低軌衛星星座Kuiper系統介紹與分析

+劉帥軍 胡月梅 劉立祥 （.中國科學院軟件研究所 .北京中科宇航探索技術有限公司）

一、Kuiper系統概述

亞馬遜的Kuiper（柯伊伯）系統由分布在590公里、610公里和630公里軌道高度的3236個Ka波段衛星組成，以提供高速、低延遲的衛星寬帶服務。該系統采用先進的通信天線、子系統和半導體技術，提供經濟高效的消費者和企業寬帶服務、互聯網協定傳送（IPtransit）、載波級以太網（carriergradeEthernet）、無線回程等業務。Kuiper系統——通過最大化頻譜復用和效率，并能靈活調整容量以滿足特定區域客戶需求。此外，Kuiper系統利用亞馬遜的地面網絡基礎設施為客戶提供安全、高速、低延遲的寬帶服務。

Kuiper系統空間段和地面段將由五個主要部分組成：

①3236顆先進的NGSO衛星，具有創新的衛星設計、軌道架構和發射計劃。

②一系列的客戶終端，包括企業、消費者和移動終端。

③關口地球站，站點分布在整個Kuiper系統的服務區域。

④Kuiper軟件定義網絡（SDN）和運營/業務支持系統。

⑤Kuiper衛星控制功能，包括衛星操作中心和安全遙測、跟蹤和指揮（“TT&C”）網絡。

二、Kuiper系統空間段

1、星座設計

柯伊伯系統空間段由3236顆先進的NGSO衛星組成，分布在三組不同高度和傾角的軌道面上，具體空間段星座構型配置如表1。

Kuiper系統之所以設計為三組軌道面，主要基于以下考慮：

●最少的衛星數量，以實現最大和均勻分布的地形重疊覆蓋赤道南北56度之間；

●快速計劃主動離軌時間段（＜1年）和最大被動離軌時間段（10年以內）；

●地面上的小型衛星點波束，提高頻譜效率和頻率復用；

●較低的軌道高度，有效載荷功率要求較低；

●減少對衛星的輻射危害，使用高性能商用成品（COTS）硬件。

關于Kuiper系統的部署，計劃將分五個階段進行，表2給出了各階段部署計劃。

2、Kuiper系統衛星

柯伊伯衛星使用先進的多用戶波束相控陣天線，天線技術及軟件定義控制功能可基于給定區域的業務需求，實現靈活的頻率和容量分配。

表1 Kuiper系統空間段構型

表2 星座部署階段計劃

Kuiper衛星上具備一套獨立的天線可與關口地球站通信，該衛星所有的業務可以在多個用戶與關口調制解調器組（gatewaymodembanks）間全路由，以提供完整的包再生、重封裝及重排序。典型地，在軌TT&C通信是通過Kuiper系統的饋電鏈路實現的，而單獨TT&C鏈路則會在發射及早期在軌階段（LEOP）、離軌過程、饋電鏈路不可用等情形下使用。

Kuiper衛星有效載荷體系結構由衛星總線支持，該總線提供軌道控制、發電和存儲、飛行控制和衛星指向等功能。Kuiper衛星通信有效載荷包括多種類型的天線、調制解調器、包路由和交換引擎。一旦衛星進入預定軌道位置、定向調整好，且通過網絡進行設置后，Kuiper衛星通信有效載荷將開始運行。該通信載荷可根據服務區域內的客戶需求，通過再編程實現容量分發。其中，組網和路由子系統由Kuiper系統地面網絡運營，以預編程的方式實現波束與合適虛擬點波束的映射，波束間將實現上下行所有業務的全星上再生、星上交換、星上重封裝等功能。

通信載荷的調制解調器支持多種調制和編碼的選項，包括最新一代低密度校驗碼（LDPC）前向糾錯（FEC）。每個調制解調器支持每用戶鏈路的自適應編碼和調制（ACM），并支持服務質量（QoS）隊列以適當地緩沖數據。組網及路由子系統支持多種服務質量級別，允許執行服務級別協議（SLA）和盡力服務（BE）組網解決方案。（參見圖1）

