衛星通信系統匯總

任 政，陳 霽

從1964年美國成立國際衛星通信組織（Intelsat），并于次年發射第一顆商用通信衛星（“Early Bird”）以來，衛星通信技術蓬勃發展，衛星通信作為地面通信的一種補充通信方式取得巨大的成功，衛星通信已經成為了人們生活中不可或缺的一部分。

1 VSAT 技術時代

在衛星通信技術早期，甚小孔徑終端（VSAT）解決了天線尺寸和成本對衛星通信發展的限制，這也決定了天線系統的基本拓撲結構是由一個大型中心站與大量小口徑天線終端共同構成的一個星型網，通過中心站天線的高G/T 值來彌補小站天線因口徑小所導致的鏈路余量不足的弱點。早期基于VSAT 的衛星通信系統是通信頻段集中于L、S、C 波段的窄帶通信系統。

隨著技術進步和人民生活水平提高，對寬帶衛星通信的需求應運而生。由于L、S、C 的頻段帶寬資源有限和日趨緊張，國外于上世紀八九十年代就開始了對Ka 頻段寬帶衛星通信技術的研究。2005年，美國Wild Blue 通信公司成功發射世界第一顆Ka頻段寬帶通信衛星并試點應用，此后各國的Ka 頻段寬帶通信衛星開始向著系統容量更大、用戶終端更小、業務速率更大的高通量方向發展。

2 多波束天線技術時代

由于VSAT 天線系統的靈活性不足，并且無法利用頻率復用技術來提高頻譜效率，衛星通信天線的發展已經轉向多波束天線。多波束天線（Multiple Beam Antenna）從2000年開始迅速發展，由于它能夠實現高增益的點波束覆蓋，又能在廣域覆蓋范圍中實現頻率復用，從而在衛星通信天線系統中得到廣泛應用。

多波束天線與數字波束成形不同，它使用大量的點波束實現廣域范圍覆蓋，可用帶寬被分為很多個子波段，從而在大量空間獨立的點波束之間可以實現每個子波段的復用，這與地面蜂窩通信網絡相似，顯著地增加了頻譜利用率和衛星通信容量。多波束天線技術提高了轉發器的功率使用效率和頻譜資源利用率，是發展大容量衛星通信系統和增強衛星通信市場競爭力的關鍵技術，高通量通信衛星時代隨之而來。

3 窄帶衛星通信VS 寬帶衛星通信VS 高通量衛星通信

從早期的窄帶衛星通信系統實現基本的衛星通信，到Ka 寬帶衛星通信以Ka 頻段、大容量、提供寬帶互聯網接入為標志，開辟了衛星互聯網接入的新業務，再到今日以多點波束和頻率復用（可以在任何頻段復用，目前大多采用Ka 頻段）和高波束增益為標志的高通量通信衛星（HTS，High Throughput Satellite），通信容量通過分配頻譜和頻率的服用次數得到大幅度擴大，開啟了衛星通信新紀元。

高通量衛星（HTS）已成為寬帶衛星通信的主流，高通量通信衛星在使用相同頻率資源的條件下，大幅提升了容量并降低了單位帶寬成本，單顆容量可達幾十Gb/s 到上百Gb/s，通信容量比傳統通信衛星高數倍甚至數十倍。

4 市場主流衛星通信系統一覽

衛星通信技術的發展和通信容量的需求促進了衛星通信從窄帶走向寬帶，又走向如今的高通量時代，衛星通信系統作為連接底層衛星天線和上層通信應用的重要環節，也在不斷的發展演進，結合自己2016年和2017年兩次參加中國衛星應用大會以及平常的關注，將當前市場上主流的衛星通信系統整理如下，個別系統資料不足，還需進一步完善。

4.1 Comtech 的Heights 系統

2017年5月，Comtech EF Data 公布了Heights 動態網絡接入（H-DNA）技術的性能優勢。通過H-DNA，Heights 網絡平臺提高了衛星終端用戶的體驗質量。

Comtech 為Heights 網絡平臺的返回鏈路設計了H-DNA。它為用戶、服務提供商和衛星運營商帶來了很多新的好處。新的波形、增強帶寬管理算法和多級別服務質量（QoS）的應用使得該返回鏈路接入方案能夠自動響應實時流量需求，根據客戶的服務水平協議和網絡策略提供最佳的解決方案。

H-DNA 提供亞秒級響應時間來改變用戶需求和鏈接條件，而且不會帶來通常與其他返回鏈路接入技術相關聯的過度抖動和延遲。另外，H-DNA 還采用了VersaFEC-2高性能低密度奇偶校驗（LDPC）波形、自適應編碼和調制、動態功率控制、互聯網協議優化、較低的幀開銷、多級QoS 和WAN 優化，與同類的其他解決方案相比，它提供了最多的每赫茲用戶IP 數據。

