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    中國星網,請勇往直前!
    2021.05.20原創 劉語霏 魏興 衛星與網絡
    中國星網,請勇往直前!

    原創 劉語霏 魏興 衛星與網絡




    28日,中央政治局常委、國務院副總理韓正為中國星網集團揭牌


    4月26日,業界期盼已久中國衛星網絡集團有限公司(本文簡稱“中國星網集團” )以新央企的身份在京召開成立大會,并于4月28日在雄安新區正式揭牌,成為首家注冊落戶雄安新區的中央企業。


    這不但是中國衛星通信、衛星應用產業的一個里程碑,也是航天產業對國家新型基礎設施建設的響應和落實。我們相信,經過詳細論證、周密籌備、積極建設、創新應用,中國的衛星互聯網一定能在全國、全球發揮新一代天基基礎設施的決定性作用,為全球寬帶產業和工業互聯網的推進提供基礎性條件。


    前景雖然光明,道路卻必定坎坷。衛星互聯網在建設和應用的過程中,面臨著嚴峻的競爭和風險,將是中國星網集團和整個民族產業界要去攜手戰勝和克服的。





    一、衛星互聯網勢不可擋


    無論何時何地都能夠接入互聯網是人類在新時代的夢想。總有勇敢的企業率先將夢想變成現實。在上世紀末的“銥星”計劃將語音和低速數據服務覆蓋全球之后,最近十幾年已經有十幾家企業和機構提出了覆蓋全球的寬帶互聯網衛星計劃,包括衛訊、歐洲通信衛星公司、太空技術探索公司(SpaceX)、一網(OneWeb)、亞馬遜、波音、空客、泰雷茲、三星等等知名企業。


    其中有由少量高軌道的GEO衛星構成的系統,也有由大量低軌道(LEO)衛星組成的巨型星座,而后者逐漸成為業界關注的焦點。尤其是SpaceX公司提出的星鏈(Starlink)計劃,高達41927顆低軌衛星的巨型星座顛覆了所有人的想象。很多人認為,這不過是不切實際的妄想,不可能成功。然而,SpaceX公司于2019年5月開始發射首批60顆星鏈衛星(不算之前發射的2顆試驗星),截止2021年4月7日,星鏈系統已經發射了1445顆衛星入軌,目前仍然在軌運行的衛星有1378顆。在將近兩年的時間里,星鏈衛星的技術經歷了幾次迭代,在機電熱綜合設計上水平非常高,不但有大量終端用戶驗證了實際使用效果,并且成功試驗了星間激光通信。


    同時,SpaceX的競爭者OneWeb公司,也在2019年2月發射了首批6顆試驗衛星,并且從2020年2月起開始發射正式部署版本的衛星。去年,其在歷經了破產重組,接受了英國政府和印度Bharti Global公司的投資之后,將之前規劃的47844顆衛星的星座縮減為6372顆衛星。到2021年4月25日,已經有5批共176顆衛星被發射入軌。


    互聯網衛星也得到了國際通信標準化組織3GPP的支持。在2020年6月底發布的5G標準Release16版本中,由法國泰雷茲公司牽頭,完成了第一個5G衛星接入的技術文檔:TR38.8215G NR支持非地面網絡的研究規范。未來的5G網絡將正式把衛星互聯網作為用戶接入系統,能夠與地面5G移動通信網絡平滑切換。


    這些事實均表明,部署衛星互聯網已經成為潮流。需要知道的是,作為全球運行的衛星互聯網,所需要的不僅僅是衛星制造和發射能力,更需要在全球范圍內協調頻率和軌道資源。能不能及時跟進,決定了中國航天產業能不能抓住這個戰略性機遇,能不能擁有一個自主的全球天基基礎設施,能不能以此打造自主全球寬帶、自主物聯網、自主工業互聯網,能不能打造自主的智慧海洋、智慧航空、智慧能源……一旦錯失,就是永遠的遺憾。