（1）用戶波束

Kuiper衛星用戶波束為世界各地多個活躍客戶提供連接，通過高增益、可調向、可調形的相控陣天線，可實現在較低軌道高度情況下點波束覆蓋300km2，相當于波束半徑僅有10km。對于需要較大點波束覆蓋的區域，則可實現較大波束500km2，相比于小點波束而言會有大約2dB的降低。用戶點波束間會通過不斷更新他們的系數以補償衛星的移動性，從而實現對終端的連續服務。此外，當用戶波束在衛星間切換時，通信有效載荷支持近乎無縫的切換，保持終端的持續通信。

點波束由Kuiper系統SDN分配，并支持其他衛星的再分配，這主要考慮到GSO排他角、擦傷grazing（服務覆蓋范圍邊緣的用戶）和共線干擾事件。當其余衛星對于虛擬點可用時，Kuiper系統波束規劃SDN將最佳衛星分配給該虛擬點實現最優吞吐量，同時遵守協調協議以及遵守國際、區域、以及特定國家的規則。波束規劃SDN將衛星資源快速交換，在限制控制流量的同時快速重新分配資源。如果備用衛星無法分配，系統還支持在需要時頻譜分割。

圖1 Kuiper衛星通信載荷

盡管用戶波束通常會集中在每個虛擬點上，但系統可以將波束的指向偏離虛擬點中心以優化吞吐量（尤其是當大部分業務量位于遠離中心區域時），同時采用了更先進的自干擾管理。對于消費者而言，他們將始終保持一條與Internet應用、企業鏈接以及亞馬遜服務等的連接，且對于Kuiper系統內的衛星、關口站或路徑的切換將毫無感知。消費者將體驗到標準的以太網接口，并看不到任何底層的無線資源、路由或控制面層。

（2）關口站波束

關口站鏈路（也稱饋電鏈路）始終是點對點連接，衛星和關口站間通過使用饋電鏈路上傳輸的坐標系控制信息實現相互指向對方。在鏈路連接期間，兩端的天線以毫秒級進行指向的更新，以最大化該鏈路的吞吐量。關口站與衛星都使用了備份天線，以支持切換到另一個饋電鏈路上，可有效應對衛星在多個站間移動而可能導致的損失。每個關口站具有4副主動天線，且每副天線都可以充分利用關口站所有的頻率和兩種極化方式。

美國關口站站址的數量大約等于美國領土服務的衛星數，初始的關口站部署基于初始的覆蓋緯度而設計，并隨著提供服務衛星數量的增多而增多。關口站站址的選擇方面，原則是支持衛星在軌運行路徑、拓展業務以支持離岸區域、亞馬遜網絡設施、接入到回程光纖。此外，關口站站址選擇將滿足GSO排他角、共線事件或地面中斷（groundoutages）。最后，關口站位置的數量對于高雨衰區域將增多，以提供多站分集對抗較大的路損。關口站位置可能在沿岸區域更加密集，是因為支持更多的離岸消費者，站址位置選擇將考慮FCC規則中所提出的27.5-28.35GHz頻段使用規范。

3、頻率和極化

（1）用戶鏈路

Kuiper系統中衛星與所有用戶終端、關口站和TT&C的通信均工作在Ka頻段，對于衛星與用戶終端之間的用戶鏈路（UL）而言，極化方式采用了右旋圓極化RHCP與左旋圓極化LHCP。用戶鏈路頻率與極化等配置如表3所示。

用戶下行鏈路充分利用衛星上的相控陣天線優勢，提供可調向、可調形的波束為用戶終端服務，峰值增益在30到45dBi之間，可支持用戶終端相控陣天線或拋物面碟形天線。每個用戶的下行波束可以提供千兆級吞吐量，具體也會受可用頻譜、終端天線增益和工作條件等影響。用戶下行頻譜劃分為100MHz信道，而100MHz信道可以聚合成更寬的信道，實現從200到500MHz的動態范圍。星上每副相控陣天線可使用三個主頻譜設計中的一個，每一個都由4-5個信道組成。

用戶波束天線可以支持多點波束同頻的工作方式，可為服務區域內不同個位置的用戶提供服務。所有用戶波束都可以在左旋、右旋或左旋+右旋的圓極化方式工作，通過工作的靈活性實現協調的需求，并便于區域和國家特定規則。所提出的主要下行頻譜設計如表4。

