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中国航天通信商业化发展趋势 :卫星通信与地面蜂窝网络融合

2019年07月14日 09:39来源:网络
责任编辑:第一黄金网
摘要
本文来自 微信公众号“艾瑞咨询”。核心摘要低轨通信星座与高轨高通量卫星共存,卫星通信与地面蜂窝网络融合是未来通信发展的大

本文来自 微信公众号“艾瑞咨询”。

核心摘要

低轨通信星座与高轨高通量卫星共存,卫星通信与地面蜂窝网络融合是未来通信发展的大趋势。我国卫星产业在卫星研制和发射领域,企业实力突出、竞争力强;而在电子元器件、终端类产品和应用系统等领域,目前我国企业规模较小,整体实力偏弱,尤其是芯片、板卡、天线、算法、软件、接收器和终端技术水平与国外顶尖水平差距明显。

卫星宽带以及卫星移动通信收入逐年稳步上升,2009-2018年平均复合增长率分别为10.2%和7.2%,这两块业务合计占卫星服务业收入仅5.1%。2016年全球固定卫星的转发器使用率尚不足60%,因此卫星互联网的目标市场一定不是当前固定卫星通信的主要市场(主要指卫星电视直播),而是传统通信卫星难以解决和进入的增量市场。

受惠于村村通项目的不断落地,国内真正由于无法连接互联网而不能使用网络的人口不足总人口的4.3%。因此即使卫星信号可以覆盖尚未使用互联网的国内公民,卫星通信企业依然很难将这部分群体发展为用户。企业可在实现区域覆盖后向国内行业客户提供B2B卫星通信服务,待设备生产规模、营业额、现金流、成本控制等各方面达到一定程度之后,再向个人用户提供卫星网络服务。

企业全球化发展的过程中,可与本地电信运营商合作,由本地运营商直接向用户提供服务,选择该策略的原因包括:1. 借助本地电信运营商的资源,获得当地运营落地许可相对容易;2. 借助本地电信运营商积累的用户资源,打开市场相对容易。广电或成为卫星通信企业选择合作的电信运营商。

备注:目前国内的商业航天卫星通信企业主要从事卫星宽带业务、卫星移动通信和卫星固定通信业务,因此卫星通信业务中卫星电视直播、卫星音频广播不在本文讨论范围内。

行业背景

商业航天概念下的卫星通信

格局:低轨通信星座与高轨高通量卫星并存

卫星通信发展距今已达60年。随着商业航天概念的兴起,众多国际互联网巨头纷纷涉足商业航天领域。商业航天赋予卫星通信新的概念与含义。传统的卫星通信往往采用位于地球同步轨道的大型通信卫星,而商业航天概念下的卫星通信格局则是在大型通信卫星基础上增加了低轨移动通信星座,形成高轨与低轨共存、单星与星座共存的格局。

新时代卫星通信发展背景

地面移动通信与卫星通信融合是未来大势所趋

第五代移动通信技术即将商用,在传输速率和降低延时方面达到了新的高度,同时进一步降低每比特的成本,使得地面移动通信于人口稠密地区在各方面几乎完胜卫星通信。然而地面移动通信难以解决偏远地区覆盖性价比低,部分业务场景难以覆盖的问题。3GPP、ITU在内的标准化组织已成立专门工作组着手研究星地融合的标准化问题,科技部于2018年11月拟将“与5G/6G 融合的卫星通信技术研究与原理验证”课题,列入国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项中。这说明星地融合的天地一体化网络将是未来通信系统的一个重要发展方向。

卫星互联网和物联网应用简介

当前卫星通信主要服务于政企客户

基于通信卫星提供的服务主要包括三种:大众消费通信(电视直播、音频广播、卫星宽带)、卫星固定通信(转发器租赁协议、网络管理服务)、卫星移动通信(移动语音、移动数据业务)。目前国内外从事卫星通信的商业航天企业主要将业务集中在两个方面——卫星宽带业务与移动数据业务。这些企业正在或计划组建卫星宽带通信卫星星座与窄带通信卫星星座,分别对应着卫星互联网与卫星物联网两个方面的应用。

