美國OneWeb系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

林 莉，左 鵬，張更新

（1.廈門廣播電視集團(tuán)技術(shù)中心播送部，廈門 361000；2.裝備發(fā)展部軍事代表局駐七一四廠軍事代表室，南京 210007；3.南京郵電大學(xué)，南京 210003）

1 發(fā)展概況

OneWeb系統(tǒng)是美國OneWeb公司建設(shè)的一個新一代寬帶低軌道小衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最初構(gòu)想由O3b網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)始人格雷格·惠勒（Greg Wyler）提出，并得到互聯(lián)網(wǎng)巨頭谷歌公司（Goog le）的支持，于2012年成立一個專門的公司來建設(shè)。2014年8月，Greg Wyle r的團(tuán)隊(duì)離開Google。2015年1月，Greg Wyler將公司改名為On eWeb（一網(wǎng)）公司，并宣布獲得英國維珍（Virgin）集團(tuán)和美國高通（Qualcomm）的投資。目前，OneWeb公司正在軟銀、國際通信衛(wèi)星公司和可口可樂等投資方的支持下，進(jìn)行全球?qū)拵У蛙壭l(wèi)星通信星座系統(tǒng)的建設(shè)工作。2014年6月，WorldVu 公司從破產(chǎn)的SkyBridge公司手中獲得有關(guān)衛(wèi)星頻譜，由于OneWeb公司收購了WorldVu公司，從而擁有了ITU正式授權(quán)的Ku頻段資源。

OneWeb系統(tǒng)的目標(biāo)是建立一個大型低軌道小衛(wèi)星星座，能夠向全球提供無縫的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。系統(tǒng)于2015年完成系統(tǒng)設(shè)計，2016年開始衛(wèi)星和火箭制造，原計劃從2018年5月開始發(fā)射衛(wèi)星，2019 年底完成星座的基本部署并開始投入運(yùn)營服務(wù)，整個系統(tǒng)的計劃總投資為15～20億美元。目前，首次發(fā)射時間已經(jīng)推遲到2018年年底，以進(jìn)行更多的地面測試，并把一些改進(jìn)部件融入衛(wèi)星的最終設(shè)計。

目前，全世界仍然有將近40億人無法上網(wǎng)，而能夠提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的很多區(qū)域其網(wǎng)速緩慢且費(fèi)用昂貴。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)對社會帶來的改變?nèi)找骘@著時，能否順暢地接入互聯(lián)網(wǎng)已被許多人認(rèn)為是人類應(yīng)有的基本權(quán)利和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著對互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求的日益增加，未來更順暢便宜、無處不在的互聯(lián)網(wǎng)連接使用需求對地面網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信在這方面可以發(fā)揮重大作用。OneWeb系統(tǒng)的提出給我們提供了一種未來利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決全球?qū)拵Т笕萘炕ヂ?lián)網(wǎng)接入的解決方案。

2 系統(tǒng)組成

低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常劃分為空間段、地面段和用戶段三個組成部分。其中，空間段是指星座中的所能衛(wèi)星；地面段通常指中心站、測控站、信關(guān)站及地面支撐網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)對空間段的測控、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理及用戶管理等功能；應(yīng)用段是指各類用戶終端，包括手持機(jī)、便攜站、車（機(jī)、船）載站、嵌入式終端、采集終端和固定站等。對于OneWeb 系統(tǒng)也可以按照這三個組成部分來進(jìn)行分析。

2.1 空間段

按照最初提交給美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的申請，OneWeb系統(tǒng)的空間段由720顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在18個軌道面上，每個軌道面上部署40顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度為1200km。每顆衛(wèi)星的重量約為145kg，采用電推方式入軌，可在軌運(yùn)行5年左右。圖1給出了OneWeb衛(wèi)星在空中展開后的示意圖。空間段具體的組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量仍有待確定。OneWeb公司2018年3月向FCC提出申請，要求把授權(quán)組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量從720顆增加到1980顆。

所有的On eWeb衛(wèi)星由一網(wǎng)衛(wèi)星（On eWe b Satellite）公司負(fù)責(zé)設(shè)計和制造，該公司是OneWeb 公司與空客防務(wù)及航天公司（Airbus Defense and Space）的合資公司，雙方各持50%的股份。采用一次生產(chǎn)900顆衛(wèi)星的批量生產(chǎn)方式，以大幅降低生產(chǎn)成本，一顆衛(wèi)星的造價低于50萬美元。最初的10顆樣品衛(wèi)星將在法國生產(chǎn)，其余890顆衛(wèi)星的批量生產(chǎn)將在美國佛羅里達(dá)肯尼迪航天中心附近的工廠完成。OneWeb計劃在2018年底開始發(fā)射衛(wèi)星，2019 年底完成星座的基本部署。

