國外最新寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)概述

1 概述

□□美國衛(wèi)訊公司（VIASAT）與美國勞拉公司聯(lián)合打造的衛(wèi)訊-1（ViaSat-1）于2011年10月19日發(fā)射。它是迄今為止容量最大的寬帶衛(wèi)星。與之相對應(yīng)的是歐洲衛(wèi)星通信公司（EutelSat）于2010年12月發(fā)射的“Ka頻段衛(wèi)星”（Ka-Sat）。這2顆衛(wèi)星均采用美國衛(wèi)訊公司的新一代“沖浪波束”（SurfBeam）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，大大提高了衛(wèi)星容量，更好地服務(wù)于美國、加拿大、歐洲和地中海地區(qū)。

衛(wèi)訊-1

衛(wèi)訊-1在軌展開示意圖

打造完畢的衛(wèi)訊-1

美國衛(wèi)訊公司與美國勞拉公司簽署了關(guān)于衛(wèi)訊-1的研制合同，其合作伙伴還有加拿大電信衛(wèi)星公司（TELESAT）和歐洲衛(wèi)星通信公司。他們希望把衛(wèi)訊-1打造成為迄今最大容量的寬帶衛(wèi)星，以滿足目前的市場需求。衛(wèi)訊-1以其高質(zhì)量、大容量、超高速和高效益地服務(wù)于美國、加拿大的個人及企業(yè)用戶。與目前Ka頻段的寬帶衛(wèi)星相比，衛(wèi)訊-1與美國衛(wèi)訊公司的 “沖浪波束”系統(tǒng)優(yōu)化組合后，有望提高10倍以上的容量。

衛(wèi)訊-1定點在西經(jīng)115°，設(shè)計壽命15年。加拿大電信衛(wèi)星公司對該衛(wèi)星提供遙測、跟蹤和控制的操作。它采用大容量的Ka頻段點波束技術(shù)，有18個網(wǎng)關(guān)，能以更快的速率服務(wù)于更多的寬帶用戶，總業(yè)務(wù)量為130Gbit/s，超過了現(xiàn)今覆蓋北美的雙向Ka、C、Ku頻段的全部容量之和。衛(wèi)訊-1使用數(shù)據(jù)服務(wù)接口標準（BOCSIS）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，降低了成本。其終端包括衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。數(shù)據(jù)服務(wù)接口標準網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以應(yīng)付由大雨引起的信號衰減，衛(wèi)訊系統(tǒng)通過上行鏈路的功率控制和自適應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼技術(shù)可以自動地對雨衰作出響應(yīng)。

衛(wèi)訊-1實現(xiàn)創(chuàng)新的技術(shù)有：① “沖浪波束”；②Ka頻段衛(wèi)星室外單元；③數(shù)字視頻廣播SkyPhy芯片；④網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用加速軟件；⑤Ka頻段衛(wèi)星天線和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)；⑥衛(wèi)星有效載荷和系統(tǒng)設(shè)計。

“Ka頻段衛(wèi)星”

歐洲衛(wèi)星通信公司的“Ka頻段衛(wèi)星”于2010年12月底發(fā)射，是大容量的Ka頻段寬帶衛(wèi)星，總?cè)萘砍^70Gbit/s。它采用衛(wèi)訊公司“沖浪波束2”（SurfBeam 2）系統(tǒng)來支持歐洲衛(wèi)星通信公司的“雙向”寬帶服務(wù)，傳輸速率最高可達10Mbit/s的下載速率和4Mbit/s的上傳速率，容量可達到現(xiàn)行服務(wù)的3～4倍。該衛(wèi)星配置了82 個點波束，每個點波束容量為900Mbit/s，這些點波束與10個網(wǎng)關(guān)地面站相連接，以此作為“雙向”服務(wù)的一部分來提供用戶寬帶服務(wù)。這種構(gòu)造可以使頻率重復(fù)使用20次。“Ka頻段衛(wèi)星”已成為歐洲的基礎(chǔ)設(shè)施，它包括貫穿歐洲大陸的8個網(wǎng)關(guān)和2個候補網(wǎng)關(guān)，并通過纖維中樞環(huán)路與因特網(wǎng)連接。它的應(yīng)用還將成為商業(yè)衛(wèi)星領(lǐng)域最快速增長和最有前途的應(yīng)用。

