宽带卫星通信产业与技术发展研究

吕强 冯瑄 刘乃金（中国空间技术研究院通信卫星事业部）

□□Ka频段宽带卫星通信是当前卫星通信最为重要而且热门的一个发展方向。随着欧美等国家对卫星互联网业务广泛投入并进行了成功的运营，近年来国际宽带卫星系统技术进入了新的发展期，欧美发达国家已陆续开展研制和建造新一代大容量宽带卫星系统，亚洲部分国家也已建造自主的宽带多媒体卫星系统并开展了运营。面对我国民用市场的巨大发展潜力以及国际商用宽带卫星市场的迫切需求，发展我国宽带通信卫星系统是应对这一需求的必然途径，适合我国国情和当前现实，且具有广阔的应用前景。

1 前言

宽带通信卫星也称多媒体通信卫星，大多采用Ka频段，其主要目标是通过卫星进行话音、数据、图像和视频的处理和传送，为多媒体和高数据率的互联网应用提供一种无所不在的通信方式。可以认为，宽带通信卫星与以往的通信卫星最大的区别是提供的业务由低速业务及话音业务变为互联网和多媒体业务。

多媒体业务具有业务类型多、传输带宽大、各种业务所需服务质量不尽相同的特点。为适应用户对多媒体通信的迫切需求，为用户提供大容量、高质量的交互式通信服务，不少国家都将宽带多媒体通信网络的建设作为通信基础设施的重点发展方向，致力于建设一个融合空间和地面宽带通信的天地一体化通信网络体系。作为其中的重要组成部分，宽带卫星通信系统的研究受到了广泛的重视。

国外宽带卫星通信系统技术现状分析

2 国外宽带通信卫星发展现状

组装中的欧洲“Ka频段卫星”，它能为100万用户提供宽带通信业务

技术发展现状分析

随着欧美发达国家已陆续开展研制和建造新一代大容量宽带卫星系统，亚洲部分国家也已建造自主的宽带多媒体卫星系统并开展了运营。从2010年10月-2014年，全球已发射和预计发射携带Ka频段有效载荷的商用通信卫星将超过30颗，其中全Ka频段通信卫星就多达9颗。

应用发展现状分析

当前，随着各国政府及商业卫星公司纷纷加大和加快宽带“双向”（TOOWAY）卫星的投入，卫星“双向”技术应用作为一种全新的、可以提供类似地面宽带传输速度的接入服务手段，在互联网接入等多个方面得到应用，卫星与地面网服务比重已经大致相当。国际各大卫星通信运营商都开展了卫星宽带接入服务并取得了成功的运营，卫星宽带市场前景广阔。

从全球宽带卫星通信的应用来看，2010年卫星宽带互联网总收入达到11亿美元，其中美国的卫星宽带互联网收入占总收入的近70%。北美市场虽然发展迅速，走在了各地区前列，但其市场已长期被几大运营公司所垄断，竞争日趋激烈；欧洲地区也是卫星宽带通信的应用先驱，目前各种通信技术日渐成熟，欧洲用户已经习惯于享受高数据率和相对较低的卫星宽带通信服务；而亚洲市场虽然起步较晚，但在日本、韩国等发达国家，宽带卫星业务的商业应用也占领了较大市场。

国外宽带通信卫星一览表

北美卫星宽带产业情况

欧洲宽带卫星通信产业情况

其他地区宽带卫星产业情况

2004-2010年全球卫星业务销售收入 亿美元

发展趋势

从产业角度对国际大容量宽带卫星通信应用发展趋势的分析如下：

（1）2019年宽带卫星带宽需求将达到1650Gbit/s

据欧洲咨询公司预测，从当前的供应情况和用户的使用情况看，每个用户的平均数据率为0.5～1.5Mbit/s，未来容量需求预计仍然很强烈。到2019年，每月每个用户的平均数据量将从0.2～1.2Gbit提高到4.8～9.6Gbit。这样的提升不仅与传输频谱效率的提高相契合，还可以通过更加灵活的星上容量分配来改善卫星容量的使用。到2019年，随着每个用户数据率的提升，加上终端数量的增长，公司网络需要增加容量，将使全球需求接近1650Gbit/s。