圖1 OneWeb衛(wèi)星在空中展開后的示意圖

要將這么多衛(wèi)星在短期內(nèi)部署到位，其發(fā)射也是一個大問題。根據(jù)計劃，OneWeb系統(tǒng)將使用俄羅斯的聯(lián)盟號火箭進(jìn)行21次衛(wèi)星發(fā)射，計劃每21天發(fā)射一次，每次攜帶36顆、偶爾是34顆衛(wèi)星。此外，還將利用Ariane 6號火箭和英國Virgin集團(tuán)的Virgin Galactic空中發(fā)射平臺進(jìn)行發(fā)射。

由于OneWeb系統(tǒng)采用Ku頻段，當(dāng)其衛(wèi)星穿過赤道時存在著與GEO衛(wèi)星之間的同頻干擾問題，因此，OneWeb系統(tǒng)采用了一種稱為“漸進(jìn)傾斜（progressive pitch）”的專利技術(shù)來保護(hù)所有工作在Ku波段的GEO通信衛(wèi)星不受其干擾。其基本思想是，當(dāng)LEO衛(wèi)星接近赤道時，通過緩慢的姿態(tài)調(diào)整使得LEO衛(wèi)星逐漸以一定的斜度穿過赤道，配合發(fā)射功率的調(diào)整，從而消除對GEO衛(wèi)星的干擾。另外，在赤道附近的OneWeb用戶可以轉(zhuǎn)向使用Intelsat的Epic衛(wèi)星。

2.2 地面段

根據(jù)設(shè)計方案，OneWeb衛(wèi)星之間沒有星間鏈路，整個系統(tǒng)采用的是“天星地網(wǎng)”組網(wǎng)方式，因此，需要在地面設(shè)置足夠多的信關(guān)站，才能保證對全球的無縫覆蓋。

按照目前的建設(shè)方案，OneWeb系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)需要設(shè)置50多個信關(guān)站，其中美國至少要有4個信關(guān)站。每個信關(guān)站計劃配置10幅以上的天線，每幅天線口徑為2.4米或更大。OneWeb系統(tǒng)的地面段主要由美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（HNS）公司負(fù)責(zé)設(shè)計、研發(fā)和生產(chǎn)，HNS也在研發(fā)能兼容Intelsat的Epic衛(wèi)星和OneWeb衛(wèi)星的雙模終端。

2.3 用戶段

OneWeb的用戶終端包括機(jī)載、車載、固定安裝等多種安裝模式，采用熱點(diǎn)覆蓋形態(tài)，將衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)、地面LTE/3G、Wi-Fi熱點(diǎn)集成為一體，為OneWeb用戶終端周邊一定區(qū)域內(nèi)的用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。圖2給出了OneWeb系統(tǒng)兩種用戶終端的照片。

由于OneWeb系統(tǒng)采用Ku波段，衛(wèi)星又是工作在低軌道上，因此，終端的小型化和廉價化成為可能。OneWeb系統(tǒng)提供的通信服務(wù)比較適合個人與公共機(jī)構(gòu)使用，推出的用戶終端也是小型化的，可以作為一個本地互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)，附近用戶能通過Wi-Fi或蜂窩信號接入互聯(lián)網(wǎng)。

為支持寬帶接入，OneWeb系統(tǒng)用戶終端的天線口徑約為30-75厘米，可以是機(jī)械式雙拋物面天線或?yàn)榈统杀镜南嗫仃囂炀€。OneWeb系統(tǒng)用戶終端的預(yù)估售價約為250美元。

圖2 OneWeb系統(tǒng)的用戶終端

3 工作過程

OneWeb系統(tǒng)采用天星地網(wǎng)的組網(wǎng)模式，即衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，衛(wèi)星之間沒有星間鏈路，所有的路由交換功能由地面信關(guān)站完成，再通過地面網(wǎng)絡(luò)將各信關(guān)站互聯(lián)起來，從而形成一個面向全球的寬帶大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

OneWeb衛(wèi)星的饋電鏈路（衛(wèi)星和信關(guān)站之間的鏈路）采用Ka頻段，用戶鏈路（衛(wèi)星和用戶終端之間的鏈路）采用Ku頻段，具體工作頻率如表1所示，這些頻率資源原本是國際電聯(lián)（ITU）正式授權(quán)給Skybridge系統(tǒng)使用的，OneWeb公司通過公司收購獲得了這些頻率的使用權(quán)。

每顆OneWeb衛(wèi)星產(chǎn)生16個橢圓形用戶波束（工作在Ku頻段）和2個饋電波束（工作在Ka頻段），可以靈活地對地面特定區(qū)域進(jìn)行連續(xù)覆蓋。其中，用戶鏈路采用一幅相控陣天線來產(chǎn)生16個點(diǎn)波束，圖3給出了OneWeb衛(wèi)星16個用戶波束的覆蓋示意圖；饋電鏈路采用兩幅指向可控天線，分別產(chǎn)生2個饋電鏈路波束。