衛(wèi)訊-1 基本技術(shù)指標

“Ka頻段衛(wèi)星”定位于9°E附近，通過1副雙頻天線，歐洲用戶既可接收Ku頻段的電視，也可獲得Ka頻段的新媒體服務(wù)。歐洲通信的用戶終端由衛(wèi)訊公司提供。“Ka頻段衛(wèi)星”裝有4副反饋展開天線和1個高精確的指示系統(tǒng)，不相鄰單元頻率可以重復(fù)使用并且不發(fā)生干涉。其中，多點波束技術(shù)、大量頻率復(fù)用和極高精確度的指向系統(tǒng)是獲得70Gbit/s的超大容量的關(guān)鍵。

“沖浪波束”系統(tǒng)

“沖浪波束”系統(tǒng)是一種基于衛(wèi)星的，特別為寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的全新的系統(tǒng)。美國衛(wèi)訊公司成功地將基于有線電視網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)服務(wù)接口標準的有線工業(yè)技術(shù)及最先進和成熟的衛(wèi)星技術(shù)集成運用于“沖浪波束”系統(tǒng)之上。“沖浪波束”既可以工作于新的Ka頻段點波束衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，提供支持數(shù)百萬用戶的超大網(wǎng)絡(luò)容量，也能工作于傳統(tǒng)的Ku頻段衛(wèi)星。

“Ka頻段衛(wèi)星”在軌展開示意圖

建造中的“Ka頻段衛(wèi)星”

該系統(tǒng)具有的優(yōu)勢有：可利用線程的有限電視調(diào)制解調(diào)芯片；可利用現(xiàn)有運營商級的終端設(shè)備；可采用第三方產(chǎn)品、網(wǎng)關(guān)、運營支撐系統(tǒng)（OSS）應(yīng)用及在有限電視網(wǎng)數(shù)以百萬計用戶中廣泛應(yīng)用的業(yè)務(wù)。其主要特點有：①容易擴展的架構(gòu)；②大容量及低成本；③出色的用戶體驗；④集成前臺和后臺運營支持系統(tǒng)；⑤虛擬網(wǎng)絡(luò)運營。

“Ka頻段衛(wèi)星”基本技術(shù)指標

“沖浪波束”是一個雙向?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)，可以使服務(wù)提供商通過商用地球靜止軌道衛(wèi)星（Ka或Ku頻段）為居民、小型企業(yè)用戶提供高速因特網(wǎng)接入和寬帶多媒體通信業(yè)務(wù)。它由一個主站（或稱信關(guān)站）和成千上萬分布在各地的用戶終端組成，其中主站由射頻子系統(tǒng)、基帶/中頻子系統(tǒng)，信關(guān)站管理系統(tǒng)和網(wǎng)控中心組成。它的主要設(shè)備有：用戶終端、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)傳輸系統(tǒng)SMTS-1200、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）。

吊裝中的衛(wèi)訊-1

自適應(yīng)解碼與調(diào)制（ACM）是用來增強“沖浪波束”下行鏈路信道系統(tǒng)容量的一種自適應(yīng)編碼調(diào)制配置。自適應(yīng)解碼與調(diào)制跟蹤每個用戶的下行鏈路信道質(zhì)量和用戶用來發(fā)送信息的模塊的動力學(xué)變化。

2 Ka頻段通信衛(wèi)星的功能

通信體制

“Ka頻段衛(wèi)星”通過歐洲衛(wèi)星通信公司現(xiàn)有的熱鳥-6和歐鳥-3來接入服務(wù)，其提供的電視服務(wù)采用包括基于數(shù)字視頻廣播（DVB-S2）的VCM/ACM模式的新技術(shù)和H.264SVC編碼22。“Ka頻段衛(wèi)星”使用基于自適應(yīng)解碼與調(diào)制的方法對系統(tǒng)性能非常重要，其MOD/COD門檻是基于數(shù)字視頻廣播標準的。

