Ka頻段多點波束衛星通信系統發展趨勢分析

+ 鄭曉天 李集林 劉海客 于雪暉 林墨航天恒星科技有限公司

Ka頻段多點波束衛星通信系統發展趨勢分析

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Ka頻段 星座 靜止軌道 Anik F2

Ka頻段多點波束衛星通信系統有星座組網、全球覆蓋、星上交換等實現方式；也有靜止軌道、區域覆蓋、透明轉發等實現方式。前一種方式波束覆蓋靈活可調，通信質量高，技術復雜，容量受限；后一種方式技術簡單可靠，容量大，波束覆蓋相對固定。本文通過對Ka頻段多點波束衛星通信系統發展的梳理，以及射頻技術和數據通信技術發展對衛星通信發展影響的分析，指出就將來一段時間而言，后一種方式是Ka頻段多點波束衛星通信系統發展的主流。

1. 序言

自從1945年Clarke提出衛星通信的想法后，衛星通信已經走過了60多年的發展歷程。最近二十年Ka頻段多點波束衛星通信系統發展迅猛，但其發展道路也充滿了曲折。本文通過研究梳理Ka頻段多點波束衛星通信系統發展歷程，就未來發展趨勢進行分析預測，希望對我國相關領域的發展提供借鑒。

2. 衛星通信發展概述

如果以1945年Clarke提出衛星通信的設想作為衛星通信的開端，20年后1965年第一顆商業通信衛星Early Bird成功發射；約20年之后在1984年第一個商用VSAT系統在沃爾瑪成功投入使用；再過20年到2004年DVB-S2標準正式推出。回顧衛星通信發展歷史，每隔20年衛星通信必然會發生重大變革。

圖 1 下一代衛星通信系統[2]

1957年前蘇聯發射了人類第一顆人造衛星Sputnik I。雖然Sputnik I只能發射信標信號，但它證明通過衛星進行通信是可行的。隨后Echo I和Echo II采用無源反射的方式進行了衛星通信實驗。緊接著分別在1962年和1963年Telstar I 和Telstar II發射成功，上述衛星都攜帶了一個帶寬50MHz的C頻段轉發器，采用太陽能電池和蓄電池供電，進行了跨大西洋電視直播和電話通信演示。在1965年之前，美蘇發射了大量的的通信衛星進行實驗，但都集中于中低軌道。直到1965年 4月16日，第一顆投入商業運行的靜止軌道通信衛星INTELSAT I 也稱作Early Bird發射升空。該衛星由Hughes公司負責制造，由Intelsat負責運營。Early Bird攜帶兩個25MHz帶寬的C頻段轉發器，能夠提供480路語音信道[2, 3]。從此以后到80年代中期，靜止軌道衛星容量越來越大，能夠提供上萬路的的話音和幾十套電視節目，但其基本工作模式和技術沒有本質變化。1985年Hughes公司為Wal-Mart建設了世界上第一個商用VSAT系統，這是衛星通信系統一次重大的變革，被《財富》雜志評為20世紀最具有意義的20個戰略決策之一[4]。VSAT系統不僅僅是通信頻段的變化和終端天線的小型化，更重要的是實現了基于衛星的雙向交互式通信，實現了衛星通信的一次飛躍。隨后幾十年基于靜止軌道衛星的VSAT發展迅猛，但是其固有的大延時制約了其在當時條件下的發展。所以后來移動通信衛星利用其軌道高度低，延遲小，信號損耗小和全球覆蓋的優勢，迅速得到了發展。而當時光纖通信技術存在諸多缺陷，在這種背景下銥星和GlobarStar 基于全球覆蓋的衛星通信網看起來前途光明。但在其通信網絡建成之后，地面光纖性能大幅度提升，即使跨海光纜的性價比也遠遠優于LEO衛星通信。因此銥星正式運營沒多久就破產，被美國軍方收購。1993年美國NASA先進通信技術衛星（ACTS）發射升空[1]，此后十年是Ka頻段多點波束衛星發展的高潮，各種衛星通信方案相繼提出。

3. Ka頻段星座組網全球覆蓋衛星通信系統

在Ka頻段多點波束衛星理論進行了20多年研究，并通過ACTS行了大量試驗之后，人們迫不及待將其進行商業化推廣應用。在上世界末和20世紀初，在全球范圍內規劃了大量的寬帶衛星通信系統，包括LEO、MEO和GEO衛星，如圖 1所示[2]：

Astrolink[3,4]– 該衛星系統包括9個GEO Ka頻段衛星。其上行頻率為28.35-28.8GHz和29.25-30.0GHz。下行頻率為19.7-20.2GHz。該系統的目標是提供基于衛星網絡的高速多媒體通信。Astrolink采用星上處理（Onboard Processing OBP）以提升系統的效率，并采用星上交換（Onboard Switch OBS）提升系統的靈活性。該系統能夠向端站提供從16kb/s到9.6Mb/s的數據傳輸速率。并且端站采用90cm碟形天線就能夠支持384kb/s的上行數據速率。

