重點分析衛星互聯網的概念和發展

引言

近些年來，隨著衛星通信技術發展以及互聯網應用環境的變化，為滿足全球不斷增長的衛星寬帶接入需求，特別是解決農村等邊遠地區的互聯網接入問題，衛星互聯網成為衛星通信與互聯網結合的必然趨勢。與衛星通信系統不同，衛星互聯網是以互聯網應用為服務對象，以統一的網絡層為承載平臺，能夠作為互聯網系統有效組成的可獨立工作的網絡系統。

回顧衛星互聯網發展歷史，可以發現提供互聯網服務的衛星星座并不是一個新興事物，已有近30年的發展歷史，只是發展緩慢，有些尚未實施、有些中途夭折、有些應用有限。近幾年來，在谷歌、臉書等互聯網巨頭的推動和支持下，美國Space X、OneWeb等創新型企業紛紛計劃打造由低軌小衛星組成的星座系統，積極搶占太空互聯網接入新資源，引發全球性發展熱潮。

重點分析了衛星互聯網的概念內涵、發展概況、趨勢及挑戰，并結合我國的實際國情提出適于我國發展的衛星互聯網的建設方案及需解決的重點問題。

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衛星互聯網的概念內涵

關于“衛星互聯網”這一新興名詞，各文獻給出了各種不同的定義：

（1）以VSAT系統為基礎、具有廣播功能、以IP為網絡服務平臺、以互聯網應用為服務對象，能夠成為互聯網的一個組成部分，并能夠獨立運行的網絡系統為衛星互聯網，它又稱為廣播互聯網。

（2）衛星互聯網是基于衛星通信系統，以IP為網絡服務平臺，以互聯網應用為服務對象，能夠成為互聯網的一個組成部分，并能夠獨立運行的網絡系統。

（3）“新興衛星互聯網星座”，指新近發展的、能提供數據服務、實現互聯網傳輸功能的巨型通信衛星星座。新興衛星互聯網星座具有以下特點：從星座規?？?，是由成百上千顆衛星組成的巨型星座；從星座構成看，是由運行在低地球軌道（LEO）的小衛星構成；從提供的服務看，主要是寬帶的互聯網接入服務；從發展衛星互聯網星座的企業看，主要是非傳統航天領域的互聯網企業；從項目發展的起始時間看，是在2014年底至2015年初這段時期。

根據上述定義，本文認為衛星互聯網是面向互聯網的蓬勃發展，針對地面網絡的不足（如覆蓋受限、難以支持高速移動用戶應用、廣播類業務占用網絡資源較多、易受自然災害影響等），利用衛星通信覆蓋廣、容量大、不受地域影響、具備信息廣播優勢等特點，作為地面通信的補充手段實現用戶接入互聯網，可有效解決邊遠散、海上、空中等用戶的互聯網服務問題。

02

國外衛星互聯網發展現狀

根據國際電信聯盟對衛星通信業務的劃分，衛星通信業務可分為固定、移動和廣播三類。從近10年的發展來看，互聯網和寬帶多媒體通信已成為推動衛星通信向寬帶化、網絡化發展的主要動力，傳統的衛星固定業務、衛星移動業務界限越來越模糊，寬帶衛星通信已成為衛星通信發展的主流。當前，無論是傳統的衛星通信公司還是新興的互聯網商業公司均極大關注寬帶衛星通信發展，基于不同軌道的寬帶衛星通信系統或已投入運營，或正在建設，或提出方案設想，這些系統均全面提供衛星互聯網接入服務，積極搶占互聯網寬帶接入新入口。下面分別從高、中、低軌三個方面介紹國外衛星互聯網的發展現狀。

2.1 高軌寬帶衛星通信系統

典型的高軌寬帶衛星通信系統主要包括早期面向企業級用戶的IPSTAR、寬帶全球區域網（Broadband Global Area Network）、Spaceway-3等高軌寬帶衛星通信系統，以及后期面向大眾需求快速發展起來的以ExeDe Internet為代表的一系列高通量寬帶通信衛星。

（1）IPSTAR衛星通信系統IPSTAR是2005年8月發射的當時世界上容量最大的通信衛星，可為亞太地區22個國家和地區的用戶提供多媒體廣播、寬帶網接入、視頻會議等高軌寬帶業務。衛星使用Ku/Ka混合頻段，可為亞太地區提供Ku頻段點波束（84個）、Ku頻段賦形波束（3個）、地區廣播波束（7個）以及18個Ka頻段點波束覆蓋。系統總帶寬45G帶寬，其中12G覆蓋中國全境。

