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【行业深度】移动互联网新浪潮:天基互联网

【行业深度】移动互联网新浪潮:天基互联网

2017年4月12日19时04分, 西昌卫星发射中心。中国首颗高通量(HTS)卫星——中星16号(实践十三号卫星),成功发射升空,标志着中国天基互联网时代到来。

1、概念:天基互联网是什么

天基互联网是指最近逐渐成熟的利用位于地球上空的各类空中平台提供给地面和空中终端宽带互联网服务的新型网络,天基互联网主要有两种基础设施模式,一是通过不同高度层和轨道的高通量卫星星座向地面提供信号,高度一般在200~36000公里,这些卫星可以认为是一类空间基站;二是通过临近空间平台向地面提供信号,如高空太阳能的气球、飞艇、无人飞机等,高度一般在20~200km,这些平台可以认为是一类高空基站。

一方面,近年来卫星通信正在向高通量和宽带化方向发展,如:美国的Intelsat、Viasat、HughesNet、欧洲Eutelsat等公司都在大规模部署装备Ka波束的高通量卫星。另一方面,近年来临近空间平台技术的逐渐成熟,Google、Facebook等相继提出了Google Loon气球、Facebook internet.org高空太阳能无人机等项目,开始积极推动WiFi覆盖全球化。

总体来看高通量卫星相比临近空间平台的天基互联网模式全面探索,目前已经开始投入大规模商业服务,例如美国Viasat公司利用Ka高通量卫星为多家美国航空公司提供全免费的机上互联网服务。

2基础:高通量卫星是什么

高通量卫星”(High Throughput Satellite, HTS)一词最早 2008 年由北方天空研究公司(North Sky Research, NSR)提出,是指通过点波束、赋形波束及频率复用等技术, 在同等轨道和频谱条件下,能够提供比传统卫星高出数倍至数十倍容量的新型卫星

4在西昌发射的这颗中星16号高通量卫星,首次应用Ka频段点波束技术,通信总容量可以超过20Gbit/s,这超过了中国此前所有通信卫星容量的总和

据悉,该卫星完成入轨及测试后,由中国卫通集团有限公司负责运营。后者还将部署中星18号及更大容量的Ka频段高通量卫星。在2020年前,形成覆盖中国全疆域及亚太周边地区的通信能力,满足“宽带中国”和“一带一路”的宽带通信要求。

3、革命:Ka频段高通量卫星带来的服务革命

发展于2005年初的Ka卫星技术,因其频率高、频率资源丰富、终端尺寸,而成为宽带卫星发展的重点方向。经过面向HTS的两代演进,在全球已有了完整的产业链支持——卫星运营商可以用不超过3年的时间制造一颗大容量的Ka卫星;系统供应商已支持宽载波、波束切换和网络漫游等技术;终端供应商则拥有Ka终端和天线设计经验,相应技术早已达到规模应用水准。

此前在卫星频率资源上,传统的L频段和Ku频段已十分拥挤,Ka频段相对空闲,也相对更容易申请频率和轨位。目前在国际电联,已经有逾千份空间卫星网络资料登记申报。

成本方面,据调查,目前国内基于Ku频段每 Gbit/s带宽的投资成本超过2亿美元,而美国2011和2012年相继发射的ViaSat-1和Jupiter-1两颗Ka卫星,同样的单位成本已经降低到400万美元,仅为Ku频段通信卫星的 2%。

可以预见,基于Ka频段的中星16号投入使用后,不仅将带来中国上空带宽资源的极大丰富,还将迅速降低单位带宽的使用成本,更重要的是,宽带卫星通信将第一次有机会向普通消费者直接提供服务,这是卫星通信服务的升级(Evolution),更是卫星通信迈向互联网接入的革命(Revolution)

4、协同:天地协同发展的天基互联网

自从20世纪90年代移动通信技术和互联网走入个人生活,人们“无处不在”的通信和连网需求持续走强,这种需求直接造成了20多年来地面移动通信网络从2G3G4G,及面向5G的快速演进。

