4. 卫星互联网—互联网的“最后一公里”
虽然地面通信网已经非常发达，但它仅覆盖地球表面的 5.8%。根据ITU 发布的 Digital Trends in Asia&the Pacific 2021，全球互联网用
户数占总人口的 51.9%。到 2019 年年底，亚太地区的互联网用户占总人口比例为 44.5%。
从全球信息化建设来看 , 主干网得到了足够重视和大规模投入，带宽有了极大提高，可以说网络的主干已经为承载各种宽带业务做好了准备。但“最后一公里”（即从骨干网到网络用户端之间）接入由于种种情况发展相对滞后，带宽较低，已成为互联网的“瓶颈”。“最后一公里”问题正得到越来越多人的重视，人们充分认识到只有解决好“最后一公里”问题，互联网才有可能达到“高速、互动、个性化”的最终目标。
目前全球的互联网数据主要通过地下或水下光缆传输，光缆铺设成本高，覆盖范围小是限制互联网发展的主要原因，要真正实现 5G 的万物互联愿景，还需要借助可以真正实现全球覆盖的卫星互联网。卫星通信覆盖范围大、通信距离远的特点，使其在大区域、稀路由、无缝隙移动通信方面有其他通信方式无法比拟的优势。
一方面，卫星通信可以实现用户在任何时间、任何地点高速地从互联网获取信息，并能对环境和物体进行信息监测和数据采集，满足物联网发展需求。另一方面，卫星通信是地面通信网的有益补充。将通信卫星网络与地面网络相互融合，形成天地一体化信息网络，可以实现全球通信无缝覆盖，弥补现有地面互联网网络的覆盖盲点，满足偏远、分散地区以及空中、海上用户的联网需求。卫星互联网对于多媒体通信、信息服务和互联网本身都具有极其重要的意义。
卫星互联网既是互联网的延伸和补充，又是互联网的强化系统，它的出现加快了通信多媒体化、个性化服务的进程。音视频的数字化、互联网的媒体化、卫星通信的网络化使得互联网宽带接入、数字卫星直播业务、交互式电视以及内容投送的界限变得越来越模糊。有了卫星互联网，人们通过网络看电视、听广播、读新闻、学知识、玩游戏将变得更加轻松。作为一种新的网络系统和信息服务，卫星互联网具有 VSAT、ISP 音视频广播等多种属性，它横跨了电信、互联网和广播电视三大行业，是促进三网融合的重要力量。
卫星互联网不仅将有望成为 5G 乃至 6G 时代实现全球卫星通信网络覆盖的重要解决方案，还有望成为航天、通信、互联网产业融合发展的重要趋势和战略制高点。加速卫星互联网建设对推动整个航天产业链发展、促进航天强国建设具有重大意义。
4.1 互联网应用蓬勃发展，卫星网络服务需求激增
当下，互联网接入需求巨大，抢占互联网接入入口已经成为互联网内容提供商和服务提供商的首选。地面光纤网络覆盖大幅增加，互联网网关部署需求激增，面对远程数据传输需求，低轨道卫星通信已经具备与远程海底和地面光缆竞争的能力，其传输时延和速率都已经能达到与地面光纤网络相当的水平，低轨道卫星通信的发展正迎来巨大的发展机遇。
2010 年以来，智能手机与移动互联网的普及，催生了一大批基于网络的创新应用，语音、视频等开始融入人们的日常生活，也让网络成为一个国家的重要基础设施。在这样的市场环境下，宽带用户的习惯已经培养成熟，并开始不满足于既定的网络环境。当互联网场景向飞机、游轮、汽车等特殊环境泛化时，提高数据服务的广度，扩展新的商业模式，自然就成了卫星通信的发展目标。
同时，随着互联网的高速发展，运营商的网络建设速度已经开始成为限制整个行业发展的“瓶颈”。网络覆盖率低、资费高、通信质量不稳定等问题，已经直接威胁到互联网科技公司的发展，无论是谷歌搜索还是苹果手机，或是 Facebook 社交网络，均高度依赖高速互联网服务。
为了推动网络基础设施的进步，互联网科技公司开始谋求自行铺设电信网络，但在陆地上重新打造高水平的互联网，不仅投资巨大、建设周期漫长，而且许多国家不允许跨国企业铺设公众网络，因此，根本不可能建设覆盖全球的、基于传统光缆和地面基站的统一电信网。谷歌、苹果等公司必须寻找新的途径，而多年来迅速发展的卫星通信技术，就成了解决问题的最佳选择。
