全球Ka波段寬帶衛星業務的現狀和發展（一）

陳 強，趙慶鎖，李 濤

（1.通訊所，北京；2.新華通訊社，北京，100803；3.成都科脈通信技術有限公司，成都，610031）

全球Ka波段寬帶衛星業務的現狀和發展（一）

陳 強1，趙慶鎖2，李 濤3

（1.通訊所，北京；2.新華通訊社，北京，100803；3.成都科脈通信技術有限公司，成都，610031）

本文簡要回顧了全球衛星通信從C/Ku波段到Ka波段，從話音、廣播電視到互聯網應用的軌跡；對目前Ka波段H TS衛星網絡的架構、地面系統情況以及采用的新技術進行了概述；列出了目前全球Ka波段在軌HTS衛星、建造的HTS衛星的容量、運營公司、使用的地面系統等；介紹了美國Ka波段寬帶衛星業務的發展情況。

Ka頻段；HTS衛星；關口站；在線小站用戶

1 衛星通信的發展

1963年，美國休斯先后研制了3顆地球同步軌道衛星，分別取名為Syncom-1，Syncom-2，Syncom-3，這是人類首次發射地球同步軌道衛星。1965年4月，由休斯制造的Early Bird（“晨鳥”）地球同步軌道衛星發射升空，標志著全球商業衛星通信的開始。

1985年，美國休斯公司的工程師們研發出VSAT系統，并為沃爾瑪（Wal-Mart）連鎖商店組建全球第一個商用衛星通信網絡，山姆?沃爾頓決定采用休斯公司的VSAT來連接他的鄉村商店和物品配送中心，這個決定被美國《財富》雜志評為20世紀人類最重要的商業決策之一。衛星通信正逐漸成為全球電信基礎架構中不可分割的組成部分。

直到20世紀末，通信衛星的設計主要是圍繞廣播電視業務進行，所以要求衛星覆蓋盡可能大的地面面積，換句話說，衛星設計的關注點是覆蓋范圍，而不是通信容量。衛星通信開始的10年，衛星工作在C頻段（4-6GHz），隨著時間的推移，80年代出現了更高頻率的Ku頻段（10-14GHz）衛星。直到過去10年，Ku衛星仍占全球衛星通信的主導地位。

受高清電視、高速互聯網接入等需求的推動，許多地區對衛星帶寬的需求量超過K u頻段所能夠提供的極限，促使衛星工業使用更高的Ka頻段（18-30GHz），也使全球衛星通信進入了應用高吞吐量（HTS）衛星的新技術階段。

新一代高吞吐量衛星（HTS）衛星的設計不僅使用了更高頻的Ka波段，而且采用多點波束結構，通過重復使用有限的頻率資源獲得更大的通信容量。如圖1所示，HTS衛星采用類似于地面蜂窩網的技術，各個點波束采用不同頻率和極化的組合而彼此獨立工作。

圖1 Ka頻段HTS衛星的波束設計

一個例子是采用休斯公司Juip ter高吞吐技術的EchoStar 17號衛星，它有60個點波束。EchoStar 17衛星與Spacew ay 3合起來形成了對美國國土的優化覆蓋（如圖2所示）。另一個例子是歐洲衛星公司的KASAT寬帶衛星，其波束設計如圖3所示。

圖2 波束覆蓋示意圖

圖3 波束覆蓋示意圖

一顆采用60個點波束的HTS衛星，如果每一個點波束為出向500MH z和回傳500MHz的容量（典型的Ka頻段分配），則此顆衛星將擁有60GHz的容量。因此通過頻率復用，HTS能夠獲得比常規衛星多得多的帶寬。采用點波束覆蓋，衛星下行EIRP和上行G/T值比常規的成形波束高出許多，HTS衛星的bit/Hz比可以達到2～3，而Ku波段衛星的bit/Hz值僅僅在1～1.6之間，這樣，一顆HTS衛星的傳輸總容量可以輕易地突破100Gb/s。