（2）寬帶全球區域網（BGAN）寬帶全球區域網是基于Inmarsat-4衛星的全球衛星寬帶局域網，是一個支持移動業務的衛星通信網絡。系統工作頻段在L波段，下行速率為216kbps~432kbps，上行速率為72kbps~432kbps，實現了從模擬向數字、從傳統電路交換向因特網業務、從窄帶話音數據向寬帶高速數據的轉化。衛星系統可覆蓋全球85%陸地范圍，可為移動用戶提供視頻直播、寬帶網絡接入等多種服務。

（3）Spaceway-3衛星通信系統Spaceway-3衛星通信系統是由休斯網絡系統公司研制并運營，于2007年發射升空，是世界上首顆具有在軌切換和路由能力的衛星。Spaceway-3通過采用Ka頻段、多波束及星上快速包交換技術，大大縮短網絡傳輸時延，可覆蓋美國全部和加拿大大部分地區。系統總通信容量10Gbps，可容納165萬個用戶終端，容量是Ku頻段通信衛星的5～8倍。

（4）ExeDe Internet ExeDe Internet由ViaSat公司的ViaSat-1和ViaSat-2寬帶通信衛星組成，分別發射于2011年和2017年，是目前容量最大的高軌寬帶衛星通信系統。ViaSat-1采用Ka波段點波束技術，總容量為140 Gbps，下載速率為12 Mbps，可滿足200萬以上用戶的衛星互聯網接入需求。ViaSat-2衛星為迄今為止波音公司發射的最大衛星，整星容量300 Gbps，覆蓋面積為ViaSat-1的7倍，可為250萬用戶提供高達25 Mbps 的寬帶服務。

另外，Viasat-3計劃于2019年發射，其由3顆衛星組成，每顆衛星容量1Tbps，是ViaSat-2的3倍，3顆星全部運行后幾乎覆蓋全球。

2.2 中軌衛星互聯網星座

中軌衛星互聯網星座主要以O3b計劃為代表。

O3b，即其他30億（Other 3 billion），為解決由于地理、經濟等因素，全球剩余30億未能接入互聯網人群的上網問題，互聯網巨頭谷歌公司、媒體巨頭John Malone旗下的海外有線電視運營商Liberty Global以及匯豐銀行聯合組建O3b網絡（O3b networks）公司。

O3b公司從2013年6月開始陸續成功部署了8顆MEO衛星，共覆蓋7個區域，采用Ka頻段，單星吞吐量約為12 Gbps。2014年9月，8顆衛星全面運營，提供中繼帶寬為600Mbps、時延不超過150ms的服務能力。2014年10月18日，最后4顆衛星被發送入軌，形成12顆中地球軌道衛星星座。

2.3 低軌衛星通信系統

自20世紀90年代以來，歐美等發達國家相繼掀起了兩次低軌星座發展熱潮。上世紀九十年代初期，面向個人移動通信服務，低軌衛星迎來第一次發展熱潮，摩托羅拉、勞拉、阿爾卡特、波音等公司相繼提出二十多種低軌星座方案，陸續建成極具代表性的Iridium（銥星）、ORBCOMM、Globalstar等低軌衛星通信系統。

但是，由于市場定位不準、建設成本高昂，投入運營的Iridium、ORBCOMM、Globalstar系統均于2000年前后破產，其他項目也都相繼宣布終止。近幾年，在互聯網應用、微小衛星制造和低成本發射等技術發展的驅動下，面向衛星互聯網接入服務，低軌星座研究迎來規模更大、更猛烈的第二次發展熱潮，典型的低軌星座有OneWeb、Starlink等。

2.3.1 傳統低軌衛星通信系統

（1）銥（Iridium）衛星通信系統

銥星系統是全球唯一的采用星間鏈路組網、全球無縫覆蓋的低軌星座系統。Iridium一代系統在1998年建成并開始商業運營，1999年宣告破產，后被“新銥星”公司收購。

