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卫星双向宽带业务产业链发展现状及展望

在发达国家及经济快速发展的发展中国家,固定宽带接入网络的普及率已达到很高的水平,大众对于更高速宽带连接、泛在Wi-Fi接入及内容更丰富的互联网服务的期待越来越大。但是,这些期待通常不能得到业务/服务可用性方面的满足。而且,城郊、偏远地区与城市区域的数字鸿沟呈现出越来越大的发展趋势。这就使得双向卫星宽带业务的进一步普及具备了很大的可能性。

 

过去十年,双向卫星宽带市场(连接企业专用网络及互联网,商用始于上个世纪80年代)经历了较为快速的发展,随着HTS(高通量卫星)技术的发展及入轨,卫星宽带业务也逐渐从北美、欧洲普及至全球其他地区。除了有很长应用历史的VSAT(甚小口径终端)业务(面向企业单位开展)外,随着设备成本的下降及卫星可用带宽的提高,面向普通消费者的卫星互联网接入服务逐渐普及开来。欧洲数字电视标准组织DVB很早就制定了卫星数字电视广播技术标准DVB-S及用于广播电视(面向VSAT应用)的卫星回传网络标准DVB-RCS,相关系统在全球的普遍商用已有超过15年的时间,终端出货量已超过100万部。

 

早期的卫星互联网接入服务一般采取的是用于DTH(直播到户,即卫星数字电视直播)的Ku波段卫星,且与卫星电视信号使用的是相同的Ku宽波束,容量有限,从而,卫星互联网带宽就较小/很小。所以,早期的卫星互联网接入服务提供商就与卫星电视广播商对接入相同的星上转发器进行激烈竞争。所造成的结果是,早期卫星双向宽带系统的吞吐量很小,数据容量严重受限,被消费者/用户称为最后的服务(service of last resort

 

虽然如此,那时的卫星宽带运营商Wildblue(现在的Viasat)、Hughes(北美。后更名为Avanti Communications)、Eutelsat(欧洲)还是看到了双向卫星互联网市场的巨大发展潜力,然后开始着手研发新一代的卫星宽带业务专用卫星——其采取Ku波段及点波束技术,从而可不再与卫星电视广播商及其他空间无线电业务运营商竞争相同的卫星转发器资源,并具备足量的卫星带宽,还可降低业务成本。

 

当在下行链路采取DVB-S2(第二代卫星数字电视广播标准)技术后,频谱效率得到进一步提升,加之点波束技术可对无线频谱进行高效的空间复用,卫星宽带的总吞吐量就可达到数十到数百Gbps。这种解决方案即是高通量卫星HTS的雏形。

 

上述新一代宽带卫星的成功应用使得业界不断投资高通量卫星系统,并提供更多的业务形态,比如飞行器互联网接入、海事互联网接入、政府专用通信网、垂直行业专用服务(如给电视台记者使用的便携式单兵卫星终端)、地面部分3G(第三代移动通信网络)与4G LTE(第四代移动通信网络及其后续演进)基站的移动回程、低比特率SCADA(监控与数据采集)应用(比如物联网IoT)。

 

而且,对于由于气象条件很差而使得高频卫星链路不稳定的地区(比如南美),卫星宽带运营商正在解决相关的技术问题。甚至正在讨论采取比Ka频段更高的Q/V波段来为气象条件更差的地区提供可靠的、具备高吞吐量的卫星互联网接入服务。

 

此外,高通量双向宽带卫星业务的发展目前也面临其他亟待解决的问题。对于宽带应用的认知度较高的地区(通常是电信固定宽带网络及双向有线电视网络未覆盖到的城市郊区),卫星互联网业务的普及度是最高的。这就使得有些卫星点波束的容量趋于饱和,而其他点波束的利用率却很低。但是,运营商在短期内还做不到将空闲点波束的容量调整至负载大的点波束。另一方面,电信固定宽带网络及双向有线电视网络的覆盖范围越来越大,同时实施提速降费(接入速率达到10 Mbps以上),而且,电视/视频点播业务的普及率已经很高(成为人们的媒体消费常态),这就给卫星宽带业务运营商带来了很大的市场竞争压力(以相同的价格提供相同的网速及数据容量)。但同时也面临着较大的发展机遇:随着铜缆线路长度的增加,电信运营商DSL固网接入速率不断降低,从而形成了新一代的数字鸿沟

 

业界认识到,需要研发全新一代的终端及接入技术来适应下一代高通量卫星的相关特性及所将提供的新兴业务。此类终端的吞吐量需求是:上行方向数据传输速率为10 Mbit/s,下行方向数据传输速率达到数十Mbit/s。于是,下一代高通量卫星的转发器物理带宽就应达到250 MHz或者500 MHz(目前用于卫星直播电视的星上转发器,物理带宽一般为45 MHz54 MHz),以实现统计复用效益的最大化,并在单个转发器上进行单载波调制。另外,还要提高Ka波段及点波束卫星星上转发器的频谱效率,并解决由于采取更高物理频段所带来的高动态范围问题。此外,高通量双向卫星还应能智能地分发/传输不断增加的视频数据流量。最后,终端设备的价格还应得到降低,且更易于工程安装,并在芯片级别与设备总体设计方面对上述功能进行集成/整合。

 

于是,为了完全或部分支撑上述下一代卫星宽带终端的发展,全球三大数字电视标准组织之一的DVB制定了两个相关的技术标准:DVB-RCS2DVB-S2X

 