卫星通信产业链

卫星通信产业链复杂,产业链上下游发展不平衡

卫星及其应用产业链较为复杂,总体分为四个环节:1. 电器元件材料等卫星火箭配套厂商;2. 卫星研制商、发射服务提供商以及地面设备制造商;3. 卫星运营商与卫星应用服务提供商;4. 终端用户(政府、企事业单位、个人)。与国外相比,我国卫星产业在卫星研制和发射领域,企业实力突出、竞争力强;而在电子元器件、终端类产品、应用系统和运营服务等领域,目前我国企业规模较小,整体实力偏弱,尤其是芯片、板卡、天线、算法、软件、接收器和终端技术水平与国外顶尖水平差距明显。自2015年起,随着资本的注入,大批民营初创航天企业进驻到产业链各个环节中。

行业背景

全球卫星宽带及卫星移动服务收入

全球卫星宽带及卫星移动服务收入稳定增长,但总量很低

卫星服务业包括卫星电视直播、卫星音频广播、卫星宽带、卫星固定通信业务、卫星移动通信业务及对地观测业务,本文仅讨论卫星宽带、卫星移动通信及卫星固定通信业务。根据美国卫星工业协会(SIA)的数据,全球卫星宽带收入从2009年的10亿美元上涨至2018年的24亿美元,CAGR达到10.2%;全球移动卫星通信从2009年的22亿美元上涨至2018年的41亿美元,CAGR达到7.2%,增长主要来自移动数据业务的增长;全球卫星固定通信收入从2009年的144亿美元上涨至2018年的179亿美元,CAGR仅2.8% 。卫星宽带及卫星移动通信业务保持稳定增长,但收入总和仅65亿美元(2018年),占整个卫星服务业收入的比例仅5.1%;卫星固定通信服务收入较高,但增速缓慢。

全球通信卫星布署情况

低轨商用通信卫星成为近年来全球通信发展趋势

2009-2018年这十年间全球共发射通信卫星481颗,这段时间发射的通信卫星数量已超过此前发射通信卫星数量的总和。从用途来看,2009-2018年间,新增民用、政府与军用通信卫星数量基本维持不变,商用通信卫星数量大幅增加;从轨道类型来看,以LEO作为目标轨道的通信卫星数量迅猛增长。值得注意的是,以MEO作为目标轨道的卫星全部来自O3B公司。

2018年美国Oneweb,SpaceX,中国虹云、鸿雁星座相继发射试验卫星,一旦前期技术验证完成,未来低轨通信卫星发射数量仍将持续增加。

全球固定卫星转发器出租容量

卫星互联网的目标不是存量市场替代而是增量市场开发

根据预测2020年全球固定通信卫星转发器出租容量将达到681GHz。虽然2018年中国卫通卫星转发器宽带数仅19.49GHz,但使用率达到66.6%,超过2017年全球平均固定通信卫星转发器使用率(50.76%)。全球固定卫星的转发器使用率尚不足60%,因此在发展由低轨移动星座组建的卫星互联网时,目标市场一定不是当前固定卫星通信的主要市场(主要指卫星电视直播),而是传统通信卫星难以解决和进入的增量市场。

卫星通信产业政策

卫星通信行业迎来爆发仍需进一步政策支持

随着军民融合战略深入发展,国家多个部委推出各项政策支持卫星产业商业化、民用化发展。利好政策主要针对产业链中上游的卫星配套以及总体制造,产业链下游的卫星通信系统运营依然存在较大壁垒。企业从事卫星通信运营,需要取得《基础电信业务经营许可证》。按照工信部《电信业务经营许可管理办法》规定,现阶段民营企业无法取得《基础电信业务经营许可证》(要求公司国有股权或股份不少于51%;公司在全国范围内经营,要求注册资本不低于10亿元人民币)。此外《广播电视卫星地面接收设施管理规定》中第四条、第七条、第八条分别在卫星地面设备销售、企业以及个人用户购买和使用卫星地面设备方面给予限制。

