6G序曲:星链战争

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在日新月异的时代下,卫星互联网的发展与我们息息相关。本文就卫星互联网进行介绍,并总结了6G建设的轴心以及当前现状和应对策略,一起来看看吧。

自去年9月华为和苹果手机相继推出卫星通讯功能以来,锦缎研究院便一直密切跟踪卫星互联网的发展趋势。

一年过去了,我们发现卫星互联网这一熟悉又陌生的通信技术正迈入商业化阶段,标志性事件是:

1)SpaceX在2023年首次实现季度盈利;

2)马斯克获得2023年度世界航天奖;

3)华为发布支持卫星通话的智能手机。

置身于科技日新月异的时代,卫星互联网的发展已经与我们息息相关。站在更高维度上,卫星互联网成为6G网络建设的重要一环的全球共识正在形成,其俨然成为全球科技竞争的下一个桥头堡。

01 渐行渐近的卫星互联网

1. 卫星互联网是什么?

在介绍卫星互联网之前,仍有必要先解释一下卫星这个大家都熟悉的概念。

卫星是指在地球轨道上运行的人造天体,它是由人类发射到太空中,用来执行各种任务。按照用途主要分为通信卫星、导航卫星、遥感卫星等。

通信卫星是用于传输数据信号和语音信号的卫星,其主要功能是提供长距离的无线通信服务;导航卫星主要用于地球点位的方向判读以及全球定位和引导等,比如GPS和北斗导航系统;遥感卫星是用于观测地球物理状况和地理环境的卫星,主要用于地物识别、对地观测、测绘成图等。

接着讲到卫星互联网的概念,其是通过一定数量的通讯卫星形成规模组网,是一种能够完成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。

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图1:全球不同类型卫星在轨数量占比(数据截至2020年1季度):资料来源:赛迪顾问

与传统的移动通信相比,卫星通信最大的区别在于中继媒介是卫星而不是地面基站。每颗通信卫星相当于运行在地球上方的移动基站。

众所周知,我国地面通信基础设施极为完善,“人口覆盖率”达到99%,但“国土覆盖率”却仅有三成左右。换句话说,大量的深山、沙漠、戈壁无人区等没有地面网络信号覆盖,无法与外界进行有效通信。

相较之下,卫星通信具有更广阔的覆盖范围,打破了距离限制,而且突破了地理环境的限制。在传统移动通信无法建设基站或者基站遭到破坏的场景下,建立卫星互联网,可用于航空、航海、军事、科考、应急通信等特殊场景。而这些场景,靠传统的基站显然是入不敷出的,而卫星这个“移动基站”则是更可能的选择。

以个人应急求救场景为例,通过手机终端直连卫星的通信方式,即便身处无地面网络信号覆盖的环境下,也可实现信息互通,发出求救信号。

再比如,卫星互联网可以用于海上船只之间、船只与陆地之间的短消息收发、话音调度等基础服务和船舶预警、视频监控等高级服务;在军事领域,卫星互联网可以更好地维持网络连接,感知战场态势,获取情报。

随着移动互联网、物联网的深度普及,空中机载、海洋船载、空间中继等传统地面场景之外通信需求日益增加,卫星互联网的重要度和优先级正不断提升。

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图2:卫星通信与传统蜂窝通信对比分析;资料来源:头豹研究院,东方证券

2. 卫星互联网迈入商业化时代

由于卫星互联网具有无可比拟的优势,堪称科幻版的通信技术,各国科学家们数十年前便开始探索,并尝试将卫星通信应用于普遍服务场景。然而,真实进展可谓一波三折。

通信卫星根据轨道高度不同,主要分为低轨、中轨、高轨三大类。在过去,由于发射卫星的成本极高,科学家们选择将卫星放置得更高,也就是高轨道。因为同样一颗卫星,进入高轨道能覆盖更大的范围。

不过随之而来的是更加复杂的技术问题。尽管高轨道卫星的覆盖面积大,但它们距离地球实在太远,导致通信带宽和通信速率都比较低。因为,用高度来换取更广的覆盖率的道路暂时被堵住了。

