第二章　卫星互联网的价值

在今天这个时代，互联网的价值已经无可置疑。但是为什么要建设卫星互联网呢？

难道光纤或者 4G 不能满足人们的需求吗？实际上正是这样的。中国拥有世界上规模最大、覆盖完善的 4G 网络，光纤入户水平已经达到户数世界第一、占比世界第二（93.2%，仅次于新加坡的 99.7%）。但是这并不意味着世界其他地方也有如此之高的互联网服务水平。即使在中国，截至 2020 年 6 月，仍有 2% 的行政村未能获得 4G 覆盖。

按全国 74 8340 个行政村计算，就是将近15 000 个行政村没有 4G，缺口还是很显著的。如果把目光放到全世界，缺乏网络覆盖的地区更多。人们虽然在长居的地方能够享受到网络服务，但在长途旅行或者外出旅游的过程中，经常会走出网络覆盖区，面临断网的难题。因此，卫星作为一种无缝隙覆盖全球的通信基础设施，在未来互联网世界中是不可缺少的。

1. 未来社会，无处不信息

人类已经进入了信息社会，可以越来越方便地获得自己想要的内容，包括文字、图片、声音、视频、数据等。人们所熟悉的一切都在信息化。

有人认为，信息化可以分为信息的生产、应用和保障。也有专家指出，信息化是一个长期而持续的进程，人们见证了它的开始，却未必能见到它的终结。

如今几乎每个人都有好几个个人信息设备，并用手机、平板电脑和计算机交换各式各样的信息。这些终端每天为人们提供的信息，似乎已经多到看不完的程度。但是，人们的生产和生活已经充分信息化了吗？其实还差得远，人们想知道却又无法知道的事情还非常多。

举例来说，野生动物爱好者会希望知道，非洲草原和南美雨林中的动物都在做什么？旅游爱好者想要知道，自己的目的地此刻是人山人海，还是空无一人？还会有人希望自己能像雄鹰一样翱翔，像巨鲸一样深潜……在信息化推进者看来，这都是有希望实现的梦想。要想实现这些梦想，需要有一张通信网络延伸到世界每个角落，用高速的数据流把世界变得透明起来。这就是所谓的泛在网络，人们置身于无所不在的网络之中，实现在任何时间、任何地点、任何对象之间的信息交换，为人们提供泛在的、包罗万象的信息服务。

互联网已经为人们提供了泛在网络的雏形。世界上几乎所有的城市都已经实现了每个人都能接入互联网，随着网络的延伸，即使在地铁、电梯当中，人们也能享受到网络服务。随着政府、企业将工作不断向网络迁移，人们可以通过互联网享受大量不同类型的社会服务，省去了曾经的奔波与排队之苦。

网络无处不在。然而，信息化与互联网的发展真的已经尽善尽美了吗？答案是还差得远。

2. 未来的互联网与卫星通信

未来的互联网是什么样的呢？人们对此有很多的设想。目前，主流意见认为，下一代互联网是以 IPv6 为基础的。2017 年 11 月 26 日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，其中要求加快推进 IPv6 规模部署，构建高速率、广普及、全覆盖、智能化的下一代互联网。

实际上，许多研究者很早就在讨论 IPv6 与卫星通信的关系。美国曾经在军用通信卫星体系研究中考虑如何将卫星网络纳入 IPv6 标准，虽然整个项目并没有研发成功，但是一部分科研成果沿用到了后续的型号上。

另外，一大批学者的研究指出，把卫星通信 IP 化将是一个必然的发展趋势。传统的卫星通信，有自己独立的标准体系和通信协议，如果将卫星用于互联网通信，需要经过复杂的转换和接入过程，不但设备复杂昂贵，而且需要具备专业知识的人士才能操作。这是卫星通信的物理性质和传统使用方式决定的。在这种情况下，卫星在互联网中的应用遇到了很大的困难，限制了它的作用。许多通信行业的单位和研究人员因此对卫星通信技术产生了畏难情绪。

但是没有卫星的参与，就没有未来的互联网，更没有 6G。IP 化将是宽带互联网卫星通信与传统卫星通信的主要区别之一。未来的通信卫星不但可以被看作是天空中的通信基站，而且可以被看作是飞行的互联网设备，地面上的用户不需要进行复杂的协议转换，就可以直接用它来通信。

