5G时代下卫星移动网络升级 低轨卫星通讯星座该怎么发展


导读: 高轨卫星由于站得高看得远,对于区域覆盖优势非常明显,但是高轨卫星很少有提供终端消费服务的,主要模式要么就是数字广播要么就是专网通讯服务。

人类太空探索的历史上一共经历了两次低轨卫星星座的浪潮。而这一次正在如风如雨的席卷全球。这股卫星星座的浪潮的背景是什么?到底什么样的卫星系统会成为解决人类通讯痛点的终极方案?

在说这一切事情之前,让我们回忆一下上一次低轨卫星星座浪潮发生的背景。

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全球各地大量提出低轨卫星星座的时代背景是苏联解体,世界两极争霸的格局彻底瓦解,欧洲建立了高度的一体化,此时美国正站在世界的巅峰。中国的改革开放进入到深水期。时代背景让原来忙于发展战略性核武器,确保互相摧毁的核大国之间把富裕的轨道运载能力用于改善民生,特别是建立起互联互通的世界全球市场,经济全球化和区域经济一体化俨然成为主流。在这方面尤其是美国的公司提出的方案最多,这也正是美国跨国公司发展的黄金时代,正是这段时间我国经济中也吸收了大量的外国资本,像上海贝尔这样的通讯公司开始涉足中国市场,这其中还有一大批以华为为代表的靠代理销售外国通讯设备发展起来的民族企业。

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在全球低轨卫星发展的浪潮中第一次让航天活动可以参与到全球行动中来。这其中就以火箭运载的全球化为代表。在这个过程中,俄罗斯先进的运载火箭发动机被倒手卖到了美国,发展起来的德尔塔等系列火箭,中国的长征系列火箭也开始提供商业服务,为美国发射移动通讯卫星-铱星系统。欧洲建立了以阿丽亚娜火箭为支撑的商业发射市场。大量原本在国防军事领域高度机密的国家机器被应用到卫星发射事业中来,无疑为低成本的商业卫星星座的建立提供的可行的通道。

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世界的通讯历史中,无线电波的使用最早是从上个世纪20年代就有了,而航天领域对卫星通讯的使用还停留在广播阶段。直到1978年底,1976年美国摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀于首先将无线电应用于移动电话。美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝状移动通信网,大大提高了系统容量。原本的网络传输靠的是通信线缆,完全不适合进行长距离的通讯,莫尔斯电码这种通信电台也难以在普通人当中普及,更不用提它的便携性。直到上个世纪80年代,随着欧美一些大国,从军事领域诞生来的通讯卫星技术开始在个人通信领域得到应用,这其中就以发明了第一颗地球同步轨道卫星的休斯公司为代表。卫星开始不仅仅停留在广播电视的阶段,也不仅仅只是满足给军队通讯使用。特别是以Inmarsat海事卫星组织以及后来成立的国际移动卫星公司为代表的卫星通讯运营商的参与,使得卫星通讯可以深入到普通的个人消费者手中。在此过程中,地面移动通信网络正从1G模拟时代往数字时代过渡,以GSM为代表的移动通讯技术飞速发展,大量的地面运营商诞生,大量的地面通讯服务开始提供,市场前景非常的巨大。

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正是在这个时间段,卫星移动通讯先天的优势被极大的激发出来,伴随着美苏争霸过程中形成的以举国之力做大事的格局观,很多企业都相信只要下决心去干,就一定可以占领世界通信市场,这点意义丝毫不亚于大航海运动以及新航路的开辟。那个时代卫星通讯运营商和地面运营上还处于水火不相容的状态,有你没我,都有互相取代对方的意思。正是因为这股巨大的商业价值带来的冲动,无数的资本投入到卫星移动通讯的浪潮中。尤其是在这段时间以互联网等轻资产发家的美国新贵,没有传统的经营压力,像比尔盖茨这样的人也参与到Teledesic卫星公司的建设中。

