(chuàng)新，更來源于市場機制和企業(yè)家精神發(fā)揮。
四、增強智能，適應市場
信息網絡市場需求千變萬化，這必然要求信息網絡具有一定的彈性和智能來應對。5G中的SDN、NFV和切片等技術，通信衛(wèi)星中的數(shù)字載荷和軟件定義都是具體的解決之道?；跀?shù)字載荷和軟件定義技術的靈活衛(wèi)星可根據應用需求的變化，對衛(wèi)星的覆蓋、連接、帶寬、頻率、功率和路由等性能進行動態(tài)調整和功能重構。
根據Euroconsult的統(tǒng)計，目前全球一半左右的HTS衛(wèi)星帶有靈活性載荷，其中覆蓋靈活性占35%，連接、帶寬和頻率靈活性各占15%，功率占9%。覆蓋靈活性的重要應用形式是移動波束，它已在O3b、Inmarsat、Intelsat等公司的HTS普遍應用。連接靈活性的重要應用形式是DTP（數(shù)字透明處理器），它可在不同波束之間建立連接，從而解決一般HTS星狀結構帶來的雙跳通信影響。
這一技術在Intelsat EPIC系統(tǒng)得到充分運用，它無需要求用戶更換終端就可以直接接入HTS網絡。帶寬靈活性的重要應用形式是跳波束（Beam Hopping），它通過時分技術，將有限的帶寬資源在不同波束之間動態(tài)分配，從而有效解決多點波束帶來的HTS資源碎片化和不同波束之間的業(yè)務忙閑不均問題，提高HTS帶寬資源的利用率，其典型應用案例是Eutelsat-Quantum（歐衛(wèi)量子）衛(wèi)星。Eutelsat Quantum號稱全球首顆真正意義上的靈活性衛(wèi)星，該星由Airbus公司建造，可通過軟件定義調整覆蓋、頻率和功率。
在天地一體化的衛(wèi)星互聯(lián)網時代，不僅需要通過數(shù)字載荷和軟件定義來實現(xiàn)空間段衛(wèi)星智能化，地面段VSAT網絡也要借鑒5G中的SDN、NFV和云化技術來實現(xiàn)智能化，并積極融于基站回傳、IP中繼、移動平臺接入、混合網絡和物聯(lián)網等5G應用生態(tài)之中。5G的新穎之處在于它標準化了服務編排。共享5G協(xié)議的衛(wèi)星運營商和服務提供商可以使用標準化程序，來配置和管理多種類型的服務，從而提高衛(wèi)星通信網絡的市場適應能力。
五、融合星地，匯聚市場
由于經濟規(guī)模的原因，衛(wèi)星通信是一個相對封閉的行業(yè)。不同衛(wèi)星通信網絡在終端層面很難直接互通。DVB標準的采用改善了衛(wèi)星通信網絡的開放性，但是不同系統(tǒng)相互獨立的局面短時很難徹底改變。衛(wèi)星通信與地面通信網絡的發(fā)展進程不太同步。衛(wèi)星互聯(lián)網啟動的時候，5G已經商用。等到6G商用的時候，衛(wèi)星互聯(lián)網估計也已經定型。因此，衛(wèi)星與地面網絡的一體化設計只能是個理想。衛(wèi)星通信網絡與地面通信網絡的融合應用主要還是通過網關互聯(lián)，特別是終端聚合來實現(xiàn)。
在即將到來的高中低軌衛(wèi)星互聯(lián)網并存以及5G與衛(wèi)星融合時代，在連接方面，需要通過小尺寸、低功耗、快響應的電調平板天線來在不同頻段之間、不同衛(wèi)星之間和衛(wèi)星通信與地面通信網絡之間進行快速切換，以保持通信連接的暢通無阻。在應用方面，還需要通過移動邊緣計算技術來實現(xiàn)路由選擇、速率適配、內容存儲、數(shù)據分析、系統(tǒng)控制等終端應用管理工作。
