依靠创新的力量影响我们周围的世界
SIGNALS+ 在线快讯订阅
持续关注Signals+，了解有关连接、数字健康、电气化和智能工业的最新见解、信息和想法并加以利用。
关闭详情
弥合数字鸿沟：卫星宽带连接
想象一下，数千颗微型近地轨道(LEO)卫星构成巨型卫星星座覆盖地球，向农村、偏远以及服务不足地区的人口发送宽带信号。从尼泊尔山区到非洲平原，高速可靠的卫星宽带连接为数百万人提供或改善数字接入服务。
目前，此类网络的定价结构对大多数农村人口而言过于昂贵，并且卫星宽带仅限于地面解决方案难以实现的少数市场。尽管该技术仍存在许多不确定性，但成本将随着技术进步和规模经济而持续变化。如果卫星星座供应商能够提供有竞争力的定价，则消费者需求或将随之飙升，而LEO正可以为全球提供卫星宽带连接。
虽然电缆、光纤和5G移动设备确实推动了全球新一代数字基础设施的发展，但从长远来看，LEO卫星星座全面投入运行后，预计将在支持全球连接生态系统方面发挥关键作用。LEO有望刺激经济增长，改善教育和医疗条件，并帮助弥合数字鸿沟。
LEO将把高速互联网访问扩展至内陆发展中国家，以及难以抵达的偏远及农村地区。岛屿国家可通过卫星接入宽带互联网，从而节省建造承载国际通信的海底电缆系统的巨额成本。此外，卫星能够为5G蜂窝移动网络提供骨干连接，同时为亟需服务的用户提供关键通信接入。
光缆与卫星的经济性
在人口稠密的城市环境中为数百万客户提供宽带互联网，这是一项利润丰厚的业务。然而，建造并维护面向人口稀少地区的地面扩张项目却代价高昂，其投资回报往往难以抵消成本。因此，农村及偏远地区的地面建设可能会滞后数年，甚至长达数十年。
“对于无法直接访问光纤电缆基础设施或与高容量带宽距离遥远的地区，卫星连接是仅有的可用选择。”
亚洲开发银行(ABS)1
无论采用何种技术，其过程均涉及构建并运营核心网络的基础设施成本、持续性客户设备成本，以及客户的经常性用户成本。
地方、州省以及国家提供资助计划，能够帮助承担部分地面基础设施的成本和服务计划。美国联邦通信委员会(FCC)的平价上网计划、美国农业部(USDA)的ReConnect农村宽带计划以及美国两党基础设施法案，为各州运营商提供了数十亿美元基础设施扩建资金，并为低收入家庭提供了补贴计划。但地面建设计划的规模和范围有限，我们需要另寻更加全面的解决方案。
LEO卫星星座
如今，近地轨道(LEO)卫星是人员关注和资本投资的焦点。多达12,000颗LEO卫星构成巨型卫星星座，目前正处于早起部署阶段。麦肯锡(McKinsey)于2020年商业航天产业分析中指出：“如果当前的卫星互联网提案成为现实，则十年内在轨卫星将达到约50,000颗。”2
- 90%的地球卫星属于LEO
- 现有7,500颗LEO卫星环绕地球（截至2021年9月）
- LEO卫星轨道高度为160公里至2,000公里（较地球静止轨道(GEO)近60倍）
- LEO卫星轨道周期为88分钟至127分钟（取决于轨道高度）
为何有这么多卫星？
近地轨道卫星快速掠过上空，在范围较小的地理区域内提供短暂连接。LEO卫星轨道较低（2,000公里），而GEO卫星轨道较高（35,000公里），因此二者相比较而言，LEO卫星具有延迟较低的优势，从而缩短了信号从地面往返卫星所需的时间。延迟较低进而可减少滞后，同时加快通信响应速度。不过，当前一代卫星宽带将不支持沉浸式游戏、视频通话、流视频或备受推崇的创新（如远程机器人手术和自动驾驶）所需的3GPP低延迟规范要求。
巨型卫星星座
LEO卫星星座需要由数百或数千颗卫星构成的庞大网络，从而实现稳定的全球覆盖。卫星星座重点面向的农村及偏远地区，这些地区通常无力承担卫星天线设备和数据计划的成本，因此政府计划与补贴以及新型商业模式势在必行，需要所有参与者遵循相关标准开展深入合作，并采用可互操作的开放架构。
巨型卫星星座
过去，商业航天业务主要为低批量、政府资助的一次性项目，而如今正转变为部署可重复使用火箭、经济小巧LEO卫星的大型商用项目。该行业寻求适应性强且灵活的解决方案，此类方案需既具有成本效益，又能满足快速增长的需求。参与者、相关营业、商业模式与政府计划持续涌现，赋予商业航天生态系统充沛活力和竞争力。
推动商业航天卫星产业发展的因素
市场驱动因素
- 遍及农村、偏远及城市地区的全球覆盖
- 弥合数字鸿沟的愿景
- 更低的发射及地面站成本，更小巧、轻便、经济的卫星
支持技术
- 现代IC技术
- 先进的相控阵功能
- 巨型卫星星座的发展
“新型卫星星座部署在即，但期望取得长期成功，还需要大幅降低相关成本。”
麦肯锡2
定制成本
设计、制造和标准化方面的进步对卫星行业产生了显著影响，使卫星的部署更加快速灵活。然而，成本最终是否会下降至卫星宽带连接趋于平价，对此我们尚不明确。
可重复使用火箭和小型卫星
LEO卫星的发射数量正在迅速增加，而成本却在逐步下降。发射成本的下降，得益于垂直一体化的运载火箭生产线，此类生产线的可靠性、适应性与效率均有所提升。共享火箭“拼车”模式、助推器重复使用以及低轨卫星部署协同助力降低成本，使得目前每颗卫星的发射费用仅需100万美元。