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早期的低轨卫星通讯星座还是以语音通讯为主要的服务,通讯覆盖全球为数不多的卫星在通讯容量有限的情况下提供个人应用服务。那个时候地面的移动通讯网络的需求还是以语音为主,人们似乎没有意思到卫星居然可以进行数据传输,而向铱星这样的公司发展低轨卫星的逻辑就是战领全球移动通讯市场,彻底取代地面运营商。在这个过程中我们忽略了一点,那就是随着半导体技术的日新月异,地面的传统移动通讯网络正在进行的天翻地覆的改变。当时看起来颇具先进的一些系统,高昂的语音通讯服务除了在少数的地区尚且有价值外,没得办法获得更多的用户。2G开始飞速发展。摩托罗拉自己既发射卫星同时自己也做手机,但是它发现卫星星座的建设总师迟迟的落后于手机终端的发展速度,地面上手机不仅价格便宜,款式优美,通讯便捷,甚至它还能通过网络浏览服务。而卫星通讯还停留在高昂的语音时代,这在商业模式上是没有价值的,除了在一些特定场合有需求的用户,并不是太多人愿意为此买单。

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在这个过程中一大批提出低轨卫星星座的企业和计划,要么倒闭了,要么就直接没有完成部署。第一次低轨卫星通讯浪潮开始退潮。这其中有两家低轨卫星还能勉强维持活着,其实铱星系统要不是因为破产清算那么它估计现在也死了。而值得我们思考的是除了技术的飞速发展外,全球通讯行业出现了地区保护主义却让GEO地球同步轨道卫星这种提供专业化服务的卫星平台得以喘息。

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话回到今天,到底什么背景让全球低轨卫星浪潮重新活跃起来。

首先我们从卫星同业竞争的角度来看,高轨卫星由于站得高看得远,对于区域覆盖优势非常明显,但是高轨卫星很少有提供终端消费服务的,主要模式要么就是数字广播要么就是专网通讯服务。原因就是卫星的容量太小了,资费太贵了。而深挖其中的根源其实是整个卫星制造发射运营领域的问题。首先高轨卫星的体积太大,上来就是几吨甚至十几吨。不仅造成了制造成本的上升,发射成本也非常的高昂。加之地球同步轨道资源有限,不可能允许大量卫星的出现。而反观这些年尤其是以手机制造技术发展带来的集成电路系统的快速迭代,原来体积巨大的卫星功能却可以通过更小的平台来实现,麻雀虽小五脏俱全。火箭运载水平显著提高,欧洲,日本,甚至印度这些国家都发射了自己的大推力火箭。更甚至于像以美国太空探索技术公司的猎鹰火箭为代表的商业企业,火箭发射成本极大的降低了。而传统的俄罗斯和中国这样的航天大国,纷纷适应形式,开启了商业化的航天发展道路。大规模大批量的发射低轨卫星从商业模式上成为可能。

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同通讯技术发展的角度来看,制约高轨卫星提供终端服务的根本原因就是卫星容量太小,像民航飞机,船舶很多都用不起卫星资费。而地面数字宽带的技术正在日新月异,终端的应用软件本身就升级成了高通量的数据使用者,没有通讯容量上的支持是不符合卫星通信产业发展的趋势的。这一代在90年代后期上马的大量高通量GEO地球同步轨道卫星为例子就可见一斑。其次让我们看看通讯频率的使用趋势。可以说国内外申请L波段去用作卫星通讯几乎不可能,低频段的容量有限,本身早已饱和,在竞争如此激烈的今天想让国际电联授权你使用这个频段,没有相当的本身是行不通的。所以下一代的低轨通讯卫星必然的趋势就是往高频走。高频段的很多特点尤其适合低轨卫星这种平台。首先以毫米波为技术的高频通讯主要面对的还是一些追求大数据大带宽对时延有要求的客户,低轨卫星高度低先天延迟就很小。二个有了容量上的优势,它可以直接提供给海量的终端消费者服务,这一点在容量有限的高轨卫星是不可能想象到的。

