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卫星互联网行业发展情况研究
2023.07.07 鲁邦通编辑部
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随着卫星通信技术的发展和卫星制造和发射成本的降低，卫星互联网产业的发展迎来了一个新的高峰。卫星通信与地面网络的深度融合，加上应用场景、市场前景和技术突破的快速发展，即将实现空、天、地、海等场景的互联互通。当然，卫星互联网行业在技术条件、标准开发等方面仍面临挑战，检测技术、标准文件也需要改进，需要进一步规范行业产品一致性，为卫星互联网设备提供通信安全、互联等技术保障，为行业绿色发展奠定基础。随着通信行业对高数据传输业务和宽带多媒体应用需求的前所未有的增长，互联网逐渐从地面网络扩展到空间网络，同时多波束天线、星处理、频谱重用等宽带卫星通信技术的快速变化和发展，可以为用户提供更广泛、更高质量的互联网服务。随着战略地位的不断提高，潜在市场经济价值的日益突出，空间频率轨道资源的日益稀缺，卫星互联网已成为世界各国关注的焦点。卫星互联网被发达国家视为重要的发展战略，新兴卫星企业也加快了全球布局，建设了卫星互联网，抓住了发展机遇。欧美国家卫星互联网技术发展领先。波音、空客、亚马逊等国家发布了卫星通信网络建设部署计划，Google、OneWeb、Spacex等高科技企业投资卫星通信领域，提出Oneweb、Starlink等10多个卫星通信系统解决方案迅速启动了卫星发射的开发，积极抢占卫星互联网接入的新资源，引发了全球卫星互联网的发展热潮。与此同时，随着俄乌冲突的演变，以美国为代表的西方国家加快了商业卫星星座资源在军事领域的整合和应用，使全球卫星通信进入了一个新时代，对未来的军事领域产生了巨大的影响。自2020年4月中国首次将卫星互联网纳入“新基础设施”范畴以来，工业和信息化部还提出加快卫星通信布局：加强卫星通信顶层设计和总体布局，促进高轨道卫星与中低轨道卫星的协调发展；促进卫星通信系统与地面信息通信系统的深度整合，初步形成覆盖全球和世界的信息网络，积极参与卫星通信国际标准的制定，鼓励卫星通信应用创新，促进北斗卫星导航系统在信息通信领域的大规模应用，促进航空、航海、公共安全和应急、交通、能源等领域的应用。行业现状分析欧美国家卫星互联网技术在国外行业处于领先地位，卫星互联网行业发展迅速。Spacex的Startlink计划、亚马逊的Kuiper计划、Oneweb的Oneweb系统等更具代表性。Startlink星座的卫星有效载荷采用先进的相控阵波束成形和数字处理技术，高效利用频谱资源。采用激光星间链路，实现无缝网络管理，保证服务连续性，最大限度地减少整个系统的频谱覆盖空间，促进与其他天基和地面系统的频谱共享。相控阵技术也用于在地面关口站产生高增益跟踪波束，同时与星座中的多颗星进行通信。用户终端采用相控阵技术，终端天线为直径约0.48m的相控阵天线，形成可跟踪、高定向、可控波束指向卫星，实现卫星之间的快速切换，可安装在汽车、船舶或飞机等移动载体上。卫星可以直接与用户终端或关口站通信。Kuiper星座采用星载多波束相控阵Ka频段天线或高增益抛物面Ka频段天线，采用激光星间链路组网，可根据既定区域的业务需求灵活分配频率和容量，实现波束形状的变化、波束扫描和波束功率分配。地面关口站分布在整个服务区，使卫星接入两个不同的关口站，增加系统吞吐量，减少共线干扰。Kuiper用户终端允许家庭、企业和移动(交通)用户通过电调或机械转向抛物面天线转向相控阵天线，实现与卫星的接入。用户终端调制解调器具有点波束内业务速度高、链路优化、用户终端波束指向、确保用户通信安全等特点。OneWeb系统的空间段是星座系统，采用开放式架构，可以通过增加新卫星来提高星座的整体容量。星上载荷包括遥感天线、Ku波段天线、Ka波段天线等，发射后可在轨道上运行5年左右。