用户群体仍需进一步明确

未使用互联网群体不是卫星互联网的主要目标用户

近十年中国互联网网民数量快速增长,中国互联网网民渗透率从2009年的28.9%提升至2018年的59.6%,但依然有40.4%人口没有使用网络,这部分人口主要来自三部分群体:受教育程度低群体、经济条件差群体、低龄/老年群体。受惠于村村通项目的不断落地,真正由于无法连接互联网而不能使用网络的人口不足总人口的4.3%。因此即使卫星信号可以覆盖尚未使用互联网的国内公民,卫星通信企业依然很难将这部分群体发展为用户。

终端是卫星通信普及的限制之一

终端易用性、终端造价与传输速率很难同时兼得

通过下面的表格可以发现,无论是卫星移动通信终端还是VAST终端都呈现出两个特征:传输速率越高,终端造价越高;传输速率高,终端易用性越差。在卫星发射功率与使用频率相同的情况下,高传输速率意味着接受端需要更大的接收天线,这也就增加了终端造价,此外更大的天线造成得用户易用性降低。在地面通信提速降费的大背景下,如没有新技术的突破,卫星通信对于普通用户的吸引力将越来越低

核心技术突破之高通量卫星

高通量卫星将极大改变卫星通信行业的商业模式

北方天空研究所(NSR)率先提出高通量卫星概念,将其定义为 “采用多点波束和频率复用技术、在同样频谱资源的条件下,整星的通信容量(简称通量)是传统固定通信卫星(FSS)数倍的卫星”。根据上述概念可以看出,高通量卫星最基本的特征是多点波束和频率复用。基于多点波束的特性,使用高通量卫星用于广播通信(卫星通信行业的主要收入来源)实质上会早造成一定程度上的浪费,高通量卫星主要用于点对点通信。随着未来高通量卫星数量逐渐增多,容量逐渐增加,高通量卫星将极大改变卫星通信行业的商业模式。

核心技术突破之软件定义卫星

软件定义卫星为卫星后续更新迭代带来可行性

软件定义卫星是以天基先进计算平台和星载通用操作环境为核心,采用开放系统架构,支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载、系统功能按需重构的新一代卫星系统,其终极目标是实现智能卫星。由于传统通信卫星造价高昂且发射费用昂贵,卫星寿命往往较长(15年),而在这期间难以进行在轨技术更新,导致卫星通信发展落后于地面通信。软件定义卫星结合卫星在轨服务,为卫星在轨技术革新提供可行性。

核心技术突破之平板天线

多技术应用令平板天线性能提高,价格降低

卫星通信的推广极大地依赖地面终端(主要是天线)的易用性(体积)以及高性价比。对于传统抛物面天线,为保证切星过程中业务不间断,地面终端需要配置双天线,这就导致设备体积和质量增加;平板天线取消了移动部件,具有低轮廓外形,采用电子方式控制和形成波束;电子控制特性具有很强的灵活性,可利用软件无线电技术解决系统共存之间的频谱共享问题、动态频谱分配和卫星干扰,但波束扫描范围受限(±60°)。现有的天线在制造成本、频谱效率、功率效率以及可扩展性方面,难以满足卫星移动业务的新需求。新一代平板天线主要采用三种技术:芯片级相控阵技术、超材料波束形成技术或光学波束形成技术,使得卫星平板天线极大降低了天线成本并提高了性能。

国外平板天线性能对比

ThinKom产品成熟,Phasor模块化架构可应对各类需求

ThinKom公司旗下的机械相控阵平板天线发展较为成熟,目前已经广泛使用于航空、海事以及地面移动通信中。该公司的天线可在LEO、MEO和GEO卫星网络之间进行互相切换,切换速度可小于800ms,且已被LEO和MEO服务提供商确定为足以在快速移动的卫星之间进行波束切换而不会中断连接。

