卫星互联网行业研究：6G时代空天地一体化的关键

（报告出品方/作者：方正证券，张初晨）

1 卫星互联网概述

卫星互联网是基于卫星通信的互联网，通过一定数量的卫星形成规模组网，从 而辐射全球，构建具备实时信息处理的卫星系统，向地面和空中终端提供宽带 互联网接入等通信服务的新型网络。相比地面网络靠基站进行通信，卫星互联 网则是将基站搬到了外太空，每一颗卫星就是一个移动的基站。

1.1 卫星互联网是基于卫星通信的互联网

卫星从具体应用类型上，主要分为：通信卫星、遥感卫星和导航卫星。

移动通信最关键的一个网络设备就是无线接入网，即基站，因此要实现无线通 信，必须先要在地球上部署无线基站。传统无线通信由于电磁波在空间传输的 损耗特性，决定了无线信号的覆盖距离受限，要想实现远距离覆盖则需要加建 基站，而有些地区，如海洋、深山、森林、沙漠、高原、无人区等，建设通信 基站的费用/收入极不成比例，此时，卫星通信的优势则凸显出来。所谓卫星通 信，就是利用卫星作为无线信号的传输中继，从而扩大基站的覆盖距离。

卫星通信利用人造地球卫星作为中继站来转发微波无线电波，从而实现两个或 多个地球站之间的通信。卫星通信系统由空间段、地面段和用户段三部分构成：（1）空间段：以通信卫星为主体，卫星上的转发器是通信卫星的主要有效载 荷，也是卫星通信系统空间段最重要的功能组成，用于接收和转发卫星通信地 球站发来的信号，实现地球站之间或地球站与航天器之间通信。（2）地面段：包括支持移动电话、电视观众、网络运营商地面用户访问卫星转 发器，并实现用户间通信的所有设施，网关站是地面段的核心设备。卫星通信 系统的地面段也包括地面的卫星控制中心和跟踪、测控及指令站，主要负责卫 星发射阶段的跟踪和定位，下达变轨、太阳能电池板展开等动作指令，以及卫 星在轨运行期间轨道监测和校正、干扰和异常问题监测与检测等。（3）用户段：主要由各类终端用户设备组成，包括 VSAT 小站、手持终端，以 及搭载在车、船、飞机上的移动终端，以及基于卫星通信的各种应用软件和服 务。

卫星通信作为无线电通信形式的一种，信号的中转和传输也要依赖与不同频段 的无线电波。在地面雷达系统的应用中，IEEE 标准中将无线电波划分为 VHF、 UHF、L、S、C、X、Ku、Ka 以及 EHF 等频段。根据不同业务类型对无线电频段也有大致的划分：C 频段（4GHz~8GHz）、Ku 频 段（12GHz~18GHz）和 Ka 频段（26.5GHz~40GHz）是目前卫星通信系统中使用最 广泛的频段，C 频段和 Ku 频段主要用于卫星广播业务和卫星固定通信业务，带 宽有限且利用较早，目前频谱的使用已趋于饱和。Ka 频段主要用于高通量卫 星，提供海上、空中和陆地移动宽带通信。

1.2 低轨卫星是下一代空间信息基础设施发展趋势

基于不同轨道构建的卫星通信系统，在覆盖范围、系统容量，传输延时、卫星 寿命等方面，具有不同特点。卫星根据轨道类型可以分为五种，分别为 LEO（低 地球轨道）、MEO（中地球轨道）、GEO（地球静止轨道）、SSO（太阳同步轨道）、 IGSO（倾斜地球同步轨道）。

按照轨道高度，卫星主要分为低轨、中轨、高轨三类。GEO（地球静止轨道）和 IGSO（倾斜地球同步轨道）距离地面约 3.6 万公里，被称为高轨道卫星，不同 点在于 GEO 的轨道倾角是 0 度，而 IGSO 的轨道倾角是大于 0 度的任何轨道，这 两类卫星的轨道周期和地球自转周期严格一致，相对地面保持“静止”，覆盖 区域固定，因此建立通信服务比较容易，且所需的卫星数量较少，但与地面距 离较远导致时延较高。