地面移动网络发展进程

目前为止,虽然地面移动通信网络已覆盖了地球上超过80%的人口,但野外、飞机、海上等场景仍然无法有效覆盖。来自联合国的数据显示,全球仍有超30亿人未接入互联网。

更快、更强、更广的网络使用需求,使基于卫星的通信技术——天基互联网成为大势所趋。

事实上早在地面网络还处于2G早期发展阶段时,摩托罗拉公司就提出了第一个全球移动天基通信网络--铱星计划,并于1998年开通了全球通信业务。但由于成本高昂、进程缓慢,被地面移动通信高性价比方案快速超越最终退位到行业服务的利基市场

最近10年来,卫星通信与地面移动通信结束了早期的互相竞争、频率争夺,进入到如今全面融合、天地一体化协同发展的新阶段。2016年底国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》中明确提出:“实施宽带乡村和中西部地区中心城市基础网络完善工程,采用蜂窝、光纤、低轨星座等多种方式,加快实现农村及偏远地区4G网络覆盖。”

天基互联网与地面移动网络5G通信技术,正在类似的场景上并行演进着,旨在实现增强型移动宽带(eMBB)、海量物联网(mMTC)和低时延高可靠通信(URLLC)。对比地面5G服务的场景,在卫星场景下,增强型移动宽带场景可以由高容量的HTS 卫星承载,基于KuKa等频段的中低轨星座(低时延组网更灵活)则是另外两种场景的完美诠释

5、应用:天基互联网的应用

目前地面移动互联网已经深入到每个人每个行业,用户联网体验已经达到了高级阶段,但地面互联网也有很多场景仍然不能提供很好的覆盖和用户体验,而这些场景联网需求比地面移动互联网能够覆盖的区域需求要更为关键或者更为迫切,例如户外、 野外、飞机、海上等场景非常需要宽带互联网的覆盖和良好的移动互联网体验。根据调查显示,超过73%的旅客在户外第一意愿是上网,而当在森林、 雪山、沙漠等危急场景,这一意愿接近100%,有了天基互联网,无论在何时何地,都能安心从容。

中国社会发展按照衣食住行来看已经进入了“行”的时代,据交通运输部统计2016年民航客运量为4.88亿人次,铁路客运量为28.14亿人次。国家主席习近平在2016年亚太经合组织(APEC)工商领导人峰会上发表主旨演讲时指出,预计未来5年,中国出境旅游将达到7亿人次!

6、全球:全球视野下的天基互联网基础设施进展

分层的天基互联网


近几年来支持天基互联网的全球空间基础设施正加速升级换代。

目前阶段形成商业服务能力的天基互联网普遍是采用卫星星座模式。

根据卫星的轨道类型划分,与天基互联网直接相关的卫星通信系统,则可分为“低轨卫星星座系统LEO”、“中轨卫星星座系统MEO”和“高轨卫星星座系统GEO”。

无论是何种高度轨道卫星星座系统,总体的趋势都是快速向HTS卫星演进。

HTS卫星是发展趋势

在GEO方面,“高轨卫星星座系统”发展迅猛,美国卫讯公司计划2017年6月搭载Ariane space公司Ariane 5火箭发射的下一代大容量宽带卫星ViaSat-2,整星的容量大概会达到300 Gbit/s,可为手握70万终端用户的卫讯公司提供更好的市场发力空间。同时,Viasat-3 的“三星”计划也已公布:单星容量将达1 Tbit/s,从2019年开始覆盖全球。

Viasat的“三星”计划

在MEO方面,“中轨卫星星座系统”发展平稳,作为世界第一个中轨道通信星座,目前由12星构成的O3B系统已经开始向全球海上船只提供服务。

O3B系统名称取自“other 3 billion”(“要为地球上另外30亿人提供网络服务” ),专注于为地面通信不方便达到的区域提供接入和骨干网传输,有“空中光纤”之称。自2014年提供商业服务以来,仅用半年时间就达到原计划1年1亿美金的收入水平,以市场的认可证明了卫星互联网星座的发展前景,现已经被全球第二大卫星运营商SES纳入旗下。到2018年,O3B的星座卫星数量将达到20颗,其单星容量也将达到12 Gbit/s。