    中國星網集團的正式成立,象征著中國衛星互聯網事業正式吹響出發的號角,也是一場新信息革命的開端。



    二、從星鏈看衛星互聯網的風險與挑戰


    和任何新技術革命一樣,衛星互聯網的道路絕不會是坦途。比較幸運的是,美國的星鏈已經作為先行者,為整個衛星互聯網產業提供了先期經驗教訓。從這當中,也能夠梳理出一些具有共性的風險,可供我國衛星互聯網事業參考。



    在地面火箭整流罩中等待發射的60顆星鏈衛星


    01
    技術風險:系統的用戶容量



    業內人士的共識是,星鏈系統并不是地面通信系統的競爭對手,而是有益的補充,面對的用戶是目前沒有任何寬帶接入手段的人群。但是,星鏈系統的用戶容量仍然無法確定。


    目前星鏈系統所規劃單星用戶側鏈路速率可達17~23Gbps,按照平均20Gbps的速率估計,41927顆衛星能提供838.50Tbps的系統總容量。比起地面移動通信系統,星鏈系統的容量是什么水平呢?


    以華為5G基站BBU5900產品為例,它在SA模式單小區TDDSub-6G頻點上,100MHz帶寬64T/64R的天線配置下,最大下行速率是5.655Gbps。當然,地面移動通信網絡可以在一個小區配置多個100MHz的信道,以達到更高的最大下行速率。也就是說,一顆星鏈衛星的容量相當于一個容量比較大的5G小區。作為比較,美國總共擁有大約20萬個4G基站,每個基站的實際最大下行速率大約是5G基站的十分之一。這樣看來,星鏈的四萬多顆衛星所提供的系統容量豈不是比美國全國的4G網絡系統容量還要高一倍以上?但是現實沒那么美好,星鏈系統的總容量受限于許多因素,以下三點是最重要的:


    (1)地面關口站的容量和數量。用戶通過星鏈系統上網,終究是要和地面上的互聯網進行連接。目前星鏈系統規劃了26個地面Ka關口站連通衛星與地面互聯網。每個關口站最大可連接8顆星鏈衛星。根據國內相關媒體的分析,由于關口站傳輸速率的瓶頸,星鏈4萬余顆衛星的系統總容量要減半到407Tbps左右。


    (2)更重要的一點是,地面移動網絡基站的布置可以根據用戶的地理分布密度來調整。用戶密集的地區可以縮小基站覆蓋范圍,增加基站和信道的數量;用戶稀疏的地區就減少基站數量,增大覆蓋范圍。實際上,科學地規劃基站的位置和配置,盡量提高每個基站容量的利用率是移動通信運營商最核心的競爭力之一。在這種情況下,地面移動通信網被浪費的容量很少。


    然而衛星網絡卻不是這樣。衛星在固定的軌道上飛行,會飛躍用戶密集地區的上空,也必然會飛躍大量用戶稀疏的地區,比如海洋。通過設計衛星軌道,能夠給用戶密集地區安排更多的衛星飛躍,但是無法解決衛星容量在用戶稀疏地區被浪費的問題。因此,整個星鏈系統究竟有多少容量被浪費,需要通過詳細調查用戶分布和進行仿真才能得到答案。目前還未見有公開數據發表。筆者估計至少有一半的容量被浪費。


    (3)上文說過,星鏈衛星就相當于一個容量比較大的5G基站。在地面移動網絡中,不停地移動、在基站之間切換的用戶比率并不大。大部分用戶會在一個基站覆蓋范圍內停留比較長的時間。然而星鏈的情況正好相反。星鏈這個基站是在不停移動的,而用戶是靜止的。由于星鏈衛星在一個用戶的上空從出現到消失通常不到10分鐘,星鏈衛星和地面用戶都需要經常地切換。而切換是有通信協議流量消耗的。目前星鏈衛星只有一千余顆,切換還不算頻繁,如果四萬余顆衛星全部發射完畢,切換就會變得非常頻繁。系統容量究竟會有多少損失,也需要仔細研究。


