软件定义世界
【导语】本文由Kratos 国防与安全解决方案公司联合Analysys Mason咨询公司联合撰写，重点阐述了在全新的多星座垂直整合环境中，卫星通信领域采用编排式、虚拟化地面系统的竞争逻辑。传统卫星企业必须采用编排式、软件赋能的地面系统，以最大化灵活资产的利用、支持高级服务的可扩展部署，并通过采用开放且不断演进的标准来实现互操作性，以适应多轨道多波形星座带来的挑战。
1 引言
未来十年，卫星通信行业年收入预计增长 16%，期间总收入将达 8800 亿美元。高通量卫星（HTS）与非地球静止轨道（非 GEO）星座的普及，推动通信容量供给爆发式增长，以更低的单位比特价格提供高带宽服务。与此同时，运营商通过软件定义卫星（SDS）与星间链路（ISL），为空间段赋予了前所未有的灵活性。面对多样选择，部分终端客户要求采用多轨道方案，充分发挥 GEO/LEO 或其他轨道组合的优势。下一代卫星通信网络必须摒弃现有专用、专有地面站模式，转向灵活可扩展的架构，兼容多种波形与轨道，最大化灵活资产的投资回报。
全球卫星通信收入持续增长，但大部分增长被星链的低成本低轨容量抢占。传统运营商市场份额流失，容量利润率不断压缩。单个运营商缺乏与巨型星座匹敌的创新规模，近年多家大型运营商完成合并，包括 SES / ntelsat、Viasat /nmarsat、Eutelsat / OneWeb。这些企业共同明确了多轨道容量需求，以及具备竞争力的投资规模。更广泛来看，卫星运营商、服务提供商、设备厂商与软件开发商已加入3GPP、 MEF、 TM Forum、DIFI等组织，通过开放协作标准体系实现规模效应。
2 摘要
编排式、软件赋能的地面站，是企业凭借互操作、灵活的端到端服务，与垂直整合巨型星座竞争的核心。
现有运营商与服务提供商有望弥补与星链的竞争差距，通过设备与网络互操作提供差异化价值。部署编排式、虚拟化地面站，下一代卫星通信网络可提供超越现有巨型星座的先进服务。
地面基础设施必须完成数字化转型：模拟处理将替换为支持智能连接的数字接口，专用硬件替换为依托通用计算平台的数字化、虚拟化组件，这一模式已在通信行业广泛应用。虚拟化让卫星地面站走向云原生，运营商可按需扩展信号处理基础设施，无需投入高昂成本部署固定硬件。
为充分利用日益灵活的空间段，网络需实现端到端编排，实时重构网络。全虚拟化、编排式地面站可在多轨道、多厂商网络中实现高资产利用率，同时保障服务质量。该模式最适配DIFI, MEF Carrier Ethernet, TM Forum Open APIs,，以及 5G NTN等互操作网络标准。符合 5G 标准的卫星网络可轻松与电信合作伙伴集成，依托商用现货组件与芯片降低成本，服务数百万用户，并融入云原生 5G 核心网的移动性、波束管理等能力。
图 1.1 卫星通信数字化转型：数字化、虚拟化与编排
数字化：以数字 / 二进制替代模拟数据与系统，卫星通信中即将 L 波段中频接口替换为基于IP的数字中频接口。
虚拟化：以通用处理器替代硬件信号处理组件，以软件形式运行多个虚拟化网络功能（VNF）。
编排：集中化网络控制与管理，依托软件定义组件的端到端视图，根据服务需求与业务变化远程自动化调度资产。
3 低轨星座的优势和劣势
低地球轨道巨型星座在规模与容量定价上具备竞争优势，但服务多样性不足。