Iridium星座軌道高度780 km，由分布于6 個軌道面的66 顆衛星組成，用戶鏈路采用L頻段。Iridium二代通過對一代衛星的逐步升級，如L頻段配置48波束的收發相控陣天線、用戶鏈路增加Ka頻段、配置軟件定義可再生處理載荷等方式實現了更高業務速率、更大傳輸容量以及更多功能。從2017年1月開始至2019年1月11日銥星二代已完成全部組網發射，部署后傳輸速率可達1.5 Mbps，運輸式、便攜式終端速率分別可達30 Mbps、10 Mbps。二代系統還具備對地成像、航空監視、導航增強、氣象監視等功能。

（2）ORBCOMM系統

ORBCOMM星座于1996年正式啟動面向全球的數據通信商業服務。星座系統由約40顆衛星及16個地面站組成，軌道高度740～975 km，共7個軌道面。星座內部無星間鏈路，用戶鏈路采用VHF頻段。相比于第一代系統，二代ORBCOMM衛星質量增加3倍，接入能力提升了6倍。當前擁有全球最大的天基AIS（船舶自動識別系統）網絡服務。

（3）Globalstar系統

Globalstar系統于1999年開始商業運營。系統采用玫瑰星座設計（高度1400 km），由48顆衛星組成，用戶鏈路為L、S波段，通過無星間鏈路、彎管透明轉發的設計，降低建設成本。Globalstar二代系統進一步提高了系統傳輸速率，增加了互聯網接入服務、ADS-B（廣播式自動相關監視）、AIS等新業務。

2.3.2 新興低軌衛星互聯網星座

（1）OneWeb系統

OneWeb衛星互聯網星座由原O3b創始人格雷格?惠勒（Greg Wyler）創建的OneWeb公司提出，計劃部署近三千顆低軌衛星，初期采用Ku頻段，后續向Ka、V頻段擴展。星座初期計劃發射720顆衛星，軌道高度1200 km，采用設計簡單的透明轉發方式，通過地面關口站直接面向用戶提供互聯網接入服務。OneWeb單星重量不超過150 千克，單星容量5 Gbps以上，可為配置0.36 m口徑天線的終端提供約50 Mbps的互聯網寬帶接入服務。同時，OneWeb公司現已獲得美國聯邦通信委員會授權，批準其在美國提供互聯網服務。2018年12月13日，據悉OneWeb初期星座規模將縮減至600顆，以降低實現全球覆蓋成本目前OneWeb進入部署階段，2019年2月27日，已發射首批6顆衛星。

（2）Starlink衛星互聯網星座

Starlink衛星互聯網星座由Space X公司提出。Space X計劃建設一個由近1.2萬顆衛星組成的衛星群，由分布在1150km高度的4425顆低軌星座和分布在340km左右的7518顆甚低軌星座構成。低軌星座選擇了Ku/Ka頻段，有利于更好地實現覆蓋；甚低軌星座使用V頻段，可以實現信號的增強和更有針對性的服務。Space X計劃讓這樣的網絡覆蓋地球任何地點。Space X預計該系統到2025年將有4000多萬用戶，營收達到300億美元。Space X在星座運營同時，更專注于衛星制造。因此，Space X需要更大融資量，預計需要融資100~150億美元。

（3）LeoSat衛星互聯網星座

LeoSat衛星互聯網星座由LeoSat公司提出，計劃構建由108顆衛星組成的衛星星座，提供全球高速數據傳輸服務。星座部署在1400公里的LEO軌道上，采用6個軌道面，每個軌道面上部署18顆衛星。LeoSat采用Ka頻段，為用戶波束提供1.6Gbps的帶寬。LeoSat星座將會使用星間鏈路，并采用光通信。與OneWeb和SpaceX不同，LeoSat公司主要為政府及企業提供數據傳輸服務，計劃為3000余家大型企業及機構用戶提供高速數據接入服務。

2.4 國外衛星互聯網星座分析

由以上各系統發展現狀可見，無論是傳統的衛星通信公司還是新興的互聯網商業公司均提出了很多有特色的寬帶衛星通信系統來實現衛星互聯網應用，衛星互聯網已不僅僅限于中低軌道。表1從系統規模、系統容量、覆蓋范圍等多方面具體分析了高軌、低軌衛星應用系統各自的優缺點。

表1 高低軌衛星應用系統優缺點分析

可見，高軌衛星通信系統和低軌衛星互聯網星座各有優越性。低軌衛星互聯網星座在覆蓋范圍、填補數字鴻溝、網絡時延、系統容量等方面能力優勢明顯，用戶終端設備更易實現小型化、手持化。高軌衛星通信系統頻率協調相對容易，運行壽命更長，系統建設及維護成本相對更低。另外，雖然低軌衛星互聯網星座系統容量高于高軌寬帶通信衛星，但高軌衛星在通過點波束集中傳輸高帶寬容量方面更具優勢（例如為區域用戶提供高清球賽直播等服務方面）。因此，衛星互聯網星座的建設需統籌高低軌系統優越性，實現優勢互補。