LEO方面,低轨卫星星座系统更是百花齐放。全球一网(Oneweb)系统计划发展由648 颗卫星组成的低轨卫星星座,工作频段为Ku 频段,单星吞吐量大于6 Gbit/s,系统总吞吐量5 Tbit/s左右,系统建成后,可向偏远地区用户提供50 Mbit/s的互联网宽带接入服务。最新消息,Oneweb除了与世界最大的卫星运营商Intelsat合并(获得软银等公司的直接投资)之外,还发布了下一阶段1972颗卫星的发展计划。

有“卫星产业搅局者”之称的SpaceX,除了成功实验火箭发射回收及复用之外,还发布了Stream互联网星座计划,并已经向ITU申报了频率和轨位。从申报的情况来看,卫星数量达4000多颗,使用Ku和Ka频段,运行在43个轨道面。更为激进的是,SpaceX在今年3月发布了基于V频段的LEO计划(称作VLEO),星座数量更是达到了惊人7518颗。

在2020年左右,全球天基互联网卫星容量将超过7Tbit/s,卫星星座数量也在快速发展中。

7、中国:天基互联网的“中国计划”

全球空间基础设施目前正加速升级换代,而我国空间基础设施也正处于转型发展关键期。经济社会发展对空间基础设施建设需求迫切,统筹建设我国民用空间基础设施刻不容缓。这是《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》(国家发改委、财政部、国防科工局于2015年10月26日联合发布)对于我国空间资源发展阶段的解读。

该规划还指出,要逐步建成覆盖全球主要地区、与地面通信网络融合的卫星通信广播系统,以服务宽带中国和全球化战略。政策尤其指明了对宽带(高通量)通信卫星、移动通信卫星和移动多媒体卫星的支持。

为了推动中国天基宽带互联网的发展,中国《民用空间基础设施中长期发展规划》提出:2020年通信卫星将在轨20余颗,2025年通信卫星将实现在轨25颗左右,满足全球覆盖需求。而在国务院提出推进的《中国制造2025》中,在航天装备方面也明确提出了“发展新型卫星等空间平台与有效载荷、空天地宽带互联网系统,形成长期持续稳定的卫星遥感、通信、导航等空间信息服务能力”。


在卫星固定通信系统方面,目前中国在轨运营的10颗通信卫星多集中在C、Ku频段,覆盖集中于中国国土及亚太地区,主要满足商用通信、广播电视。最新发射的中星16号投入运营后,可向终端用户提供最高150Mbit/s下载和12Mbit/s上行接入速度,实现真正意义上的卫星宽带互联网。随后将发射的中星18将搭载Ka频段通信载荷,形成对中星16号覆盖范围的全面的补充和完善,满足“一带一路”沿线国家和地区覆盖。

中国和亚太区域其它运营商也都在积极的部署高通量卫星计划。亚太卫星2016年11月公告,该公司的全资附属公司亚太通信与合作方签订意向书,开发由四颗地球同步轨道卫星组成的高通量宽带卫星系统计划,总投资额约人民币100亿元。系统建成后将面向全球提供宽带卫星固定通信和移动通信服务。首颗卫星亚太6D将于2019年前发射使用。

在移动通信系统方面,中国2016年8月6日发射的天通一号01星,作为我国首颗S频段移动通信卫星将满足更广泛的需求,支持语音、短信及最高384kbit/s的互联网接入服务。此外,根据规划,天通一号02星和03星将逐步进化,提高整星功率和天线口径,支持更大容量的宽带通信。

在低轨互联星座方面,由中国航天科工总规划的虹云工程,已经完成了首颗卫星的发射技术实验。按照三步走的发展策略,将发射156颗卫星,在距离地面1000公里的轨道上组网运行,实现覆盖全球的宽带互联网接入。到“十三五”末,发射4颗业务试验星组建小星座,到“十四五”末,实现全部卫星组网运行,完成业务星构建。

