WIFI对卫星通信的应用

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1引言

无线局域网（wifi）是目前应用最为普及的一种短程无线传输技术。随着地面移动互联网和物联网技术的迅速发展，WIFI凭借自身的优势逐渐得到了广泛的认知与认可，甚至演变成为一种热潮，无论是企业商务还是家庭生活娱乐都体现出了对WIFI与日俱增的需求。也正因为如此，WIFI技术显示出了极大的应用价值和良好的市场前景。当前，全球支持WIFI的终端设备越来越多，但是能访问互联网的人口不足60%。尽管智能手机和平板电脑等终端设备的价格不断下降，但是获取互联网服务仍有许多限制，必须在地面不断增加新的WIFI热点，以扩大WIFI网络的覆盖区域和接入能力。考虑到地面WIFI无线网络覆盖区域小、布局受限、安全性低以及成本高等问题，近年来有人提出将卫星通信与WIFI技术结合应用，充分发挥两种技术的优势，利用通信卫星实现WIFI信号的广域覆盖，使WIFI更广域、更灵活地服务于更多用户。根据WIFI技术在卫星通信系统中的使用位置，可以将卫星WIFI系统分为两大类：第一类是WIFI卫星，即利用空间段卫星直接播发WIFI信号，终端或用户可以直接接入卫星，享受WIFI服务；第二类是卫星WIFI，即以卫星为远距离中继传输的手段或通道，通过在地面段卫星终端接收数据、WIFI基站发射的方式，进行热点覆盖提供WIFI服务。对于第一类技术体制，美国在2014年初提出的“外联网”（Outernet）计划是典型的代表，该计划使用WIFI频段，拟在2015年发射数百颗立方体卫星，这些卫星面向地球持续辐射WIFI信号覆盖世界各地，从而免费为全球所有支持WIFI的终端提供无线互联网服务。2015年1月14日，一网公司（OneWeb）宣布计划投资15亿～20亿美元，在距离地球约1200km高的轨道上建设一个由648颗小卫星组成的星座，向地球发送互联网信号，预计2018年投入运行，该星座可提供更快速、范围更广的互联网接入服务。美国太空探索技术公司（SpaceX）也宣布，将耗时5年时间投资至少100亿美元建设一个由4000颗卫星组成的全球卫星星座，提供互联网接入服务。这种技术概念初看非常具有吸引力，但是仔细分析后发现其存在诸多技术难点。首先，WIFI标准设计初衷是适用短距离、相对静止状态下的室内高速无线通信。如果在低轨卫星和普通手机终端之间直接进行星地通信，受限于手机终端的接收灵敏度和立方体卫星的体积功耗，远远无法满足WIFI标准所支持的最低通信速率要求。另外，星地距离带来的长时延，低轨卫星高速运动带来的多普勒频偏和频繁切换，都是现有WIFI技术所无法支持的。因此，在不改变现有WIFI协议的条件下，该类体制技术不具备可行性。卫星与WIFI结合目前只能采用第二类技术体制，即卫星WIFI宽带通信系统。通过一套卫星通信终端和WIFI基站，形成服务区内的WIFI信号覆盖，支持覆盖区域内所有的手机、笔记本、台式机等具有标准WIFI接口终端的宽带接入，可实现网络电话、宽带上网、视频、数据传输等综合业务服务。

