固定卫星服务隧道尽头的曙光

+《ViaSatellite》Tom Choi/ 文 沈永言（中国卫通）/ 译

FSS（固定卫星服务）行业正在迎来第四年的下滑，容量过剩，价格下跌的局面仍在持续。由于地面网络和应用的快速扩展，客户正在重新考虑他们未来对GEO（高轨）卫星的承诺。DirecTV等客户宣布他们将把所有未来的流量转移到光纤上，而不再购买卫星。“四大”（Intelsat、Telesat、SES和Eutelsat）和区域运营商也在继续报告收入减少。

除了GEO卫星容量过剩之外，我们还看到了光纤、4G和即将推出的5G网络的快速扩张。这种令人难以置信的带宽爆炸导致OTT和在线视频系统的增长，它们由YouTube牵引，并主导了全球互联网流量和收视时间，使得广告远离传统广播媒体。与此同时，我们也正在经历一波跃跃欲试的LEO项目，这些项目直接针对我们的行业。虽然这些系统中的大多数商业计划都有可疑之处，并面临巨大的融资、技术和监管挑战，但是，它们增加了我们行业未来生存性上的不和谐。

虽然GEOFSS运营商的情况看起来很黯淡，但仍有一些带有希望的迹象，一个的新应用即将出现，它可能会刺激该行业的增长。因此，现在不是放弃，而是应加倍关注这个行业的时候，因为隧道尽头的曙光已经开始出现。

当前，全球确实出现了光纤和4G系统快速增长的态势，但这些系统的投资需要一个关键方面——最低水平的人口或用户密度。光纤只能在用户相对密集的环境中推出。为了使宽带4G和5G无线网络能够工作，需要有足够的用户来证明设备成本、月租费以及这些耗电网络带来的大量电费的合理性。

如果城市或郊区有成千上万的用户，那么运行宽带无线系统的CAPEX（资本支出）和OPEX（运营支出）是合理的。但是，如果要覆盖的区域人口稀少，那么部署蜂窝网络的经济效益就没有合理性，这意味着大面积的区域将无法覆盖。

据估计，美国有超过1000万家庭无法使用任何形式的宽带连接。针对这一尚未覆盖的市场，HNS和Viasat公司都报告了收入和EBITDA（税息折旧及摊销前利润）的两位数增长。在GEOFSS市场的危机期间，这些公司能够产生显著增长的闪亮信标，因为它们服务于对无线或光纤服务来讲是不经济的利基市场。

今天，美国有成千上万的家庭由HTS（高通量卫星）系统提供服务，这绝对是推动GEO系统下一个增长阶段的关键应用之一。说Viasat和HNS的成功或许过于简单化，因为美国以外的市场机会与这一商业模式不兼容。今天任何一家公司购买价值3—6亿美元的HTS卫星，不分青红皂白地用点波束覆盖非洲和亚洲，如果不仔细考虑这些新兴市场的当地条件，是很难取得成功的。

根据ITU（国际电信联盟）的数据，截至2018年底，仍有大约32亿人仍未连接到互联网。这些人大多数生活在发展中经济体的农村地区。新兴市场有三种反复出现的农村社区模式：收入水平很低，人口密度也很低，电力供应非常低、不存在或非常昂贵。

太平洋岛国和非洲国家的电费是世界上最高的。除了缺乏光纤骨干外，采购电力的成本是无线网络部署的主要成本驱动因素。新兴市场国家的大多数移动运营商向为其无线系统供电的发电机提供柴油。由于柴油燃料非常昂贵且后勤繁琐，移动运营商短期内难以轻易解决农村数字鸿沟问题。

作为示例，让我们考虑配备2X2MIMO（多输入多输出）和三扇区天线系统的LTE基站。这种类型的电站需要大约4—5千瓦的电力。向农村小区提供柴油燃料的费用可能超过每月1000美元。移动网络系统的范围相对较小，因此除非在给定区域内有数千个用户，即使他们可以通过卫星接入到低成本的骨干网，移动运营商也不会将LTE站点部署到农村地区。实际上，除非我们对此采取措施，否则，电力的缺乏将减缓卫星采用的增长速度。各种形式的节电将是我们行业增长的关键驱动力。

如果GEOFSS运营商能够向30亿生活在农村和人烟稀少地区的居民提供一个电力有效、卫星传送的解决方案，那么100Gbps或以上的HTS的全球需求可能超过30000颗(30亿人x1Mbps/人/100Gbps/卫星=30000颗卫星。假定每个用户需要专用的1Mbps)。显然，大部分需求将被其他无线技术的进步所满足，但卫星仍有足够的发展空间，因为即使我们只能服务其中10%的需求，那也意味着我们需要部署3000颗GEOHTS。

由于目前部署的HTS屈指可数，该行业将会有很大的增长。主要的问题是，我们不能使用目前HNS和ViaSat正在使用的HTS来满足这个市场，因为它们太昂贵，而且不允许在地面上节约电力。然而，如果复制Viasat和HNS模型行不通，那还有什么办法呢?

首先，农村贫困人口的收入水平无法证明ARPU（每个用户每月平均收入）在50—100美元之间是合理的。农村贫困人口无法购买价格500美元的需要电力驱动的宽带VSAT终端，因为他们无电可用。这意味着每月资费必须降低一个数量级，用户终端成本也必须降低一个数量级，用户终端需要在没有商业电力的情况下运行。当卫星终端的购买成本仍然是300美元，而它的进口和安装成本超过500美元时，这怎么可能呢?

