5G时代背景下卫星通信的发展

+赵冬梅（中信数字媒体网络有限公司卫星通信分公司）

今年我国5G开始正式商用，其实从3G开始，地面移动通信技术每5年就要经过一次更新换代，相对而言卫星通信技术的发展就缓慢许多。特别是现在进入5G时代，卫星传输和地面通信的技术指标、传输能力等差距就会越来越大。今后，卫星通信技术会如何发展，卫星通信该怎样改变来适应这个时代，今天在这里与各位进行一些探讨。

一、中信卫星介绍

中信卫星隶属于1979年成立的中信集团，目前，中信集团已经发展成为一家金融与实业并举的大型跨国企业集团，2018年位列世界五百强的第149位。

1、中信卫星是中信集团旗下从事卫星通信的专业公司

1988年，中国信托投资公司作为发起股东之一，正式成立了亚洲卫星（公司），亚洲卫星是亚洲地区第一家商业卫星运营组织，在1990年成功发射亚洲一号卫星，这也是亚洲地区第一颗通信卫星，并且成功完成了1990年中国承办的亚运会转播任务。1998年股权重组，中信集团成为亚洲卫星的控股股东。2008年，因为我国主管部门的规定，卫星运营属于基础电信任务，需要国内的公司持相应的牌照方可运作，所以由中信网络获得了相应的卫星运营许可，并成立了卫星公司。自那以后，由中信卫星全面承接了亚洲卫星在国内的业务。2015年，由于中信集团业务调整，将牌照转移到了中信数字媒体网络有限公司。

2、现有在轨卫星及主要业务

亚洲卫星从成立到现在31年，共发射了9颗卫星，目前在轨卫星有7颗，最早的是1999年发射的亚洲3S卫星，到今天已经运行了20年。（图1）

现在能为国内用户提供通信广播服务的是4颗卫星，分别是亚洲五号、亚洲七号、亚洲六号和亚洲九号，其中亚洲六号是专门为广电提供服务的C频段专用卫星。

亚洲九号是2017年发射的，它是其中最年轻的卫星，同时也是亚太地区功率最强，覆盖面最广的一颗通信卫星。

我们现在拥有卫星转发器出租出售和VSAT两张牌照，也是国内持有这种二类卫星通信业务基础应用牌照，从事卫星业务的三家运营商之一。

图1 亚洲卫星的波段示意图

我们的主要业务概括起来，就是将亚洲系列卫星的带宽租给国内相应的用户使用，提供本地化的配套服务。开展的业务主要有以下6类：电信网络、宽带通信、移动应用、应急通信、临时业务、电视广播，这些都是常规的卫星通信业务。

需要强调的是这几年发展迅速的机载通信和船载通信。亚洲卫星其实是亚太地区参与该领域最早的一个通信公司。早在2003年，亚洲3S卫星就为波音公司的高速宽带通信服务Connexion提供了带宽。但是很可惜后来该项目因严重亏损而被关闭；2011年，亚洲五号卫星为松下公司提供南亚地区的机载通信波束；2014年，国内开始使用Ku频段的卫星，做机载通信的一些实验和商用，亚洲卫星也参与其中。到现在为止，亚洲七号卫星已经成为国内机载卫星用量最大的通信卫星。2018年亚洲九号卫星也获得了工信部的许可，可以从事机载通信服务。

在海洋方面，我们利用亚洲五号卫星、亚洲七号卫星的移动波束，把它调到我们国家领海的上空，这两颗卫星基本能够覆盖我国领海，以及包括太平洋往西一直到印度洋的一部分海域，为我国的渔民、运输、客轮、海上执法等提供了卫星通信的保证（图2、图3）。

二、全球卫星通信产业现状和发展预测

下面我想从卫星运营商的角度，讨论一下全球卫星通信产业的现状和发展趋势。

1、卫星通信市场的预测

根据欧洲咨询公司2018年的报告，从长期来看，卫星转发器的容量供应是一个持续增长的态势，大概在2022年左右，会有一个指数性的增长。这是因为根据预测，那一年会有超大容量的高通量卫星投入使用；同时，大量的星座也会投入使用。但是在容量出租方面，增长没有那么快，因为要花时间去培育市场，发展分销网络，以及建立新的商业模式。