DVB-RCS2所规范的相关技术为MF-TDMA(这是一种结合了频分多址与时分多址技术的二维多址接入方式,兼有两者的优点、可动态分配资源、可方便地扩展用户数量和业务容量、组网灵活)将卫星回传链路的利用效率提高了30%(相对于DVB-RCS)。而且,DVB-RCS2实现了在OSI模型中多个层的互通性/互操作性——不仅是波形(物理层),而且还有星上TCP/IP层,还包括整个系统。另外,DVB-RCS2还具备很多的网络配置参数,从而可应用于很多场景,包括普通消费者市场、商企集客市场、政府通信市场等。

 

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1  DVB-RCS2交互式卫星网络组网

SO:卫星运供应商;SNO:卫星网络运营商;SVNO:卫星虚拟网络运营商)

 

DVB-S2X是第二代卫星数字电视广播标准的进一步扩展版本,其对双向卫星交互式系统的下行传输链路进行了容量优化——通过采取更细粒度的MODCODs(调制机制与FEC<前向纠错编码>码率),终端可采取ACM(自适应编码及调制)技术(可对变化的下行链路条件/环境进行无线频谱资源利用效率的优化),星上转发器中滤波器的滚降系数更低,可支持采取物理带宽更大的载波并对高通量卫星的转发器进行时间切片处理,采取超级帧,可支持对于GSE(通用流封装)技术的使用,并可将SNR(信噪比)降低至极低水平(-10 dB——从而可使得卫星宽带终端设备在信号功率衰落动态范围较大的无线环境(比如机载终端、热带雨林地区的终端等)中仍能保持与网关的连接。此类大的雨衰虽然仅有几秒钟的时间,但问题在于会有大量的卫星宽带终端同时受到较大影响。而在卫星宽带信号遭受雨衰期间,极低SNR”模式就可保证控制信令不会中断,从而就使得用户能在雨衰过后快速地重建下行传输链路。

 

上述DVB-RCS2DVB-S2X这两项最先进技术标准推出后,卫星宽带行业就开始设计并生产相应的新一代设备。比如,新型的ASICs(如Satixf研发的SX-3000)将整个终端都集成到一个单芯片/片上系统之中(图2),可实现上行及下行链路均为500 MSymbol/s的载波数据传输,并同时支持DVB-RCS2DVB-S2X标准、扩展的极低SNR”能力、用于运行操作系统及高层功能/应用的丰富系统资源。从而,就可制造出能完全集成于卫星天线之中的终端(如图3——届时,仅需用网线连接至用户的电脑或网络进行供电及网络数据传输。进而,不仅可降低设备成本,而且而卫星宽带终端及卫星电视直播到户接收系统的工程安装将更为容易。

 

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2  Satixfy的参考终端把DVB-S2XDVB-RCS2 ASIC集成到同一芯片中(该芯片的表面积小于智能手机)

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3  AdvantechKa-8000终端将所有调制解调器及终端功能集成进宽带卫星接收天线之中,并提供可与用户家庭网络连接的以太网接口

 

此外,卫星宽带设备制造商们已经认识到了与电信网络运营商及ISPs现有的管理与计费系统进行标准接口的重要性——从第一大系统的使用中所获得的教训是:如果双向宽带卫星运营商要成为ISPs的一部分,就必须要熟悉后者的系统及网络运营方式。于是,下一代的系统设备将会涵括此类北向接口,宽带双向卫星将成为业务提供商的另一种接入方式。

 

2015年,下一代宽带双向卫星网络产品不断被厂商推出,Advantech WirelessASatBroadcomComtech EFDataEMC Satcom TechnologiesFraunhoferiDirectNewtecSatixfyST MicroelectronicsThales Alenia SpaceWork Microwave等主流厂商均宣布推出能支持DVB-S2X/DVB-RCS2标准的产品。

 

而且,消费电子业界也首次参与相关工作,正在研发/生产符合DVB-S2X/DVB-RCS2标准的终端产品。比如,20159月,EMCArabsat将联合推出一项新的业务TRIO(图4):其将把DVB-RCS2调制解调器集成进电视机顶盒(以宽带卫星实现双向互动),为中东及非洲的用户提供电视服务及带宽高达10 Mbit/s的卫星互联网接入服务[1,2]。另外,远东地区的消费电子设备制造商们也看到了VSAT市场增长的巨大潜在机遇,从而生产可与任何ISP网关互操作/互通的DVB-RCS2终端产品。

 

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4  EMCTRIO电视机顶盒正面视图

 

总体上看来,DVB-RCS2DVB-S2X这两项技术标准在全球卫星互联网接入市场将有很大的应用前景。而且,即将发射或正在制造的高通量卫星HTS的数量较多。业界也即将实现全球首个具有1 Tbit/s吞吐量的卫星广播。新一代的设备可支撑每个网关局端接入成千上万个用户、全网接入百万级用户。在非洲、中国、印度及南美等新兴市场,卫星互联网接入将具有对于地面宽带网络形成强烈补充的潜力,将有着千万级别的潜在用户体量。此外,越来越多的航空公司开始为旅客提供机上互联网接入服务,由于飞机是从一个地方飞跃到另一个地方,从而就需要各个地区系统具备互操作性/互通性。最后,IoT(物联网)也将是宽带双向卫星的一大新兴应用领域。

 

 

参考文献

 

[1] David Peilow. A Bright Future: DVB-S2X and DVB-RCS2 and Next Generation Internet Access Via Satellite.

https://www.dvb.org/resources/public/scene/dvb-scene47.pdf, 2016-03-01.

 

[2] Arabsat and EMC announce their joint venture to launch TRIO: the first real triple play service over satellite in the world .

http://ww2.arabsat.com/pages/PressReleaseDetails.aspx?id=374, 2015-09-07.


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