所建議用于用戶鏈路上行的主頻譜在28.5-29.1GHz頻段，該頻段劃分為50MHz信道，與下行信道可以聚合類似，上行信道也可以聚合從而形成更寬的帶寬，范圍從50MHz到200MHz。

考慮到大多數互聯網業務的上下行非對稱性，上行頻譜的聚合要小于下行頻譜聚合。用戶信道會在多個上行終端之間以FDMA、TDMA及潛在的CDMA或TDMA等方式或組合，以進行共享用于隨機接入信道請求。載荷架構支持在一個波束內分割為更小的頻率單元（FDMA），并可以指向到一個新的位置。這些資源分配的方法非常適合于解決多個服務區域業務量需求的變化，并允許在衛星數量增加后可以適配到更大數量的用戶群體。

表3 Kuiper系統用戶鏈路頻率與極化方式

表4 用戶鏈路下行信道化

（2）饋電鏈路

饋電鏈路中衛星與地面站均采用拋物面天線，天線口徑在1.0米到2.4米之間，工作頻段為上行27.5-30GHz，下行17.7-20.2GHz，具體頻段與極化方式等如表5所示。

饋電鏈路頻率的信道化與用戶鏈路類似，上行分割為50MHz信道而下行分割為100MHz信道。同樣，這些信道可以聚合為更寬帶寬的信道。每個衛星拋物面天線可以工作在所有列出的頻率和極化方式。

（3）TT&C鏈路

TT&C鏈路通過一組有限的高增益（2至3米）地球站天線，以及安裝在不同衛星表面的貼片天線組成，使得即便衛星天線在未對準地球站時也可收發。在軌TT&C鏈路可以使用關口站天線進行工作，所提出的用于TT&C鏈路工作頻率如表6所示。

對于TT&C鏈路而言，實際占用信道帶寬可以是1、5、10、20或50 MHz。在可能的范圍內，預期的信道被設計成頻段的邊緣。當前的設計計劃，需要一個信道在同一時刻僅能與一顆衛星通信，但是一個TT&C站可以采用多個頻率。這主要是為了實現一個TT&C站對多顆衛星的管理，同時多顆衛星間采用不同頻率以相互規避干擾。

三、Kuiper系統地面段

每個Kuiper系統地面終端都會遵循一套操作規范。除初始入網或TT&C操作之外，所有地面終端將遵循協調的切換控制信令，以使得他們僅在所分配的特定衛星特定頻率上進行收發。這避免了任何可能與GSO或NGSO系統未經協調的業務所造成的潛在干擾。在初始入網階段，用戶終端會遵循一個特定序列以確定該衛星是否在可視范圍內，且僅在收到認證的消息、時隙及頻率后才對期望衛星發送入網申請。

每種類型的Kuiper地面終端在到達最小仰角時將不再允許工作，該仰角如表7所示。

當地面終端低于上表中所列的仰角時，將不能再接入Kuiper網絡。同時，衛星也不會將波束指向超過上表中所列的仰角約束。地面天線的初始配置已在ITU USASAT-NGSO-8A等相關提案中進行了說明。Kuiper系統設計允許兩類天線，即相控陣天線和拋物面天線，以支持大動態范圍的增益。用戶終端接收增益范圍在30-41 dBi，發送增益范圍在29.5-45.2dBi，而關口站接收增益范圍在39-49dBi，發送增益范圍在40-52.8dBi。所有的調制解調器都支持自適應調制編碼方案，不管是高容量/高增益天線亦或是低成本/低增益天線終端。

1、用戶終端

Kuiper用戶終端將允許住宅、企業和移動（交通）等客戶通過電調轉向的相控陣天線，或機械轉向拋物面天線，實現與Kuiper衛星的接入。用戶終端調制解調器具備點波束內高速業務速率、鏈路優化、用戶終端波束指向，以及確保用戶通信安全等特點。

2、關口站終端

由于Kuiper衛星間不存在星間鏈路，該系統關口站站址將分布在整個服務區域，以使每個Kuiper衛星接入兩個不同的關口站，以實現系統吞吐量提升并降低共線干擾事件。