    星鏈系統的容量問題,我國衛星互聯網也一樣會遇到。在規劃時,一定要對目標用戶的位置和數量做詳盡的調查,科學地規劃軌道和衛星數量,合理地安排地面關口站,仔細進行成本核算,才能將風險降至最低。


    02
    衛星互聯網的財務風險



    (1)星鏈的支出


    建設費用:星鏈系統按照每次發射60枚衛星計算,全部41927顆衛星需要將近700次發射。SpaceX聲稱早期每顆衛星的制造成本約為100萬美元,大規模量產后成本會大幅度降低。全新的獵鷹9火箭的發射費用約為6000萬美元,如果重復使用的話,發射費用也能夠大幅降低。因此根據最樂觀的估計,整個星鏈系統的建設總成本也要七八百億美元的數量級。


    維護費用:光建設完畢還不行。由于星鏈衛星所在的低地球軌道有稀薄的空氣存在,衛星在飛行時會遇到一定的空氣阻力,需要消耗能量來維持軌道高度。所以低軌衛星的平均壽命不高,通常在5年左右。星鏈衛星由于采用了大面積太陽能電池板和等離子發動機,按照SpaceX提交給FCC的報告稱,其有效壽命可達5到7年。按照最長的7年估算,41927顆衛星每隔7年就要更新一遍,每年需要發射約6000顆新衛星,需要火箭發射100次。這個費用也大約需要100億美元左右。


    星鏈系統已經開始進行用戶測試了。每月使用費為99美元,用戶地面終端設備價格為499美元。網上已經有很多星鏈用戶終端天線的拆機分析。該天線使用相控陣體制,可以利用波束成型進行方向調整,追蹤衛星。海外媒體從拆機的料單(BOM)估計,該天線的成本約為2500美元,賣給客戶的價格僅499美元,這意味著SpaceX承擔了將近2000美元的損失,或者說補貼。



    星鏈的用戶地面終端天線是相控陣體系的,估計成本約2500美元左右


    中國衛星互聯網的發展也必然面臨同樣的問題。第一,龐大的建設費用,維護費用和用戶補貼費用,能否承受得起?靠誰的投資? 在運營早期必然有很長時間的虧本經營階段,能否承擔這樣的財務壓力?


    第二,我國目前的衛星生產速度,火箭生產速度,以及航天發射場的發射速度,能否適應這樣龐大的衛星網絡的建設和維護?


    第三,從目前我國衛星用戶終端產業的現狀來看,雖然相控陣天線技術早已被國內衛星通信制造企業掌握,但目前的國產相控陣衛星天線仍然相當昂貴,似乎還沒有見過類似星鏈那樣的低成本國產相控陣衛星天線。國產化低成本終端的研發,也是擺在中國衛星互聯網事業面前、亟待跨越的門檻。


    (2)星鏈的收入


    ①地面個人寬帶網絡接入


    星鏈系統實際上有龐大的美國國內用戶需求。與很多人想象的不一樣,美國有大量的人口無法被寬帶網絡覆蓋,尤其在偏遠地區。這是因為美國的電信運營商都是私營的,以經濟效益為優先考慮,凡是在鋪設光纖或建設無線通信基站成本過高,預期收入無法收回成本的地區,都沒有動力去進行覆蓋。美國聯邦通信委員會FCC在2020年初估計美國有約2130萬人口居住在沒有任何寬帶接入的地區。然而美國寬帶市場調查公司BroadBandNow公司的調查結果顯示,美國沒有任何辦法接入寬帶互聯網的人口高達4200萬人左右。美國FCC認同了這種說法,并打算改變統計方法。



    美國BroadBandNow公司的調查報告


    這種情況在許多發達國家都存在。比如同樣地廣人稀的加拿大和澳大利亞。


    讓我們再來看看歐洲的情況,根據市場調查公司IDATE向歐洲議會提交的光纖入戶覆蓋率統計,在2019年3月,排行最高的拉脫維亞僅有50.3%的家庭有光纖寬帶覆蓋,而報告中排行最低的英國光纖覆蓋率僅僅1.5%,簡直慘不忍睹。下圖中的FTTH指的是光纖入戶,FTTB指的是光纖入樓。



