基于高通量衛星技術特點的應用分析

呂智勇

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

1 引言

2018年6 月，衛星工業協會SIA發布了2018年度的衛星產業狀況報告[1]。報告稱2017年全球衛星產業總收入達到2686億美元，收益相比2016年增加3%；其中衛星服務收入1287億，增加1%；地面設備收入1198億，增加5.6%；衛星制造收入155億，增加10%；衛星發射收入46億元，下降16%。而在2017年度衛星產業狀況報告中，2016年全球衛星產業總收入為2605億美元，收益相比2015年增加2%；其中衛星服務收入1277億，增加0.2%；地面設備收入1134億，增加7%；衛星制造收入139億，下降13%；衛星發射收入55億，增加2%。從2017、2018年度衛星產業報告中可以看出，衛星服務和地面設備是整個衛星產業收入的大頭，地面設備收入年增長率達6%左右，而衛星服務增長率不足1%，也就是說用戶的增長與服務收費的增長并不匹配，而這兩年恰好是高通量衛星高速發展的時期[2]。下面我們就通過技術分析比較高通量通信衛星與傳統通信衛星之間的區別，進而分析其對衛星通信應用的影響。

2 高通量衛星技術特點分析

高通量通信衛星（HTS，High Throughput Satellite）是指數據吞吐量是傳統通信衛星數倍甚至數十倍的通信衛星，按軌道可劃分為地球同步靜止軌道和非靜止軌道兩種類型，當前在軌應用的高通量衛星以靜止軌道為主。高通量衛星的興起主要源于用戶通信需求量的增長。傳統通信衛星一般工作于C、Ku頻段，目前頻率軌位均已用滿，仍不能滿足日益增長的通信需求，急需拓展新的通信頻段和更高效的通信方式。隨著多波束天線、寬帶大功率器件以及高速數據處理等關鍵技術和器件的攻關，使得高通量衛星技術日益成熟，衛星數據吞吐量越來越高，從而引起人們的廣泛重視。高通量衛星與傳統通信衛星的主要差別在于以下幾點：

2.1 多波束天線

高通量衛星一般選用Ka頻段，一方面是由于當前C和Ku頻段軌位頻率使用已接近飽和，且帶寬有限，而ka頻段軌位頻率資源豐富，可用帶寬大；另一方面是由于Ka頻段天線增益高，可以減小地面終端體積。采用Ka頻段可以獲得更高的天線增益，付出的代價是衛星單波束覆蓋面積小，以前一個C或Ku波束能夠覆蓋的區域，現在必須多個Ka波束拼接覆蓋。中星16是2017年4月發射入軌的我國首顆高通量通信衛星，其用戶波束共26個，拼接覆蓋中國中部，中西部，東部，南部，拉薩地區及中國近海地區，單波束覆蓋區約20萬平方千米。亞太7號衛星是2012年3月發射入軌的商業通信衛星，其1個Ku 頻段大陸波束就能覆蓋我國全部領土及廣大臨近海域[3]，單波束覆蓋區達到上千萬平方千米。可以看出：傳統通信衛星單波束覆蓋區遠遠大于高通量衛星單波束覆蓋區，高通量衛星欲實現相同覆蓋必須采用數十個甚至上百個波束拼接覆蓋。這對通信會帶來如下影響：一是不同波束下用戶間相互通信必須由星上進行交換或由地面進行轉接。由于星上交換會極大增加衛星制造復雜度、制造成本，并降低衛星可靠性；且隨著衛星波束數量的增加，衛星交換矩陣規模成指數上升，因此高通量衛星制造和運營商一般采用地面轉接方案。二是用戶移動通信會帶來波束切換問題，特別是對飛機等高速移動載體，情況尤為突出。三是為實現大地域范圍內廣播，必須同時在多個波束內同時下發相同信息。四是業務不均勻分布在多個波束中，系統效能不能得到充分發揮。

2.2 頻率復用

高通量衛星采用多波束技術后，為頻率復用提供了可能。頻率復用是指不同覆蓋區域的波束使用相同的通信頻率，衛星波束數量越多，頻率復用帶給系統的好處越大，頻率復用技術是高通量衛星實現高數據吞吐量的關鍵。頻率復用可以極大提高衛星頻譜利用率，增加衛星數據吞吐容量；頻率復用因子越小，則頻率復用次數越多，效率也越高，但頻率復用因子受同頻干擾C/I和通信體制約束。