近年來，電調平板天線商用化水平一直在不斷提高。在EuCNC2019（2019歐洲網絡與通信大會）上，移動邊緣計算已經在SaT5G聯(lián)盟進行的一系列衛(wèi)星5G演示中得到應用。
除了電調平板天線和移動邊緣計算技術，還需要具有局域或區(qū)域覆蓋能力的無線網絡與衛(wèi)星通信網絡對接，來真正實現(xiàn)隨遇接入、無縫覆蓋，并分攤用戶使用成本。在Saturn公司之前，Tom Choi先創(chuàng)立了低成本、高能效的寬帶無線平臺Curvalux。Curvalux其使用固定的多波束相控陣天線，與傳統(tǒng)LTE基站相比，其功耗降低到原先的1/100，同時提供7倍的吞吐量。
據稱，全天候為Curvalux系統(tǒng)供電的100W太陽能電池套件只需200美元。在2019年拉斯維加斯NAB（美國廣播電視）展期間，Saturn公司向美國客戶展示了Curvalux的技術，距離發(fā)射塔800米的智能手機下載速度達到了400Mbps。通過Wi-Fi接入點，從5公里外傳輸數(shù)據速度可達100Mbps。鏈路預算顯示，最遠傳輸可達15公里，甚至30公里。
六、創(chuàng)新方式，拓展市場
面對傳統(tǒng)衛(wèi)星通信市場的發(fā)展瓶頸，各大衛(wèi)星運營商可謂八仙過海，各顯神通，積極擴展市場。Intelsat投資于OneWeb，分享市場資源，共同應對頻率干擾?，F(xiàn)在后來因種種原因，兩家公司分道揚鑣。SES整合O3b，以拓展MEO HTS市場。Eutelsat建設LEO物聯(lián)網星座—ELO，以進軍衛(wèi)星物聯(lián)網市場。Telesat通過Telesat這個LEO HTS星座，進入衛(wèi)星互聯(lián)網市場。Inmarsat利用自身GEO衛(wèi)星和衛(wèi)星中繼通信技術，為一家LEO星座運營商提供全球天候的衛(wèi)星測控、任務控制和故障查找等資產運行和管理服務。SKY Perfect JSAT高度重視HTS、平流層飛艇、基于LEO的遙感數(shù)據傳輸和AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）、電調平板天線等市場機會，來開創(chuàng)新的發(fā)展局面。
七、尋求扶持，擴大市場
衛(wèi)星通信是國家信息基礎設施的重要組成部分，它同時隸屬于航天產業(yè)和信息產業(yè)，其戰(zhàn)略地位十分突出。在航天產業(yè)中，衛(wèi)星通信的產業(yè)化程度最高，其中，商業(yè)化發(fā)展衛(wèi)星通信提供了強大的推動力量。盡管如此，政府政策上的扶持也是極為重要的因素。以SpaceX為例，今天它在衛(wèi)星制造和發(fā)射的一馬當先與其發(fā)展過程中美國政府在資金、技術、人才、設施等方面的支持是分不開的。
2008年，美國NASA宣布SpaceX獲得由獵鷹號發(fā)射的IDIQ合同，自此，SpaceX成為全球僅有的承擔國家航天發(fā)射任務的私營企業(yè)。2015年，美國國防部授予SpaceX軍用衛(wèi)星發(fā)射許可證書，并將某些軍用發(fā)射場和基地提供給SpaceX用于發(fā)射獵鷹火箭。美國軍方鼓勵退役軍人在保密前提下，轉換角色，重新進入企業(yè)，承擔咨詢或研制任務，以此促進人才的流動，為提升企業(yè)的實力提供人才保證。SpaceX軍負責政府銷售的副總裁曾是美國空軍官員。
