卫星通信手册

卫星通信的剧本 未来无处不在的连接投资论点，在这个未来，地球上的每个人、设备和物体都是连接. 报告空间资本 ® 卫星通信的性质正在从其历史原型发生根本性转变。在某些方面，这些转变模仿了互联网早期及其建设背后的核心论点，其中互联网本身最初旨在作为从世界任何地方传输文件和访问机器的媒介。几十年来，我们已经看到，围绕“从世界任何地方传输文件”的理想仍然带有某些警告，并且在某些方面，目标仅部分实现。 今天，个人、公司和政府通过各种媒介,包括电缆、光纤、卫星和蜂窝，每种方法都提供了一组影响带宽、延迟和覆盖范围的权衡。 同样，不同的用例对最终用户实现高质量体验有不同的要求。例如，快速有效的文件传输需要高带宽，但体验可以容忍高延迟网络。在在线游戏或视频聊天的情况下，带宽要求可能会有所不同，但低延迟对于高质量的体验至关重要。对于航空和海事等企业用例，覆盖范围为王;虽然互联网服务提供商（ISP）通常能够扩大覆盖范围，当今网络的质量和覆盖范围都存在差距，甚至阻碍了基本的通信。 虽然地面连接已经从拨号发展到光纤，但卫星通信（SatCom）基本上没有变化。早期提供连接的地球静止轨道（GEO）卫星可与拨号或DSL相媲美，以有限的带宽提供覆盖，但今天的应用，如流媒体，视频通话和充满连接设备的家庭需要更高的带宽和更低的延迟来实现现代互联网体验。在基准测试方面，现代互联网体验最清晰地映射到联邦 通信委员会（FCC）对宽带连接的定义（25Mbps下行，3Mbps上行，合理的延迟），尽管随着远程工作和远程学习在当今家庭中变得越来越普遍，这一定义很快就会过时。1居住在农村地区的客户通常通过其基于GEO的卫星互联网服务获得低于20Mbps的下载速度，延迟超过600毫秒。2当您考虑到其中许多卫星是在2000年代初发射的并且此后落后于现代通信基础设施时，这种性能并不奇怪。鉴于前期成本高昂 ，卫星运营商通常的目标是让GEO资产至少服务15年，以产生利润，有效地及时冻结其客户。现在，这种范式开始转变。 显著减少发射成本,卫星制造业的改进、云计算的广泛采用以及推动创新的私人资本的增长，卫星通信行业有望在全球范围内改变现代互联网体验的交付方式。 内容 卫星通信的剧本 尾注45 基础设施 卫星市场的竞争 2020年所有卫星运营商的总调整后容量，即出售的可用容量量约为 2.0Tbps，不包括国有卫星和SpaceX和OneWeb的初始测试容量。这一能力的主要贡献者包括大型现有企业，如Viasat，SES，Intelsat，EchoStar/HughesNet，Eutelsat，Inmarsat，Telesat和其他区域参与者。作为参考，2020年全球国际互联网吞吐量估计超过600Tbps，高于2019年的450Tbps。32020年产能的大幅增长可能是由与COVID-19相关的数字化转型推动的，例如远程工作和上学的人数增加。虽然卫星通信的目标不是取代地面连接，但目前的吞吐量不到报告的总数的1%，农村发展机会基金（RDOF）等举措强调了其日益过时的情况。 操作符 2020宽带收入(MMs) 宽带收入(分享) 未经调整的能力(真沸点) 利用率4 调整能力(真沸点) 调整能力(分享) Viasat公司 $2,309 17% 0.5 80% 0.4 20% SES $2,136 15% 0.5 75% 0.4 18% 国际通信卫星公司 $1,913 14% 0.3 73% 0.2 11% EchoStar/休斯 $1,887 14% 0.3 80% 0.3 13% 欧洲通信卫星公司 $1,392 10% 0.2 71% 0.1 7% 国际海事卫星 $1,239 9% 0.1 80% 0.1 5% 通信卫星 $639 5% 0.1 81% 0.1 4% 其他5 $2,418 17% 0.5 90% 0.5 22% 总计 $13,932 100% 2.6 80% 2.0 100% 图：在高利用率的推动下，传统卫星运营商2020年报告的收入和容量显示出很强的相关性（0.94）。 