（2）2020年卫星宽带市场的用户总数将达到600万

据北方天空研究所（NSR）预测，随着卫星宽带技术的进步将带来卫星宽带服务质量的提高以及费用的降低，未来10年，全球卫星宽带产业将步入高峰期，用户数量逐年递增，预计到2020年，总数将增长到600万。欧洲咨询公司更是预测这一数字可达到1400万。增长点主要还是以北美和欧洲为主，亚洲和非洲市场也在崛起，其市场潜力巨大。

（3）2020年卫星宽带市场的总收入将达到90亿美元

北方天空研究所于2011年4月12日发布的最新市场调查报告《宽带卫星市场》表明，卫星宽带接入再次成为领先的收入增长领域，并预测未来10年，卫星宽带服务收入每年增长将近15%。到2020年以前，卫星宽带市场的总收入将达到90亿美元，主要来自卫星宽带互联网接入和面向企业的甚小孔径终端（VSAT）网络业务。

（4）传统卫星移动通信公司业务向卫星宽带业务转型

面对国际宽带卫星产业的蓬勃发展和广阔的市场前景，传统卫星移动通信服务提供商，包括国际移动卫星公司（INMARSAT）、铱星公司（IRIDIUM）和全球星公司（GLOBALSAT）都完成了从移动到宽带的转型，分别提出了下一代发展Ka频段宽带卫星通信的采购计划和产业规划。国际移动卫星公司的国际移动卫星-5系统预计将于2014年开始运行，将支持下一代“全球快讯”，该公司预计在全球服务正式发布5年后Ka频段卫星业务年收入将达5亿美元；“铱”星下一代完全基于互联网协议（IP）的宽带网络技术；第二代“全球星”卫星主要包括高速率数据业务、宽带接入业务。

3 国内宽带通信卫星发展现状

技术角度

国内在宽带技术研究及利用现有的常规通信卫星进行宽带通信的研究方面开展得比较普遍，也取得了很多成果，主要体现在以下几个方面。

1）系统设计方面：我国基于对宽带多媒体通信业务的需求，借鉴国外宽带卫星系统的先进技术和运营经验，已经开展了对宽带多媒体通信卫星系统关键技术研究，并在此基础上提出了技术上具有一定先进性、工程上具有可实现性的系统设计方案，并经过了系统的半物理仿真系统在技术和业务应用方面的验证。

2）卫星设计方面：卫星平台可充分借鉴现有平台研制的经验和成果，最大程度地利用现有卫星的成熟设计和成熟产品；对于有效载荷设计，可利用多年的通信卫星有效载荷方案设计和研制经验，一些关键设备更是经过了多年的飞行验证。尤其是星载宽带信号处理机、星载宽带处理交换机和星载Ka频段多波束天线等关键载荷产品都具有工程化研制经验，并经过了环境试验和验证。

3）地面应用系统设计方面：我国减灾、应急、“村村通”等方面的“双向”业务已经为卫星通信系统提供了大量的应用经验与应用基础。在“双向”远程教育方面，中国教育电视台的“双向”教育网建设项目取得了良好的示范效果。对于基于先进通信协议的宽带卫星地面应用系统，我国也掌握了相关关键技术，具备大容量宽带卫星系统工程的地面应用系统的设计能力。

为北美用户提供高速卫星互联网服务的阿尼克-F2卫星

应用角度

虽然我们至今还没有建立自主研发的多媒体卫星通信系统，但利用现有的通信卫星进行多媒体通信的应用却是方兴未艾。现有的甚小孔径终端网络所涉及的领域也遍布国民经济的各个主要方面，如：深圳证券远程交易卫星宽带网络对证券业的发展起到了重要作用；中国教育卫星宽带交互式卫星远程教学网络为改善农村及偏远地区的教育事业作出了重大贡献；卫星远程医疗网络系统极大地促进了不发达地区的卫生事业发展；还有中国人民银行及各大专业银行的卫星清算结算网络、新华社的全球信息网络、中央党校的远程教学系统，以及云南烟草、海尔集团等大型企业集团的数十个卫星宽带通信系统，都在发挥着重要作用。