自 2020 年底SpaceX公司星链低轨巨型星座投入商用，卫星行业迎来剧变。SpaceX公司垂直整合的制造与发射能力，实现行业领先的规模经济，在轨容量增速无人能及。星链 2019 年启动卫星发射，截至 2024 年 10 月在轨活跃卫星超 6500 颗，容量供给与单位比特价格均居行业首位。其低轨容量成本比地球静止轨道竞争对手低 4 至 7 倍（视垂直领域而定），带宽价格亲民，终端速率最高可达 220Mbps，客户开通流程极简，新终端安装后数分钟内即可远程启用服务。
非地球静止轨道高通量容量短期内爆发式增长，未来随亚马逊柯伊伯系统（3000 颗卫星）、中国星网与“千帆”低轨项目落地，增速将持续超越地球静止轨道高通量容量。SpaceX公司在发射与制造领域占据先发优势，但这些巨型项目均以实现同等激进定价为规模目标。当前非地球静止轨道容量高速增长趋势将延续，分析机构预测 2033 年全球非地球静止轨道高通量容量年均复合增长率达 30.0%，总量达 623 太比特每秒，是地球静止轨道高通量容量的 20 倍。
图 2.1：全球高通量卫星（HTS）容量供给，地球静止轨道（GEO）与非地球静止轨道（Non-GEO）对比
现有地球静止轨道企业无法匹配星链、柯伊伯与中国政府的投资规模，SpaceX公司与亚马逊星座前期投资超 100 亿美元，远超卫星企业与投资者的常规预期。地球静止轨道运营商无法在低成本容量上竞争，需聚焦最大化利用现有容量。
充裕的低轨低成本容量，冲击了长期依赖带宽稀缺性的批发容量商业模式盈利性。星链对卫星宽带等低端服务影响最显著，此类服务中容量占总拥有成本主要部分。2020 年以来，消费者宽带地球静止轨道高通量容量价格年均降幅超 10%，行业整体年均降幅约 6%。
低轨服务未全面替代地球静止轨道企业，传统地球静止轨道运营商服务在多方面优于星链：
容量分配灵活性：低轨卫星因轨道高度低、视场受限，区域容量分配固有僵化，用户密集区易容量紧张；地球静止轨道运营商可灵活扩容拥堵区域，无需扩建全球星座。
服务定制与保障：星链以精简客服、有限的竞争服务控制成本，仅适合消费者与小型企业宽带等场景，承诺带宽与可用性的服务等级协议（SLA）有限，定制化不足，难以满足企业级客户需求。企业客户需求多元、需定制服务，对中断敏感度远高于成本，要求 7×24 小时客服。2025 年星链通过合作伙伴 Speedcast 在海事市场提供 99.9% 可用性 SLA，但服务选择仍有限，低轨固有覆盖限制使其难以在陆地密集区提供同等保障。
标准兼容性：星链技术未遵循互操作网络标准，仅采用改良版 4G 核心网协议，整体为专有方案，目前尚未实现主流宽带星座采用 5G 非地面网络。其直连设备卫星可对接现有 LTE 终端，依托电信合作伙伴地面频谱运营。
采用5G 新空口（NR）的卫星通信企业，可依托开放生态的多厂商互操作服务覆盖更大市场，不参与则可能无法服务移动网络运营商、汽车原始设备制造商等标准化服务需求客户。短期来看，星链宽带技术仍将封闭，无法与其他厂商设备互操作。亚马逊柯伊伯星座是否采用专有技术或 5G 非地面网络服务尚不明确，但其 30 太比特每秒的可用低轨高通量容量将在价格上与星链竞争，进一步加剧价格压力，迫使地球静止轨道运营商降低单位比特成本。通过空间与地面段端到端自动化，运营商可动态分配容量，提升在轨容量复用率，降低单位比特成本。
4 软件定义地面站解决方案
（1）软件定义卫星依托软件化架构的地面资源管控，提升服务灵活性与资源利用率。
地球静止轨道运营商正采用软件定义卫星（SDS）与巨型星座竞争。空客 OneSat、阿斯特拉尼斯 Omega 等先进载荷可调整服务波束的功率、形状、方向与频谱分配。定向波束在地球静止轨道优势更显著，地球静止轨道载荷覆盖近地球 1/3 区域，而 550 公里高度低轨卫星覆盖直径仅 500 公里。搭载灵活载荷的运营商可适配需求波动，自适应调度带宽，提升载荷利用率，降低卫星全生命周期投资风险。分析机构预测，未来十年发射的卫星中超 93% 将具备不同程度的灵活性。