还有其他市场驱动的高通量卫星星座计划正在陆续浮出水面。

8、场景:天基互联网颠覆机上互联网(IFEC)体验

全球高通量卫星和空间卫星资源的快速发展,也引领着全球机上互联网(IFEC, in-flightentertainment and connectivity)进入了一个崭新阶段。

截至2017年初,美国Jetblue航空公司的227架飞机,已全部安装了基于Ka卫星的Fly-Fi系统,面向乘客提供超过12Mbit/s的全程WiFi服务。乘客除了可以享受收发邮件、网页浏览、聊天等基本的网络服务,还可以进行在线视频点播(Amazon Video Streaming)。这项开始于2013年的服务,成为了这家航空公司的新名片。

Jetblue的机上互联网服务

德国汉莎航空公司与全球移动卫星通信服务提供商Inmarsat于2016年10月共同宣布,基于Inmarsat 第五代星(Global Express,三颗Ka卫星覆盖全球)启动其下一代机上宽带服务GX for Aviation。这也是首个Ka频段的全球机上连接方案。

机载终端厂商也在储备下一代技术。伴随LEO和MEO星座的发展,终端天线必须能够快速跟踪卫星的运动轨迹。相控阵天线因其模块化、易共形等特点倍受瞩目,发展低成本的相控阵天线技术也是卫星终端厂商的共识。

Oneweb机载天线

机载相控阵天线

空中WiFi“、”机上互联网(IFEC)“也是近年来国内航空公司积极布局的热点项目。

面对激烈的市场竞争,航空公司将IFEC服务视为新的盈利增长点,希望借此增加用户黏度,拓展新的商业模式。

早在5年前,国航就开始探索自身的IFEC发展之路,首架无线局域网航班于2011年首航,迈出了国内IFEC布局的第一步;2013年初,海南航首次在“广州—宁波”航班上启用WiFi服务;2014年7月,南方航空在京广航线部分航班上推出机上宽带WiFi上网验证飞行。2015年上半年,工信部正式批准国航、东航、南航等多家航空公司提供IFEC接入服务,此后,国内各大航空公司IFEC建设的脚步明显加快。2015年12月,东航率先在上海往返纽约、洛杉矶、多伦多航线上开启空中互联网服务,成为国内首家将IFEC服务投入商用的航空公司,也是国内首家在国际远端航线中为旅客提供IFEC服务的航空公司。

与此同时,面对高速发展的空中互联需求,不得不正视以同步轨道卫星为代表的空间资源局限问题。据测算,2016年我国民航飞机数量为2900架,若单架飞机的带宽需求仅为10 Mbit/s(此时飞机上每个乘客可以分到的带宽仅为不到100Kbit/s),则整个中国上空,机上互联网所需要的卫星资源就达到29Gbit/s。单这一资源需求,就已经超越了中星16号的全部容量需求

目前机上互联网需求已经演进到每架飞机50Mbit/s以上带宽,否则难以保证机上乘客享受到接近地面移动互联网的体验,已经开通试点的几家航空采用Ku卫星服务均存在带宽成本高昂,乘客体验不佳的问题。

9、展望:天基互联网趋势展望

令人欣喜的是,目前,基于卫星星座的天基互联网成熟度较高,有些甚至具备了规模应用的基础。譬如GEO和MEO星座,投入商业运营后,在航空、航海等市场的渗透率超出预期。又譬如LEO星座,伴随多家国际互联网及IT巨头的加入,正在迎来个人用户的爆发式增长。

有理由相信,未来的3至5年,将是基于卫星星座的天基互联网的黄金时代;更可以预判,未来5至10年,基于临近临时空间平台的天基互联网,也将加速成熟。

这一发展大势,意味着,天基互联网将和快速到来的5G地基互联网充分协同融合,天地一体化网络将拥抱每个人的生活。

这一刻,大交通行业已为之准备了10年,通信卫星行业已为之等待了20年。

时刻准备着,以奔跑之姿,撞开天基互联网的大门。