据统计，截至 2020 年年底，全球仍有近一半的人口未能接入互联网，无法从互联网提供的巨大经济和社会发展中获益。
因此，一批提供网络服务的新兴卫星互联网企业，如以服务“另外 30 亿人”为宗旨的 O3b Networks 等公司迅速发展。“另外 30 亿人”卫星如图 1-10所示。此外，卫星互联网提供的服务并不限于宽带，也包括能够提高定位和授时精度的导航增强功能，以及可对航空、航海、远洋货物等进行跟踪的物联网等。卫星互联网对于发展自动驾驶、智慧交通、物联网等具有重要意义。
4.2 卫星制造和发射技术不断进步，卫星部署成本大幅降低，建设多个低轨通信星座成为可能
2010 年前后，全球三大低轨通信星座都开始了升级换代。全球星（Globalstar）启动了二代星计划，增加了基于卫星的 Wi-Fi 服务；轨道通信公司（Orbcomm）完成了 6 颗二代星的发射，两代卫星同时在轨，还可以提供物联网方面的服务；系统最复杂的“下一代铱星 ”（IridiumNEXT）星座，由太空探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰 9”火箭成功发射。
这一系列的升级说明，经过商业航天的十年迭代，小型通信卫星的研制与发射费用都在大幅度降低。比如，SpaceX 就通过可重复利用的火箭技术，将发射费用降低了 50% ；一网（OneWeb）公司将卫星制造速度从每颗 12 ～ 18 个月，提升到了每天 2 颗，还与空客合作建立了卫星工厂，采用高度自动化的机器人生产线，将航空飞机的批量制造经验应用到卫星领域，将单颗卫星的生产成本降到了 50 万美元。
这些都使卫星系统大规模部署成为可能。近年来，波音、空客、亚马逊、Google、Facebook、SpaceX 等高科技企业纷纷投资低轨道卫星通信领域，提出了“一网”（OneWeb）、“星链”（Starlink）等 10 余个低轨道卫星通信系统方案。
2016 年，我国“十三五”国家科技创新规划中提出，要推进天基信息网、未来互联网、移动通信网的全面融合，形成覆盖全球的天地一体化信息网络。2020 年，我国又将卫星互联网正式纳入“新基建”体系，并推出了相应的低轨通信星座计划。
卫星互联网面对互联网的蓬勃发展，针对地面网络的不足（如覆盖受限、难以支持高速移动用户应用、广播类业务占用网络资源较多、易受自然灾害影响等），利用卫星通信覆盖广、容量大、不受地域影响、具备信息广播优势等特点，作为地面通信的补充手段实现用户接入互联网，可有效解决边远地区、海上、空中等用户的互联网服务问题。卫星互联网是互联网，尤其是移动互联网的自然延伸。卫星互联网将为互联网和移动互联网展现广阔的发展空间，在普遍服务方面发挥独特作用，让人类所有成员享有上网和信息服务的基本权利。
在三大通信方式中，光纤主要用于骨干传输和固定接入；地面无线主要用于移动接入，而卫星可以用于骨干传输、固定接入、移动接入、电视广播，适用于空天地海等各种环境，在广播和电信公网以及政府、交通、能源、应急等专网中一直发挥着重要作用。几十年来，光纤、地面无线和卫星三大通信方式一直在发展，并同时向互联网方向演进。
目 前， 地 面 无 线 通 信 已 经 进 入 5G 时 代。5G 有 增 强 移 动 宽 带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、 大 规 模 机 器 通 信（massive Machine Type Communication，mMTC）、高可靠低时延通信（ultrareliable and Low Latency Communication，uRLLC）三类场景，有高速、泛在、低功耗、低时延四大基本特点。只有大力发展卫星通信，5G才能真正实现万物互联和全球覆盖。由于地面移动互联网聚集了大量的用户和应用资源，互联网化的卫星通信比以前更加依赖与 5G 的融合发展。
因此，以网络服务为目标的新一代卫星互联网，受到了越来越广泛的关注。