2国内外应用现状

在国外，卫星WIFI应用主要体现在高铁和民航飞机领域。欧洲于2007年率先在“欧洲之星”高速铁路上采用了卫星宽带接入互联网；日本的新干线于2009年通过卫星实现互联网无线接入；美国高速铁路起步较晚，但从2008年起美国列车的互联网接入均采用了卫星技术。卫星WIFI应用于民用航空领域主要有Gogo公司和卫讯公司（VIASAT）。Gogo公司是目前全球航空宽带连接市场最大的服务提供商，目前，该公司已经为全球超过2000架商用飞机和超过6000架公务飞机提供空中上网服务。Gogo公司合作伙伴包括12家大型航空公司，例如墨西哥航空、美国航空、加拿大航空、阿拉斯加航空、日本航空、联合航空、越南航空、维珍银河等航空公司。Gogo公司可提供2种服务模式：一站式解决方案和特定航线服务。其所采用的技术手段包括卫星、地面基站以及混合式方案。卫讯公司主要利用自己的Ka频段大容量宽带通信卫星给航空、海事等用户提供宽带连接服务，旗舰服务名为Yonder。卫讯公司的产品与服务支持全球各类飞机。在商用飞机方面，包括加拿大飞机与列车制造商庞巴迪公司生产的Global5000/XRS/6000等、波音公司的商用喷气式飞机；在政府飞机方面，包括C-130、KingAir300以及部分军用直升机。VMT-1500是其为商用喷气式飞机提供的典型终端，整套终端质量15.9kg，反射器天线口径30cm，已安装在500多架飞机上。对于国内市场，卫星WIFI应用仅仅在民航客机上做过链路试验。2014年7月23日，东航通过通信卫星实现了32Mbit/s的网络接入速率试验，能够满足机上200名乘客上网需求，实现网页浏览、话音聊天和空中购物，或满足40～50名乘客实现视频连线、在线视频播放。中国首个空中互联网产业联盟在2014年第十届珠海航展上成立，包括中国银联、新浪、京东、优酷土豆等企业，这意味着即使你在空中飞行，也可以随时购物、下单和支付。船舶宽带接入目前正在应用推广，而高铁宽带接入应用市场为空白。随着国家宽带战略的实施，我国卫星WIFI应用将迎来巨大的发展机遇。

