中國發射高通量衛星超越美國 飛機高鐵可高速上網

出品：科普中國

製作：鐵流

監製：中國科學院計算機網路信息中心

想必很多人在出差或旅遊中都遇到過這樣的情況，那就是在飛機、高鐵等快速移動的交通工具，或者在邊遠山區、遠洋船舶上時手機信號也是時斷時續，甚至根本就沒有信號。在信息時代，當互聯網已經融入人們的生活之際，手機信號時斷時續不僅會影響人們的日常工作，還極大的限制了人們的社交和娛樂。

不過，隨著中國衛星通信技術的進一步發展，在飛機、高鐵上將手機或筆記本電腦接入網路進行商務活動，在遠洋游輪上給親朋好友發郵件，在偏遠山區與家人視頻聊天將不再遙遠。

技術限制使衛星通信難以普及

一直以來，傳統的衛星通訊基於C頻段和Ku頻段，而且受到發射功率，天線尺寸等因素的影響，能夠滿足普通老百姓日常使用的普適性衛星通信網路在技術上難度很大，截至目前，衛星通信的用戶基本鎖定於軍隊、政府、金融機構，以及一些實力雄厚的跨國公司。

香農定理是資訊理論的基礎理論，根據香農定理，信息傳輸能力與帶寬和發射功率成正比，與背景噪音功率成反比。這裡先解釋一下帶寬，一般信道都有一個最高的信號頻率和最低的信號頻率，只有在這兩個頻率之間的信號才能通過這個信道，這兩個頻率的差值就叫做這個信道的帶寬。比如最高頻率是900MHz，最低頻率是880MHz，那麼帶寬就是20MHz。用來打個比喻的話，帶寬好比是公路的寬度。

如果要把信息傳輸能力提升上去，比較現實的做法是提升“信息公路”的寬度，或者提升信號的發射功率。不過，C頻段和Ku頻段相對有限，而且非常寶貴，“信息公路”的寬度天然受到限制。而受技術水平限制，信號的發射功率的提升也不是無節制的。因此，無線傳輸能力也會有一個上限。

當有限的資源面臨龐大的用戶，自然會導致用戶多了上網就卡，甚至會出現無法接入的情況——在機場、賓館、大禮堂等公共場所，經常遭遇公共WIFI始終難以接入，或雖然接入，但堪稱龜速的情況。同樣的情況也會出現在無線通信中，而這也是無線通信不適合大數據量傳輸的根本原因。即便WIFI、LTE等被媒體炒得火熱，但有線通信才是數據傳輸的大動脈，所謂5G通信也是有線通信為基礎實現數據的高速傳輸。

衛星通信還要解決功率和天線的問題。在發射功率不變前提下，距離近可以降低信號衰減，當信息傳輸距離擴大到海平面和近軌人造衛星的距離，要想實現信息的可靠傳輸，就必須提升下行功率（衛星信號到手機）和上行功率（手機信號到衛星），而要滿足這一標準，會使電子元器件的體積大幅增加，這必然導致射頻天線的尺寸根本塞不進當前以輕薄為主打要求的手機中。事實上，原來的衛星通信終端，尺寸都比較大，一般都安裝在建築物上面或者大型的車輛上。

正是因此，衛星通信只能服務少數人，用戶數量少又帶來價格過高的問題。比如美國當年的銥星計劃，銥星移動通信系統最多只能滿足50萬用戶的語音通信，而且由於用戶體驗非常一般，實際用戶遠遠達不到這個數字，受巨大的研發費用、系統建設費用和維護費用拖累，銥星背上了沉重的債務負擔，最終不得不申請破產，由美國軍方當了接盤俠。

由此可見，過去的衛星通信只僅僅是作為補充的形式而存在，更多的服務于軍隊、政府、金融機構，以及一些實力雄厚的跨國公司，無法向老百姓提供普適性服務。

中國高通量衛星技術取得突破

2017年4月12日，中國在西昌衛星發射中心採用長征三號乙運載火箭成功發射實踐十三號衛星，衛星完成在軌試驗後被命名為中星16號。2016年8月6日，中國在西昌衛星發射中心成功將天通一號01星發射升空。

這兩顆衛星對於中國衛星通信而言意義重大，中星16號是中國第一課高通量通信衛星，通信總容量超過20G，真正意義上實現了自主通信衛星的寬頻應用。而天通一號01星則是中國衛星移動通信系統的首發星，也被稱為“中國版的海事衛星”， 其成功發射標誌著我國邁入衛星移動通信的“手機時代”。

相對於以往採用C頻段和Ku頻段衛星通信技術，中星16號的最大特點就是採用了Ka頻段寬頻通信技術。作為新一代高吞吐量寬頻衛星通信系統，Ka頻段寬頻系統具有傳統的 C、Ku 頻段衛星通信所不具備的優勢。