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图3:低轨卫星系统和高轨卫星系统对比分析;资料来源:锦缎研究院整理

于是,科学家们目光转向轨道高度小于2000km的低轨通信卫星。相比高轨卫星,低轨卫星具有传输时延低、链路损耗小、发射灵活、可靠性高等优势,更适合终端小型化和高速数据传输。尽管单颗卫星覆盖能力较弱,但可以靠量弥补劣势,通过几十到上百颗卫星组成的星座网络实现全球范围的无缝覆盖。

与此同时,地面移动通信通讯也在不断发展壮大。虽然放低高度的卫星通信解决了高轨卫星的诸多问题,但仍然存在使用成本高、通信速度慢、应用规模小等问题,导致商业化进展缓慢。长期以来,卫星通信主要应用在海上、机上高空通信等少数特定场景,作为地面通信网络的补充。

20世纪90年代,声势浩大的“铱星计划”就是一个典型例子。由于在通信质量和资费价格方面处于劣势,摩托罗拉总共获得不到十万用户,这对于耗资超过50亿美元的初始投资和成本高昂的维护费来说不过是杯水车薪。最终,“铱星计划”运营不足一年,便以失败告终。自那以后,卫星通信陷入了漫长的停滞期。

直到最近,我们看到卫星互联网迈入商业化时代的趋势。在2014年之前,全球每年发射卫星数量仅有约百颗,随着卫星互联网的兴起,全球卫星年发射数量在过去十年中迅速增长了十倍之多。

打破僵局的是马斯克的SpaceX,其靠一己之力使得卫星互联网的商业化看到胜利的曙光。大幅亏损数年的SpaceX到2023年第一季度已经实现连续两个季度盈利。

而马斯克,靠的就是极致的成本压缩。比如Space X在商用运载火箭领域率先实现可回收与重复使用,大幅降低了单次发射成本。同时,Space X采用“一箭60星”的发射技术,进一步降低单颗卫星的发射成本。2022年,Space X成功发射火箭61次,平均每隔6天就成功发射一次。

成本下降后,随之而来的就是商用。星链的用户数量正在快速增长,截至今年5月份,用户数已超过150万。未来随着用户规模的提升,星链得以进一步摊薄成本,提供更低成本的卫星通信服务,从而形成更大范围商业闭环。

卫星互联网还在创造越来越多的商业化应用场景。2023年,在我们跟踪看来,将成为卫星互联网的商业化元年。在2023年1月的国际消费电子展上,高通宣布推出卫星通信技术Snapdragon Satellite,支持在移动设备上实现卫星双向通信功能;到了9月,极氪发布全球首款卫星互联网乘用车,新车型极氪001 FR将提供双向卫星消息与卫星通话服务。

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图4:火箭回收技术使Space X的火箭单次发射成本大幅降低;资料来源:未来智库,开源证券

另一方面,通信卫星低轨化、小型化发展趋势奠定了卫星制造成本下降方向。今年1-7月,全球共发射卫星1883颗,其中低轨卫星1435颗,约占总发射数量的76%。相比大型卫星,小卫星不仅体积较小、功能也更加专一。通过模块化设计、柔性生产线、3D打印、供应链优化,卫星生产模式正从价格高昂的定制化时代走向平价的工业化时代。

近几年来,因为卫星低轨小型化和规模制造技术大幅降低了行业进入门槛,除了声名大噪的Space X,越来越多的民间资本涌入卫星互联网行业。以Space X公司作为参考模板,就像当年的特斯拉一样,卫星互联网行业有望迎来2.0时代。

02 6G建设的轴心

1.下一代通讯技术将如何实现技术跃迁?