而卫星容量的up值，就是每月每兆赫兹的价钱则呈现一个持续走低的趋势。这也是为什么有些卫星运营商要转型，成为卫星服务提供商。另外，卫星容量是有望继续增长的，它的驱动来自于宽带接入、机载通信以及基站回传等等业务。

从全球固定卫星容量的供应来看，需求和供应都在持续增长，但一直是供大于求的关系，这对用户来说是好事儿。

就卫星的出租率来看，长期以来高通量卫星比传统卫星低，这是因为需求肯定不是均衡的，这在业内很常见，肯定有些波束没有什么业务，这就造成了平均的出租率并不高。

2、各类通信卫星

我们把用于通信的卫星分为4大类。

第一类是工作在静止轨道的传统的大波束卫星，此类卫星由于都是大波束，所以它的复用率不高，一个卫星的吞吐量也就是几个Gbps的水平，所以单价相对较高，比较适合电视广播和大型VSAT网络。

第二类是近几年异军突起的高通量卫星，这里指的是位于静止轨道的高通量卫星，频段除了Ka、Ku之外，其实C频段也可组这样的点波束，它是通过几十到上百个点波束来提供一个非常高的吞吐量，如达到100Gbps以上，但是这类卫星更适合数据业务、互联网接入等等，卫星的建造成本稍高。

第三和第四类就是所谓的星座。其中，第三类是以OneWeb、Starlink为代表的宽带通信星座，它的主要问题是整个系统建设成本高昂，终端成本也居高不下。

图2 亚洲五号Ku波段海洋区域覆盖图

图3 亚洲七号Ku波段海洋区域覆盖图

第四类就是物联网星座，包括早期的铱星、全球星以及国内的天启星座。

3、国际GEO HTS的历程

按照容量，可以把国际上的HTS发展历程分为4代。

第1代是2005年到2011年，单星容量在50Gbps左右。

第2代是2011年到2017年，单星容量大约是50～140Gbps，这是现在的主流。

第3代从2017年开始，代表是Viasat-2以及休斯公司的Echostar 19，容量可以达到200Gbps以上，这已经不叫HTS，而叫VHTS（Very HST，甚高通量）。

第4代有望在2021年以后实现，叫UHTS（Ultra-HTS，超高通量），包括Echostar 24和Viasat-3，容量能接近1Tbps。

卫星上的载荷可以分为弯管载荷和数字载荷两种。传统高通量卫星一般使用的都是弯管载荷，卫星上的链接都是通过硬件直接连接的，灵活性不佳，也不支持远端站之间的直接通信，必须要通过关口站。由于它每个波束的容量带宽是固定不变的，所以利用效率不高。

第二类叫数字载荷，是通过使用数字透明处理器技术以及多端口功放，能够实现一定程度的灵活性。从2013年开始，国际上的卫星运营商已经不再采购弯管载荷的传统高通量卫星，而转向数字载荷的卫星，现在不少卫星都采取了数字载荷的技术。

简单的比较一下这两种卫星的区别。

模拟弯管载荷只适用于星状网这种网络结构，专网、网状网无法使用。而数字载荷技术支持星状网、网状网、甚至支持在一个波束下环路拓扑结构。而且它在不同的波束之间的频率、功率可以进行一定弹性的分配，也就是说业务多的地方可以分配多一些的容量，没有业务的就可以分配少一些。当然它带来最大的好处是对于地面系统的建设来说，如果用数字载荷，初期用一个关口站就可以支持所有的用户波束，未来随着业务的增加再逐渐增加关口站，初期建设成本减少了很多，这对用户来说会降低使用成本。另外它在抗干扰能力、载波监控等方面也更加先进。

卫星空间段的建设成本是逐年下降的，常规的卫星空间段建设成本基准是6000万美元/Gbps以上；发展到今天HTS-CLASS II，容量是50～150Gbps，带宽的成本就是300万美元/Gbps以上；未来VHTS-CLASS的成本可能会下降到70万美元/Gbps。