有效載荷質(zhì)量和功耗

美國衛(wèi)訊-1發(fā)射質(zhì)量6300 k g，凈質(zhì)量3650kg。歐洲“Ka頻段衛(wèi)星” 發(fā)射質(zhì)量6150kg，凈質(zhì)量為3200kg，其中載荷質(zhì)量1000kg。載荷功率為11kW，太陽電池產(chǎn)生功率15kW。

有效載荷設(shè)計

· 使用行波管輻射收集器（Radiative collector TWTs），增加南北熱管耦合的高有效性，降低南北墻板的熱輻射范圍，同時能滿足多種運載火箭的要求（因此內(nèi)部留有4m直徑的減阻裝置）。在距天線發(fā)射端最短距離的位置安裝行波管輻射收集器，使有效全向輻射功率（EIRP）性能最優(yōu)化。

· 由于采用了新一代的雙軸天線部署和調(diào)整機械裝置（ADTM Mk2），在一個嵌套構(gòu)造中可容納4副收攏狀態(tài)的大型反射面天線。雙軸天線部署和調(diào)整機械裝置是一個小型設(shè)計，用來支持雙配置鏈，并保留了機械模塊和技術(shù)的很強的繼承性。

· 天線饋源組件安裝在上層的水平高度上，以最大限度提高增益噪聲比。

· 產(chǎn)生一種支持天線反饋組裝的新概念，將反饋組裝在上層區(qū)域之上。這個構(gòu)造可以對反饋提供清晰視野，同時能夠使天線幾何補償最優(yōu)化。

天線設(shè)計

· 多波束天線使用每個波束單反射器天線配有單反饋的傳統(tǒng)概念，設(shè)計需要有兩個關(guān)鍵特點：①將多模式反饋角設(shè)計成高度優(yōu)化，同時提供組合接受和傳輸功能；②反射器外殼的高度穩(wěn)定性，要考慮到制造公差和熱彈性畸變。

天線設(shè)計和波束設(shè)計

（1）天線分系統(tǒng)設(shè)計

鏈路預(yù)算考慮作為前向連接（FW）第二代通過衛(wèi)星的數(shù)字視頻廣播標準，以30 Msym/s的符號速率，低密度奇偶校驗碼（LDPC）的編碼率2/5。這樣的波形占有一個比“Ka頻段衛(wèi)星”轉(zhuǎn)發(fā)器提供的237MHz更窄的帶寬。對于返回通道（RC），不同的構(gòu)造都是基于交互頻道的數(shù)字視頻廣播標準，只有一個編碼率，也就是渦輪1/3。

（2）Ka頻段天線設(shè)計

天線軸的長度（約100mm）保證了高硬度的平面，適用于在高速傳輸上的應(yīng)用。

“Ka頻段衛(wèi)星”的頻率復(fù)用情況

· 高級的輻射排列：天線是一個輻射排列再分為開槽的波導(dǎo)的N分排列，融入到Tx和Rx天線區(qū)內(nèi)。以這樣的方式，在天線輻射區(qū)域之間共享，沒有不穩(wěn)定的天線增益。Rx前段和Tx/Rx相位調(diào)整器的數(shù)量減少，這樣可以應(yīng)對必須的無線電頻率（RF）組件集成所帶來的問題。而且Rx和Tx的排列分離使天線組網(wǎng)更加容易，可以在沒有天線共用器時實現(xiàn)，甚至簡化必須的無線電頻率（Tx/Rx）。必須的無線電頻率高功率部分置于室內(nèi)，這可以使天線溫度遵從實際的歐洲衛(wèi)星通信公司信息請求說明。然而，當進入室外的無線電頻率的高頻部分時，可能造成Tx路徑損失。

天線的垂直距離保持盡量的低，使輻射元件旁的無線電頻率組件、引擎、數(shù)字控制器成為一個整體。

· 天線屏蔽器設(shè)計：天線屏蔽器用于終端移動應(yīng)用設(shè)備上，它材料的選擇要以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，考慮到熱和電磁。其形狀要滿足空氣動力學(xué)、天線的安裝、結(jié)構(gòu)和電學(xué)掃描需求。天線屏蔽器的設(shè)計通常是給予性能工藝和組件相互作用的一個迭代過程。公司已經(jīng)開發(fā)了一個有效的A型天線屏蔽器，但不能完全用于Ka頻段。選用一種更好的九層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更好的電學(xué)性能。