回过头看,通信的形态一直是紧跟着技术的发展不断演进的,自20世纪80年代以来,几乎每十年就会出现一次技术变革。

从1G时代的语音,2G时代的语音和短信,到3G时代的移动互联网,再到4G、5G时代的视频、直播,通信技术的发展改变了我们的生活日常。如今移动通信就像水和电一样,已成为人类社会的基本需求。

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图5:移动通信技术从1G向5G演进历程;资料来源:GSMA,锦缎研究院整理

未来6G通信的最大特征是将目光投向天空,由地面网络转向天地一体化。区别于此前1G-5G的技术升级体系,6G通信将脱离单纯依赖地面基站接入的桎梏,实现“空天地海”的更高维度通信需求。

6G卫星通信架构由天基平台、空基平台和地面平台组成,由此实现对5G无法触及的陆地与海洋、天空实现全域覆盖,构成一个地面无线与卫星通信融合集成的全连接世界。

想象这样一个场景,以后不管是在夏威夷冲浪,还是在空客上出差,还是在撒哈拉探险,你都能无缝接入高速的无线网络,而这就是6G通信下的全连接。

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图6:6G卫星通信架构;资料来源:《6G典型场景和关键能力白皮书》,招商证券

对比现在的5G,6G有望达成更诱人的技术指标:满足Gbps体验速率、千万级连接、亚毫秒级时延、厘米级感知精度、超90%智能精度等关键性能需求等。

更令人期待的是,6G将在5G基础上拓展全新的能力边界和应用范围,有望实现在5G主要场景基础上增强和扩展,包含沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延、人工智能与通信的融合、感知与通信的融合和泛在连接等高维场景。

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图7:6G关键能力呈现;资料来源:中国信通院《6G典型场景和关键能力》白皮书

2. 中国3G掉队、4G追赶、5G领跑,未来6G如何?

毋庸置疑的是国内在3G时代起步晚且技术落后,从始至终没有达到国外的水平。

直到4G时代,中国的通信技术水平可以说发生了天翻地覆的变化,通过快速补课,国内4G实现与国际水平齐头并进局面。得益于通信网络速度的提升,魅族、小米、OPPO等智能手机厂商快速崛起,形成了产业生态正向循环。

而在最新的5G通信技术,中国队终于领先了一次。我国已经建成规模最大、技术最先进的5G网络。截至2023年4月底,我国建成5G基站超273万个,实现“县县通5G”。

但冷静下来想想,中国5G虽然全球领先,但也没有许多人描述的那么遥遥领先。毕竟4G速率已经能提供100Mbps以上,可以支撑绝大多数应用使用,一般场景4G都能满足。5G并没有出现颠覆性的应用场景,更多是停留在4G时代,甚至很多人不再关注手机右上角显示的是4G还是5G信号。

如果说4G相比3G是令人惊艳是质变,那4G到5G只有量变。中国虽然在5G领域局部领先,在商业场景应用开拓等领域,并没有与其他发达国家拉开一个身位。更大的决胜局可能在下一代通信技术。未来通信技术已来,6G已成商业航天技术、军事战略和大国博弈的必争之地。

今年1月11日,全国工业和信息化工作会议在北京召开,会议提出加快信息通信业发展,全面推进6G技术研发。两个月后,工信部部长金壮龙再次强调,将研究制定未来产业发展行动计划,进一步促进6G技术研发。

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图8:6G通信规划;资料来源:C114通信网,华泰证券

面向未来的6G,虽然胜负还是个未知数,但在5G扳回一局的我们可能已经输在起跑线。毕竟6G的关键枢纽是卫星互联网,当前中国队在这个领域并不占据任何比较优势。好在6G真正走进千家万户、千行百业,是一项长期的系统性国家工程,不是一场闪电战。接下来,每一次通信卫星的发射、每一颗通信卫星的入轨都可能影响中国6G的进程。

03 新的军备竞赛拉开序幕:现状与应对

卫星通信一直是各国的战略性新兴产业,没有一个大国会缺席卫星互联网的建设。在5G通信领域处于劣势的背景下,早在2018年,美国政府便推出《国家航天战略》,通过部署多个卫星星座计划,推进低轨通信卫星组网工程建设,力争主导全球低轨宽带卫星市场的话语权。