卫星互联网是指利用位于地球上空的各类卫星平台向用户终端提供宽带互联网接入服务的新型网络。卫星互联网主要包括两种，一是通过静止卫星（轨道高度为 35 786km）向地面提供信号；二是通过近地轨道（轨道高度为 500 ～ 2 000km）卫星向地面提供信号。目前卫星互联网大多是指后者，即利用地球低轨道卫星实现的低轨宽带卫星互联网。相比高轨卫星，它具有发射成本低、传输时延短、路径损耗小、数据传输率高、易于实现真正的全球无缝覆盖等特点。相比地面网络依靠基站通信，卫星互联网是基于卫星通信技术接入互联网，可简单理解为将地面基站搬到空中的卫星平台，每一颗卫星就是一个移动的基站，卫星信号像灯塔的光束那样覆盖地面。可以利用高频毫米波无线电信号，发射一系列近地轨道卫星，为全球任意一个地点提供低时延、高速宽带的网络服务。
卫星互联网系统主要由空间段、地面段和用户段 3 个部分组成。空间段主要是指卫星星座。卫星星座是指具有相似功能的卫星分布在同一轨道或者互补轨道上，按照共同约束规则运行，协作形成逻辑上统一的网络系统。各个卫星通过相关路由技术（星间、星地）实现数据传输。地面段包括运营中心、关口站、测控站（移动式与固定式）等，主要实现卫星互联网的管理与运营。运营中心是整个卫星互联网系统的大脑，实现对整个系统的管理；关口站为卫星互联网接入所在国互联网的入口，可以为所在国进行互联网监管提供切入点；测控站主要用于卫星跟踪测量，确定其轨道和位置状态等。用户段主要包括接入网及接入终端，接入网形式包括机载、船载、车载等，接入终端包括手机、计算机等。卫星互联网系统组成与通信链路如图 1-11 所示，其数据的传输过程是：数据中心 - 核心网 - 信关站 - 发射到地面站上空的通信卫星 - 星间传输 - 到达用户上空的通信卫星 - 接收终端（接收天线可装在汽车 / 飞机 / 轮船上）-Wi-Fi 信号到手机。
可以看出，卫星互联网并非通过手机 Wi-Fi 直连卫星，而是需要一个接收终端，如具备此功能的汽车等。
卫星互联网示意如图 1-12 所示。在卫星转发器与地面地球站之间，信息是利用电磁波来承载的。通常使用较高的频率天线才能有效地进行电磁波的辐射，同时有利于实现更快的信息传输速率。目前低轨通信星座为了实现全球服务大多选用 Ka 频段甚至更高的 V 频段（40 ～ 75GHz）。这些频率便于协调和申请，还可避免与同步轨道卫星产生干扰，而且更高频段也有利于提供高通量服务。结合先进的可控波束天线，低轨道通信星座可以实现全球覆盖，同时可为所有覆盖区域内的用户提供高通量服务。
卫星互联网对于系统设计、技术路径选择、产业配套等都有非常高的要求，有必要在设计之初就考虑成本、产业成熟度、地面情况以及实
际应用需求等综合性因素。低轨道卫星以超过每秒 7km 的高速绕地球转动，这种快速移动导致的频率变化、卫星信号的动态切换等，和地面网络大不相同。为了防止网络中断，让用户有良好的体验，需要对许多关键核心技术进行攻关。此外，为了降低地面维护成本，上千颗在轨卫星有必要通过智能化实现在轨运行，这也需要通过技术创新来实现。
5. 地面5G移动通信网与卫星互联网
随着信息网络天地一体化程度的不断加深，近年来，国际电信联盟（ITU）、 第 三 代 合 作 伙 伴 计 划（3GPP）、 基 于 5G 的 卫 星 和 地 面 网 络（SaT5G）联盟等国际标准化组织纷纷开始研究卫星互联网与 5G 的融合问题。卫星通信和 5G 基站两者在信号覆盖上是互补的。3GPP 的 R16 标准中已经对 5G 卫星接入进行了规范化，实现了卫星通信系统与地面通信系统协同工作，构成天地融合的 5G 通信网络，提供复杂地形地貌条件下的全域覆盖，为基于宽带接入和万物互联的各种业务提供基础设施保障。
卫星互联网和 5G 的深度融合将推动卫星通信技术不断进步并拓展卫星通信的市场空间。未来，高通量通信卫星将继续向超高通量通信卫星和小型化方向演进。不同轨道卫星将共同发展，并且会通过中继通信相互关联，以形成立体化的天基互联网。卫星载荷将全面数字化，5G 中的软件定义网络、网络功能虚拟化技术将被应用于卫星互联网之中。