H-DNA 根據網絡范圍的需求分配容量，并確保隨著需求的變化，為網絡中的用戶和站點即時提供帶寬，還可以按照用戶需求和服務協議級別，為用戶分配所有可用帶寬，以確保隨時使用所有容量。

4.2 Comtech 的ViperSat 系統

Viper sat 系 統 主 站 由570L、564L/562L 以 及VMS、VCS、VNO 服務器等組成，遠端站由570L、564L/562L 組成，帶有網口，可以直接傳輸IP 數據。

Vipersat 的網管系統由VMS 服務器（1 ∶1熱備份）、VMS客戶端、VCS 服務器和VNO 服務器。其出境TDM 載波，入境S-TDMA（自適應TDMA）載波，其中TDM 載波為64kb/s，S-TDMA載波為128kb/s。網絡為星狀網。

Vipersat 系統的業務傳輸采用的是dSCPC（動態SCPC）載波，modem570L 會自動檢測（根據QoS、協議等）網口收到的數據，并根據需求向主站發送業務申請。主站收到業務申請后會通過TDM 載波發送配置參數，調整遠端站（主-遠端通信或者（遠端-遠端）的參數，建立2M 甚至以上的SCPC 通信連接。當通信結束后，modem570L 檢測到網口沒有收到類似數據時，向主站發送申請，主站通過TDM 下發配置參數，斷掉SCPC 鏈路，遠端站改為發S-TDMA 載波。

Vipersat 系統中使用的570L 采用的調制編碼與糾錯方式是DVB-S 體制，其調制方式為：B/SK/ QPSK/8PSK16QAM 等調制方式，前向糾錯編碼方式為TPC、viterb、RS 和TCM 碼。

4.3 STE 的iDirect 系統

iDi rect 系統主站為插卡式設備，主要由電源板、調制板、解調板、IP 加速板、服務器板、協議處理器板等板卡組成，主站各種板卡均為1 ∶1熱備份。網口多，小站不是插卡式的，是標準的1U 或2U 設備。

iDirect 的網管系統由主站板卡：NMS 服務器（1 ∶1 熱備份）、協議處理器（1 ∶1 熱備份），和NMS 客戶端組成。其出境TDM 載波，入境D-TDMA（確定性TDMA）載波，其中TDM載波為大載波，一般為4M 或4M 以上，D-TDMA 載波為小載波，384kb/s-2Mb/s，星狀網。

iDi rect 系統的業務傳輸采用的是MF-TDMA（多頻TDMA）載波，10個（假設）遠端站公用一個TDMA 載波，當有10 0個站的時候，將有10個TDMA 載波被使用。它可以使用TDMA 載波回傳，也可以使用iSCPC 載波回傳。其iSCPC 載波為一個載波只有一個時隙的SCPC，但是接收頻率不變，還是接收主站的TDM 載波。

iDi rect 的主站設備采用的調制編碼與糾錯方式是DVB-S2體制，其調制方式為：QPSK/8PSK/ 16APSK，前向糾錯編碼方式為LDPC。具有ACM（自適應編碼和調制）特色。

4.4 中電科54 所的Latice 系統

Latice 的系統體系架構：一是衛星資源劃分為網絡段進行管理。支持多星、多關口站、多波束/單波束。二是兩級網管。支持Hub 分網管和集中網管。三是良好的可擴展性。支持按需增配網絡段及設備，按需擴建信關站。四是完善的冗余設計。Latice系統的業務傳輸采用的多樣靈活的反向回傳體質，支持MFTDMA、dSCPC、SCPC 三種回傳體制。HRC dSCPC 回傳技術具有多維統計復用能力，具有非常靈活的調整能力，可根據業務需求及信道條件以1秒為周期調整載波速率、功率、MODCOD，具有良好的統計復用能力，可以提供很高的可用度；非常適合固定速率業務，局部雨衰時可以利用帶寬余量選用MODCOD，保持信息速率不變，一個公用帶寬余量可在網絡內共享，被各個終端統計復用；針對不同的帶寬需求及共享等級可以選用不同體制；支持在NMS 遠程切換終端的工作模式。

Lat ice 系統用戶站支持固定站、便捷站、靜中通車載站、動中通車載站和船載站，并配備不同的天線。

Latice 系統支持DVB-S2 及S2X 標準。支持7種業務類型：實時業務1、實時業務2、實時業務3、關鍵數據1、關鍵數據2、關鍵數據3和盡力而為業務。采用四級整形架構分配帶寬。融合TCP 加速、數據報文壓縮、HTTP 預取和業務加密的網絡優化技術，支持TCP 加速和載荷壓縮。