图 3.1：软件定义卫星：发展趋势与特征
软件定义卫星可降低波束总功率与容量 10%-15%，但容量利用率提升足以弥补该损失。运营商无需将容量浪费在覆盖空白区域的固定波束，可全力为在线用户提供服务。短周期内完成带宽与功率分配调整，可进一步提升效率，减少容量过度配置，降低单位比特成本。充分发挥灵活平台价值，需地面处理器在数秒内协同调度空间与地面段资源，实现自动化频率带宽分配、先通后断波束切换、天线功率管理。
依托地球静止轨道软件定义卫星（GEO SDS）的灵活性，多项卫星通信服务将获得显著增强。以机上互联为例，其容量优势十分直观：传统方式会在航线上方投射一连串点波束形成固定通道，而软件定义卫星运营商则可对每架客户飞机单独发射窄波束并持续跟踪其移动。这种方式避免了在空旷海域上空投射无效波束造成的容量浪费。此外，政府用户常常会出现突发、即时的临时容量需求，例如灾害应急通信或战区前线通信。在整个地球静止轨道覆盖范围内任意调配高通量卫星容量的能力，将大幅提升这类关键场景下临时带宽的成本效益与可用性。
图 3.2：航空移动通信 —— 传统静态拓扑与动态波束指向对比
软件定义卫星（SDS）的优化计算量庞大，为节省用户波束所需的功率与带宽，最佳方案是由地面处理器而非星上处理器（OBP）执行。要实现软件定义卫星的资源优化分配，网络必须进行整体编排，同步调整空间段与地面段，以适配不断变化的业务需求。对从网关到边缘的所有资源进行协同调度，可实现频率与带宽自动分配、无缝波束切换以及天线功率智能管控。
（2）高度灵活的多层网络需要软件定义地面站与端到端编排
软件赋能的地面段，是支撑卫星通信向多层环境演进的关键。在多层环境中，服务不再由单一网络或单一容量类型提供，用户可同时接入多家服务商，获得最优性能与可靠性。卫星通信领域各方都在推动多轨道服务落地。对终端用户而言，GEO+LEO 组合服务，既拥有低轨（LEO）的高带宽、低时延，又兼具地球静止轨道（GEO）的高可靠性与灵活容量调度能力。传统运营商与服务商通过与低轨企业合作，可弥补低轨架构的短板，盘活现有 GEO 资产价值。若用户终端与网关缺少软件定义组件——无法在同一计算硬件上重构、适配不同轨道或波形——这类服务将难以实现成本效益。采用单一灵活组件（而非多组天线与调制解调器），软件化多轨道终端更小巧、成本更低，无需为不同容量类型重复配置硬件。航空移动业务率先采用多轨道方案（如国际通信卫星公司多轨道机上互联），这类客户对体积、重量、功耗（SWaP）要求严苛，必须采用软件化调制解调器。归根结底，多层能力的最佳实现方式，是构建类似地面通信的高度协作生态：用户终端可灵活从多个可用载荷 / 小区中选择最优连接，对于低成本实现这一融合至关重要，采用 5G 非地面网络（5G NTN）等标准也同样关键（见 5.1 节）。
多轨道服务需要虚拟化、可编排的地面解决方案，以便大规模、灵活地调度资源，使其性能超越单轨道系统。所有网络层都必须由部署在网关处的地面软件定义网络（SDN）控制器统一协调。通过将资源编排器与运营商的运营支撑系统（OSS）软件集成，编排式多轨道网络能够提供比当前低轨（LEO）网络更丰富的服务类型，同时提供更可靠的服务等级协议（SLA）保障。这样一来，网络控制器可以掌握为每位用户承诺的带宽与可用性，以及各类定制化需求，例如将数据路由至特定地面网关。控制器会结合这些服务承诺、气象预报和地形数据，预测未来链路性能。凭借对网关、载荷和边缘侧所有在用链路与潜在链路的全面管控，资源控制器能够提前规划网络拓扑，在高效利用空间段资源的前提下，满足用户的 SLA 承诺。系统还可回溯分析不同网络配置的服务性能，用于训练资源控制器，使其选择更高效的网络拓扑。