中星16號衛星采用了4色頻率復用加左右旋極化復用的方式[4]，同一頻率在26個波束間重復使用了6～7次。這里采用極化復用是由于同頻波束間隔距離較近，波束旁瓣抑制難以滿足C/I指標，必須通過極化隔離度來減少同頻信號之間相互干擾。頻率、極化復用對通信影響如下：一是極大提高衛星頻率利用率，增大系統吞吐量。二是移動用戶跨越波束時，需切換工作頻率和極化方式，增加通信管理難度；切換極化方式會增加終端設備體積和復雜度。

2.3 超寬帶轉發器

高通量衛星為實現高數據吞吐量，必須擴大可用通信帶寬，并提高頻譜效率。提高頻譜效率意味著高階調制，也就意味著需要更高的信噪比，更大的發射功率。對于功率受限的衛星系統來說，擴大通信帶寬比提高發射功率更容易實現，因此高通量衛星優先采用寬帶轉發器，并在此基礎上支持多種調制方式，以適應信道環境變化。

傳統通信衛星轉發器帶寬一般為36MHz或54MHz[5]。中星16號衛星前向轉發器帶寬為340MHz[4]，是傳統通信衛星轉發器帶寬的10倍左右。下面以中星16為例，分析寬頻段轉發器對通信影響。

通信衛星通信過程及鏈路計算如圖1所示。

式中，C表示鏈路等效總功率；N表示鏈路等效總噪聲；（C/N）表示全鏈路總信噪比；C1表示到達衛星接收機信號功率；N1表示衛星接收機等效信號噪聲（信號帶寬內噪聲）；（C1/N1）上表示上行鏈路信噪比；C2表示用戶終端接收機接收到的信號功率；N2表示用戶接收機等效信號噪聲（信號帶寬內噪聲）；（C2/N2）下表示下行鏈路信噪比。

圖1 通信鏈路計算

圖2 衛星轉發器示意圖

衛星轉發器示意圖如圖2所示。

式中，G通道增益表示整個衛星轉發器增益（含衛星收發天線增益）；G衛星接收天線增益表示衛星接收天線增益；Lf表示衛星下行信號空間衰減；G終端接收天線增益表示用戶終端接收天線增益。可以看出衛星通道增益（G通道增益-G衛星接收天線增益）直接決定下行信號強弱，進而影響整個鏈路通信質量。從圖2中還可以看出，轉發器通道對信號放大的同時，也對衛星接收機噪聲進行了放大，此時噪聲經放大后占用整個轉發器功率百分比如下：

式中，EIRP為衛星轉發器全向輻射功率；K為波茲曼常數；T為衛星等效噪聲溫度；Bn為轉發器帶寬。

在傳統通信衛星中，一般（C1/N1）上與（C2/N2）下基本相同，此時噪聲占整個轉發器功率大約為10%。當高通量衛星轉發器采用寬帶轉發器（以中星16號為例）后，其轉發器帶寬增加了近10倍，如果轉發器通道增益不變，則衛星噪聲將占轉發器功率的100%，這顯然是不可接受的。為保持衛星噪聲占轉發器功率百分比10%，則必須降低衛星轉發器增益10dB，但通過公式（2）可以看出，此時下行信號功率也隨之減少了10dB，則下行鏈路信噪比下降了10dB，導致全鏈路通信質量下降。為保持下行信號信噪比，只有兩個方法，要么增大下行接收天線增益，要么增大上行信號C1功率，即增大用戶發射天線增益或者增大上行信號發射功率。綜合考慮前反向鏈路，用戶終端發射能力和接收能力受限，只能通過增大通信對端的接收和發射能力加以解決。即，設置關口站，關口站采用大口徑高增益天線和大功率功放。