除了与GEO卫星相关的高延迟外，运营商未能发射更多可以提供额外容量的卫星，从而为其客户带来更快的数据速率。目前的基础设施建立在预售容量和高利用率之上，以吸收高昂的前期成本并最大限度地提高资产的收入潜力。例如，一家公司在轨道上的容量可能为200Gbps，但如果仅利用该容量的20%，那么经济上的“盈亏平衡”将变得更加难以实现，并且可能超出资产的使用寿命。在此示例中，卫星运营商的200Gbps“容量”变为40Gbps的“吞吐量”（假设20%的容量已租用，这也称为利用率或填充率）。6这导致运营商在启动容量方面更加保守，并有意创造稀缺容量，限制用户可用的带宽量，从而限制服务数量和潜在用例。在Viasat的案例中，SpeedTest.net的一项分析发现，据观察，该公司提供平均数据下载率。 大约18Mbps，尽管他们声称提供100Mbps计划。7,8同样的分析发现，HughesNet客户的下载速度相当，为19Mbps，Starlink客户则达到了令人印象深刻的97Mbps。如 Starlink继续推出其服务，我们可以预期，随着其他卫星的引入，该服务将不断改进。9对于OneWeb，报告的速度范围为50-200Mbps。10,11其他消息来源估计Eutelsat的下载速度为22-100Mbps，Inmarsat为50-100，Intelsat为48.5Mbps。12,13,14鉴于这些卫星中的大多数是在SpaceX从根本上降低发射成本之前发射的，它们可以被认为是旧航天工业的遗物。15 尽管当前的卫星通信业务模型可以赚钱,的状态 它是完全可用的能力不足以满足企业和消费者宽带客户对连接现有和不断增长的需求。 SatCom关注的最大细分市场之一是视频，例如卫星电视。从历史上看，这一直是业内最大的收入来源，拥有广泛的客户采用。16虽然有线电视在城市地区很容易买到，但包括DirecTV和Dish在内的公司通过捆绑独家内容和频道来区分他们的产品。但不断发展的趋势显示，随着越来越多的用户放弃订阅，转而选择流媒体服务（即Netflix和Hulu），流媒体服务在独家内容的竞争中超过了有线电视和卫星，该行业的活动正在下降。这种消费的转变表明，卫星电视的收入已经过了峰值，现有的卫星通信提供商必须对宽带基础设施进行大量投资才能跟上步伐。 同样，COVID-19大流行加速了远程学习和远程工作的大规模采用可能是一个持续的趋势。 17GEO卫星互联网提供商无法充分为这些客户提供服务 因为他们根本跟不上远程工作或教育所需的网络功能。如果企业位于缺乏低延迟宽带覆盖的地区，则与其他企业甚至客户互动的能力也可能受到限制。 由于缺乏选择，这些企业中的许多已经学会了适应并利用有限的连接。虽然有总比没有好，但连通性也限制了运营、竞争力和增长。例如，海事行业由卫星提供服务，为商业、军事和企业船只上的乘客提供连接。在提供原始连接方面，该细分市场面临着与陆地卫星客户相同的挑战。许多车队没有使用最佳可用技术，而是选择不需要太多数据的低带宽服务，例如紧急通信或基本的物联网设备。航空业也面临着类似的挑战，因为习惯于在陆地上恢复宽带连接的航空公司乘客需要相同的质量 飞行期间的连接，但仅限于低带宽高延迟卫星服务。作为他们唯一的选择。 军队和政府是另一个关键客户群，其足迹遍布全球，越来越依赖数据和实时通信。18但是，这些客户的用例比其他客户更独特。 根据设计，卫星通信提供商分布在不同的频率上，以减少干扰并优化设备以在特定范围内拾取特定频率。通过分布在不同频率上的连接，这些客户在通信中实现了弹性和冗余。例如，如果K波段的通信中断，用户可能仍能够通过仍处于活动状态的备用频段或仅消耗较少功率的备用频段进行通信或发送数据。通过北约划分频谱分配以服务于不同的功能和设备，可以更好地理解这种架构。