为了保证全球无缝覆盖，OneWeb系统需要在地面段设置足够的信关站。据统计，Oneweb系统已在全球范围内设置了40多个信关站，每个信关站配置的天线口径约为2.4m或更大。Oneweb系统推出的终端产品具有机载、车载、固定安装等多种安装方式，卫星调制解调器、地面LTE/3G、Wi-Fi热点集成，以热点覆盖的形式为一定区域的用户提供互联网接入服务。Oneweb用户终端采用小而低的Ku频段天线(一般口径为30～75cm之间)，可以是机械双抛物面天线或低成本相控阵天线。Oneweb系统主要采用“天星地网”的工作模式，由信关站和用户站组成。信关站采用光缆连接，是典型的弯管结构。用户需要依靠信关站访问地面核心网络或建立通信联系。国内产业现状在中国，卫星互联网已作为通信网络基础设施纳入国家“新基础设施”和工业和信息化部“十四五”信息通信产业发展规划、以北斗导航为代表的北斗导航系统。天通卫星通信系统是中国自主建设的第一个卫星移动通信系统，定点于东经101.4°，服务范围覆盖全国及周边地区。该系统可以访问地面固定电话网络、移动通信网络和移动互联网，提供语音、短信、传真、图像和数据通信等大跨度、远程漫游。地面信关站设在西安和广州，配备中国电信云平台，运行控制代理、信号收集、运行监控等，实时信号收集和故障分析、无线资源调度、运行管理，各运行子系统可通过地面网络定期同步数据。用户终端包括手持终端、便携终端、载体终端等产品类型。手持式终端分为单模式、多模式/双模式，为用户提供语音、数据和短信业务定位功能；便携式终端可以提供蓝牙或Wi-Fi共享通信服务的语音、数据、传真、短信、视频回传和定位功能；载体终端包括车载、船载、机载等，可以提供支持蓝牙或Wi-Fi共享通信服务的语音、数据、传真、短信、视频回传和定位功能。2022年4月中旬，中国卫通发射了中星6D卫星，属于高通量卫星，提供25个C频段和25个Ku频段转发器商业服务，定点于东经125°。卫星采用轨道可旋转固面天线，可满足中国和亚太地区广播电视专用传输和通信业务的需要。与6A卫星相比，C频段转发器的覆盖性能显著提高，用户收视率进一步扩大，收视率质量提高。同时，卫星配置的KU频带转发器可以充分满足消费带宽、企业网络、基站传输、海洋通信等新兴应用的业务需求，更好地为大多数用户提供多样化的服务。地面段由三个卫星测控中心和四个测控站部署40多个测控天线。通过自主研发的多星统一测控平台，完成指令上行、遥感接收、测轨、遥感分析等日常在轨操作任务，以及突发或阶段性应急任务，具有安全可靠、资源配置灵活、任务自动化执行等特点。中国卫通为用户提供船舶通信、机载通信、应急通信等通信服务，推出船舶、机载、便携式等卫星通信终端，采用抛物面天线、多尺寸设计，辅以Wi-Fi等接入手段，实现手机、电脑、电视等设备的宽带接入。2020年7月31日，北斗卫星导航系统（BDS）提供全球服务的正式开放。BDS由30颗中高轨道卫星组成，包括24颗中高轨道卫星（MEO）、三个静止的地球轨道卫星（GEO）三颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO），星间链路系统装载在卫星上。卫星间数据传输是基于星间链路技术实现的，避免了海外测控站和海上测量船建设的大量需求，BDS可以实现全球准实时数据传输服务。BDS星间链路系统采用Ka频段，时间双工(TDD)该机制可以通过星间链路系统与相邻的空间飞机和高、中、低轨道卫星进行双向通信，通过卫星多跳通信将数据返回中国或及时发布指令。华为于2022年9月发布了Mate 50系列已成为世界上第一款支持北斗卫星新闻的手机终端产品。Mate 50支持发送，不支持接收，需要在空旷无遮的地方使用。Mate 支持发送短信的意义远大于其实际使用价值，标志着卫星通信低成本模式的出现。卫星通信开始进入公共生活，正式开启了手机直接连接卫星的时代。