高通量衛星采用寬帶轉發器后，必須設置大口徑關口站彌補衛星轉發器增益下降帶來的損失；而傳統通信衛星如單純增大轉發器帶寬是無法保證正常通信的，這也是傳統衛星轉發器帶寬較窄的根本原因。當然，如果衛星轉發器對信號進行了再生處理，則可以屏蔽衛星噪聲對衛星轉發器功率的影響，衛星鏈路的上下行通信質量可以分別進行計算。但由于星上處理的復雜性，高通量衛星制造商和運營商在衛星波束數量多的情況下均采取設置關口站的解決方案。寬帶轉發器對高通量衛星通信影響歸納為一段話就是：寬帶轉發器會導致衛星轉發器增益下降，而為補償衛星轉發器通道增益下降，必須設置大型關口站，系統中所有衛星用戶終端只能和關口站進行通信。

3 高通量衛星通信系統應用分析

3.1 高通量衛星通信系統組成

典型高通量衛星通信系統組成如圖3所示[6]，系統由高通量衛星、各類用戶終端以及關口站三部分組成。高通量衛星實現信號的轉發，用戶終端為各類用戶提供衛星通信服務，關口站配置有接入系統、交換系統、業務支撐系統和運營支撐系統，實現各類用戶信號的接入、交換和管理功能。

圖3 高通量衛星通信系統組成架構（以viasat為例）

高通量衛星通信系統最主要特點有三個：一是星形結構，所有用戶與關口站建立通信連接。這要求衛星、關口站和用戶終端必須配套建設，系統用戶只能采購專用終端設備（終端通信體制必須與關口站通信體制兼容）才能接入系統。二是用戶不均勻的分布在各多點波束覆蓋范圍內。三是單星支持高吞吐量數據通信，系統以數據流量進行收費，通信服務費用相對較低。

3.2 業務應用分析

衛星通信服務領域主要分為以下幾個部分：公眾寬帶、移動通信、中繼通信、企業商用和公務通信、廣播通信、應急通信和軍用通信。下面我們分別比較高通量衛星和傳統通信衛星在這幾個領域的優劣。

竭誠服務職工群眾。群眾利益無小事。只有平時真正把職工群眾的一樁樁“小事”做好了，做到與職工群眾心連心，關鍵時刻才能“一呼百應”。要大處著眼、小處著手，不怕瑣細、日積月累，深入細致做好為職工服務工作。要深入開展農民工入會集中行動，最大限度把農民工吸收到工會中來，使他們成為工人階級堅定可靠的新生力量。要堅持扶貧同扶志、扶智相結合，分類做好城市困難職工解困脫困工作，讓困難職工同步邁入全面小康社會。

（1）公眾寬帶。主要為地面網絡覆蓋不到的地區提供寬帶上網服務，重點解決偏遠地區30%-40%人口的寬帶上網問題。用戶特點：用戶通信位置相對固定，對通信費用比較敏感，用戶數量多，通信帶寬需求大，希望服務商直接提供全套服務，系統操作使用越簡單越好。高通量衛星通信系統建有關口站，并提供完整服務，用戶僅需購買通信終端即可獲得寬帶通信服務，通信服務費用低。傳統衛星通信系統以出租轉發器為主，對此需構建專用通信系統，并提供相應服務保障，通信費用較高。因此在這一領域，高通量衛星通信系統占有較大優勢，是未來重點發展方向。

（2）移動通信。主要為飛機、輪船、火車、汽車等高速移動載體提供廣域寬帶通信服務。用戶特點：用戶移動速度較快，服務區域廣、對通信服務質量要求高，要求寬帶通信以便構建局部熱點服務區。

高通量衛星通信系統通信速率高，通信服務費用價格低，但由于發展剛剛起步，通信服務區相對較小，跨越波束時需要進行切換，不同高通量衛星通信系統通信體制相互不兼容。傳統衛星通信系統覆蓋區域廣，適用各種通信體制，通信終端可在任意傳統通信衛星上獲得服務，但通信速率相對較低，通信服務費用較高。可以看出，在這一服務領域，高通量衛星與傳統通信衛星各有優勢，但隨著高通量衛星的快速發展，衛星數量越來越多，覆蓋區越來越廣，高通量衛星將在這一領域占有一定優勢。