Cyberstar[4,5]- Cyberstar衛星星座包含3顆Ka頻段GEO衛星。該衛星系統旨在向網絡服務提供商（Internet Service Providers ISPs）、大中小商業組織和多媒體服務提供商提供IP多信道廣播廣播通信服務。Cyberstar網絡的容量為9.6Gbps。該衛星系統的網絡將采用基于幀中繼和ATM的通信網絡架構。

Spaceway[6]-該系統包含16顆GEO衛星和20顆MEO衛星。該衛星的Ka系統能夠提供高速數據傳輸、Internet接入和寬帶多媒體信息服務。Spaceway衛星架構基于傳統的彎管轉發。當使用0.66m口徑天線的終端時，該系統能提供高性能QoS（BER＜10-10），并保證從16kbps到6Mbps的上行傳輸數據速率。Spaceway衛星網絡兼容ATM協議，ISDN，幀中繼和X.25等地面網絡標準。

SkyBridge[7]-SkyBridge星座包含80顆圓軌道LEO衛星，軌道高度1469Km，軌道傾角53°。該系統旨在提供先進信息服務（例如：交互式多媒體服務），信息速率從16kbps到60Mbps。SkyBridge衛星基于彎管轉發架構。不同于其它衛星，SkyBridge工作于Ku頻段，上行工作頻率為12.75-14.5GHz，下行工作頻率為10.7-12.75GHz。該系統選擇Ku頻段的原因在于其Ka相關技術還不成熟。SkyBridge信關站與地面網絡的接口為ATM交換機，該系統預計能滿足兩千萬用戶同時使用。

Teledesic[8]– 該系統包含288顆衛星，所有衛星平均分布于12條軌道，每條軌道由24可衛星組成。Teledesic衛星系統工作于Ka頻段，上行頻率28.6-29.1GHz，下行頻率為18.8-19.3GHz。每條軌道間相鄰衛星的星間鏈路（Intersatellite Links ISLs）工作于60GHz頻段。Teledesic采用了OBP和OBS技術，旨在提供“空中Internet”。它能夠提供高質量和話音、數據和多媒體信息服務。QoS設計性能為BER＜10-10。上行鏈路采用MF-TDMA接入方式，下行采用異步TDMA（ATDMA）多址接入。該系統設計容量為10Gbps，用戶上行速率為2Mbps，下行速率為64Mbps。

iSky（KaStar）[9]-iSky曾叫做KaStar，旨在向北美地區提供寬帶數據和Internet服務。其Ka系統服務包括：高速雙向Internet接入，衛星廣播電視服務（Direct Broadcast Service DBS）和未來個人通信系統（Personal Communications Systems PCS）。iSky系統初期由2顆GEO衛星組成，上行頻率為19.2-20.0GHz，下行頻率為29.0-30.0GHz。終端上行速率為1.5-5Mbps，下行速率為40Mbps.

從上述分析可以看出，這些系統多為中低軌道Ka頻段衛星星座。相比于GEO和GSO衛星，中低軌衛星的優勢是明顯的，這種優勢主要是由于其更低的軌道高度，主要包括：

圖 2 Anik F2點波束覆蓋區域[11]

更短的信號時延-由于中低軌道衛星軌道高度更低，信號往返時間（Round Trip Time RTT）更短，因此用戶會獲得更好的的話音體驗。

更小的鏈路衰減-軌道高度低的另外一個好處是，信號在自由空間中的損耗會更小，因此用戶甚至可以直接使用手持設備進行通信或獲得熱點服務。

但同時更低的軌道高度同時特給LEO和MEO衛星帶來了很大不利因素，主要包括：

星座組網-為了保證衛星服務覆蓋范圍，LEO和MEO衛星必須進行星座組網。如圖 1所示，每個星座少則十幾顆衛星多則幾十上百顆衛星，整個系統的成本是非常昂貴的。

ISLs鏈路與衛星切換-LEO和MEO衛星的軌道周期很短，為了保證提供持續不斷地服務，必須保證衛星之間的鏈路通信。而要合理的規劃衛星星座中每顆衛星合理的通信范圍和可靠地ISLs，必須采用非常復雜的技術，這將導致昂貴的費用和低可靠性。

終端天線-由于LEO和MEO衛星相對地面固定位置一直在運動，所以終端必須采用全向天線或者帶有跟蹤裝置的定向天線。全向天線沒有增益，因此會限制終端數據速率。如果采用帶有跟蹤裝置的天線，會帶來重量增加、供電增加、設備復雜度等一系列問題。

圖 3 IPSTAR 覆蓋中國區域

衛星壽命低-軌道高度低帶來的另一個問題是衛星壽命短，LEO和MEO衛星壽命一般在5～8年，而且每個軌道面都必須有備份衛星。因此，為了保證衛星組網必須定期發射衛星。