图片由NASA提供
定制可靠性和抗辐射加固
对于高可靠性、耐辐射的半导体，其初始目的是在极端太空环境中使用数十年，其承担的是美国国家航空航天局(NASA)的行星任务，搭载的则是高地球轨道GEO卫星。但之后LEO卫星市场放宽了相关要求，持续工作时间缩短为数年，近地轨道的辐射暴露水平也有所降低。
ADI航空航天、防务和射频产品经理Chris Chipman表示：“如今，大批量商业航天市场无法承担、且通常并不需要成本较高的‘典型’元件。相关人员可选择ADI的现成商用(COTS)元件，从而实现成本节约。”此举的优势包括先进技术、高水平集成和性能，以及出色的尺寸、重量和功率规格(SWaP)。商用航天低轨道卫星(CSL)为在低辐射环境中运行、且需要更多保护的卫星星座提供了合适的测试和筛选服务。
降低地面站成本
地面站是全球网络的核心，卫星天线必须在距离地面站500英里以内的位置才能接入互联网，因此需要广泛的互联网连接地面站网络。如今，业界正致力于为农村及偏远地区服务不足的人口提供连接，因而降低所需地面站的成本或数量至关重要。
地面站
地面站向LEO卫星发射互联网信号。
卫星中继
卫星利用电子控制的相控阵波束成形技术，将信号中继至地球的多个位置。
天线信号
卫星天线运用无源相控阵天线，以跟踪快速移动的卫星及其掠过上空时的信号。
使用激光链路减少所需地面站的数量
部分LEO卫星具有激光链路或光学星间链路(OISL)，能够减少全球连接所需地面站的数量。激光链路分配通信流量，并在卫星之间绕星座进行路由，而非在地面站和太空之间来回发送信号。由此，路由信号将直接发送至家用天线。
提高带宽，创造机遇
2021年亚洲开发银行1的报告指出：“据预期，在目前没有光纤电缆的偏远及农村地区，LEO卫星将显著增加可用的互联网带宽。”随着带宽的提升，投资于LEO卫星星座的私营企业将可发掘具备长期价值的市场机会，并将服务拓展至此类地区，从而为当地创造更多经济与社会发展机遇。
卫星宽带接入：今日、明日与未来
卫星网络有望将互联网的覆盖范围扩大至传统固定与移动网络无法企及之处，或地面技术就经济而言难以实行的地方。
卫星宽带能够提供无处不在的连接，创造新颖的工作与生活方式，而无需受到电缆和光纤连接的限制。城市学生、农村农民，以及远在海底采矿平台与船舶的工作人员都将从中受益。最终，卫星宽带的服务水平可能会与光纤电缆的速度和延迟相媲美，从而实现未曾设想的崭新应用。
目前，十余家初创公司计划利用小型卫星(LEO)来实现物联网(IoT)连接。3据GSMA Intelligence预测，直至2025年，全球消费和工业物联网连接总量将达到近250亿。4
所需条件
天基通信网络必须与地面网络无缝集成，以尽可能提高双方效率。在卫星地面站、服务提供商以及数据中心之间，部署空间通信技术和地面有线基础设施需要大量投资。
预期发展
鉴于卫星能够改变通信格局并弥合数字鸿沟，互联网提供商、制造商以及各领域企业应考量为未来做好准备，并研究如何充分利用新通信前沿所带来的机遇。
ADI如何助力卫星提供商
随着数据带宽需求的增加，对于LEO卫星网络运营商而言，提供端到端性能的任务变得愈加复杂。产品快速上市和轻松集成优势比以往更加重要。如今，卫星的电子内容呈指数级增长。为了实现雄心勃勃的新型设计解决方案，相关人士需做到缩小尺寸、减轻重量，并降低功耗和成本。
ADI公司具备业界至为广泛的产品系列，致力为商业航天卫星提供商提供简化架构、加速设计以及优化半导体和集成子系统级所需的各项支持。ADI为相控阵天线提供从数据转换器和收发器IC到射频前端的完整信号链。我们帮助客户设计相控阵天线解决方案，使小型元件以理想方式协同工作，从而降低SWaP并提高性能。
参考资料
1John Garrity和Arndt Husar。“数字连接和近地轨道卫星星座：亚洲及太平洋地区的机遇(Digital Connectivity and Low Earth Orbit Satellite Constellations:Opportunities for Asia and the Pacific)”亚洲开发银行，2021年4月
2Chris Daehnick、Isabelle Klinghoffer、Ben Maritz和Bill Wiseman。“大型近地轨道卫星星座：这次是否将有所不同？(Large LEO satellite constellations:Will it be different this time?)”麦肯锡，2020年5月4日
3Christopher Mims。“卫星互联网大战：马斯克、亚马逊正抢着在你家后院装锅(Elon Musk and Amazon Are Battling to Put Satellite Internet in Your Backyard)”华尔街日报，2021年3月20日
4 Sylwia Kechich。“物联网连接发展预测：企业的崛起(IoT Connections Forecast:The Rise of Enterprise)”GSMA，2019年12月16日