高轨卫星通信系统的优势在于频率协调简单，运行寿命更长，前期建设成本较 低。高轨卫星的特点在于卫星数量较少，但单颗卫星的覆盖面积较广，单颗卫 星发生损坏即有可能影响整个卫星通信系统的正常运作。而且存在两极覆盖盲 区，在实现全球覆盖方面存在现实障碍，同时在特定地形与特定场景通信方面 存在一定的难度。由于高轨卫星的局限性，低轨卫星已成为当前卫星互联网建设最契合的卫星类 型。低轨卫星则通常指的是距离地面 300—2000 公里范围内的近地轨道，单个 卫星的覆盖范围一般在几百公里到上千公里直径的面积，大量卫星在这一轨道 高度组成星座，从而实现对全域的无缝覆盖，同时地面和卫星之间的通信传输 时延仅为几毫秒，足够满足自动驾驶、无人机遥控等实时性要求较高的应用场 景。由于低轨卫星传输延时小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、整体 制造成本低，适合卫星互联网业务的发展。

1.3 卫星互联网优势

目前卫星互联网多指利用地球低轨道卫星实现的低轨宽带卫星互联网，相比中 高轨卫星，具有低延时、低成本、广覆盖、网速快等优点。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 效解决边远散、海上、空中等用户的互联网服务问题。

广覆盖：卫星互联网的最终目的在于接入更多没有接入互联网服务的用户。与 5G 相比，卫星互联网可以为这些身处偏远和落后地区的互联网用户提供服务， 也能够在极端条件下向航空、航海等特殊用户提供移动通信服务，实现全球宽 带无缝通信。低时延：与传统光缆传输对比，卫星通讯的速度非常接近光速的理论值，比现 在主流的光缆连接的解决方案相差近 1/3 的光速，能够达到几十毫秒级别的较 低延迟，这在对时延较为敏感的行业具有重要的现实意义。据专业的市场研究 机构 TABB 评估，在全球跨境金融交易中，低时延至关重要，据模拟分析，“伦 敦-纽约”线路采用 Starlink 星链卫星可比地面光纤快 15ms，而这毫厘之间的 通信时延领先将会为金融行业带来非常可观的收益。低成本：与地面 5G 基站和海底光纤光缆等通信基础设施相比，卫星的研发制造 成本低而且可控，软件定义技术还可以进一步延长在轨卫星的使用寿命，整体 建设成本低于地面通信设施。比如光缆的铺设不仅仅是光缆本身的成本，还得 考虑到海底和陆地的部署、维护、运营，尤其是考虑到一些偏远的国家和地 区。网速快：高通量卫星技术日渐成熟，高频段、多点波束和频率复用等技术的使 用显著提升了卫星通信能力，降低了单位带宽成本，能满足高信息速率业务的 需求，极大的扩展了应用场景。目前星链 Starlink 提供的下载速度均在 30Mbps 以上，最高甚至能达到 60Mbps；上传速度波动较大，也基本能保证在 10Mbps 上 下，这意味着用户不仅可以流畅观看超高清视频，同时还可玩网络对战游戏。

2 卫星互联网：6G 时代空天地一体化建设的关键

2.1 通信技术——每十年一次的巨变

移动通信技术推动着信息技术产业的快速发展，改善了人们的生活水平，促进 了社会的发展和繁荣。从上世纪 80 年代开始，移动通信技术每近十年就会出现 一次新的变革。

1G 即第一代移动通信技术，是以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统。起源于 20 世纪 80 年代，完成于 20 世纪 90 年代，主要采用的是模拟调制技术与频分多 址接入（FDMA）技术，这种技术的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业 务。FDMA 以载波频率来划分信道，每个信道占用一个载频，相邻载频之间应满 足传输带宽的要求。在模拟移动通信中频分多址是最常用的多址方式，每个载 频之间的间隔为 30kHz 或 25kHz。2G 即第二代移动通信技术，主要采用数字的时分多址（TDMA）和码分多址 （CDMA）技术。在 2G 技术下，无法直接传送如电子邮件、软件等资讯，只具有 通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。第二代移动通信数字无线 标准主要有：欧洲的 GSM 和美国高通公司推出的 IS-95CDMA 等，我国主要采用 GSM，美国、韩国主要采用 CDMA。