全球覆蓋-衛星通信的一個優點就是通信費用與距離無關，于是很多廠家將其發揮到極致，衛星網絡要覆蓋全球。而對于衛星星座來說，無論其是否愿意覆蓋全球，它都必須覆蓋全球。如果衛星通信網絡向連入當地電信網絡，就必須與當地電信運營商和政府進行溝通，并且建設關口站作為接入接口。如果要真正實現全球互通互聯，那就要與全球各個國家政府和電信運營商進行合作，這個難度可想而知。如果某一地區不允許衛星網絡信號落地，那么衛星知識覆蓋了這一地區，而不能提供服務。對于衛星運營商來說，單位用戶的成本就會增加，其地面網絡的競爭力將大打折扣。由于衛星星座大多由跨國公司運營，通信安全無法得到保障。很多新興國家既想發展本國衛星通信產業，又不希望采用國外企業提供的衛星服務。因此覆蓋本國區域的Ka頻段GEO衛星成為不二選擇，尤其是區域覆蓋的Ka頻段GSO衛星能夠解決上述一系列問題。

從上述分析可以看出，LEO，MEO和GEO衛星星座技術難度大、建造成本高。2003年Lockheed-Martin 終止了Astrolink衛星項目研究[10]。Cyberstar、Spaceway、SkyBridge、Teledesic和iSKy等衛星項目相繼終止或者大幅度縮減項目規模。

4.Ka頻段靜止軌道區域覆蓋衛星通信系統

就在Ka頻段星座組網全球覆蓋衛星系統相繼終止時，2004年Anik F2衛星成功發射升空。該衛星屬于Telesat公司，主要向加拿大及美國提供衛星寬帶接入服務。Anik F2采用BSS-702平臺，采用透明轉發，搭載38個Ka頻段轉發器，衛星容量2Gbps。

隨后2005年IPSTAR發射成功，采用LS-1300S平臺，透明轉發，搭載10個Ka頻段轉發器，87個Ku頻段轉發器，衛星容量為45Gbps。

隨后2007年Spaceway-3發射升空，采用BSS-702平臺，搭載72個Ka頻段轉發器，衛星容量為10Gbit/s。該衛星采用了先進的星上轉發技術和移動點波束技術，但衛星容量也受到限制，在實際運營過程中大多是情況下點波束并不需要經常移動。接下來幾年WINDS、Ka-Sat、Yahsat Y1A、ViaSat-1、Arabsat-5C、Yahsat Y1B、Jupiter-1、HYLAS2、Astra 2E等衛星相繼發射成功，而ViaSat-2、Jupiter-2等超過200Gbit/s容量的衛星預計在2016年發生升空。

2004年后發射的Ka頻段多點波束衛星可以分為兩類：由衛星運營商負責運營，以Jupiter-1等為代表，投資回報巨大；另一類為相關國家，尤其是中東、非洲和拉美等新興國家，的政府結構負責運營，以Arabsat-5C為代表，用來改善國內通信條件。而這些衛星無一例外都是覆蓋某一區域的靜止軌道衛星，大部分都采用了透明轉發方式。

Ka頻段靜止軌道區域覆蓋衛星系統的最大缺點在與通信距離遠，導致信號衰減大，時延長。但隨著大功率射頻技術的的發展，信號衰減得到了影響逐步降低，目前上述系統的EIRP普遍在62～70dBW之間，地面終端采用60cm天線就能實現衛星寬帶接入。隨著數據通信技術的發展，絕對延遲對用戶體驗的影響在逐漸減少。由此看出，采用Ka頻段靜止軌道區域覆蓋透明轉發的通信系統，具有星上簡單可靠、衛星容量大、投資回報率高等優點，所以具有上述特點的Ka頻段多點波束衛星通信系統在未來一段時間內將會是衛星通信發展的主流。

[1]Coney TA. Advanced communication technology satellite (acts) very small aperture terminal (vsat) network control performance. AIAA, 2011,

[2]Farserotu J, Prasad R. A survey of future broadband multimedia satellite systems, issues and trends. Communications Magazine, IEEE, 2000, 38: 128-133

[3]EVANS JV. Satellite systems for personal communications. PROCEEDINGS OF THE IEEE, 1998, 86: 1325-1341,Lockheed-Martin. Astrolink. http://www. astrolink.com

[4]S.Ohmori, Wakana H, Kawase S. Mobile satellite communications. London: Artech House 1998

[5]Cyberstar http://www.cyberstar.com

[6]Hughes spaceway http://www.hns.com./spaceway

[7]Skybridge http://www.skybridgesatellite.com

[8]Teledesic. http://www.teledesic.com

[9]Isky. http://www.ka-star.com or http:www.isky.net

[10]Spaceandtech http://www.SPACEandTECH .com

[11](ECC) ECC, (CEPT) wtECoPaTA. Ecc report 152 the use of the frequency bands 27.5-30.0 ghz and 17.3-20.2 ghz by satellite networks. 2010,

鄭曉天 男 博士研究生 目前研究領域為Ka頻段多點衛星通信系統

李集林 男 研究員 博士生導師 目前研究領域為衛星通信

劉海客 男 博士研究生 目前研究領域為衛星通信

余雪輝 男 博士研究生 目前研究領域為衛星網絡

林墨 男 高工 博士 目前研究領域為衛星通信