在端到端编排系统中，可快速提供高级服务并实现客户自动开通。网络运营支撑系统（OSS）能够接收客户高度定制化的服务请求，并结合现有服务等级协议（SLA）承诺与区域容量需求，完成新服务的审批、设计与定价。只有全面掌握所有网络资产与服务承诺，运营支撑系统才能同时保障服务可用性与空间基础设施的高效回报。卫星通信客户可构建复杂网络拓扑，满足需将数据落地至特定网关或接入点的客户需求。对政府与军事用户而言，临时业务流量需快速部署并限定在特定国家境内落地。同样，跨国企业在连接全球分支机构时，更希望端到端掌控数据，确保符合监管要求。依托端到端编排系统，服务提供商可快速配置并重新配置这些服务，无需人工调整固定硬件；同时，集成的运营支撑系统可确保资产高效利用的定价。最终，客户能以最低成本、最少人工干预灵活新增接入点、重新定义网络流量路由。
编排式非地面网络，所需的资源管控范围要大于常规地面网络方案。多数地面软件定义网络（SDN）控制器仅在三层（路由层）管理网络：监测各可用链路的性能，并根据业务性能需求与链路可用性，选择最优链路。但要对跨多轨道、高动态的空间段进行优化，资源控制器还需同时在一层（物理层）与二层媒体接入控制层（MAC）实施编排。开放无线接入网（O-RAN）已为 5G 移动通信确立了这种接入网架构：通过开放接口，实现一至三层的跨层协同管控。接入一层与低层二层，可让编排工具掌握网络当前所有在用链路，同时管控所有可激活的收发器组合，用于建立新链路。结合终端与卫星载荷的位置数据，程序还能在物理模型中预判网络设备的后续移动轨迹。如此一来，控制器不再局限于静态网络拓扑，而是能遍历高动态、多轨道网络中所有潜在流量传输路径。
网络空间段的复杂度将持续快速提升。资源控制器需协同多运营商的大量可重构载荷，并通过星间链路实现网状互联。随着这类网状网络规模扩大，优化网络配置的计算难度也会同步增加。未来，部分资源控制器将采用人工智能（AI）编排工具，实现高效网络优化。
5 虚拟化带来运营优势
5.1数字化与虚拟化依托云原生运营提升成本效率，通过标准化服务优化电信集成
卫星通信网络转向数字化架构（替代专用硬件）具备多重优势：模拟信号随传输距离与路由衰减，即时转换为数字信号可减少 L 波段同轴电缆使用，提升信号质量。数字中频提升网络可扩展性，L 波段矩阵交换机端口规模受限、体积复杂、散热与信号完整性差，数字中频以标准化 IP 以太网交换机替代，模块化设计易扩展端口，全球量产成本更低。数字系统可由通用 IT 技术人员维护，无需专业射频专家，故障切换流程更简便，数字备份仅需设定输出电平，模拟系统需繁琐人工调试。此外，云服务商与 IT 企业对数字基础设施的投入远超模拟射频技术，数字中频部署可持续获得成本效益。
虚拟化为卫星通信网关带来巨大运营优势，以通用计算硬件替代专用物理硬件，以虚拟化网络功能（VNF）运行信号处理等能力。虚拟枢纽高度灵活，支持云原生运营，可一键式部署服务，无需现场人工干预，大幅提升网络扩展后勤优势，客户可本地采购通用计算资源或租赁云服务商机架空间，无需等待数周运输安装专有硬件。
图 4.1：虚拟化架构基本示意图
运营商可通过软件定义网络控制器远程自动化编排，灵活配置虚拟化网络功能，数分钟内响应服务需求，扩容计算资源支撑新增容量。虚拟枢纽可部署新虚拟化网络功能，支持不同调制方式、轨道或网络拓扑的容量，降低对特定运营商与厂商的依赖，规避业务风险与技术淘汰风险。虚拟化网络功能可按需迁移，适合需多点临时部署的专用功能，避免专用硬件系统的多点永久安装成本。