一顆衛星，不管是按最大化容量或是按最大化覆蓋設計，其星體設計、建造、發射的成本大致相同，所以H TS衛星的每比特（bit）費用要遠低于廣闊覆蓋設計的衛星。

國際上Ka波段衛星傳輸技術已經達到很高的成熟度，衛星網絡的性能、可靠性和可用性都能與K u波段網絡相媲美。Ka關口站的射頻傳輸設備（RFT）有支持750瓦輸出功率的行波管功率放大器，衛星終端的Ka射頻部件采用最先進的砷化鎵單片微波集成電路，工作穩定/可靠、性價比高。為提高射頻部件的可靠性、降低其體積、重量、耗電量和成本，美國休斯公司甚至專門設計并委托美國芯片設計制造商生產高性能BUC用MMIC芯片組，并在其美國Shady Grove工廠組裝生產Ka波段射頻單元。

2 HTS衛星的點波束設計及衛星容量

設計HTS衛星的波束大小需要權衡衛星的容量與覆蓋。小波束可以做到較高的容量，因為小波束會有較好的鏈路特性，從而有更高的頻譜效率和通信容量舉例來說，EchoStar 17號衛星采用0.5度左右（或略大，直徑約300公里）的小用戶波束。

當今衛星工業的技術水平有能力制造容量超過200Gb/s的HTS衛星，但這并不意味著每一個運營商都應該部署這樣的大容量衛星。目前全球50多個啟動的Ka衛星項目（無論已在軌或計劃發射），大部分衛星都采用部分載荷為Ka頻段波束的方式。在2013年發射的H ispasat亞馬遜3號衛星有以下載荷：33個Ku轉發器，19個C轉發器，9個Ka點波束。其每個Ka點波束容量是上下500MHz，則該衛星具有9GHz、相當于20Gb/s的Ka波段數據通信能力。

目前，歐洲、非洲、中東、拉丁美洲地區的HTS衛星服務提供商傾向于選擇部分Ka載荷衛星或小容量的全Ka波段衛星，因為：

⊙ 小地域覆蓋，目標覆蓋區域可能僅是一個中等大小的國家和地區。

⊙ 預期填充率較緩慢，發展中國家的填充率可能比北美或歐洲等發達地區慢，立即部署大載荷的HTS衛星不具備經濟性方面的好處。

⊙ 低成本，在衛星上安裝部分載荷的開支遠低于發射一顆全Ka波段的HTS衛星。

所以，衛星容量不一定越大越好。事實上，只有市場預期衛星的填充率很高或總容量能被迅速消耗，衛星才是“越大越好”。衛星通信市場需求多種多樣，較小的衛星容量可以使寬帶衛星運營商運用較小投資先期切入市場。

3 Ka波段寬帶地面系統的發展

從沃爾瑪應用全球第一個VSAT網絡開始，VSAT技術在各方面都有了很大的進步。圖4展示了兩個最引人注目的發展趨勢（傳輸性能的提高，促使成本的降低）。

圖4 VSAT設備的發展

上世紀80年代，一套VSAT終端成本超過1萬美元，數據傳輸能力為9.6～64kb/s。今天Ku或Ka頻段的VSAT小站成本少于1千美元，卻擁有10～20Mb/s的吞吐能力。但是，VSAT系統的基本架構并沒有明顯改變，這種架構為傳統的36MHz C/Ku衛星網絡而設計，也同樣很好地應用于采用點波束架構的高吞吐量衛星。

高吞吐量衛星與傳統衛星對有一些關鍵性的區別，包括：超過100MHz的高容量波束；每關口站支持多達10～20個點波束，擁有超過5Gb/s的通信容量；單個遠端站的傳輸能力；克服雨衰對Ka頻段影響的能力。

高吞吐量衛星的出現對地面VSAT系統有了更高要求。應用于Ka波段HTS衛星的地面通信系統應該支持空間段和關口站資源的高效利用，同時擁有高性能、高性價比的應用小站終端。

3.1 DVB-S2標準擴展

DVB-S2/ACM（自適應編碼和調制）為現在主流VSAT系統所采用，但是DVB-S2標準當初為36MH z和54MH z轉發器解決覆蓋應用而設計，最高才支持45Ms/s，16 APSK調制的技術體制。新一代高吞吐量衛星的每個波束都為大容量，只有采用DVB-S2擴展載波才能實現更高的容量、更好的鏈路性能。比如，美國休斯公司的JUPITER系統已經對其DVB-S2標準進行了多項擴展，其出向載波可以支持支持最高達200Ms/s的符號率、32A PSK或者更高的調制方式，這樣一個出向載波最高可以支持近1Gb/s的信息速率。