技术发展现状为了更好地实现卫星通信与地面网络的互补优势和无缝兼容性，满足用户的更高要求，3GPP从R14开始开展卫星通信研究，提出了天地融合的应用场景。目前，TR38.811和TR38.821两个项目主要开展了3GPP对非地面网络的标准研究。TR38.811研究重点是非地面网络信道模型及其对NR的影响。本标准定义了非地面网络的部署场景及相关系统参数(如结构、高度、轨道等)。)包括卫星网络；提出了适用于非地面网络的信道模型，包括通信模型、移动管理等。最后，根据部署场景，提出了5G中非地面网络需要进一步研究的主要方向。在TR38.821成果的基础上，TR38.811专注于5G中卫星接入的研究。对于典型场景的性能模拟验证，包括链路级和系统级，研究非地面网络对5g物理层的影响，研究和定义层2、层3的可选解决方案，研究无线接入网的框架和相应的接口协议。2022年6月，3GPPR17冻结，其中RAN1主要研究非地面网络的中长传播延迟、大部分普勒效应和移动社区。RAN2主要增强用户面和控制面流程，RAN3主要增强NG-RAN架构，RAN4主要研究NTN终端性能。2022年9月，3GPP启动R18非地面网络问题，在R17版本的基础上进一步加强。研究方向如下:语音和低速数据业务场景下商用智能手机覆盖面的增强，10GHz以上VSAT终端频段的部署，以Ka频段为参考；网络侧确认终端位置；增强非地面网络中地面网络和卫星网络的业务连续性；终端侧的技术要求和测试用例。ITU是负责信息通信技术的联合国机构，其下属机构包括无线电通信部门（ITU-R）、电信标准化部门（ITU-T）和电信开发部门（ITU-D）。ITU是负责信息通信技术的联合国机构，其下属机构包括无线电通信部门（ITU-R）、电信标准化部门（ITU-T）和电信开发部门（ITU-D）。ITU-R的核心任务是无线电频谱和卫星轨道资源管理。ITU-R第四研究组-卫星业务研究组负责制定卫星业务技术建议书。研究小组包括三个工作小组，根据卫星业务（包括卫星固定业务和卫星广播业务、卫星移动业务和卫星无线电测量业务）进行分类。在ITU-R关于卫星的主要报告和建议中，ITU-R M.IMT-Advanced卫星无线电接口的愿景和要求由2176-1报告提供，ITU-R M.IMT-Advanced卫星无线电接口的详细指标是2047-0建议书，ITU-RM.2279报告给出了IMT-Advanced评估和寻求共识的结果，包括IMT-Advanced卫星无线电接口。2022年9月23日，ITU-R 在SG4全体会议上，中国信息技术学院领导的国际标准《5G卫星无线电接口愿景、需求和评价方法》正式通过，标志着中国在5G卫星通信国际标准化方面取得了重大成就。EMBB标准规定了5G卫星部分的三个应用场景-s(增强移动宽带)、mMTC-s(海量机器通信)、HRC-s(高可靠通信)。中国通信标准化协会（CCSA）标准化研究主要集中在TC5和TC12工作组，卫星互联网设备的标准化研究集中在TC5 WG10(卫星与微波通信)主要围绕天通一号手持/非手持终端等卫星终端进行标准化，Ka/Ku频段卫星地球站(包括车载、船载、机载、便携等不同应用场景)等相关技术要求和测试方法。WG1卫星技术集中在TC12航天通信技术组、WG2和WG3工作组，其中WG1的研究重点是航天通信系统，WG2的研究重点是航天通信的应用，WG3的研究重点是协同网络通信技术。WG1卫星技术集中在TC12航天通信技术组、WG2和WG3工作组，其中WG1的研究重点是航天通信系统，WG2的研究重点是航天通信的应用，WG3的研究重点是协同网络通信技术。工业互联网平台解决方案，通过设备物联、机器人乘梯、设备售后管理系统、电梯物联网等产品和服务，助力电梯及特种设备、医疗设备、机器人、环保设备、环卫设备、电力设备和水务设备等工业客户进行后市场服务的数字化转型，降本增效，开启利润增长的第二曲线。
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