一是頻率資源更豐富。衛星通信經過多年的發展，目前 L、S、C、Ku 等頻段資源基本枯竭。Ka 頻段分配給衛星通信可用頻率資源為3500MHz，遠遠大於 C、Ku 頻段的 800MHz 帶寬。換言之，就是Ka 頻段的“信息公路”比 C、Ku 頻段更加寬闊。在頻率資源更加風度的情況下，即使在信道調製方式不變的前提下，衛星通信系統容量也將會大幅提升。

二是多點波束。為了滿足日益增長的通信帶寬需求，Ka 頻段寬頻衛星通信系統普遍採用多點波束、空分復用來擴展系統通信容量。具體來說， Eutelsat 公司的 Ka-Sat 配置了 82 點波束，Viasat 公司 Viasat-1 衛星具有 72 個點波束，Ka頻段寬頻衛星通信系統的點波束數量不斷增加。

三是具備大容量。其實第三個特點是第一個特點和第二個特點共同作用的結果。在豐富的頻率資源與多點波束形成了一套“組合拳”，使 Ka頻段寬頻衛星通信系統的容量相對於以往的衛星通信系統得到數十倍的提升，以美國美國ViaSat 公司的ViaSat-1、ViaSat-2、ViaSat-3為例，三者的系統容量分別為140Gbit/s、 250Gbit/s、1000Gbit/s。

四是天線體積小。Ka頻段衛星的點波束有較高的 EIRP值，在相同尺寸終端天線接收時，能獲得比C、Ku 頻段更高的天線增益。高增益使得用戶終端得到進一步縮小，從而加強了實際應用的便利性和普遍性。Ka 頻段寬頻衛星通信系統用戶終端尺寸一般在 62cm 到 180cm 之間，誠然，這個指標對於直接把天線塞進智能手機還力有不逮，但已經遠遠小於 Ku 和 C 波段衛星通信系統終端天線的尺寸。使過去只能安裝在建築物上面或者大型的車輛上的衛星通信終端，普通的家用SUV就可以安裝。

老百姓有望使用衛星通信系統

Ka頻段寬頻通信技術不僅適用於衛星通信系統，在民用航空器、遠洋船舶、高鐵、車輛等載具上都有廣泛的應用前景。

雖然Ka 頻段寬頻衛星通信系統終端還很難塞進智能手機中，但卻可以通過另一個方式實現普通用戶與衛星直接的通信——在車輛、高鐵、船舶、飛機上安裝衛星通信系統終端，然後普通用戶通過WIFI的形式，用自己的智能手機連接上安裝在車輛、高鐵、船舶、飛機上衛星通信系統終端，然後就像連接自己家中的WIFI一樣，通過通信衛星直接訪問互聯網。

根據航天科技集團五院高級工程師張閣表示：目前我們的這個設備，是支持500人以上的，就是你在一個豪華油輪上，裝了這麼一個設備，全船的人都可以通過WIFI，直接訪問互聯網。

不過，看到成績的同時，也要看到不足。

首先，Ka頻段寬頻衛星通信技術的研究上，中國還達不到領先西方的地位，美國、法國等西方國家在這方面都有一定的技術積累。

其次，Ka頻段寬頻衛星通信商業應用還處於起步階段，軍事和政府應用相對偏多一些，Ka頻段寬頻衛星通信技術進入尋常百姓家依舊需要不少時間。

最後，Ka頻段寬頻衛星通信只會是光纖通信的補充，而不會取代現在的光纖通信。就帶寬而言，Ka頻段明顯優於C頻段和Ku頻段，但還是無法與光纖相比肩。換言之，就是Ka頻段的“信息公路”寬度比C頻段和Ku頻段大很多，信息容量要大很多，但和光纖通信還是不能比——過去衛星通信系統成本相對偏高，容量相對有限的的短板，Ka頻段寬頻衛星通信技術一樣存在，只是這方面的短板有所改觀，而非徹底消除短板。

因而在人口密度高的大城市，並不適合Ka頻段寬頻通信衛星部署。只有飛機、高鐵、船舶等無法鋪設光纖的交通工具，或是地廣人稀的地區，比如山區、海洋、戈壁、沙漠，由於用戶過於稀少、自然條件過於惡劣、維護成本過於高昂，鋪設光纜的建設和維護的成本高於部署Ka波段通信衛星。在這種情況下，Ka波段通信衛星才有市場競爭力。

我們可以憧憬，在不遠的將來，我們可以在國內的航班、高鐵上使用衛星通信系統與同事交流工作，在青藏高原觀光時使用衛星通信系統與朋友分享祖國自然風光的壯美，在遠洋的船舶上使用衛星通信系統與家人報平安。

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