Kymeta 的天线使用超材料(薄膜晶体管)的特殊结构创建全息波束,用于发射和接收卫星信号。该公司天线可以满足卫星移动通信对终端天线要求的重量轻、轮廓低、高速的移动接入并且价格低。Kymeta 的新型卫星终端平板天线 mTenna 技术以电子方式产生和控制天线波束指向,天线没有机械部件,也不使用移相器和放大器,属于无源天线。

Phasor Solutions 的创新性在于开发了具有数字波束形成功能的ASIC微芯片和采用模块化设计架构。Phasor Solutions 的模块化设计使天线可以在不降低性能的情况下进行灵活的扩展,使用的模块越多,则天线面积越大、增益越高,连接数据速率越高。因此只需根据需求和成本约束向天线调整模块组合,就可以满足不同的应用需求。

细分市场之航空

现阶段卫星通信是民航机上互联最佳解决方案

目前民航运输主要依靠ATG (Air to Ground地面基站方式)和卫星通讯两种技术方案实现地空宽带通信。与卫星通信不同,ATG是在飞行空域或特定空域架设地面基站,以向天空进行覆盖,进而实现机上互联。北美地区发展机上联网已达10年,由于早期卫星通信系统容量不足,仅能提供窄带通信服务,彼时市场上ATG占据绝对主导地位。随着卫星通信技术(高通量卫星)的不断发展,卫星通信已开始逐渐侵占ATG的市场占有率,这点可以从近年来Gogo在北美地区提供民航客机互联网接入服务的飞机数量上看出(Gogo是全球领先的机上网络与娱乐服务提供商)

航空互联网尚处蓝海,市场亟待有效开发

2017年9月交通运输部审议通过《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》,自此民航乘客可在飞行模式下使用手机平板等便携式电子设备,为航空互联网的发展奠定了用户基础。目前制约国内航空互联网发展的因素主要集中在供给端:1. 政策支持不足,电信运营资质很难获得审批;2. 服务质量不高,目前国外成熟的航空网络供应商很难进入国内,本土供应商技术不成熟,导致用户付费也很难获得令人满意的服务。艾瑞预测,2028年可以在客机机上网络设备以及网络服务可以实现国产代替,同时改装价格以及流量成本将大幅下降,届时中国航空互联网仅流量收益可达300.64亿人民币。

细分市场之海事

卫星通信是航运业实现数字化转型的重要解决方案

随着海上船舶设备的更新及宽带卫星技术的进步,我国海上宽带卫星通信行业的市场规模保持快速增长,然而这块市场主要通过卫星通信服务商租用Inmasat、Iridium等国外公司卫星转发器容量向船舶提供卫星通信服务,随着我国高通量卫星逐步投入使用以及低轨通信星座建设完成,未来将实现自主替代。航运业的数字化转型已持续多年且有加快趋势。航运业数字化转型实现的路径之一是结合物联网技术。在这一过程中,卫星通信解决方案可充分发挥其全球无缝覆盖的优势和不可替代性。虽然远洋运输集装箱箱位近三年呈下降趋势,然而目前国内这一市场相对空白,国内从事卫星物联网解决方案供应商尚处于发展初期,未来有相当大的开发空间。

细分市场之基站回传

低轨移动星座可作为基站回传的有效解决方案

部分偏远地区环境复杂、分布零散、地面光纤无法到达,基础通信设施建设普及难度大、费用高。采用低轨移动星座作为中继是一种有效的“基站回传”解决方案。根据NSR预测,2028年全球卫星回传服务市场收入将超过320亿美元,其中5G通信相关业务将占据整个卫星回传服务市场的三分之一。