3.2 高效率、高可靠性的關口站

VSAT應用需求的提升對主站/關口站的容量有了更高的要求，這與上面所提及的信道容量相關，但最后還要體現在設備硬件的支持能力上。使用一個傳統36MHz轉發器，VSAT主站容量要到80～100Mb/s，大多數VSAT系統其主站設備需要占用一個或一個半機柜。但使用多點波束結構的高吞吐量衛星，地面關口站需要支持1～10Gb/s的容量。考慮建設一個5Gb/s的關口站，若采用一個半機架僅支持100Mb/s吞吐量的傳統VSAT系統，則總共需要多達25個設備機柜，還不包括流量管理設備（Packet Shaper）、路由器、交換機和其他應用終端。關口站體積龐大，耗電量高，對空調要求也高，這些都意味著高昂的建設和運營費用。

3.3 高性能小站終端

據統計，每個美國家庭互聯網連接設備的數量已經增長到5.7臺，連接設備數量的增多，視頻流量的增加，遠端衛星小站需要面對更大的工作壓力，要求地面通信系統的用戶端衛星終端支持很高的傳輸容量和強大的處理能力。現在，美國休斯公司的衛星終端支持高達100Mb/s的IP包吞吐量，足可以滿足高端企業和政府機構的使用要求。

3.4 Ka頻段雨衰的挑戰

雨衰是Ka頻段衛星通信系統的最大挑戰。對于關口站和數以萬計的小站用戶，整個系統如何克服雨衰對上下行鏈路傳輸可用度的影響，是需要重點關注的技術問題。

一般而言，Ka頻段HTS衛星通信系統的出向信道需要采取以下技術來抵消雨衰影響：關口站上行功率控制；衛星的自動電平控制（ALC）；關口站射頻系統備份；出向載波的自適應編碼和調制；使用大口徑天線以獲得較大EIRP。

入向信道消除雨衰能力包括：遠端小站的上行功率控制；入向信道的自適應編碼；動態使用不同符號率的入向信道。

與人們想象的相反，Ka頻段HTS衛星通信系統已經在高雨區得到了廣泛的成功部署，如在美國的佛羅里達州，美國休斯公司Ka波段寬帶網絡的可用度可以達到99.7%。

3.5 Ka頻段同頻干擾的挑戰

由于HTS衛星采用點波束，頻率復用的方式增加容量，同頻干擾問題便成為困擾HTS衛星系統正常運營的主要因素，在數萬個小站對準一個衛星同頻工作時，必須有效控制每個小站的上行譜密度，否則，同頻上行干擾將成為HTS衛星運營商和所有用戶的噩夢。因此，采用系統和鏈路提供雨衰儲備余量而不是增加小站硬件配置的方式應是Ka波段HTS衛星克服雨衰問題的主要方向。

4 Ka頻段HTS衛星的現狀

1995年，休斯公司啟動Space Way寬帶衛星計劃，對星上載荷、鏈路設計、和地面通信系統進行研究和開發。2000年，全球互聯網泡沫破滅，衛星通信市場需求下降，休斯公司先后將設計建造的Spaceway1和Spaceway2號Ka波段寬帶衛星交給D irecTV電視直播公司，用于高清電視的直播到戶業務。這兩顆衛星于2005年4月和11月發射并投入運營。

2005年，Anik F-2 satellite衛星發射并投入運行，共有45個點波束，6個關口站，分布在美國和加拿大部分區域，這個衛星在美國稱為Wildblue衛星。2005年8月，泰國衛星的iPSTAR衛星發射并投入運行，該衛星有84個點波束，7個廣播波束，3個成型波束，最大容量為45Gb/s。上述4顆HTS衛星發射并投入運行，標志著全球衛星通信行業進入一個HTS衛星主導的新時代。

2008年8月，休斯公司SpaceWay 3號衛星發射，是全球第一顆采用星上再生中繼和星上交換系統的Ka波段HTS衛星，覆蓋全美的500多個點波束可以提供13Gb/s的總容量，現在其在線用戶達到33萬。

2011年，美國衛訊公司的ViaSat-1號HTS衛星發射并投入運營，該衛星總容量超過120Gb/s，美國衛訊公司使用該星在北美地區推出了品牌Exede的衛星寬帶互聯網服務，與Wildlue衛星一起，填補北美地區地面有線電纜公司寬帶互聯網服務區域留下的空白市場，截止到2014年第一季度，ViaSat-1號上有40多萬的在線小站用戶。