上述这些系统的运营，一方面证明了我国对宽带卫星通信需求迫切；另一方面也证明了卫星多媒体通信的优势和技术上的可实现性；另外也吸引了社会对卫星多媒体通信的关注，为培育、挖掘这块潜在的大市场奠定了广泛的基础。

4 我国宽带通信卫星发展思路

系统设计思路

传统C、Ku频段通信卫星主要面向直播电视及简单的专网通信业务，其技术特点和应用场景决定了其系统设计过程中天地一体化的设计优势并没有充分体现。而以多波束技术应用为特点的新型移动通信卫星和大容量宽带多媒体卫星系统，其技术和应用特点都凸显了天地一体化设计对于系统研制的重要性。

天地一体化设计的目标就是经过天地协同规划、统筹设计，达到天地指标合理分解、能力均衡，使系统建设和运营成本最低化的同时达到系统应用能力最大化。进行天地一体化系统设计可使卫星容量得以大幅提升，并使系统网络管理和运营能力得以提升。世界上总容量最大的3颗卫星：卫讯公司的卫讯-1卫星，欧洲通信卫星公司的“Ka频段卫星”和YAHSAT公司的Yahsat-1B卫星（于2012年4月24日发射升空），其系统都是基于冲浪波束-2技术体制标准的天地一体化设计，系统使用具有扩展性的信关站设备，可以轻松地将用户扩大到数十万至数百万。因此，天地一体化系统设计方法的研究与应用，对于提升宽带卫星系统容量、扩展服务网络规模以及降低系统运营成本都具有重要意义。

以“双向”宽带教育卫星系统设计作为例证，整个系统分为空间段、地面段、用户段和业务应用段。天地一体化设计的目标就是使空间段、地面段、用户段和业务应用段指标分解合理、能力均衡，使系统建设和运营成本最低化的同时达到系统应用能力最大化。

产业发展思路

根据我国未来经济和社会发展趋势，我国下一阶段发展对卫星宽带接入的主要需求，将主要体现在进一步提升系统容量，提供小型化、便携式的宽带化终端以及寻找有商业“杀手锏”价值的业务等方面。鉴于此，我国卫星宽带接入系统的产业发展大体上可以采用“三步走”的战略：

第一步，行业起步、新旧共存。首先，必须在远程教育、远程医疗等重点行业上取得突破，为我国的社会经济发展解决现实问题。同时，要与目前广泛存在的甚小孔径终端等用户设备能够共存。

第二步，容量增强、行业渗透。一方面需要尽量提高空间管道传输能力，另一方面需要通过系统技术尽可能高效利用空间有效资源；其次，由存在迫切需求的行业应用，通过需求牵引、增值业务开发等方式渗透到较为普遍的行业应用之中。

第三步，业务拓展，发展应用。当业务拓展到一定的成熟阶段，原有潜在的商业利益与应用价值已经显现。这时，将会极大刺激地面应用的设备制造商以及业务提供商加快所属业务领域的发展。系统运营商因其获得更高的运营收益后，亦采取扩容与系统换代等方式来扩大其系统规模，推动空间段和地面段制造规模，进而形成了可持续发展的产业链。

根据上述对我国卫星宽带接入产业发展基本途径的设想，定义我国卫星宽带接入产业发展的目标是经过10年左右的发展，基本完成我国“空间信息走廊”的整体建设，接近世界发达国家水平，形成一个能够带动相关产业发展及自身可持续发展的产业链结构，最终通过网系互联的建设，融入我国信息基础设施建设和国家信息高速公路体系。