表5 饋電鏈路工作頻率

表6 TT&C鏈路工作頻率

表7 Kuiper系統工作最小仰角

圖2 Kuiper系統網絡架構

來自多個關口站站址的業務通過地面光纖回程鏈路進行聚合，傳輸到互聯網交換點（Internet Exchange Point,IXP）或存在點（Point-of-Presence,PoP）站點。在每個IXP或PoP站點，Kuiper系統與內容分發緩存、企業和電信網絡對等進行連接到互聯網骨干網，或直接連接到亞馬遜骨干設施和數據中心，如圖2所示。

3、Kuiper系統網絡管理

Kuiper系統網絡通過全局軟件定義的網絡SDN控制器，稱之為Kuiper SDN，進行管理。控制器負責為用戶和關口站最優地分配波束，并基于用戶需求和業務類型進行長期（longterm）資源分配，也包含基于以天為時間粒度或峰值容量需求的短期（short-term）資源調整。當某些衛星進入GSO排他角區域、協調協議約束、或衛星運行限制時，控制器將在多顆衛星間進行網絡優化。在一個分配周期內，包含上行用戶信道分配等的業務控制，將由SDN控制器通過與每顆星的用戶波束和饋電鏈路進行指令和控制信息，實現對整個星座的管理。

4、Kuiper衛星控制

Kuiper系統采用獨立的TT&C地球站的一張網，具備獨立的天線和星上資源、多個衛星運行中心。TT&C網絡主要用于衛星發射操作、離軌操作和其他異常情況。由于大多數的衛星控制操作都通過關口鏈路實現，因此僅需要在全球分布較少的TT&C站，且在任意時刻也僅一部分衛星需主動與TT&C站通信。

四、Kuiper系統性能分析

本部分為Kuiper系統性能仿真分析，對Kuiper系統的覆蓋、鏈路動態特性兩方面進行了仿真與分析。

1、空間段覆蓋性能分析

基于Kuiper系統空間段星座構型及地面段各類型地球站仰角約束，可分析該星座對全球不同區域覆蓋特性。由于星座采用Walker星座構型，Kuiper系統對全球覆蓋將呈現緯度差異性，具體仿真結果如圖3所示：

由圖3可看出，Kuiper星座系統實現了南北緯55度區域的覆蓋，且在南北緯20～50度區域可形成近10重覆蓋。由于世界人口大多位于該區域內，所以該星座網絡在此處的覆蓋聚集更能提升網絡容量與服務質量。同時，對于關口站和TT&C站而言，由于可支持較低的工作仰角，可實現超過百顆衛星的同時觀測能力。

2、鏈路動態特性分析

圖3 Kuiper星座網絡中各類型地球站覆蓋分布圖

Kuiper系統中衛星與用戶終端之間的用戶鏈路動態性分析如圖4所示，主要分析了不同緯度區域終端的用戶鏈路平均持續時長。

由圖4可看出，該網絡對南北緯55度范圍內用戶，均可實現平均2.5分鐘的鏈路持續連接；特別的，在南北緯50度左右，鏈路持續時長最大，可達平均3.5分鐘的鏈路維持時間。對于中低緯度區域而言，鏈路平均持續時長略低于3分鐘。相比于銥星、全球星網絡平均接入時長在8～10分鐘而言，Kuiper星座網絡內接入時長較短原因在于如下兩點：

（1）工作于590～630km的運行軌道導致了衛星更快的運行速度與更小的運行周期，使得地面終端可見時長低于銥星等網絡；

（2）工作于35度仰角約束的端-星仰角使得終端與衛星建立連接的時間大為降低，相比而言，銥星網絡中終端最小工作仰角為8.2度。

五、總結與展望

圖4 Kuiper星座網絡終端平均接入時長隨緯度的變化

本文對亞馬遜公司所提出的Kuiper低軌衛星星座網絡進行了介紹，包括空間段星座構型、Kuiper系統衛星載荷、工作頻率與極化方式，地面段用戶終端、關口站、網管、網絡控制。基于Kuiper系統網絡參數對網路覆蓋特性、鏈路動態特性進行了分析，Kuiper系統對南北緯55度內區域具有較好的覆蓋與服務能力。同時，由于Kuiper系統地面關口站部署位置、鏈路傳輸體制等內容尚未公布，作者將在獲得相關信息后對Kuiper系統網絡容量做進一步分析與評估。