纵观全球,英国OneWeb、加拿大Telesat Lightspeed、俄罗斯Sphere、德国Rivada Space Networks等低轨卫星星座计划纷纷加入卫星互联网的开发大军。其中,美国的Space X在轨通讯卫星数量全球领先;截至目前,Space X已经累计发射了5178颗星链卫星。

视线回到国内,从时间上看,我们无疑是个后来者。在2020年9月,中国以“GW”公司名义向ITU提交星座频谱申请,计划发射卫星总数量达到12992颗,此时,距离Space X提出星链计划已经过去了5年。

还有一个问题是,低轨通信卫星的理想高度是离地面550公里左右,太低或者太高都不适合。也就是说,在这个理想高度上能够容纳的通信卫星数量是有限的,业内专家推测大约可容纳6万多颗卫星。

国际电信联盟等机构基本上实行的是“先到先得”原则——谁先把这个地方占上了,这儿就归谁。另外除了空间轨道资源,我们还要抢频段资源。和卫星轨道资源一样,国际上空间通信频段的原则是“先申请先用”。然而,低轨卫星的主要通信频段,比如Ku和Ka逐渐趋于饱和。

总之,由于近地轨道资源稀缺,已然成为一种宝贵的战略性资源,抢占低轨卫星轨道和频率的先机就显得尤为关键。

未来,我国将用12992颗卫星打造中国星网。按照计划,第一颗星网卫星将在2024年上半年发射。但其实难度不止于此,除了时间维度的布局落后,我国在卫星发射技术、商业模式等方面还有不小差距。

其中最为关键的我国火箭发射成本控制水平相较美国仍有较大差距,降本路径主要受限于低成本推进剂、回收复用和“一箭多星”等技术难点。此前马斯克就曾透露,星链卫星制造成本约在50万美元/颗,而国内低轨通信卫星的平均造价约在3000万元;再看卫星发射成本,Space X使用猎鹰火箭的单星发射成本约为50万美元,远低于国内发射成本。

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图9:Space X火箭发射成本全球最低;资料来源:Visual Capitalist 官网,华泰证券

中长期维度,我们需要搭建属于自己的星链,这需要涌现更多的中国版Space X,就像我们有诸多的造车新势力一样。

由于我国的卫星互联网处于早期建设阶段,尚未形成规模化应用服务,需要一定数量的卫星首先完成组网,因此卫星制造和发射环节成为关键环节。铖昌科技、臻镭科技、航天电器、航天电子等头部企业首先成为资本市场的关注焦点。

起个大晚,但要赶个早集,便是我们卫星互联网行业发展的现实处境。

事实上,美国早在1984年发布《商业航天发射方案》,允许私营企业有偿提供发射服务,摩托罗拉的“铱星计划”便诞生于那个时期。

而在我国,直到2015年,由国家发展改革委、财政部、国防科工局联合印发了《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》,提出支持民间资本投资卫星研制和系统建设,增强发展活力。

借鉴海外的发展模式,国家层面正在加大支持民营火箭公司在低成本、可回收火箭领域的投入研发,持续提升商业航天火箭制造竞争力和市场活力。

2020年4月,国家首次将卫星互联网纳入“新基建”政策支持的重点方向;2021年4月,国资委宣布成立中国卫星网络集团有限公司,专门负责统筹空间互联网建设的规划与运营;今年7月9日,我国在酒泉成功发射卫星互联网技术试验卫星。

显而易见,当前我国卫星互联网的发展进程提速显著。为了尽快补足短板,我国正在持续加强各领域能力和配套设施。比如开始建设首个商业航天发射场,有望于2024年实现首发。

随着商用化元年确立,卫星互联网的竞争不再是PPT之争,而是实打实的商业决胜。新的科技竞赛已拉开序幕,“空天地海”的6G时代,这次的比拼将是全方位的,我们每一个人都身在其中。

作者:知勇

来源公众号:锦缎(ID:jinduan006),为上市公司提供知识产权解决方案。

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