5 结论和建议

通过以上国内外宽带通信卫星产业和技术发展情况研究可以得出以下结论：

1）国际Ka频段宽带卫星系统发展是趋势。世界上还有将近30亿人口无法享受到互联网服务，而在分布范围广阔的农村和人烟稀少的偏远地区要铺设大量光缆显然不经济，也十分不现实，因此通过卫星为这些地区提供互联网接入手段具有十分现实的意义。另外，随着第三代宽带卫星通信的到来，甚至可以为用户提供和地面互联网一样的服务，而且价格也将与地面系统接近。卫星宽带通信的市场前景良好，伴随着美国“宽带刺激”计划的实施，宽带卫星通信将迎来最佳发展时机。

2）我国宽带卫星通信应用需求迫切。随着国家经济的飞速发展，我国各行各业对于宽带多媒体通信的需求将越来越旺盛。而我国幅员辽阔、地理环境复杂、东西部经济发展不平衡以及某些地区电信基础设施欠发达的现状，决定了利用宽带多媒体卫星通信手段解决各种类型用户的宽带接入，对于完善我国信息高速公路建设，填补信息孤岛，实现国家社会、经济均衡发展具有重要意义，不仅适合中国国情和当前现实，而且具有广阔的应用前景。

3）卫星容量提升需要天体一体化设计。卫星系统为功率和容量受限系统，这一特点对于宽带卫星系统尤为突出。因此，大幅度提升卫星系统容量不应仅仅依靠于卫星平台及有效载荷技术的提升，需要系统优化设计，尤其是通信体制的设计和地面应用系统的优化，欧洲的“Ka频段卫星”和美国的卫讯-1正是由于应用了先进的冲浪波束-2技术体制和基于冲浪波束-2的地面应用系统，才使得系统容量得以大幅提升。

4）宽带卫星系统体制标准和容量计算标准制定尤为重要。宽带卫星系统体制标准的制定不仅有利于该系统网络后续规范化、产业化发展，更有利于宽带卫星系统自身可持续发展，而且有利于推动我国卫星通信技术的进步和产业发展。另外，我国有必要首先了解清楚国外同类宽带卫星容量的计算方法，并制定相关标准，才能对我国宽带卫星系统容量做出正确、合理、科学的评估。

测试中的卫讯-1卫星

基于以上结论，对于发展我国卫星宽带通信产业给出以下建议：

1）卫星宽带市场是航天新兴战略产业的重要增长点，建议国家加强专题发展战略研究，抓住机遇，加快发展步伐。

卫星宽带通信的市场前景良好，欧美发达国家以及亚洲部分国家都已建立起自主的宽带卫星系统，并开展了成功的运营。全球卫星宽带收入将从2009年的10亿美元增长到2020年的90亿美元。我国幅员辽阔、人口众多、经济社会发展不平衡，随着经济社会的高速发展，各行业对卫星宽带互联服务的需求更为迫切，市场应用前景十分广阔。建议国家组织专门力量，加强宽带互联卫星及应用技术的储备，形成自主的核心技术，确保我国在该领域的技术主动地位。

2）加快建立我国自主宽带卫星系统，拓展卫星宽带应用市场、保障国家信息自主权。

欧美等发达国家正利用宽带卫星在全球抢占信息主导权和应用市场。随着境外宽带卫星波束覆盖我国境内区域的扩大，在为人们提供便利高速信息接入服务的同时，也存在为境内外敌对势力利用卫星宽带服务危害国家安全提供了潜在机会。面对国外势力的潜在危害和隐患，必须积极主动应对，通过发射并建立我国自主的宽带卫星系统，保护和占领我国宽带卫星市场，带动相关新兴战略产业发展，最大限度地避免国外宽带服务对我国市场渗透带来的经济损失和安全隐患。

总之，面对宽带卫星通信产业迅速发展这一不可阻挡的趋势，我们应当积极推动应用、积极抢占这一巨大的市场，同时，也要积极发展相关的信息安全技术，采取积极扶持和合理监控管理的政策方针，既加大扶持和发展力度，加快我国自主研发的宽带卫星立项，推动其在教育、医疗等行业中的广泛应用，又要针对宽带卫星通信产业对社会各方面的影响开展若干专题研究，为宽带卫星产业良性发展保驾护航。■