用户甚至不需要购置太多新的设备，或许只需要买一副简单的天线就能用上卫星网络了。

3.有卫星互联网，才是真的互联网

为什么华为要提出用 10 000 颗卫星构成 6G 的一部分？赛迪智库无线电研究所在 2020 年 3 月发布的《6G 概念及愿景白皮书》中指出，5G 的通信对象集中在陆地地表 10km 以内高度的有限空间范围，无法实现“空天海地”无缝覆盖的通信愿景。对于智能工厂，6G 能够将时延缩减至毫秒（ms）级甚至是微秒（µs）级，从而能够逐步取代工厂内机器间的有线传输，实现制造业更高层级的无线化和弹性化。

基于上述分析，我们认为 6G 总体愿景是基于 5G 愿景的进一步扩展和升级。从网络接入方式看，6G 将包含多样化的接入网，如移动蜂窝、卫星通信、无人机通信、水声通信、可见光通信等多种接入方式。从网络覆盖范围看，6G 愿景下将构建跨地域、跨空域、跨海域的空—天—海—地一体化网络，实现真正意义上的全球无缝覆盖。

根据通信界人士的分析与认识，作为 5G 替代者的 6G，将有几个显著特点：覆盖更加广阔、能够容纳的通信设备更加密集、通信带宽更大、时延更低。任何通信手段，都不可能单独实现 6G，因此必须采用多种通信手段才能实现 6G，其中卫星通信将是不可替代的重要组成部分。

这份白皮书列举了卫星的使用场景，包括空中高速上网、全域应急通信抢险等。白皮书特别指出，业界有观点认为，6G 网络是 5G 网络、卫星通信网络及深海远洋网络的有效集成，卫星通信网络涵盖通信、导航、遥感遥测等各个领域，实现空天地海一体化的全球连接。空天地海一体化网络将优化陆 ( 现有陆地蜂窝、非蜂窝网络设施等 )、海 ( 海上及海下通信设备、海洋岛屿网络设施等 )、空 ( 各类飞行器及设备等 )、天 ( 各类卫星、地球站、空间飞行器等 ) 基础设施，实现太空、空中、陆地、海洋等全要素覆盖。当前，卫星通信作为其中一个重要子系统纳入 6G 网络得到了普遍认可，需要对网络架构、星间链路方案选择、天基信息处理、卫星系统之间互联互通等关键技术进行深入研究。

从其他文献也可以发现，各界普遍认为，没有卫星参与就不会有真正意义上的 6G。没有卫星，对广大天域、空域的覆盖就无从完成。虽然人们对深海远洋网络的建设方式尚在讨论之中，水下通信的具体问题尚未解决，但只有依靠卫星，深海远洋网络才能真正融入 6G 全球通信网络。

考虑到 6G 所需要承载的通信设备将远远多于 5G，卫星互联网如何适应 6G 时代的发展，将成为一个新的课题。是否需要向更高的频段发展，是否需要考虑大容量的激光天对地通信，如何与更小的个人设备或者物联网设备直接通信等。这些或许是下一代宽带卫星互联网所必须考虑和解决的问题。

4. 万物互联视角下的卫星互联网

近几年流行一个名词，那就是物联网。从字面上理解，物联网就是把物体用网络连接在一起。人们可能很容易就想到无人机和无人车（见图2-1）。它们或许会是第一批被联网的物体，然而值得联网、需要联网的物体远不止这些。从信息化的角度来看，很多人们习以为常的物体，同样是需要被联网的。而且这里所说的“物”并不仅仅是没有生命的，具有生命的动植物甚至人类自身，也可以被当作“物”。

比如说，建筑和房屋是人们常见的“物”。虽然人们会把光纤、网线拉进房子里用来联网，但房子本身的结构很少成为联网的对象。在物联网视角下，人们就会考虑把各种测量压力、拉力、剪切力、形变、温度、湿度等的传感器埋设到建筑物的结构内部，贴在钢结构或者融合在混凝土当中。这样，一座房子就真的“活”起来了。

建筑安全和公共事业单位可以通过这样的传感器来监控房子的安全性。这对于一些地质情况不稳定区域的房屋有很重要的作用。如果有人对房屋进行不安全的改建，人们可以及时发现和制止。除了房子，汽车、工程机械、野生动物保护和监视设施、野外电力设施、石油天然气管道、海上灯塔和浮标，甚至藏羚羊、大熊猫等都可以成为被联网的“物”。

人的身体可以被理解成“物”吗？当然是可以的。其实，用来描述人们健康情况的参数非常多，其中绝大多数不可能靠自己的体感来确定。即使是专业医务工作者，也需要借助各种仪器来测量反映健康情况的参数。不过，随着传感器技术的发展，人们已经能用穿戴式设备测量很多生命体征了，包括心率、体温、血氧饱和度等。很多保健单位已经利用手环等设备开展面向老年人的普及型远程健康监测服务。但是目前，这种服务还局限在有移动网络的地方。如果人们去野外、海岛旅游，就需要宽带卫星互联网的支撑，才能保证持续的健康监测。