（3）波束設(shè)計

“Ka頻段衛(wèi)星”使用歐洲星-E3000平臺，具有如下特點：

· 天線跟蹤系統(tǒng)（ATS）以保證精確瞄準。

· 在雙重配置中，長焦距與大直徑反射器相結(jié)合，以獲得最優(yōu)性能，包括增益和多波束范圍的干擾率。

· 三級機械平臺結(jié)構(gòu)與輻射冷卻收集器相結(jié)合；適用于大載荷，能夠限制熱擴散，并能夠使高效率等向輻射功率和增益噪聲比的損失減到最小。

· 等離子體推進系統(tǒng)能夠保障這樣的大型衛(wèi)星的生命周期性能。

頻率規(guī)劃

對于Ka頻段衛(wèi)星，頻率范圍：-19.7～20.2GHz和29.5～30GHz。其中上行鏈路：27.5～29.5GHz與固定服務(wù)共享（FS），24.75～25.25GHz 在2/3的國際電信聯(lián)盟（ITU）區(qū)域，因此3GHz是可用的，但有限制。對于下行鏈路：17.3～19.7GHz與寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)（BSS）反饋鏈路（feeder link）共享和固定服務(wù)共享與很多地面鏈路操作，21.4～22GHz在ITU區(qū)域，1/3與固定服務(wù)、移動、寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)共享。因此3GHz是可用的，但有限制。

“Ka頻段衛(wèi)星”具有高等級的頻率復(fù)用。它配備四重反饋可展開天線，以及增強的指示精準的高效中繼器。其范圍覆蓋歐洲、非洲中東和北部部分地區(qū)。有效的頻率復(fù)用使系統(tǒng)獲得的容量超過70Gbit/s。衛(wèi)訊-1總?cè)萘砍^100Gbit/s。

使用Ka頻段，意味著波束更小。在前向鏈路（網(wǎng)關(guān)-終端）可以使衛(wèi)星功率更有效的用在有限的區(qū)域，連同必須的有效各向同性輻射功率和給予用戶的更加接近。

地面應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

· “沖浪波束”上下行速率：3.5/72Mbit/s。

· 用戶終端：“Ka頻段衛(wèi)星”包括外部單元，帶有直徑小于75cm的天線；小型內(nèi)部單元，它可以提供一個簡單的用戶界面：即插即拔、以太網(wǎng)或Vifi。

“Ka頻段衛(wèi)星”用戶終端設(shè)備

· 信關(guān)站：“Ka頻段衛(wèi)星”提供82個點波束，其中由一個地面站提供服務(wù)，地面站由8個信關(guān)站組成，8個信關(guān)站由光纖連接。

· 組網(wǎng)：假設(shè)移動的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器作為一個路由器工作，也就是配有屬于兩個網(wǎng)絡(luò)的兩個接口。對于用戶接口，假設(shè)它在移交（HO）過程中不改變其構(gòu)造。對于衛(wèi)星接口，物理組成由一個返回鏈路的調(diào)節(jié)器和一個前向連接的調(diào)節(jié)器構(gòu)成。不同的方法都可以應(yīng)用到衛(wèi)星接口的構(gòu)造上。如果衛(wèi)星所有網(wǎng)關(guān)的接口具有相同的IP地址，那么移交不需要重新分配IP地址。如果網(wǎng)關(guān)具有不同的IP地址，會對衛(wèi)星接口進行動態(tài)的重構(gòu)。在任何情況下，在移交過程中的IP組（特別是TCP期間）會變差。一種解決這個問題的方法是移動IP（MIP）。

3 結(jié)束語

最新寬帶通信衛(wèi)星衛(wèi)訊-1和“Ka頻段衛(wèi)星”兩顆衛(wèi)星的發(fā)射給北美地區(qū)、歐洲和地中海地區(qū)數(shù)以萬計不能接入地面寬帶網(wǎng)絡(luò)的用戶帶來了福音，為寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及發(fā)展帶來了革命性的成就。■