3G 即第三代移动通信技术，其最基本的特征是智能信号处理技术。智能信号处 理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代 产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。3G 系统的通信标准共有 WCDMA，CDMA2000 和 TD-SCDMA 三大分支。在中国，中 国移动采用 TD-SCDMA，中国电信采用 CDMA2000，中国联通采用 WCDMA。4G 即第四代移动通信技术，主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。4G 技 术是集 3G 与 WLAN 于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清 晰度电视不相上下的技术产品。正交频分复用（OFDM）是一种无线环境下的高 速传输技术。OFDM 技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能 和抗多信道干扰能力。5G 是新一代蜂窝移动通信技术。5G 并不是独立的、全新的无线接入技术，而是 对现有无线接入技术的技术演进以及一些新增的补充性无线接入技术集成后解 决方案的总称。5G 已开始实践非地面网络（NTN）应用。2022 年 6 月冻结的 5G R17 标准的一项新增特性为支持非地面网络（Non-Terrestrial Networks, NTN）。通过卫星上的网络节点和通过馈线链路互连的 NTN 网关，可以为 NBIoT/eMTC 节点提供非地面接入，相关终端通过服务链路能够访问 NTN 网络服 务。

2.2 卫星互联网与 5G 加速融合

卫星互联网补充低密度用户接入场景，与 5G 取长补短互为补充。目前，5G 网 络覆盖仍然以基站为中心，在基站所未覆盖的沙漠、无人区、海洋等区域内依 然存在大量通信盲区，根据赛迪智库无线电管理研究所的《6G 概念及愿景白皮 书》，预计 5G 时代仍将有 80%以上的陆地区域和 95%以上的海洋区域无移动网络 信号。同时，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。国际上，ITU、3GPP、Sa T5G 等主要标准化组织或研究机构已经启动卫星通信 与 5G 的融合组网研究。ITU 提出了星地 5G 融合的 4 种应用场景，包括中继到 站、小区回传、动中通及混合多播场景，并提出支持这些场景必须考虑的关键 因素，包括多播支持、智能路由支持、动态缓存管理及自适应流支持、时延、 一致的服务质量（Qo S）、网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN）兼 容、商业模式的灵活性等。

在体系架构设计方面, 面对未来运营和应用, 采用与 5G 兼容的“接入网+核心 网+软件定义网络(SDN)/网络功能虚拟化(NFV)”设计, 与地面 5G 共用核心网, 支持与未来地面 5G 移动通信网络的融合。可以认为低轨星座是 5G 接入网的一 种, 在星上主要部署物理层信号处理、链路层以及网络层路由交换等功能模块, 实现空口协议处理和路由转发。在空口波形设计上, 借鉴 5G 成熟的波形设计, 如正交频分复用(OFDM)、Polar 码等, 针对低轨星座多普勒频移大、传输时延长 等特点进行适应性改进, 其中包括随机接入、闭环功控和混合自动重传等, 降 低研发成本。

2.3 发展卫星互联网，迎接 6G 时代

各国积极战略布局 6G 技术研究。随着大数据技术的持续演进和广泛化，频谱资 源在不断的减少然而数据容量要求不断提高，更加先进的通信技术正在逐步提 上日程。6G 核心技术已列入多国创新战略，成为大国科技博弈高精尖领域和全 球抢占的战略制高点。2020 年 2 月，ITU 正式启动面向 2030 及 6G 的研究工 作。中国、美国、韩国、日本和芬兰等国已启动 6G 研究。空天地一体网络架构是 6G 的核心方向之一，被 ITU 列为七大关键网络需求之 一。6G 有个愿景是泛在通信，即要实现空天一体通信。天地大融合技术通过建 立弹性可重构的网络架构、高效的天基计算、空天地统一的资源管控机制、高 效灵活的移动性管理与路由机制，进行天地的智能频谱共享、极简极智接入、 多波束协同传输和统一的波形、多址、编码等设计。未来用户只需携带一部终 端，便能实现全球无缝漫游和无感知切换。

6G 时代空天地一体化，卫星互联网与地面移动通信网络充分融合。根据《6G 总 体愿景与潜在关键技术白皮书》，6G 将实现地面网络、不同轨道高度上的卫星 （高中低轨卫星）以及不同空域飞行器等融合而成全新的移动信息网络，通过 地面网络实现城市热点常态化覆盖，利用天基、空基网络实现偏远地区、海上 和空中按需覆盖，具有组网灵活、韧性抗毁等突出优势。

6G 的空天地一体网络架构将以地面蜂窝移动网络为基础，结合低轨道通信卫星 通信的广覆盖、灵活部署、高效广播的特点，通过多种异构网络的深度融合来 实现海陆空全覆盖，将为海洋、机载、跨国、天地融合等市场带来新的机遇。

3 欧美具备先发优势，加速部署卫星互联

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