理解了“物”，就要解决联网的问题了。在城市，因为有光纤和移动通信铁塔，联网是一件不难的事情。离开了城市，国家通信干线四通八达，把几乎所有的城市和乡镇连接在一起。但是在更加广袤的沙漠、山岭和森林，在湖泊、滩涂和大海上，就不一定具备这样良好的通信条件了，物联网的搭建会遇到严重困难。实际上，通信行业考察服务范围的主要指标依然是“人口覆盖率”，哪里有人，哪里才考虑建网。但是如今，物联网要面对的地区，很多是没有人长居的，联网的问题就只能靠另外一种手段来解决，那就是卫星。

如果走出中国，把目光投向世界，人们会发现网络的覆盖就更不足了。目前世界上 70 多亿人中，至少有 30 人完全无法得到网络覆盖。在“一带一路”沿线国家中，不能上网的人为数不少。这些人是不是也需要物联网呢？答案是肯定的。

物联网在工业领域还有一个名字，叫作“工业互联网”。也就是把机器设备连接到网络当中。联网后的机器设备就进入了一个巨大的资源库，买家和总承包商可以在这个资源库中寻找适合自己的合作对象，智能化分工，把消费者需要的东西生产出来。

人们在工业互联网的推进和建设过程中发现了一件有趣的事情，机器设备的主人和实际操作者对自己的机器有哪些专长、最适合用来做什么，了解得并不透彻，并不清楚如何把它们维护好，如何充分发挥它们的作用。在加装各类传感器、融入工业互联网之后，远程的工业互联网运营商通过与机器设备的制造商合作，拿到相关的数据之后，反而能够更好、更充分地了解具体设备的各方面性能指标，合理安排生产任务和维修维护。工业互联网运营商的数据库里有大量的软件模型，可以用来指导具体厂家生产不同类型的产品，不但能提高产能，还可以确保质量。

人们发现，越是不发达的地方，越是存在工业生产水平低、机器设备使用能力差的问题，需要物联网为它们提供机会，帮助它们进入国际经济大循环。那么，如何为这些没有网络的地方提供工业互联网呢？答案当然也是卫星。

不发达地区还有旺盛的基础设施建设需求，铁路、公路、桥梁、水坝等都需要投入大量工程机械来施工建造。要想有效监控工程机械的运转情况，把它们接入工业互联网是一个好办法。国内科研单位在工程机械的工业互联网改造方面已经取得了很大的成绩，对于机械设备健康运行、绿色运行起到了很大的作用。要在“一带一路”的不发达地区施工现场建立工程机械的工业互联网，最好的手段依然是卫星，而且时延比较低的低轨道通信卫星要比静止轨道通信卫星效果更好。

工业互联网示意如图 2-2 所示。

当然，工业互联网和物联网在使用宽带卫星互联网的时候，都有各自的问题要解决，其中最重要的就是信息安全。机器设备对于虚假信息的判断能力是比较差的。对于连续运行的生产线来说，一旦被黑客入侵，或者信息流被自然现象干扰，就可能带来严重的生产事故和设备损失。宽带卫星互联网本质上是一种无线电通信，抗干扰、抗入侵的问题比光纤网络显得更加突出一些。因此，通信和工业互联网的有关科研人员正在积极提出和尝试各类解决方案。

5.5G视角下的卫星互联网

人们已经进入了 5G 时代，虽然所谓的“杀手级应用”还没有出现，但是人们普遍承认，5G 广泛应用并且改变人们的生产生活方式，将是一个不可逆转的潮流。对用户来说，5G 就是自己的手机和基站之间的信息交换。

然而人们采用上帝视角来看待 5G 网络，会发现基站和基站之间同样需要一张巨大的网络连接。在中国，这样的网络是靠光纤来实现的。但是在很多不发达国家和地区，并没有光纤网的施工条件和施工能力。因此，这些地方的用户要想进入 5G 时代，难度还是比较大的。

但是，在宽带互联网卫星的支持下，5G 网络的全球布设就有了强大的手段。为了提高通信速度，5G 基站的布设密度要比 4G 高得多。那么能不能把基站直接和卫星连接呢？这当然是一个行得通的方法。不少宽带互联网卫星和星座都把提供 5G 解决方案作为自己的服务方向之一。有许多技术研究机构和行业组织在讨论卫星和 5G 融合的意义与具体方案。欧洲航天局提出的 5G 和卫星的融合方案如图 2-3 所示。