19 L波段 年代的乐队 C波段 X乐队 ku波段 k波段 ka波段 v频带* W波段* 1-2GHz 2-4GHz 4-8GHz 8-12兆赫 12-18GHz 18-27GHz 27-40GHz 40-75GHz 75-110GHz 全球定位系统(GPS) 海量存储系统 (MSS)中 电视 军事 商业 军事 商业 军事和商业和汽车雷达 许可 许可 许可 许可 许可 许可 许可 未经许可的 图：表示每个波段通常用于什么的汇总图表。来源：美国电气与电子工程师协会 这些波段中的每一个都有不同的特征。例如，Ka波段中的信号具有千兆赫级带宽，能够传输更高吞吐量的通信，使其成为消费者用例的理想选择，但更容易受到雨水衰减和物理障碍物等干扰。L波段的信号带宽要低得多，因此传输的数据较少，但能够穿透云，雾，雨和植被。在L波段以下，存在更低的频率，指定为极低频（VLF，3kHz-30kHz）到甚高频（VHF，30MHz-300MHz），提供更好的穿透力，但数据传输较低。这些频率非常适合为物联网设备提供服务，例如在VHF范围内运行的SwarmTechnologies，通过卫星星座为客户提供服务 。20拾取这些信号所需的接收器因 “业界有很多关于你应该在GEO或MEO或LEO中部署服务的讨论。答案是以上所有。围绕轨道的那种宗教变得有点令人厌烦。 表示衣领,SES的首席执行官 电源要求、技术、复杂性和物理尺寸。例如，设计用于拾取L波段频率的接收器无法与Ku 带卫星,所缺乏的 维持这种连接的电源能力。这又指向了消费者、企业和政府客户拥有的不同应用程序。 卫星通信，以及用例如何确定卫星、频谱和最终用户设备。 性能的另一个关键驱动因素是卫星系统运行的轨道。GEO卫星只需三颗卫星即可提供近乎全球的覆盖，但由于它们的物理距离，它们面临着高延迟（~700毫秒）。 来自地球。低地球轨道（LEO）中的卫星可以提供低延迟连接（~40毫秒），但需要数百颗卫星才能达到可靠的全球覆盖。因此，更多的卫星也意味着更多的容量，但大多数 它可能未被利用，因为卫星大部分时间都在没有客户的地区飞行。中地球轨道（MEO）是另一种选择，其中可以通过几十颗延迟约为150毫秒的卫星实现全球覆盖。现代卫星运营商一直在轨道、产品和总容量之间取得平衡，以最大限度地提高利润并为尽可能多的客户提供服务。这些复杂的权衡导致了过时的技术、稀缺的容量和无法提供现代互联网体验的分散市场。 但这确实引出了一个问题，在竞争激烈的市场中，为什么目前的产能仍然如此之少？ 图：轨道高度和覆盖区域的示意图。资料来源：今日卫星。 图片：SES-17是一颗高通量地球静止通信卫星，于2021年10月24日发射。资料来源：卫星项目。 图片：SpaceX能够在目前的猎鹰9号下部署多达60颗低地球轨道通信卫星配 置。来源:SpaceX。 “LEO星座提供了一种真正无处不在的服务，其延迟类似。 到4G地面服务，大约30-60ms。随着我们发展这些星座，它们将提供巨大的容量和可用性，在整个星球上提供真正无处不在的覆盖范围，无论您住在哪里，都能提供数字连接。 ——KieranArnold，卫星应用弹射器未来网络和系统首席架构师 “在网络中，人们使用延迟、吞吐量和抖动作为[质量]的衡量标准，但一致性是关键。20毫秒的延迟不是 当你只得到几秒钟，之后是100毫秒时，这太棒了 。 –GilZussman教授，WiMNet实验室主任兼系主任 电气工程的 哥伦比亚大学 从稀缺到丰富 如今，卫星通信领域正在经历一场由LEO新进入者推动的转型。SpaceX，OneWeb和亚马逊等公司已经宣布计划用宽带连接覆盖地球。基于LEO的互联网本身并不是什么新鲜事。1990年代的公司，如Globalstar，Iridium，Odyssey和Teledesic都尝试过类似的举措，但最终都失败了。一些例子是最近的，LeoSat的尝试失败了，它于2019年关闭，甚至OneWeb也在2020年从第11章破产中脱颖