卫星通信企业采用模块化软件服务化架构（SBA），可对接电信企业网络与服务，该架构已在地面通信广泛应用。虚拟枢纽助力卫星通信企业采用电信互操作标准，标准更新可通过软件远程即时推送至虚拟化网络功能。支持电信管理论坛开放应用程序接口的卫星通信企业，可对接各类 IT 与网络系统，包括第三方网络管理与编排工具。城域以太网论坛 3.0 标准允许卫星通信运营商与地面运营商级以太网服务互操作，成为地面网络的太空延伸。数字中频互操作联盟基于 VITA-49.2 标准制定数字中频 / 射频处理互操作标准，保障供应链厂商互操作性。
5.2地面段厂商将开发全虚拟化多任务终端，实现高网络韧性、部署效率与互操作性
软件定义地面站以开放边缘设备替代现有专用、厂商锁定的网络，革新太空网络边缘。全虚拟化卫星通信终端由天线、数字化仪与通用计算硬件组成，以虚拟化网络功能软件运行所有数字信号处理，计算硬件采用通用客户前置设备（uCPE），符合欧洲电信标准化协会（ETSI）等全球标准，支持同一通用平台运行多个协同虚拟化网络功能。
该设计核心优势：
体积更小：虚拟化网络功能在同一芯片并发运行，无需分立硬件组件。
成本更低：采用通用客户前置设备虚拟平台，组件与制造效率提升，可本地采购商用现货硬件。
规模效应：天线厂商可量产通用天线，仅区分性能规格，无需生产多款绑定调制解调器的专用型号。
端到端编排地面系统中，网络运营商可集中管控现场部署的所有终端，远程升级软件能力，无需更换设备即可对接新网络或新增功能，通过软件调制解调器支持不同轨道或运营商波形，实现真正的多任务能力。软件化终端可轻松支持多轨道服务，对接多波束电扫天线（ESA），可并发运行低轨、地球静止轨道虚拟化网络功能，按需扩容匹配容量需求。专用硬件方案需为每颗卫星、轨道或网络配置专用调制解调器，成本高昂、笨重受限。
通用计算硬件允许软件化终端在边缘部署增值软件应用，包括防火墙、网络安全、Wi-Fi、软件定义广域网（SD-WAN）及边缘计算、用户处理定制应用。中央编排器可在终端计算资源充足时，远程新增虚拟化网络功能应用，终端功能仅受天线性能与计算资源限制。通用客户前置设备可支持标准容器化应用，卫星通信服务提供商可采用 IT 行业前沿安全技术，而非厂商专有芯片的有限安全方案，安全软件可远程多次补丁更新，固定安全硬件终端则永久存在漏洞，易被黑客利用。
具备边缘计算的软件化终端可通过本地自动化保障服务质量，在终端处理器部署信号分析虚拟化网络功能，可分析当前频率与全频段频谱，监测频谱利用率，识别干扰与阻塞，配合灵活处理多频率的数字化前端，动态调整参数选择闲置频谱、规避干扰，即认知无线电技术，提升终端连接可靠性与网络频谱效率。
6 支撑增强型互操作服务
6.1卫星运营商与服务提供商采用 3GPP 5G 非地面网络标准，依托开放生态提升价值
融入 5G 生态成为运营商提升竞争力、对标星链的重要路径。3GPP 第 17 版（2022 年）首次支持 L/S 波段 5G 新空口，第 18 版纳入 Ka 波段，2026 年第 19 版将推进Ku 波段标准制定。传统运营商通过协作开发标准技术，可低成本追赶巨型星座的创新速度。
图 5.1：卫星通信企业采用 3GPP 标准的优势
采用 5G 新空口波形，终端厂商可使用地面 5G 网络量产的商用现货组件，核心优势是低成本大规模生产终端，缓解定制芯片供应链压力。共享波形让符合标准的简易终端可对接不同运营商卫星，避免客户被运营商与厂商绑定，提升区域运营商在全球移动市场的竞争力，可联合覆盖提供连续 5G 服务。联网汽车等高增长垂直领域，仅支持标准化终端的可互换服务，汽车厂商不会采用易淘汰的专有方案。
