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卫星互联网:NTN技术商用化,还需迈过理想与现实的“GAP”

2024年8月5日 11:28  天翼智库  

2024年6月18日,3GPP正式宣布R18标准冻结,将进一步推动NTN(Non-Terrestrial Network,非地面网络)发展。NTN标准较传统卫星通信体制标准存在显著优势,但仍面临产业、市场、技术三方面挑战。

01 全球卫星通信体制标准持续演进,行业已进入传统与创新并存

1.卫星技术体制以DVB、GMR为主,但在产业与技术方面均存在一定局限性

传统卫星通信标体制如DVB和GMR已演进多年,是卫星通信产业的主流标准。DVB(Digital Video Broadcasting)是目前应用最广泛的宽带卫星通信空口体制。当前大部分卫星通信公司均采用DVB标准,包括SpaceX,中国卫通等。最新一代演进的DVB-S2/S2X和DVB-RCS2于2014年发布,支持部分海事、航空以及应急通信场景。GMR(Geostationary Mobile Radio)由欧洲电信标准学会(ETSI)提出,通过GEO卫星实现移动卫星业务。该标准源于地面GSM标准,支持接入GSM核心网,可以实现话音及低码率数据业务的通信。

卫星通信体制定制化特征明显,限制产业规模发展。Starlink采用宽带星常用的DVB制式,Inmarsat-P/ICO五代星采用基于DVB-S2的技术体制。铱星Iridium,海事卫星Inmarsat、中国“天通一号”等,分别采用GMR-1、GMR-2和类GMR技术体制,提供窄带或低数据卫星通信服务。此外还有诸多卫星不对外披露技术体制,可见卫星通信体制往往具有一定程度的定制化,缺乏统一标准。

传统卫星通信技术存在系统性问题,无法满足当前卫星互联网需求。DVB为单载波系统,技术灵活性不足,难以支持海量终端接入的卫星互联网业务,且无法兼容地面网络。GMR虽支持接入地面GSM网络,但最新一代只演进到3G版本,尚不支持接入地面4G、5G网络,并且其加密算法的脆弱性导致安全性能较差。两名中国安全研究人员曾利用GMR-2密码的漏洞在几秒内成功解密卫星通信内容。

2.NTN具有产业与技术优势,潜在市场空间广阔

为促进卫星通信与5G技术的深度融合,3GPP国际标准组织推出NTN技术标准,为5G网络的卫星接入提供了全球统一的规范框架。产业方面,NTN体制与5G地面蜂窝通信标准兼容,能够充分复用 5G 移动通信产业链,通过蜂窝设备生态系统的规模效应拉动卫星行业发展,为未来的产业规模提供保障。技术方面,相较DVB和GMR,NTN技术一方面延续了3GPP地面协议的优势,可支持海量终端接入,另一方面通过引入时延补偿、频率补偿,显著提升了频谱效率,支持的下行峰值速率达15Mbps。

NTN融合DVB、GMR优势,应用场景广泛,潜在市场空间辽阔。传统卫星通信标准DVB与GMR所适用的应用场景不同,限制了其市场空间的扩展。DVB面向宽带通信业务,主要应用于电视广播、船载通信、机载通信、车联网等场景。GMR侧重于语音和短信等窄带通信业务,主要应用于手机直连卫星、物联网等场景。而NTN系统带宽大,可全面覆盖卫星宽带业务和窄带业务,有望替代传统卫星通信体制。据BISResearch和Markets&Markets预测,2028年GMR和DVB(不含广播)市场规模分别在70亿和120亿美元左右,复合增长率为28%,而5G NTN市场有望达到235亿美元,复合增长率高达41%。

图1:2028年全球卫星通信市场规模

来源:BISResearch,Markets&Markets

02 NTN发展面临三大挑战

实际产业应用中,技术性能并非唯一决定性因素,产业接受度、技术部署周期等均有可能在一定程度上限制NTN的规模发展。

1.产业:卫星产业技术体制较为封闭,对标准化的NTN接受度有限,或影响其产业链有效整合和场景覆盖

与全球卫星产业趋势一致,我国传统卫星龙头企业,如中国星网,未来也计划采用“类NTN体制”,而非NTN标准化路线,可见卫星行业龙头企业也对采纳NTN等新技术持谨慎态度,当前全球卫星运营商联盟(GSOA)中宣布加入3GPP NTN卫星网络发展计划的成员占比不足30%。航天产业领军企业如中国航天科工集团、中国航天科技集团等均未明确表态支持NTN发展。此外,广播电视作为卫星收入的最大细分赛道,也未作出支持NTN路线的明确表态。航天系与广电系的技术选择,可能会限制NTN技术在国内市场的规模化发展,如仍维持原本的分散体制,将不利于资源整合,提升产业应用成本。

2.市场:NTN规模商用周期长,存在被其他技术制式挤压市场空间的风险

结合3GPP R18标准冻结时间和全球智能手机的换机周期(51个月),我们预计NTN 将在2028年前后实现规模商用,产业落地周期较长。综合全球产业发展情况,不排除DVB等其他技术将率先抢占市场,形成事实标准。全球规模最大的低轨卫星星座Starlink(采用DVB制式)预计将在2027年完成部署,有望提前抢占卫星通信市场。据摩根斯坦利预计1,2030年Starlink总用户规模将达到3071.6万,结合2030年全球卫星用户总数约为6000万2,届时Satrlink将占据全球过半的卫星通信市场。

3.技术:卫星通信中的多普勒频移、传输时延等问题对NTN的协议设计与体制优化提出了挑战

卫星互联网正向着高低轨协同的方向发展,对于低轨卫星而言,相对地球表面做高速运动的卫星会使通信产生较大的多普勒频移,在给定 2 GHz 载波频率的情况下,与运行在距地面 600 公里的 LEO 卫星进行通信的用户可能会遇到高达 48 kHz 的多普勒频移,对频率同步及设备性能产生严重影响。同时,由于低轨卫星的相对速度较高,UE驻留在单个小区(或点波束)内的时间窗口非常短,波束的快速移动、频繁切换为NTN终端的移动性管理带来一定挑战。

03 启示与展望

为推动卫星通信行业与地面通信行业融合,最大效率发挥天地一体优势,产业方面,需要通信运营商、卫星运营商、广播电视运营商尽早合作,制定存量业务演进方案,推动星上载荷处理采用NTN的方式,发挥规模优势,打造低成本产业链,进而推动产业快速发展。应用方面,建议重点关注手机直连、车联网两大场景,发挥NTN体制兼容语音、数据的能力,带动消费级卫星互联网应用上量,推动卫星互联网产业变现。

注释

1.Morgan Stanley预计,如果只考虑前四大场景(卫星固定业务),Starlink总用户规模将从24年底的380万增长到2040年的3200万。如果将第五类场景包含在内(手机直连卫星业务),Starlink的用户规模有望在2040年达到10亿。

2.按照国际咨询公司的测算方式, 卫星移动通信用户数一般取地面移动通信系统用户数总量的 0.2-1%,取上限计算,全球卫星移动通信市场的潜在用户数将达到 6000 万户。

本文作者

邹昭

战略发展研究所

二级分析师

硕士,就职于中国电信研究院,从事通信行业研究,专注于人工智能及安全战略研究。

谢林翰

战略发展研究所

助理分析师

硕士,主要从事天地一体相关领域研究。

韩琳

战略发展研究所

副主任分析师

硕士,就职于中国电信研究院,长期从事天地一体、云网融合相关技术及行业研究,包括网络云化、网络开放等。

编 辑:章芳
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