03

國外衛星互聯網發展趨勢

3.1 由傳統高軌星座向中低軌星座發展

由于中低軌星座具有用戶多樣性、用戶容量大、傳輸時延短、終端設備小、發射功率低等特點，新興的衛星互聯網星座普遍傾向于采用中低軌道。例如，OneWeb軌道高度1200Km，Starlink星座軌道高度從1150km高度到340km。但為了全球覆蓋，低軌衛星互聯網星座往往系統規模龐大，例如OneWeb預計發射720顆，Starlink衛星互聯網星座預計發射1.2萬多顆。值得思考的是，星座向中低軌道發展將付出巨大的代價——系統的復雜化和規模龐大化。

3.2 與地面通信網絡合作發展

吸取早期銥星系統破產的經驗，近幾年發展的全新衛星互聯網星座采取了與地面網絡合作發展的理念，將電信運營商作為客戶，主要著眼于光纖無法覆蓋地區，成為地面通信手段的擴展。新一代GEO系統采用輔助地面組件技術，通過設置天地統一的空中接口和工作頻段，用戶終端可根據網絡覆蓋情況，實現在天地網絡之間的無縫切換。

3.3 全新投融資、市場經營模式

新興衛星互聯網星座的部署、運營和服務逐漸采用資本合作的方式來完成。例如，OneWeb采用全新的融資模式，首輪融資5億，投資的公司包括軟銀集團、空中客車、巴帝企業、高通、可口可樂、維京集團等非衛星制造公司，第二輪融資12億美元，由日本軟銀集團領投。Starlink衛星互聯網星座采用來自谷歌和富達投資公司10億美元的投資。同時，也將個人消費者作為目標用戶，不出售專用衛星終端設備，而繼續采用現有智能手機訪問網絡。

3.4建造衛星制造工廠，批量制造

分析銥星等系統的破產原因，星座投入成本過高、研制周期過長，用戶負擔過高，將極有可能導致星座建設錯過發展最佳時機。為此，通過采用新技術，增加商用工業級器件比例以降低衛星成本、將衛星系統模組化以縮短衛星制造周期是現代星座批量生產衛星的新趨勢。例如OneWeb引用汽車制造的概念，將衛星各系統模組化，工廠每周能生產16顆衛星，一年可完成648顆衛星。

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我國衛星互聯網建設方案構想

4.1 我國發展衛星互聯網的必要性

新時期，我國經濟、政治、文化、社會等領域利益逐漸向海外拓展，隨之而來，我國對全球實時無縫信息保障的需求大大增長。面向當前世界低軌衛星互聯網星座的發展熱潮，我國也亟需把握時機，搶占資源，建設自主可控、全球覆蓋的衛星互聯網星座。

然而，我國建設低軌衛星互聯網星座存在以下兩方面限制。一方面是對全球建站的限制。低軌星座實現全球覆蓋的主要方式是通過地面布站方式，然而由于我國國情限制，我國無法使用全球地面布站方式來實現衛星通信的全球服務。另一方面是頻率軌位資源限制。目前國際上頻率軌位資源稀缺，低軌頻率資源更是被瓜分殆盡，我國頻率資源積累不足，在國際上處于劣勢地位，難以保障低軌星座互聯網建設，嚴重約束我國衛星互聯網發展。

因此，從我國實際情況出發，建設純低軌的衛星互聯網星座并不現實，可考慮通過高低軌星間鏈空間組網的方式突破全球地面布站限制和頻率資源匱乏限制，充分利用高軌衛星系統優越性，打破政治地緣限制，確保衛星互聯網業務安全可靠，同時為用戶提供更優質服務體驗。

4.2 我國發展衛星互聯網方案設想

基于以上原因，本文提出如圖1所示的高低軌結合的衛星互聯網架構方案。在該方案中，低軌星座只存在同軌鏈路，沒有異軌鏈路，不同軌道面通過高軌衛星中轉。相較于純低軌方案（包含異軌星間鏈路），本方案的組網架構時延雖然可能稍長，但可以克服由于異軌星間鏈路方位俯仰變化大而導致的鏈路維持困難、網絡穩定度低等缺陷，可以在減少網絡總鏈路數的同時提高網絡連通性和服務質量。此外，在低軌衛星數目相同的情況下，雖然單條高低軌星間鏈成本高于異軌星間鏈，但由于純低軌方案（包含異軌星間鏈路）需配置異軌星間鏈數目巨大，其總成本遠高于本方案，本方案更具優勢。

