前言
说到商用通信，人们会毫不犹豫地想到光纤通信、移动通信、卫星通信，而且会信心满满地认为光纤通信和移动通信比卫星通信规模更大、用户更多。是的，今天的确如此。但一开始并不是这样的。对通信行业比较了解的人都知道，卫星通信始于1957年，前苏联发射了第一颗低地球轨道卫星Sputnic。1965年4月卫星通讯软件，国际通信卫星组织（Intelsat）将第一代通信卫星Intelsat-1（Morning Bird）发射升空进入地球静止轨道提供国际通信服务，标志着卫星通信正式进入商用阶段。1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用的光纤通信系统，速率为45Mbps，中继距离为10km。 1980年，140Mb/s多模光纤通信系统开始商用，单模光纤通信系统开始现场试验，1978年美国贝尔实验室发明了AMPS（Advanced Mobile Phone System），第一代模拟蜂窝移动通信系统。可见，从历史上看，卫星通信比光纤通信和移动通信要早得多。
卫星通信是中继节点在空间运行的一种特殊无线通信方式，具有覆盖范围广、生存性强、建设速度快、业务种类多等优点，卫星通信包括FSS（卫星固定业务）、BSS（卫星广播业务）和MSS（卫星移动业务）三大业务类别，其中FSS和BSS的业务规模和社会影响较大。回顾历史，卫星通信在专线和VSAT网络等方面创造了辉煌的业绩。展望未来，在高速度、高地、高轨一体化发展时代，卫星仍将发挥不可或缺的支撑作用。
卫星专线连通世界各个角落
在陆地和海底光缆普及之前，卫星通信是国际国内电视、电信传输的主力军。1972年，我国建成第一个卫星通信地球站，用于美国总统访华现场直播。1985年，我国成功发射第一颗通信广播试验卫星东方红二号，搭载两台C波段转发器，进行了1套彩色电视和15套广播节目的传输试验。乌鲁木齐、呼和浩特、广州等5个公网地球站正式传输中央电视台节目。
我国公用卫星传输网最早于1985年建成，到2002年已开通国内双向电路3万多条、国际双向电路1万多条，主要用于话音、数据、电视传输和互联网接入。我国卫星通信专线先后采用了SCPC（单信道单载波）、FDM/FM（频分复用/调频）、TDMA（时分多址）和IDR（中等数据速率）标准。
由于SCPC和FDM/FM属于模拟通信技术，不具备适用于程控电话和互联网数据通信的数字电路复用和数字接口，而TDMA对网络时钟同步要求严格，转发器带宽的使用不够灵活，于1993年5月被IDR取代。当年，原邮电部从加拿大斯帕尔公司引进了IDR设备，不仅装备了北京、广州、乌鲁木齐、呼和浩特、拉萨、成都、青岛等地已有的地球站，还新建了上海、西安、沈阳、厦门、哈尔滨、海口、重庆、昆明、兰州、武汉、南宁、福州等地新的地球站。
IDR服务是Intelsat公司在20世纪80年代中期提供的一种新型数据通信服务。IDR服务有四种信息速率：1.544、2.048、6.312和8.448Mbps。IDR相当于FDM/FM的数字化，属于TDM/FDMA（时分多址）。IDR是将DSI（数字语音交织）和ADPCM（自适应脉冲编码调制）相结合的基于DCME（数字电路乘法设备），使卫星专线的传输容量提高到原来的5倍。例如，一条8.448Mbps的电路可以传输600个语音信道。
VSAT 网络覆盖千家万户
IDR为连接全球、实现公众通信网络互联互通做出了不可磨灭的贡献，然而IDR也存在两个不足，首先在容量、时延、性价比等方面已经被光纤通信所超越，其次其有限点传输方式限制了其应用范围，多次转接也会损害语音等业务的性能。这为后续兴起的VSAT（甚小孔径终端）卫星网络技术展现实力提供了契机。
20世纪80年代后期，卫星转发器性能和终端电子技术取得了很大进步，使VSAT天线和用户终端设备逐步小型化。与IDR相比，VSAT可以自组网，成本低，结构简单，灵活多变，应用多样，安装方便，操作简单，因此在公网骨干传输和用户接入以及各类专网互联领域得到广泛应用。
1984年，国际通信卫星组织首次开通VSAT业务，立即引起了我国邮电部门的重视。1988年，原中国通信广播卫星公司引进国外通信设备，建成了我国第一个VSAT通信网络，包括一个主站和35个终端，为我国铁道部、能源部、地震局、海洋局、民航局、海关总署、经济信息中心、农业银行等8个行业部门提供通信服务。