    歐洲2019年光纖寬帶覆蓋率排行


    因此,僅僅美國、澳大利亞、加拿大和歐洲,沒有獲得寬帶覆蓋的人口就接近一億。這些人口就是星鏈系統的主要用戶。只要星鏈系統能夠發展1000萬用戶,每年的接入費收入就能夠達到約120億美元左右,足夠覆蓋系統維護成本并有盈余。


    而我國的情況完全不同。據我國工信部的消息稱,從2015年底,工信部和財政部正式啟動推進農村和偏遠地區光纖和4G網絡覆蓋的電信普遍服務試點工作。到2019年8月,我國行政村光纖和4G網絡通達比例均超過98%,提前完成“十三五”規劃目標。按照這個比率,我國雖然還有兩千余萬人沒有任何寬帶接入手段,但是我國政府推進的“村村通”計劃并沒有結束,在未來幾年,這個群體的數量必將大量減少。而且這些地區基本都是貧困地區,群眾的消費能力有限,衛星互聯網的用戶終端設備價格和服務費用能否被這些群眾所接受,還是個疑問。如果走國家補貼扶貧的路子,終究不是長久之計,同時,也面臨著地面通信運營商的競爭。


    作為能夠為全球提供服務的天基基礎設施,我國的衛星互聯網必定要走出國門,但要想在前文提到的發達國家吸收用戶,顯然不大現實。因此,未來的用戶群體,也許應該聚焦在“一帶一路”沿線國家中去挖掘。這就需要提前對用戶分布做詳盡的調查,包括詳細的成本核算等……在這個市場上,中國的衛星互聯網 將直面星鏈系統的競爭,如何取得競爭優勢,都是需要提前考慮的問題。


    ②航空航海互聯網市場


    據一些海外機構統計,目前全球有約20萬架私人飛機,有300多艘載客量超過1000人的游艇,還有十幾萬艘私人游艇。另外還有數百萬艘漁船和貨輪。在這些交通工具上的人們都有接入寬帶互聯網的需求。這一市場的寬帶服務費價值是每年約150億美元。


    同樣由于國際環境等原因,我國的衛星互聯網一方面難以進入發達國家的該類市場,另一方面在其他國家的該類市場中,也將面臨星鏈的正面競爭。


    ③需要低延遲數據通信業務的國際金融企業



    3GPPTR22.891文件中關于光纖中光傳播速度的描述


    與大多數人的想象不同,根據3GPP的研究結果,光在光纖中的傳播速度只有在真空中的傳播速度的三分之二,主要是因為光纖材料的折射率大約是1.4多一點,而光在光纖中的傳播速度等于真空中的光速除以折射率。而星鏈系統通過衛星中繼,能夠在數千公里乃至上萬公里的尺度上提供比海底電纜低數十毫秒的延遲(衛星之間無論是通過無線電通信還是通過激光通信,傳播速度都是光速)。


    對于需要非常低延遲的數據通信業務的國際金融企業來說,這是非常有意義的,他們是愿意花大價錢租用這樣的服務的。這個市場估計每年也可能為SpaceX帶來數十億美元的收入。


    我國衛星互聯網如何才能夠打入國際金融機構市場?除了自身清晰的市場定位及強有力的市場營銷支撐,還將深度思考如何布局國際國內政治與經濟形勢等這些更高層次、更大范圍的演變等所帶來的競爭壓力。


    總之,衛星互聯網的發展仍然面臨著眾多困難和風險。但是從目前全球發展的趨勢來看,部署這類基礎設施已經成為潮流。我國必須在這一領域有所作為。正像國務委員王勇在中國星網集團成立大會上強調的那樣,“要堅持高起點謀劃、高標準建設、高質量運行”“有力有序推進各項工作”。

    祝中國衛星網絡集團有限公司好運!
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