3国内市场需求分析

高铁应用领域2013年,全国铁路累计发送旅客20.75亿人次,其中动车组运送旅客8亿人次，动车组的年旅客输送量以40%的速度增长，未来将超过铁路旅客发送量的50%。据调查，高铁人群以高话语权、高素质、高收入的“三高”人群为主，在高铁人群里，企事业单位和公司中高层管理人员所占比重高达33.5%，他们大都拥有良好的职业，在企业中有较高的话语权。高铁乘客出行目的调查结果显示，60%以上的乘客以公务/商务出差为目的，再加上乘客大多数是政府及企事业单位的中高层管理者，导致乘客经常需要在移动中处理公务，引发出上网等宽带通信需求。到2017年，中国的智能手机保有量将增长到7.01亿部，平板电脑的数量将突破4.2亿台，将极大地促进无线WIFI的应用需求。以中青年社会精英阶层为主体的高铁乘客，也是引领时尚的消费者，“处处寻WIFI”、“无处不WIFI”，对高铁移动WIFI有极强的需求。据调查，目前高铁列车上有近50%的旅客在旅程中使用智能手机和平板电脑进行各种活动以消磨时间，近75%的旅客有WIFI上网的消费需求。高铁商旅人群平均每月手机话费约300元，其中每月手机话费400元以上者占25%，这部分人群是通信服务的VIP客户，其通信消费能力强，消费积极，因此在高铁上提供高品质的网络接入和多媒体娱乐服务将会有很好的市场效果。据2014年度“中国卫星应用大会”相关报告预测，2015年底，全国铁路动车组列车开行数量将达到1500对。到2017年，全国高速铁路网列车数量将达到1940列，预计宽带需求58Gbit/s。如果采用传统地面移动网络解决，则面临列车高速移动带来的多普勒频移等技术问题以及铁路沿线高密度布基站等工程实施代价问题，卫星WIFI宽带通信系统将成为解决这些问题的有效途径。根据国内目前高速铁路的消费能力来看，以低收费的方式导入市场，卫星宽带WIFI服务仍是极具客户吸引力的。以我国高铁的运量来看，其流量收入及相关潜在的市场价值不可估量。“一带一路”海洋应用2013年9月，提出“一带一路”战略构想，旨在建立发源于我国，贯通中亚、东南亚、南亚、西亚乃至欧洲部分区域，东牵亚太经济圈，西系欧洲经济圈。为响应该战略，2014年我国投入运营的中星－11卫星的海洋波束正式为“海上丝绸之路经济带”服务，旨在为我国船舶及海上设施提供卫星通信服务，建立海上信息高速公路，为涉海行业提供信息化服务，我国大部分远洋船舶均可享受到通信卫星系统带来的福利。另外，我国即将开始研制的新一代大容量通信卫星—东方红－5首发星的应用也将在我国“一带一路”战略中有所作为，这些都为宽带WIFI卫星通信系统应用并服务于“一带一路”海上信息保障提供了条件。该领域市场主要是大中型渔政、海监、渔船和远洋运输船舶。目前，这类船舶所使用的通信设备主要有短波、超短波、“北斗”、海事以及甚小口径终端（VSAT）等，开展的业务主要包括话音通信、“北斗”定位和短信，以及窄带数据传输等传统业务。随着国家“海上丝绸之路”战略逐步推进，互联互通需求迫切，海上电子商务、移动互联网、船舶物联网信息回传等应用将越来越普及，必将促使各类航运船舶安装卫星WIFI系统。应用海上卫星宽带WIFI系统，可以方便在船上开展远程监控、视频会议、远程维修、远程医疗等工作，同时还可以使用IP电话、接入互联网，船员可免费与家人、朋友通电话并在网上冲浪；安装在船舶上的主机监控系统，可以实时获取船舶数据，通过卫星传输，坐在陆地办公室的人员可直接获取主机数据、油耗数据、设备健康信息等，经数据分析得出可靠的船舶运营决策，提高运营效率和效益；海上随时可能出现各类事故，系统可将船上的实时画面传输至陆地，第一时间形成海路一体联动机制，妥善处理各类突发事件；长时间从事远海枯燥乏味的工作，使员工工作激情下降，通过卫星WIFI接入互联网可使所有船员享受网上冲浪，提高工作效率。民航应用领域我国幅员辽阔，不同地区的经济社会发展程度不同，使用民航需求的地区也存在明显差异，航空运输是满足人们快速旅行和高速物流的需求。现有高频和甚高频通信系统在民用航空导航、交通空管、飞行运控等航空飞行运管信息传输方面远远不能满足需求。另外，随着移动互联网和个人智能通信的广泛普及使用，客舱宽带通信也是潜在的应用领域。而卫星通信与WIFI等其他技术和系统结合，可以为航空公司提供非常丰富的航空信息服务。2015年，我国民航客运量4.5亿人次，预计2020年达到7亿人次。据民航局统计结果表明，民航客运乘客包括商务、旅游和探亲等类型，其中，中高端商务人士占到50%以上，这些乘客对于旅途中互联网接入业务具有强烈需求。卫星WIFI宽带通信的速率可达数十兆比特每秒，能为航空运管提供话音和宽带数据通信业务，也可为客舱旅客提供互联网和实时电视等服务。2012年7月，国务院了《国务院关于促进民航业发展的若干意见》；2013年5月，工业和信息化部了《国家民用航空工业中长期发展规划（2013－2020）》，民航局了《航空公司运行控制卫星通信实施方案》，这些政策规划的实施都将加快推动卫星通信在航空领域的应用。对于通用航空市场，据民航局预测，预计未来5～10年，我国需要各类通用航空飞机10000～12000架，通用航空飞机数量的年均增长率将达到30%，通用航空将带动万亿市场规模。随着我国经济飞速发展，公务飞行、商用飞行、空中游览、私人飞机等正受到越来越多人的青睐。卫星WIFI宽带系统在通用航空领域也将迎来发展机遇。

4结论

卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、不受环境影响等优势，已经成为地面通信网络的延伸和补充，尤其是应急通信场合和地面网络不易覆盖的区域，卫星通信成为了唯一有效通信手段。相比传统的甚小孔径终端卫星通信，卫星WIFI可以有效降低用户成本和系统维护成本，提升卫星带宽利用率，将成为卫星通信应用市场的新动力。随着Ka频段大容量宽带卫星的发展应用，卫星转发器资费将不断下降，基于卫星WIFI的宽带接入应用将会迎来更广阔的应用前景。

作者：吕强 周志成 李峰 曹桂兴 张杨 单位：中国空间技术研究院通信卫星事业部