这似乎是一项艰巨的任务，因为大型供应商提供HTS的成本在3—6亿美元之间，使容量成本低于100万美元/Gbps。因此，为了使卫星发挥其潜力，必须对GEO卫星提供的宽带进行彻底的重新考虑。

如果电力消耗是限制无线网络和当前卫星网络的因素，那么我们需要解决电力问题。目前，VSAT终端消耗50—100瓦的电力。为了降低卫星终端所需的功率，我们需要提高地面波束的下行功率和上行G/T值。如果能在下行链路上获得60以上的EIRP，再加上25dB/Ks以上的G/T，那么VSAT终端只需要毫瓦级的上行链路功率，就能与GEO卫星建立链路。

这将允许一个成本非常低的太阳能电池板和电池系统，为一个VSAT终端提供可靠的电力，它可能只需要10—20瓦的电力。为了实现如此高功率的EIRP和G/T，地面点波束的大小必须在0.1到0.2度之间。这种波束大小可以通过空间中的大型天线和波束形成系统来实现。此外，由于新兴市场的农村贫困人口负担不起500美元的VSAT系统，我们必须找到一种方式，让带宽由一个社区共享，而不是像今天的美国那样，由一个用户使用。

VSAT系统可以与Wi-Fi接入点集成，通过全向天线来为50—100米距离的范围提供服务，或者与Curvalux(一种宽带多波束相控阵系统）之类远程无线系统捆绑，以将VSAT系统扩展到10千米范围。Curvalux需要不到3瓦的电力，将2-3Gbps传输到10公里的范围。这将使成千上万的农村社区能够共享相同的VSAT设备。用户设备，如支持的Wi-Fi和低成本智能手机、平板电脑和Wi-Fi客户办公设备（CPE）等，都可以使用价格实惠的太阳能电池来充电。

利用这些技术，我们可以解决昂贵的终端和地面电力问题。现在，我们如何解决太空中昂贵的卫星和电力问题呢?

提供0.1—0.2度的波束尺寸来解决地面的电力问题，意味着要用GEO卫星覆盖整个地球，需要一颗拥有数万点波束的大型卫星。这在目前可行、切合实际吗？最重要的是，负担得起吗？显然，答案是否定的。那么，为什么要这样做呢?也许，其中一个解决方案是，有人设计了一颗卫星，它用足够数量的点波束能覆盖更小的区域（例如覆盖更小的国家），投资规模使其为新兴市场提供负担得起的宽带服务变得经济（100万美元/Gbps）。

为什么100万美元/Gbps是一个神奇的数字？对于一颗15年的卫星来说，这意味着每个月每Mbps的成本为5美元，而交付给用户的每Gbps的成本不到0.02美元。由于目前移动资费每Gbps远高于1美元，在为全球30亿未联网人口服务方面，GEO卫星当然有发挥重要作用的空间。

到目前为止，100万美元/Gbps的卫星的唯一公开来源是VisaSat-3，这是一颗价值6亿多美元的巨大卫星，其容量超过1Tbps，它计划覆盖整个地球。尽管如此，Viasat-3不提供0.1或0.2度的波束，这将使25以上G/T允许100毫瓦的用户终端。Viasat的CEOMarkDankberg是一个有远见卓识的人，在FSS行业中没有多少人有勇气承担这么大的投资，我们也没有机会获得他的融资水平。因此，有必要以100万美元/Gbps的价格获得HTS的能力，并以较小的增量投资规模获得该能力，使该行业的其他企业能够参与行业的下一个发展。

要想在不需要5亿美元投资就能达到100万美元/Gbps的条件下，拥有一颗负担得起的HTS，关键是一个由数字处理器或ASIC支持的动态波束形成和信道化系统。带有数字波束形成ASIC的HTS有效载荷将大大减少电力消耗。并且，与需要FPGA或模拟滤波器和波导的系统相比，重量要轻得多。

例如，一个100Gbps的HTS系统，如果采用模拟或FPGA信道化技术，将花费1.8—2亿美元。这颗卫星需要10千瓦以上的电力，重量在5—6吨之间，发射需要6000万美元，保险费用超过3亿美元。然而，在不久的将来，所有使用波束形成ASIC芯片的数字卫星将能够处理相同的容量，用电推进技术只需要2—3千瓦的电力，重量不到1吨。降低功率要求也将减少航天器的尺寸和质量，从而大大降低其成本。

一些公司已经在研究全数字波束形成系统。波音公司为SES的mPower（O3B2.0）提供的数字处理器和Eutelsat购买的由欧洲航天局资助的量子平台就是这样的系统例子。也有非公开宣布的私人倡议，正在进行波束形成ASIC的研发。在不久的将来，我预测这些100Gbps的全数字卫星被送入轨道（包括发射和保险）将花费不到1亿美元。这可能是一个大胆的预测，但我确信，全数字波束形成的HTS将在2019年公开提供，在2021年交付使用。

将低成本卫星容量和具有远程Wi-Fi的卫星终端与相结合，是化解农村数字鸿沟的关键。这将导致FSS行业的爆炸式增长，这将确保我们的未来，最重要的是，为世界所有新兴市场带来知识、信息通信和财富。隧道尽头的曙光会比我们想象的更早出现。SATNET