（3）中繼通信。一類為偏遠地區地面移動基站提供固定的遠端寬帶數據接入，這類中繼通信主要將遠端數據接入骨干網絡，它對接入點并不敏感；另一類為兩個固定骨干節點間提供寬帶數據通信，或為光纖、微波等骨干通信鏈路提供備份，這類業務對接入點有明確要求。第一類用戶特點：用戶大多處于發展中地區、偏遠地區、海島、沙漠、山區等區域，位置相對固定，對通信帶寬和通信質量要求較高，對費用有一定要求。第二類用戶特點：中繼節點位置固定，對通信速率和通信質量要求高。第一類用戶，高通量衛星相對傳統通信衛星通信速率高，但通信質量略差（主要由于降雨對高頻段通信影響較大），費用相對較低。中繼站費用由建設費用、使用費用和維護費用三部分構成，高通量衛星中繼站總費用是傳統衛星中繼站總費用的50%左右，成本優勢十分明顯[7]。第二類用戶，由于中繼節點位置相對固定，要求一跳到達，因此傳統衛星通信占有明顯優勢。

（4）企業商用和公務通信。一類為企業和政府構建衛星通信專網，提供專網內部用戶間可靠安全保密通信服務；一類為商業人員、公務員和其他個人用戶提供遠程寬帶接入服務。

（5）廣播通信。主要為各類用戶提供衛星視頻和音頻廣播業務。廣播業務是衛星服務的主體，其業務收入占整個衛星服務收入的80%以上。用戶特點：分布范圍廣，全天候全時段通信，對通信質量要求高。

高通量衛星按通信流量進行收費，而廣播業務要求全時段保持通信；高通量衛星覆蓋由多個波束拼接覆蓋組成，難以滿足大地域廣播要求；高通量衛星大多工作在Ka等較高頻段，對降雨比較敏感，小到中雨就會造成通信中斷。因此在這一通信領域傳統通信衛星占有明顯優勢。

（6）應急通信。為出現自然的或人為的突發性緊急情況，以及重要節假日、重要會議，提供廣域寬帶應急通信保障。應急通信具有突發性和暫時性。用戶特點：分布范圍廣，局部地區通信量劇增，支持綜合通信保障，終端便于攜帶，通信質量要求高，互聯互通要求高。高通量衛星通信特點在于終端體積小、重量輕、便于攜帶、使用方便、通信速率高；傳統衛星通信特點在于支持多種通信體制、受降雨影響小，整星資源可以集中使用。應急通信是一個綜合通信保障系統，要求多種通信手段綜合使用，兩者在應用通信中都將發揮重要作用。

（7）軍用通信。為部隊軍事作戰、訓練、執勤、演習提供遠程通信保障。軍用衛星通信服務也是商用衛星服務的重點保障對象。據美國國防部和產業官員宣稱[8]，商業衛星使用量占到整個美國軍事衛星服務量的80%，在伊拉克和阿富汗戰場上高達96%。

用戶特點：分布范圍廣，安全保密要求高，需要自主管理。

高通量衛星系統定義了自己專用的通信體制，所有用戶必須接入關口站實現信號的接入和交換，所有用戶受到運營服務商管理控制和監管，這些無疑為商用高通量衛星的軍事通信應用設置了障礙。因此在這一領域傳統商用通信衛星占有優勢，高通量衛星可為一些保密性要求不高軍事應用提供補充服務。

通過前面分析可以看出，高通量衛星在公眾寬帶、移動通信、中繼通信應用方面占有一定優勢，傳統通信衛星在廣播通信、軍用通信應用方面占有優勢，兩者在應急通信、企業商用和公務通信應用方面各有優劣。另外，需要引起注意的是，帶寬需求和收入結構差異較大，高帶寬占用并不代表高收入。不同應用場景占用的衛星帶寬和獲得的收入差異較大，收入差異是源于不同應用場景的帶寬定價機制不同，高帶寬占用并不代表高收入。例如，移動通信的單位通信收入就遠高于公眾固定寬帶通信的單位通信收入。

4 結束語

高通量衛星通過采用多波束天線、頻率復用、超寬帶轉發器等技術，大幅提升衛星數據吞吐量，是解決衛星通信容量受限的有效方式，是實現全球寬帶互聯網的重要手段，是未來衛星通信發展的一個方向。高通量衛星突破了傳統通信衛星頻率限制，將向更高的頻段和帶寬出發，除了現有Ka頻段，還有Q、V、W等更高的頻段、更多的資源等待高通量衛星去開發和使用，發展空間巨大，在未來廣域寬帶通信領域必將大有作為。■