在我国VSAT发展中，无线寻呼组网、证券信息广播、村村通电话、地面光纤电路备份、村村通和户户通电视等都是最具代表性的应用案例。目前，我国已建成村村通VSAT站2780个，解决了大多数边远地区的电话通信问题。全国VSAT站总数已达46444个，其中单向站34140个，双向站9524个。“5.12”四川地震后，电信运营商开始将VSAT作为地面光纤网络的备份，仅中国移动“超级基站”项目就在全国建设了1000多个VSAT站点，截止2019年6月，我国每户通村村通（包括少数村）的VSAT接收站数量已达1.4亿个。单从终端用户数量来看，我国电视接入工程已建成全球最大的DTH（直接到户）平台，但尚未进入商用化运营。
可以说DTH是VSAT最大的应用领域，而DTH又是卫星通信最大的市场，目前北美有超过5000万DTH用户，欧洲有超过8000万，2018年全球通过卫星分发的电视频道数量超过43500个，付费电视频道15227个，DTH总收入达942亿美元。虽然近年来受IPTV（网络电视）和OTTTV（无线电视）的冲击，DTH用户数量和收入有所下降，但卫星通信势头强劲，在电视广播领域仍占有举足轻重的地位。
2000年以后，3G、4G移动通信和地面光纤通信的迅猛发展，对VSAT应用产生了重大影响，但它在基站中继、IP中继、企业及政府专网、应急通信等领域仍然发挥着独特的作用。随着“移动通信”技术的出现，VSAT成功进入机载/船载/车载等移动宽带接入市场。应该说，是VSAT把卫星通信带入了千家万户、各行各业，也是VSAT把卫星通信带入了市场。卫星宽带网络的发展也不断推动着VSAT技术的进步。
高、中、低轨道覆盖天空、陆地和海洋
宽带化、互联网化是通信网络的发展趋势，卫星通信也不例外，卫星通信的宽带化最早是通过VSAT实现的，虽然VSAT为卫星通信的宽带应用奠定了基础，但是传统的GEO（地球静止轨道）FSS卫星带宽太小，导致GEOHTS（高吞吐量卫星）在过去十几年得到了空前的发展。然而GEOHTS时延大、区域覆盖有限，不能完全满足5G基站中继等低时延业务的要求。这导致MEO（中轨道）HTS，尤其是LEOHTS受到卫星通信界的高度重视。
近年来，在航天、信息技术以及商业力量的推动下，全球卫星通信产业进入以高通量、低轨星座为代表的卫星互联网发展阶段。卫星互联网是人类活动范围由陆地向海洋、太空拓展的必然结果，5G泛在接入、万物互联愿景的实现是必然要求。在天、天、陆、海一体化信息网络时代，卫星互联网在信息网络安全、航空海上通信、普遍服务、军事通信、应急指挥、空间频率与轨道资源维护等各方面发挥着重要作用，确保其成为全球航天产业发展的热点和继移动互联网之后新的经济增长点。
目前全球各大卫星厂商及运营商都在积极发展基于多点波束空分复用技术的HTS。HTS包括GEO（地球同步轨道）、MEO（中地球轨道）、LEO（低地球轨道）三种形式。目前应用较多的是GEOHTS，其次是MEOHTS，LEOHTS正在建设中，目前在轨比较有代表性的GEOHTS是美国维萨特公司的Viasat-2和休斯公司的Jupiter-2，容量为300Gbps，正在建设中、计划于2021年发射的Viasat-3和Jupiter-3容量将分别达到1Tbps和500Gbps。
MEOHTS星座方面，SES的O3b是目前全球唯一商用的MEOHTS星座系统，一期20颗卫星已全部进入轨道，功能更强大的第二代卫星正在建造中。SpaceX一马当先，其Starlink LEO星座最初计划发射4425颗卫星，2018年11月新增7518颗卫星，共计1.2万颗。这些卫星位于三条轨道上：340公里处7500颗；550公里处1600颗；1200公里处1150颗。2019年10月，SpaceX又新增3万颗卫星，总数达到4.2万颗。2019年5月和11月，以及2020年1月、2月和3月卫星通讯软件，SpaceX共发射了6批各60颗小卫星。当卫星数量达到800颗时，星链星座基本就具备了全球服务能力。
高、中、低轨道HTS的发展充分释放了卫星互联网的带宽潜力，目前全球HTS总带宽供给不足4Tbps，NSR（Northern Sky Research）预测到2028年将增长到40Tbps，其中GEOHTS与非GEOHTS势均力敌，如图1所示：
图1 全球HTS带宽供应增长
高、中、低轨道HTS的发展为VSAT提供了充足的带宽资源，其前向载波速率接近1Gbps，非常适合为消费宽带接入、基站中继、机载通信、海事通信、政企通信等卫星互联网应用提供充足的容量保障。这些应用常见的点对多点传输方式和互联网接入特点，由HTS多点波束空分复用和星地一体化设计最优的结构要求决定。
图2 卫星互联网在天、地、海的应用场景