4、全球卫星行业总体发展趋势总结

●地球同步轨道传统卫星通信行业总体增长缓慢

●卫星广播业务增长乏力（受OTT冲击）

●地球同步轨道HTS卫星快速增长

●更多的新技术应用于卫星制造领域，卫星平台能力不断提升

●私营、民营航天企业为卫星发射市场注入生机

●天地一体化信息网络成为新的热点

●移动终端成为新的增长点

●中低轨星座乱花迷眼

三、5G与卫星通信

1、5G与卫星的现状与未来

5G已经到来，6G也在路上。那么5G和卫星通信会发生更多的联系。首先体现在5G与卫星频谱资源的争夺与共享上，因为5G需要的频谱资源很多，现在用的是6G赫兹以下的频谱，首当其冲受影响的是C频段的卫星。

图4 亚洲卫星滤波器的技术参数

除了频谱资源之外，国际卫星组织也在就卫星与5G如何深度融合进行研究，比如ITU、3GPP等都有这方面的项目。总的来说，在将来5G的两大场景中，增强的移动宽带（eMBB）可以用到卫星，因为卫星的灵活性和全覆盖特性是不可忽视的优势。它可以为基站提供回传，不光5G，在3G、4G时代都可以这样操作。

天地一体化网络、高低轨结合，低轨星作为节点，高轨星提供中继，终端在地面网络和卫星网络之间切换。5G可能会在协议、端口、终端等方面与卫星进行深入的融合。

而在将来大规模机器通信（mMTC）上，卫星物联网的参与更是必不可少。

2、5G信号对卫星接收系统的干扰

今年6月，工信部正式发放5G商用牌照，中国电信、中国联通获得3.4～3.6GHz的频谱资源，首当其冲受到影响的就是卫星的扩展C频段，基本无法使用，必须要把扩展C频段的业务完全挪到标注C频段上，这个影响体现在两个方面，一个是5G的基站信号相对卫星来说功率太高了，很容易影响卫星信号的接收。

面对这样的问题，有什么解决办法呢？首先必选的是为地球站加装5G抗干扰滤波器，如果这样还不能解决问题，就要实施其他的举措，比如加屏蔽网、更换高频头等等。

3、亚洲卫星的滤波器

我们不是做卫星的吗？为什么现在走到地面上来了。亚洲卫星工程部有星上波导器件的设计经验，可以用于地面抗5G干扰，所以设计了这款性能很好的滤波器，适用于国内的抗5G干扰，频段是3.7～4.2GHz，目前已经通过了广电总局的核准测试，在广电系统的地球站的改造中得到了比较广泛的应用（图4）。

此外，我们根据海外用户的需求，还设计了不同频段、不同型号的滤波器产品。

在5G时代帮C频段留住更多的客户，这是我们进行这项研究的出发点。

四、启发与思考

首先，视频传输仍然是传统卫星收入最多的部分，虽然根据预测它的占比将越来越小，但是其重要性无可替代，一定要利用好卫星在视频广播传输领域的独特优势。比如提供4K、8K超高清节目，改善用户的观看体验，与地面的OTT区分市场，创造更多价值。

第二，卫星运营商要向卫星服务商下沉，拓展更多的业务，寻求产业链合作共赢。总有同行问我们什么时候发射HTS卫星，事实上我们这几年一直与几大卫星制造商保持沟通，关注灵活载荷的卫星设计，但是在决定投资这颗卫星的时候，公司考虑到高通量卫星基本面向的是全新的市场，面向的是宽带服务，而不是传统的广播电视，所以市场到底有多大，投资回报怎么样，都是作为一个商业卫星运营公司首先要考虑的。

此外，卫星的制造成本逐年下降，两年前我们考虑亚洲十号的时候，单位成本大概是300万美元/Gbps，现在已经降低到了200万美元/Gbps以下，今后还会有更大的下降空间。亚洲卫星的高通量卫星肯定是要做的，但是我们希望能够用更低的成本，做一颗更先进的高通量卫星。也希望能与业界有兴趣的同行一起探讨，共同开拓亚洲卫星下一代的高通量卫星。

第三，卫星容量供应保持供大于求，推动新应用的增长，建立新的业务模式，减少供需差距。

第四，关注卫星通信与5G共存与融合。SATNET