在火箭發(fā)動機技術上，美國NASA向SpaceX派駐技術人員并轉讓專利，開放阿波羅計劃的部分技術，提供火箭發(fā)動機試車測試臺，幫助SpaceX發(fā)展獵鷹火箭關鍵技術，并開放風動實驗設施，以充分利用。2020年3月13日，美國FCC向SpaceX開放總價值160億美元的農村寬帶業(yè)務補貼資金競爭機會。歷史上，ViaSat就曾獲得過類似的農村寬帶業(yè)務補貼資金支持。可見，SpaceX、ViaSat的成功都不是一種偶然，獲得充分的市場哺育是它們取得成功的關鍵因素。
當前，我國正處于衛(wèi)星互聯(lián)網建設、衛(wèi)星通信產業(yè)化和國際化發(fā)展的關鍵時期。我國衛(wèi)星通信產業(yè)面臨衛(wèi)星和地面設備技術相對落后以及市場受限雙重困境，而后者尤為嚴重。我們知道，對于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信市場而言，最大的需求來自于衛(wèi)星電視直播。截止2018年底，全球衛(wèi)星行業(yè)總產值為2774億美元（美國占43%），其中通信為主的衛(wèi)星服務業(yè)為1265億美元，衛(wèi)星直播電視為942億美元，可見其地位之高。
而我國衛(wèi)星直播電視還處于公益服務階段，不僅沒有商業(yè)收入，而且每年國家還需要提供財政資助。對于新興的衛(wèi)星互聯(lián)網市場而言，最大需求來自于消費者寬帶接入。在國家寬帶普遍服務計劃中，上千億的資金基本上都用于地面光纖和移動通信系統(tǒng)的建設，目前98%的行政村都實現(xiàn)了光纖和移動通信網絡連接。
圖1傳統(tǒng)通信衛(wèi)星和HTS帶寬需求結構
目前，我國衛(wèi)星直播電視家庭用戶數(shù)已達1.4億，商業(yè)化運營市場潛力巨大，且各地開展區(qū)域衛(wèi)星直播電視的意愿也非常強烈。我國2%的行政沒有通寬帶，其比例雖然很小，但家庭用戶總數(shù)依然非常可觀。如果這個兩個市場能同時開放，無疑成為我國衛(wèi)星通信產業(yè)化發(fā)展的雙翼。
八、結語
技術應用、商業(yè)模式、產業(yè)政策和市場需求都是衛(wèi)星通信產業(yè)發(fā)展的強大動力，其中市場需求具有決定性的影響。衛(wèi)星通信產業(yè)的持續(xù)發(fā)展，需要衛(wèi)星制造商和運營商在網絡容量、通信成本、系統(tǒng)智能、星地融合、模式創(chuàng)新、政策扶持等方面同時發(fā)力，以做大市場規(guī)模，實現(xiàn)良性循環(huán)發(fā)展。
目前，我國衛(wèi)星通信產業(yè)最大的瓶頸在市場受限。市場受限的主要原因是衛(wèi)星直播電視和消費者寬帶接入兩個主體市場未能充分發(fā)育。
就衛(wèi)星直播電視市場而言，主要問題在于地面有線電視和衛(wèi)星直播電視之間的利益平衡。從信息服務產業(yè)的客觀規(guī)律看，IPTV、OTT TV取代地面有線電視將是必然的結果。而衛(wèi)星直播電視由于具有信息傳播的廣域性、等時性、高效性、可靠性，本將可以長期存在下去。
就消費者寬帶接入市場而言，主要問題在于地面光纖傳輸和衛(wèi)星傳輸?shù)某杀拘б鏅嗪?。地面光纖傳輸?shù)某杀臼蔷€性增長的，用戶越是遙遠、分散，成本越高，而衛(wèi)星傳輸與距離無關，廣域覆蓋、遠程通信是其天然的優(yōu)勢。
因此，我國衛(wèi)星通信行業(yè)需要突破衛(wèi)星直播電視和消費者寬帶接入的政策壁壘，才能將國內市場做大、做強，進而才能有資格參與競爭更為激烈的國際市場的角逐，這是5G時代衛(wèi)星通信行業(yè)不可回避的生存法則。