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此轮全球低轨卫星浪潮很大一部分得益于中国的卫星参与者。除了有国家队提出了类似于行云,虹云,鸿雁星座之外,还有一部分像信威,世域公司这种民营卫星通讯企业。信威通讯是我国最早涉足卫星通讯额民营企业,世域天基通讯是我们最早系统化的提出建设SAT5G毫米波低轨高通量卫星的企业,从世域公司同欧方的牵头公司空客全球总裁的信息交换的通道看,该项目可以说跟欧美地区空客波音这种世界的卫星公司处于同样的地位,据信息显示世域公司也即将在2018年发射全球首颗以5G毫米波通讯为技术的通讯试验卫星,并择机发射入轨。而2017年6月,由卫星行业生产厂家、运营商、高校等16个单位(如BT、Avanti、SES、University of Surrey)联合成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)联盟,该联盟旨在通过一系列的研究、开发和实验等工作,在30个月内摸索出卫星通信和5G无缝集成的最佳方案,并在欧洲进行试用。该联盟的工作成果将极大影响5G标准内容的制定。为什么中国的公司会越来越不遗余力的发展低轨卫星星座。这其实和我们国家经济发展的必然趋势紧密相关。中国即将进入以创新为驱动的新阶段,经济结构转型要求我们必须发展以航空航天,智能制造等为基础的高科技当中。同时随着一带一路概念的提出,中国的大量的优势产能也亟待找到全球市场。而通信技术,云计算能力正是中国对外高科技输出的未来龙头。中国的民营企业正和国家企业之间优势互补,共同谱写新的神话。这其中还包括像海能达收购美国通讯设备制造上和达华智能这样收购国家星轨运营公司的企业。这也是中国资本对外输出的典型案例。

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低轨卫星中这些年来国际上唯一新诞生的就是美国ONEWEB公司,其他的像铱星下一代星座,ORBCOMM星座,O3B都算是历史的产物。而作为全球卫星通讯最为发达的美国发展出了oneweb低轨高通量卫星必然是有原因的。但是这并不意味着我们要完全的模仿别人,东施效颦往往会闹出笑话。从历史经历上来看我国也从来没有经历过任何一次低轨卫星浪潮,到底哪一种模式会最终获胜,预计也会像美国的经历一样,大浪淘沙。而卫星星座这种事物先天的只要战略上选择错误了,就意味着失败的开始。这也是国外很多企业迟迟不敢下手的原因。

很多人询问今天发展低轨低频物联网星座有没有机会,这是一个不太好回答的问题。ORBCOMM之所以能维持到今天,建立在它各方面的选择都比较适合的情况下,比如它选择了频率授权不严格的VHF业余无线电水平,主要方向物流信息,这使得它的终端成本非常便宜,允许集装箱每个装一个每隔几天通讯一次。从卫星的质量和造价来看,高频和低频卫星之间并没有显著的差距,也就是说同样的空间内为什么要允许一个容量密度更低的项目在市场上存活。其次它本身没有星间链路,意味着它不具备实时通讯能力,对现代通讯提倡的低时延高通量的需求看来满足不了了,也不可能在未来的物联网,智能汽车领域开展应用。更加令我们不能忽视的是今天整个移动通讯网络比任何时候都发生了巨大的革命,以第五代通讯技术为基础的通讯技术浪潮可以说将会是一个终结性的大一统。卫星通讯星座也必须瞄准最新的技术趋势去实践。试想一下,一个对终端要求很高,依赖星间链路,重量,成本很大的低频星座如何去战胜高频高通量低轨卫星和地面NB-IOT,LORA基站融合建立的物联网络?仅仅在终端这一个方面,地面成熟的终端企业可以直接把5g的终端全部集成到手机中,并不需要增加用户任何成本。

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随着5G时代的快速到来,卫星移动网络必然要同步进行升级,在这方面如果落后太多就会造成代的差距,发展低轨卫星通讯星座也必须坚持这个原则,适度的提前和领先,才能让中国在未来世界移动通讯的发展中站在不败之地。



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