卫星在广播服务方面效率很高。当人们点播一部电影的时候，所发送出去的信息无非是电影片名和认证信息，但是所接收到的却是好几个 GB 的影音内容，而且，很可能同时有许多人要求接收同一部电影。这时就可以考虑广播式的服务，用卫星直接把大量内容广播到基站，尽量少占用干线的带宽。

有人提出，可以用卫星直接为某一座写字楼或者一个社区的基站提供服务，把它们接入 5G 网络。这种方式适合于地面上带宽不够、网络速度很慢的地方。人们可以用地面的线路上传带宽需求很小的内容，比如文字和图片；用卫星来下载带宽需求很大的内容，比如网页、视频、音频等。

当然，被提及最多的问题是在没有地面网络的情况下，如何提供 5G服务。“没有地面网络”的情况有两种，一种是这个地方的社会经济发展水平很低，没有资金铺设光纤网和铁塔，以及架设基站。图 2-4 就是一种和地面基站通信的机载终端；另一种是这个地方根本就没有人类居住。

为了解决第一种情况下的问题，有些企业正在建设超大型低轨道互联网星座，例如美国的“星链”和英国的“一网”。这些星座的服务对象都是数以亿计的用户。虽然有人担心这些用户的购买力很差，未必能成为宽带互联网星座的消费者。但是也有人认为，只要其中有一小部分人买得起，星座就可以运行起来并且获得利润，而且有些情况下，可以由政府或慈善机构提供资金。

人们经常会遇到第二种情况，最典型的就是从中国飞往美国，人们离开我国空管服务区后，就会进入西伯利亚的荒原上空，然后飞过北冰洋，到美国阿拉斯加，然后又要进入加拿大北部的荒凉地区，靠近美国和加拿大边境的时候，才会有网络服务。所以，长途飞行的人们最苦恼的事情之一就是没有办法上网。虽然很多航空公司已经通过静止轨道卫星开通了客舱上网服务，但目前的网络传输速率和覆盖范围还远远不能满足需要，更不要说达到 5G 标准了，而且静止轨道卫星无法为北冰洋提供服务。所以，从目前来看，低轨道宽带卫星互联网是为北冰洋上空民航飞机提供 5G 服务的唯一手段。

海洋是另外一个不可能建设光纤网和铁塔的区域。考虑到海洋占地球表面积的 71%，这么大的一片区域有没有 5G 服务，决定了人类对地球资源开发、利用和保护的能力是否能够实现飞跃。至于海上的 5G 用户，一类是在海上工作的海员。

据统计，世界大宗货物的运输主要都是通过海运实现的。海运的比例占国际贸易总量的三分之二以上，中国进出口总量中超过 90% 都是通过海运实现的。如果没有海运，世界上很多地方的人们就无法得到足够的石油、粮食、煤炭、日用品等物资。

为了服务于海运，全球有大量海员在船只上工作。根据中国交通报社发布的消息，当前全球有 165.9 万海员。在大多数时间，海员都生活在与世隔绝的环境里，船只不靠岸就很难和家人联系。虽然现代航船上都有海事卫星电话，但这种卫星通信服务非常昂贵，海员只有在事态紧急时才会打电话。

天基宽带互联网，特别是能够充分覆盖海洋的低轨道互联网卫星，能够为海员提供又快又便宜的网络接入，让他们能和陆地上的人们一样，生活在宽带和信息化的世界里，自由地和亲朋好友通过文字、语音、视频沟通，自由地分享海上生活。虽然海员数量占全球总人口的比例非常小，但是他们的工作影响到了全球几十亿人的生活质量。所以，他们的网络接入是非常重要的。

另外一类长时间生活在海上的人群，就是各种石油钻井平台的工作人员。因为石油钻井平台的位置相对固定，所以平台上都会安装 VSAT卫星终端，用来和地球静止轨道卫星通信，石油钻井平台的上网条件比商船上的上网条件要好得多。但是传统地球静止轨道卫星的使用费也很高，石油工人只能享受到窄带网络的服务，想要和家人高清视频就有点奢侈了。有了宽带互联网卫星，带宽的价格降低了很多，石油工人就可以轻松享受宽带生活。

除了人们所熟悉的海洋石油钻井平台、商船、渔船、邮轮和客轮之外，还有远海养殖基地。根据 2020 年 5 月的报道，中国正在设计两艘 10万吨级的大型深海养殖加工船，称为“国信一号”。这种养殖船上，不但有很多船员需要通过 5G 和家人联系、享受娱乐生活，而且需要链接到电子商务网络，采购用品、销售鱼获。

许多建设中的宽带互联网卫星都把焦点放在海运、能源、渔业用户上，致力于为他们提供 5G 标准的服务，如加拿大的 Telsat 星座和开普勒星座。