2012年，美國休斯公司的Jupiter 1號衛星發射并投入運營，該衛星的總容量超過120Gb/s，休斯公司使用了其新一代的HTS衛星通信系統和小站終端Jupiter系統，截止到2014年第二季度，Jupiter 1號上有60.5萬個在線衛星小站用戶，現在仍然以每月2到3萬個的速度增長，加上休斯公司擁有的31萬個企業和政府VSAT用戶，美國休斯公司在北美運營的在線衛星小站達到120萬個以上。

根據在線用戶的發展速度，休斯公司的Jupiter 1衛星容量將在2015年使用完畢，衛訊公司的ViaSat-1衛星容量也將在2016年達到使用容限。2016年，美國休斯公司和美國衛訊公司將分別發射Jup iter 2和ViaSat-2號HTS衛星，這兩顆衛星的總容量均將超過150Gb/s，北美和全球的HTS衛星應用將達到一個新的高度。表1給出了過去10年和今后3年Ka頻段HTS衛星的運營、容量和使用地面系統廠家的情況。

表1 Ka頻段HTS衛星的運營、容量和使用地面系統廠家的情況

圖5 每年上線服務的VSAT數量（來源于Comsys）

采用HTS衛星技術的下一代寬帶VSAT網絡給全球范圍帶來更經濟、性能更好的寬帶服務。圖5展示過去25年在線服務VSAT數量的變化情況，可以看出，從2005年開始，高吞吐量衛星的發射/應用促進了整個VSAT行業的顯著增長，并顯著改變著全球衛星通信市場的格局。

在企業市場和家庭消費者市場，美國休斯公司保持50%左右的市場份額，在企業市場和消費者家庭市場，美國iDirect公司和美國V iaSat公司分別超越其他競爭對手，現在分別居于市場份額第二位

總之，受地面寬帶不覆蓋、或覆蓋不足區域對高速上網需求的推動，HTS衛星正在給全球帶來高經濟效益的寬帶連接和應用。作為衛星應用的重要領域，衛星VSAT行業將持續、健康成長為世界主流電信基礎設施的關鍵組成部分，而Ka波段的寬帶衛星業務更是未來發展的重中之重。（未完待續）

BIRTV2014成功舉辦

近日，第二十三屆北京國際廣播電影電視展覽會（BIRTV 2014）在北京成功舉辦，其展出面積超過5萬平米，匯聚中外519家參展商，其中國際廠家約占45%，對廣電領域新技術和事業發展新成果進行了集中展示。得益于我國廣播影視事業的不斷發展，并在全國廣電行業和眾多世界頂級廣播影視廠商的積極參與下，BIRTV目前已成長為世界影響力很大的廣播影視展覽會之一。

今年4月，BIRTV成功入選2014年“商務部引導支持展會”，同時獲得中央財政專項資金支持，大大地減輕了中小企業的參展成本，這既是對BIRTV展覽會的充分肯定，也為展覽會的發展起到了有力的促進作用。今后，BIRTV展覽會將更加注重產業交流、品牌推廣和促進合作，進一步加強新技術新業務的展示推廣平臺、行業政策宣講解讀平臺和國際交流平臺的作用，面向專業化、國際化、品牌化不斷發展。BIRTV愿與更多國內外有識之士共同投身到我國廣播影視建設發展中來，共同推動我國廣播影視業的繁榮發展，為建設社會主義文化強國、實現中華民族偉大復興的中國夢作出新貢獻。

Global Ka Band Broadband Satellite Services Overview (1)

Chen Qiang1, Zhao Qingsuo2, Li Tao3
(1.Communication Institute, Beijing; 2.Xinhua News Agency,Beijing,100803; 3.Chengdu Kemai Telecomm unications Technology Co., Ltd., Chengdu, 610031)

This article is retrospected the trajectory of global satellite telecommunication industry from C/ Ku band to Ka band and from Voice/TV to Internet. The article is listed in HTS satellites which are in orbit and in construction, the capacity , the operators and the ground system. The Ka band broadband satellite business in USA is also introduced.

Ka band; HTS satellite; Gateway; Subscriber

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.09.008

TN 927

A

1672-7274（2014）09-0030-05