卫星互联网专题报告：空天地泛在通信的必要环节
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报告出品方：西南证券
以下为报告原文节选
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1.1.1 卫星互联网基本定义
定义：卫星互联网是通过卫星进行全球联网的一套通信系统，通过一定数量的卫星，向地面、空中、海上用户提供宽带互联网接入服务。卫星互联网通常需要三大部件：卫星、地面站（通常作为网关）、用户终端。卫星上网通信可以分为双通道通信和单通道仅接收通信。
发展趋势：卫星通信从1960s开始发展，从模拟卫星发展到数字卫星，从窄带发展到宽带、高通量卫星。目前的卫星互联网主要是指利用地球低轨道卫星实现的低轨宽带卫星互联网。
1.1.2 卫星按轨道高度可分为3类
从卫星轨道高度来说有高轨同步卫星、中轨卫星、低轨卫星等。高轨卫星和低轨卫星存在互补关系和竞争关系。
互补关系：地球静止轨道卫星和地球自转同步，只对某一固定区域服务，低轨卫星对地面的覆盖是移动的，是高轨卫星的补充。
竞争关系：低轨卫星传输时间低、路径损耗少、卫星终端体积小、成本低、系统容量大，在卫星通信方面具有竞争优势。
1.2 卫星互联网发展的较高确定性
卫星互联网的发展对国家安全具有重要意义。
卫星和频段是稀缺的不可再生资源，申请并发射卫星具有重要战略意义。
从通信技术发展趋势来看，卫星互联网通信也是必经之路。
1.2 卫星互联网发展的较高确定性
全球蜂窝移动网络仅覆盖了20%的陆地面积、6%的地表面积，航空、远洋、渔业、石油、环境监测、户外越野、军事等特殊区域的通信需求依靠卫星通信满足。
农村：农村地区建设蜂窝移动网络的电力、塔架和土建工程等部署成本高出城市约三分之一，铺设用于回程的光纤回程成本翻了一番以上，并且由于距离远，微波传输也通常不可行。全球只有75%的农村人口接入4G网络，其中88%处于3G覆盖范围内，12%仍然使用30多年前推出的2G网络。
岛屿：菲律宾群岛、印度尼西亚分别有约2000、6000个岛屿有人居住，在岛屿之间铺设海底光纤难以实现，并且容易因事故或自然事件造成损坏，卫星互联网可解决岛屿上通信问题。
在2G-5G时期，卫星通信的首要需求是全球覆盖。因此，卫星通信以中窄带、中高轨道卫星为主，能够以较少数量的卫星完成全球覆盖，完成对蜂窝网络的补充。此时的卫星通信对于高速率、低时延基本没有需求，卫星通信主要为语言和文本信息服务。
6G是一个全域覆盖的立体网络，将涵盖陆空天海的基础设施资源，集高/中/低轨卫星系统、平流层平台、陆地网络和海上船舶通信等于一体，构建星地融合网络，实现自然空间全覆盖和全球全域的“泛在连接”。6G网络把空天地一体化多接入能力作为关键能力，中国信通院发布的《6G白皮书》提出全球广域覆盖的星地一体化网络将是6G网络的关键技术，星地融合通信已是目前通信技术的重要发展方向。
卫星通信也是未来通信的基本环节。3GPP（第三代伙伴关系项目）已开展对“非地面网络（NonTerrestrial Network，NTN）”的研究。NTN R14至R16的研究项目考虑在5G网络中集成卫星接入业务。NTN R20和6G NTN的相关研究，包括但不限于地面网络（Terrestrial Network，TN）与NTN的一体化，以及在5G和5G-Advanced NTN基础上进一步实现频谱效率提升。因此，我们认为低轨卫星星座将会是未来通信的必要基建。
1.3 卫星互联网的通信技术：按通信介质可分为电磁波通信和光通信
卫星的通信方式主要可分为2种，包括使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分又可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信和量子通信。其中，微波通信和激光通信是目前最成熟、最常用的应用于空间的网络手段。太赫兹是电磁波的一种，相比于量子通信的通信速率，太赫兹通信的通信速率普遍更快。量子通信主要通过光进行信息传播，器件成熟度还未达到可工业使用的要求。
目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的发展都已经较为成熟。但同时，微波通信也存在一些不足之处：1）长距离传输需要较高的功耗，传输速率也会受到限制。2）由于星际环境复杂多变，微波通信需要申请特定的频段，避免与相邻卫星通信频率重叠，以防止信号干扰。
激光通信技术日益成熟，在星间通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纤通信对产业链的催化，其优势为传输速率高、无频段限制，且对其他任何星间通信不会造成干扰，但其对链路的建立过程有非常高的要求，一般只能一对一的传输。
1.3.1 微波通信：通信频段向高频拓展
微波是指频率在0.3~300GHz之间的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。由于微波的频率高于一般的无线电波，所以微波也被称为超高频的电磁波。国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)和电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)将通信卫星微波频率进行了划分。
1.3.1 微波通信：多种波束实现地面覆盖
卫星波束的覆盖形式
点波束（指向波束）：基于数字波束成形的指向波束，点波束总是指向用户。由于点波束功率远超宽波束，因此点波束能够实现更高效的调制和编码，具有每秒百兆比特的通信容量。
宽波束：固定指向，主要用于传输控制命令。宽波束间支持波束切换，宽波束较大的覆盖范围可以降低不同波束切换频率。
卫星使用微波通信搭载的设备组件
微波通信：微波通信将微波作为传输的介质，而无需使用固体介质。
微波具有频率高、波长短的特点，在空气中直线传播，遇到障碍物会被反射或阻断。
微波通信的系统构成：
1.3.2 激光通信：实现星间高速通信的重要方式
激光通信概述：卫星激光通信是利用激光光束在卫星间或者卫星与地面之间传递信号的方式。区别于微波通信，激光光束在空间中充当信息的传输载体。目前，空间激光通信系统主要使用半导体激光器作为光源，而激光通信系统的波长通常选择在0.8~1.0μ波段之间。
激光通信的技术优势：
频带宽度大，链路通信容量较大；
波束发散角度小，方向性强，具备良好的抗干扰和防截获性能，系统安全性高；
设备之间没有微波信号干扰，无需申请空间频率使用许可证。
然而，由于激光光束较窄，对准、捕获和跟踪是激光通信系统需要应对的重要问题。因此，激光跟踪技术是星际激光链路的关键技术之一。
将微波通信技术和激光通信技术相结合已成为星座组网的主流，以满足大规模快速发展的卫星通信星座对更高的测量精度和更快的通信速率的需求。
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