2019年上半年卫星运营商Telesat、英国萨里大学与比利时Newtec公司合作测试将卫星通信用于5G回传,实验结果显示,将低轨移动星座用于5G数据回传,往返时延为18-40毫秒,可以有效支持要求低延时的5G应用程序(测试项目包括8K流媒体传输、互联网浏览和视频聊天会话)。

细分市场之车联网

低轨通信星座布署周期限制其在车联网的应用

车联网最初应用主要集中在安全防盗及车载信息娱乐方面,随着相关技术的发展以及人们对行车安全要求的提高,车联网在自动驾驶(感知手段)以及智慧交通管控方面起到了举足轻重的作用。目前IEEE(电气电子工程师学会)与3GPP分别提出各自的车联网技术标准DSRC和LTE-V2X。DSRC可以实现在特定小区域内(通常为数十米)对高速运动下的移动目标的识别和双向通信,实时传输图像、语音和数据信息,将车辆和道路有机连接。LTE-V2X技术基于蜂窝移动通信技术,主要解决交通实体之间的“共享传感”(Sensor Sharing)问题。目前主流车联网技术将卫星通信排除在外,主要是由于当前卫星通信成本高且延时高的特性,未来低轨通信星座可以满足车联网在主动安全(20-100ms)、交通效率(500ms)以及信息娱乐(1-10s)这三类应用在延时方面的要求。目前国家已经出台诸多政策明确支持LTE-V2X在国内的应用。由于低轨通信星座部署周期长且车联网通信标准需要长时间制定,届时国内外车联网市场已经被LTE-V2X技术与DSRC技术占领。卫星通信技术仅能通过汽车后市场,对汽车加装卫星通信终端,在汽车行驶至基站范围外时,提供信息娱乐和导航服务。此外,在军方无人车自动驾驶项目中,卫星网络服务将发挥其无可替代的作用。

企业发展破局之道

商业航天概念下的卫星通信运营伙伴选择

ThinKom产品成熟,Phasor模块化架构可应对各类需求

ThinKom公司旗下的机械相控阵平板天线发展较为成熟,目前已经广泛使用于航空、海事以及地面移动通信中。该公司的天线可在LEO、MEO和GEO卫星网络之间进行互相切换,切换速度可小于800ms,且已被LEO和MEO服务提供商确定为足以在快速移动的卫星之间进行波束切换而不会中断连接。

Kymeta 的天线使用超材料(薄膜晶体管)的特殊结构创建全息波束,用于发射和接收卫星信号。该公司天线可以满足卫星移动通信对终端天线要求的重量轻、轮廓低、高速的移动接入并且价格低。Kymeta 的新型卫星终端平板天线 mTenna 技术以电子方式产生和控制天线波束指向,天线没有机械部件,也不使用移相器和放大器,属于无源天线。

Phasor Solutions 的创新性在于开发了具有数字波束形成功能的ASIC微芯片和采用模块化设计架构。Phasor Solutions 的模块化设计使天线可以在不降低性能的情况下进行灵活的扩展,使用的模块越多,则天线面积越大、增益越高,连接数据速率越高。因此只需根据需求和成本约束向天线调整模块组合,就可以满足不同的应用需求。

企业发展策略

由行业客户向个人客户发展是较稳定的盈利策略

低轨移动星座建设周期长、建设投入大(上百亿)。企业需要考虑如何尽早提供服务,不仅可以实现自身造血,同时有利于企业进一步的融资。一般来说低轨通信星座建设分为四个阶段,企业应在完成区域覆盖后开始向用户提供服务,同时终端研制、地面站建设等配套工作也应在实现区域覆盖之前完成。地面蜂窝网络快速发展令个人用户习惯使用高速、低价、稳定的通信网络。因此在这个阶段,卫星通信很难提供具有竞争力的服务。可以先向国内行业客户提供B2B卫星通信服务,待设备生产规模、营业额、现金流、成本控制等各方面达到一定程度之后,再向一带一路国家的行业客户卫星接入服务,最后向个人用户提供卫星网络服务。

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