由于LEO衛(wèi)星相對地面作高速運(yùn)動，在通信過程中用戶不能始終利用一顆衛(wèi)星或一個波束進(jìn)行通信，而需要頻繁地從一顆衛(wèi)星/波束切換到另一顆衛(wèi)星/波束，因此OneWeb系統(tǒng)必須要解決用戶的無感切換（衛(wèi)星間和波束間切換）問題。

表1 OneWeb系統(tǒng)的工作頻率計劃

圖3 OneWeb衛(wèi)星16個用戶鏈路點(diǎn)波束的覆蓋示意圖

由于OneWeb系統(tǒng)的地面段由美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)設(shè)計、研發(fā)和生產(chǎn)，因此，系統(tǒng)的組網(wǎng)協(xié)議也是基于該公司的IPoS.v2（Internet Protocol ove r Satel l i te.v2）空中接口標(biāo)準(zhǔn)，其物理層為DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)。

每顆OneWeb衛(wèi)星的業(yè)務(wù)吞吐量約為6Gb/s，全網(wǎng)的總吞吐量約為3.84Tb/s，是現(xiàn)有全球在軌同步軌道和中低軌道通信衛(wèi)星總?cè)萘康募s4倍。系統(tǒng)可以為每一個用戶終端提供50Mb/s的寬帶接入服務(wù)。假如按照1∶50的帶寬復(fù)用率計算，整個星座可以支撐約400萬個寬帶用戶終端。

4 業(yè)務(wù)應(yīng)用

對于其創(chuàng)辦人Greg Wyler來說，OneWeb系統(tǒng)是O3b網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和增強(qiáng)版，能夠提供更快速、范圍更廣的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。與O3b需要電信運(yùn)營商大型專業(yè)地球站不同，OneWeb將提供適合個人與公共機(jī)構(gòu)使用的小型地球站，類似本地的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過WiFi或蜂窩信號與附近的設(shè)備進(jìn)行連接。由于容量大、時延短，可以保證任何程序的順暢運(yùn)行，因此，OneWeb系統(tǒng)不僅僅是一個互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，而且可以作為全球互聯(lián)網(wǎng)的備用系統(tǒng)，當(dāng)一個地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)連接出現(xiàn)問題時，OneWeb可以作為備用繼續(xù)提供服務(wù)。此外，它還可以在航空、自然災(zāi)害和一些應(yīng)急工作中發(fā)揮重大作用。

OneWeb系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括全球通信、應(yīng)急通信、機(jī)載通信、車載蜂窩網(wǎng)絡(luò)、面向個人/家庭/小機(jī)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)接入等。

由于OneWeb的目標(biāo)用戶是個人消費(fèi)者和小型商業(yè)客戶，因此，公司前期將重點(diǎn)放在大型災(zāi)難來臨時的通訊網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)解決方案，并與維珍集團(tuán)旗下提供亞軌道發(fā)射和飛行解決方案的Virgin Galactic、通信設(shè)備商高通公司、飛行器提供商 Honeywell Aerospace 等建立了合作。同時，OneWeb表示將先對發(fā)達(dá)國家地面網(wǎng)絡(luò)未覆蓋的中、小型企業(yè)開展B2B衛(wèi)星通信服務(wù)，等設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模、營業(yè)額、現(xiàn)金流、成本控制等各方面達(dá)到一定程度之后，再全面展開對全球不發(fā)達(dá)國家邊遠(yuǎn)地區(qū)的衛(wèi)星接入服務(wù)。其實(shí)，這樣一種先入手B2B 的策略，不僅有助于加快獲得美國聯(lián)邦電信委員會（FCC）的許可批準(zhǔn)，在B2B業(yè)務(wù)的開展過程中OneWeb也容易借助合作伙伴，或者合作伙伴的合作伙伴，來獲得各個國家（如印度、中國）、各個方面的運(yùn)營或落地許可，為將來更大規(guī)模、更大深度的業(yè)務(wù)打好基礎(chǔ)。OneWeb系統(tǒng)將在未來3～5年內(nèi)向全球提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。從OneWeb系統(tǒng)的發(fā)展可以看到全球衛(wèi)星通信行業(yè)的兩大發(fā)展趨勢：一是衛(wèi)星小型化、微型化、星座化趨勢日益明顯，星座規(guī)模不斷擴(kuò)大，低成本、批量化、快速制造是未來發(fā)展方向；二是衛(wèi)星星座的設(shè)計理念、應(yīng)用模式和運(yùn)行管理全面創(chuàng)新，采用天地一體化全鏈路設(shè)計理念，簡化星上功能，強(qiáng)化地面處理，注重與信息技術(shù)深度融合，面向普通用戶和大眾消費(fèi)。■

5 結(jié)束語