欧洲咨询公司Euconsult的统计数据显示，消费者宽带接入是GEOHTS，也是所有卫星带宽应用中需求量最大的部分。消费者宽带接入最大的市场是北美，由休斯和ViaSat两家公司主导，截至2018年底，这两家公司合计占据该地区205万用户的90%；北美以外最大的市场是欧洲，其中SES、Eutelsat和Avanti三家公司占据市场主导地位，2018年共拥有14.4万用户。到2028年，北美仍将是消费者宽带接入最大的区域市场，占总用户的近一半，届时总用户数将达到5亿670万。
图3 全球卫星应用带宽需求结构
基站中继是NGSO（非GEO）HTS中对带宽需求最大的部分，也是所有卫星带宽应用中对带宽需求第二大的部分。Euconsult预测，到2028年，卫星基站中继站点的数量将以约4%的复合年增长率增长，约有5.3万个站点，而2018年为3.67万个。从区域来看，亚洲、非洲和拉丁美洲是最大的基站中继市场，从网络类型来看，4G和2G的需求最大。
图4 卫星基站中继需求结构
机载和船载通信占卫星带宽需求比重较小，但需求较为刚性，是各大卫星宽带服务商竞相争夺的新兴市场。根据Euconsult的数据，截至2018年底，机载和船载通信占卫星带宽需求比重较小，但需求较为刚性，是各大卫星宽带服务商竞相争夺的新兴市场。空中交通市场中商用飞机的潜在市场规模约2.7万架，预计到2028年将达到近4.2万架，公务机市场规模将从2018年下半年的3.7万架增长到2028年下半年的近5万架。船载通信终端的数量永远大于机载通信，但机载通信的潜在收入要远大于船载通信。
图5 机载和船载通信的需求和收入增长
虽然基于HTS和高中低轨道星座的卫星互联网的带宽供给已经超过传统的GEO大波束卫星，其收益规模最终也将超过卫星直播电视，但从长远来看，GEO大波束卫星和卫星直播电视仍将发挥重要作用。特别是基于GEO大波束广播的内容交付将在5G和卫星互联网互联互通应用中发挥关键作用，因为高清、超高清视频和社交媒体的发展将给信息网络带来巨大的流量压力。
利用卫星广播与内容分发技术将通用内容高效分发到网络边缘无疑是重要的解决方案。近年来，ITU（国际电信联盟）、3GPP（第三代合作伙伴计划）、SaT5G卫星联盟等国际标准化组织都将内容分发视为卫星互联网与5G融合的重要应用场景。卫星内容分发与5G的融合不是一般的网络组合，而是体制和架构上的融合。由于5G具备广播能力，因此很有可能取代DVB-T（数字视频广播-地面），卫星内容分发与5G的融合以及视频广播业务中带宽和业务配置的优化将具有巨大的商业价值，值得业界进行深入的技术研究和市场推广。
在高、中、低轨覆盖空天陆海的时代，VSAT无疑是支撑上述所有应用的必备网络基础设施。但仅有VSAT是不够的，还需要多频段、多卫星连接、体积小、功耗低等特点。电控平板天线与移动边缘计算技术共同作用，前者使终端能够快速在不同频段和卫星之间切换，后者使终端能够完成路由选择、速率适配、内容存储、数据分析、系统控制等终端应用管理任务。电控平板天线和移动边缘计算也是卫星互联网支撑空天陆海时代广义物联网和工业互联网应用（如对飞机、船舶、车辆的管理和监控）的必要条件。
近年来，电调平板天线商业化水平不断提升，在EuCNC2019（2019年欧洲网络与通信会议）上，移动边缘计算已在SaT5G联盟开展的一系列卫星5G演示中得到应用。
结论
专线、VSAT、空、陆、海等应用形式可视为卫星通信由线性、平面向立体化的逐步演进，几十年来卫星通信一直与地面通信并行发展，一方面地面通信在不断蚕食卫星通信的市场份额，抢占卫星通信的商业领地，同时地面通信也在不断为卫星通信创造新的市场空间。
进入5G、6G时代，信息网络、空陆海一体化的重要性从未如此突出，这为卫星通信的发展展现了广阔的发展前景。除了电调平板天线、移动边缘计算等技术，卫星通信也必须在此扮演重要角色。此外，还需要在小型化VSAT终端、卫星数字载荷、软件定义网络、小卫星规模制造、多星发射、星际光通信、太赫兹传输等方面继续加大创新力度，同时也要注重地面网络的融合发展。
近年来，我国卫星通信取得了长足进步，但与欧美发达国家相比，我国卫星通信产业特别是卫星通信服务业规模较小，与我国世界第二大经济体地位形成鲜明对比。一个重要原因就是电视直播、宽带接入等业务能力尚未充分释放。为丰富卫星互联网应用，实现卫星互联网产业发展，我国不仅需要加强卫星通信技术、产品、体制和标准创新，更需要深化卫星互联网天地一体化、军民融合、混合所有制等方面的机制体制创新。