圖1 高低軌結合的衛星互聯網系統架構方案

具體地，所提出方案的物理架構、網絡架構以及組網服務方案設計如下。

物理架構方面：采用GEO+復合型LEO星座的物理架構，其中，GEO衛星的主要功能是骨干傳輸、大型節點接入服務、業務分配、運行管理以及作為低軌各星間的中繼節點。低軌星座采用不同類軌道高度、傾角、升交點赤經衛星組成的復合型軌道星座，具體如圖2所示。相較于單一型軌道星座，復合型軌道星座所形成的全球覆蓋方案更加靈活，覆蓋特性更加多樣。同時，復合型軌道星座可根據服務需求和覆蓋區域內的業務量在不同類型軌道衛星之間動態分配業務。

圖2復合型低軌星座

網絡架構方面：由面向用戶中心、面向數據中心、面向信息交換的三個服務網絡以及面向云化網絡的服務平面組成。改變過去天基網絡資源協調及配置困難、網絡規劃響應時間過長，長期作為一種專網存在的局面，使網絡成為可配置的服務資源，用戶可按需獲取網絡資源，自行管理專屬分配的虛擬網絡資源，獲取所需服務。

組網服務方面：具備全球全網全程資源按需獲取、自動部署和智能調優的能力，全面支持SDN／NFV／MEC的業務動態編排和網絡切片技術，可以將傳送網、接入網、數據中心網絡和用戶網絡端到端的協同起來，從而實現對網絡拓撲、信道帶寬、傳輸質量、時延需求的敏捷按需響應，保障用戶體驗。

4.3 我國衛星互聯網星座需解決的關鍵問題

為實現所提出的高低軌組網的衛星互聯網方案必須解決如下若干關鍵問題：

（1）高低軌網絡協同組網問題

針對高軌、低軌衛星混合星座系統，結合地面用戶接入及天地信息網絡融合需求，需開展高低軌物理層協同問題研究，適應于大規模、高延遲、高動態變化的空間立體化路由協議技術研究，并解決彈性組網問題，以彌補天基網絡固有的脆弱性，提高整個網絡全時全域的連通性。

（2）移動性管理問題

針對所構建的衛星互聯網星座節點特別是低軌星座節點高動態運動、面向用戶的多星多波束頻繁切換等特點，需重點開展基于身份與位置分離的移動性管理、多波束無感快速切換、自適應鏈路速率變化、網絡資源快速調度和控制等關鍵技術研究，有效降低網間移動切換時的切換時延、信息丟失等業務損傷，提高網絡移動性管理效能和服務質量。

（3）與地面網絡融合問題

面向衛星互聯網與地面互聯網的融合需求，需重點開展衛星互聯網與未來互聯網異構協議軟件定義互聯設計、基于多維網絡資源虛擬化的網絡切片、應用驅動的網絡控制，按需網絡資源調度等關鍵技術研究，實現衛星互聯網與地面互聯網高效可靠的互聯互通。

（4）網絡安全問題

針對衛星互聯網環境廣域開放、鏈路間歇連通和資源不均且受限等特點，需重點研究具有擴展和演進能力的衛星互聯網網絡安全保障體系，研究適應網絡威脅時空變化和多樣化任務需要的網絡安全保障模型和交互控制機制，安全策略的動態響應、主動適變、無縫遷移和抗毀容錯機制等，為衛星互聯網的安全可靠運行提供體系化安全保障。

另外，在衛星發射制造、運營管理方面，可以借鑒國外衛星批量生產、先進的投融資理念等，以縮小衛星研制周期、降低運營成本，并考慮將地面運營商、企業、個人等納入目標用戶，與地面網絡協同、互補發展。

結論

隨著多媒體業務和因特網業務需求的迅速增長，各國均開始更多地關注衛星互聯網產業發展。在當前全球衛星互聯網建設熱潮的形勢下，基于我國在航天工業和互聯網產業的技術基礎，我國應積極搶占這一巨大市場，牢牢把握我國衛星互聯網走向全球服務的歷史發展機遇。