6.2虚拟化地面基础设施是卫星企业融入 5G 生态、备战 AI 原生 6G 的理想方案
运营商与服务提供商应采用虚拟化地面方案融入 5G 生态，软件定义组件可远程升级网络，适配 3GPP 各版本标准更新。最终目标是以全虚拟化 5G 核心网与无线接入网（RAN）替代传统专用枢纽。5G 核心网为云原生，采用模块化虚拟化网络功能服务化架构，核心能力包括实时波束与终端管理，高效协调用户在移动小区间切换，适配卫星通信终端在点波束间的移动性管理，还支持用户认证、会话管理、控制面策略管控、统一数据管理与网络切片管理。虚拟化网络可创建定制化服务切片，适配不同客户的带宽、时延、可靠性需求，集成 5G 核心网可统一管控地面与太空 5G 资产，便捷对接电信合作伙伴，支持双模终端脱离地面覆盖时切换卫星服务。
采用 5G 非地面网络并参与 3GPP 制定，卫星企业将为未来卫星 6G 服务做好准备。下一代通信将打造“网际网络”，从设计之初融入卫星元素，优化卫星小区尺寸与时延差异。6G 为 AI 原生技术，2020 年代机器学习（ML）快速发展，低轨星间光链路普及后，编排平台需实时计算复杂网络最优配置与流量路由，网络规模扩大使配置组合呈指数级增长，需机器学习工具实时求解可行方案。多家软件厂商已研发 AI 增强编排技术，将于本年代末在星座部署验证。6G 时代，软件厂商将遵循 3GPP 标准框架设计集成 AI 工具，部署 5G 就绪、虚拟化网络可保障卫星网络面向 6G 升级，通过标准应用程序接口无缝对接模块化机器学习软件。
7 行动倡议
7.1开展虚拟化、编排式地面站概念验证网络与财务研究，为下一代网络决策提供依据
卫星运营商需决策如何利用软件定义与超高通量卫星能力，保障单位比特成本竞争力。运营商与地面厂商应部署小型编排式虚拟网络，在可控环境低投入测试能力，优先选择移动或军事等能充分发挥全虚拟化与 5G 核心网管理优势的场景，获取高价值、高增长领域运营经验。测试结果可支撑总拥有成本研究，分析各应用场景的优劣。仓促选择架构的运营商将面临高昂地面系统切换成本，需快速明确 5G 与编排式虚拟地面站如何低成本支撑目标服务。
卫星通信企业将与大型云服务商合作，识别高通量云业务模式中存在的短板与瓶颈。加大对云基础设施和商用现货芯片组（COTS）的投入，将降低通用计算成本；尤其亚马逊云科技（AWS）已承诺为柯伊伯（Kuiper）项目打造云原生网关。
7.2卫星企业加入 3GPP、城域以太网论坛等标准组织，对接 5G 与云生态合作伙伴
现有企业需转向标准合规的开放生态，与封闭巨型星座差异化竞争。采用电信生态标准，编排式卫星网络可对接地面合作伙伴，优化卫星与移动网络流量调度，尤其适用于地面移动漫游、注重韧性的混合固定部署场景。开放生态企业可联合研发，避免重复投入，5G 终端采用商用现货芯片，规模化生产满足多运营商需求，实现垂直整合企业的成本效益。
所有卫星企业应加入 3GPP、城域以太网论坛、电信管理论坛，地面厂商额外参与数字中频互操作联盟。早期参与可掌握技术要求与数字架构，通过工作组参与标准制定，对接具备城域以太网论坛、电信管理论坛标准软件开发、5G 核心网与无线接入网云部署、大众市场芯片设备制造经验的地面厂商合作伙伴。卫星行业需融入电信生态，借力地面技术创新赋能太空通信。
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