4.5 NDSatcom 的SkyWan 系統

SKYWAN 5G 是德國諾達衛星通信系統有限公司（ND SatCom）為適應現代市場需求并面向未來發展而研發的最新一代的VSAT 衛星通信系統。SKYWAN 5G 設計獨特，其所有IDU室內單元的硬件都完全相同，均為內置有MF-TDMA 調制解調器和DVB 接收機的衛星IP 路由器，能夠輕松組建包括星狀網、多星狀網、全網狀網和混合狀網在內的等各種拓撲結構網絡。SKYWAN 5G 網絡中的每一個站點都既可以用作中心站，也可以用作遠端站，既可以組建集業務匯聚（Hub）、網絡控制（Master）和網絡管理（NMS）于一體的單中心站網，也可以組建可靠性、可用性、安全性和抗毀性更高的多中心站網。SKYWAN 5G 網絡的拓撲結構還能因時而化，可按需分解成為幾個小型網絡，或者合并成為一個大型網絡。SKYWAN 5G 站點支持IDU 室內單元級聯，可同時接收更多信道。另外作為選項，還可在SKYWAN 5G 網絡中為出境業務量較重的站點增配DVB。該DVB 的配置與衛星通信網絡的信令無關，所以 在同一SKYWAN 5G 網絡中的DVB 載波可以按需進行調整，而DVB 關 口站的自動登錄功能則可進一步簡化網絡的操作和運行。

SkySwitch 系統自稱是衛星行業業第一個也是唯一具有第三層路由包交換功能的VSAT 網絡。上世紀90年代，互聯網業務在全世界飛速發展，這使VSAT 工業面臨挑戰。既要提供高速率的業務，還要降低帶寬的租金，這不是上世紀老舊的TDMA 技術能支持的，因此具有包交換PSMA 功能的VSAT 網絡平臺就顯得非常必要。

圖1 SatPath的SkySwitch系統

IP 數據包交換成為數字網絡通信的標準模式。數據包交換將所有的傳輸數據，不管它們的內容，類型，或格式，全部組合成比特數據流可變的數據包。無向連接（connectionless）包交換，又稱數據報（datagram）交換，是能獨立地從數據源走到終點的數據包，每個數據包帶著完整的目標地址和路由信息，每個包都單獨傳送。SkySwitch?的無向連接通信比起定向連接（connection-oriented）通信，它的優勢在于報頭很少，它也可以進行組播和廣播操作。當同樣的數據需要被傳送到多個接收點時，可以節省大量的網絡資源。與此相反，傳統的VSAT 平臺都是基于點對點或點對多點的定向連接通信，例如：SCPC 或時分的TDMA 系統。在定向連接網絡里，首先要建立一個邏輯或物理上的數據信道或連接才能夠進行用戶數據交換。建立定向連接信道需要增加報頭來按照它們的多址方式傳輸，這就需要占用較多帶寬，其結果是增加了運營的成本，提高傳輸延時，并降低了業務通信的資量。

在認識到當今VSAT 平臺的缺陷后，SatPath 的工程師運用無向連接數據包交換技術開發了SkySwitch?網絡。在SkySwitch?網絡里，兩個節點之間的通信不再需要預先建立的連接或鏈路，用戶數據包從一個結點向目的地傳輸是通過包交換載波來進行的，這個載波中的數據包只有其目的站點才接收。在SkySwitch?網絡，沒有TDMA 連接通信所需要的多路復用幀報頭，每個SkySwitch?的智能終端內置有路由器，它與網絡控制服務器（NCS）一起工作，以最高效的轉發器帶寬使用方式為通信業務建立衛星路由。在SkySwitch?網絡中，節點間的虛擬連接（virtual connection）是永久存在的，NCS 負責對每一個按需啟動的鏈接提供瞬時的帶寬資源。業務路由在上衛星之前則一定要先根據網絡路由設置確認是合理有效。

Sk ySwi t ch?無連接通信的體制為MCPC/ PSMA（多信道單載波／包交換多址）技術。每個SkySwitch?站點發射一個MCPC/PSMA 載波，它可被包括主站在內的一個或多個目的站來接收，每個MCPC 多信道載波中每個信道都只能連接到單一的終點目的地。MCPC/PSMA 載波100%的帶寬用來傳輸IP 網絡業務，沒有多路復用的報頭。不論是高速、低速，或突發業務，MCPC/PSMA 載波都可在各種應用和連接中以ABOD（自適應帶寬按需分配）方式提供高質量的傳輸服務。

4.6 G ilat 的SkyEdge I I 系統

吉萊特X-Architecture 架構的SkyEdge 系統是用于衛星通信的地面架構平臺，支持固定和移動衛星通信應用，支持VSAT 網絡同時配置若干傳統寬波束衛星和/高吞吐量通信衛星。

SkyEdge II 支持雙向QoS、TCP 及HTTP 加速和壓縮，以及DNS 緩存，提供最高級別的安全認證，包括X.509終端認證、無線鏈路加密，并使用用戶認證確保基于HTTP 的網絡管理安全。

SkyEdge II 有完備的VSAT 產品組合應用，包括從高速VSAT 服務寬頻應用到超高性能的VSAT 服務蜂窩回傳及移動應用。通過使用SkyEdge 的TotalNMS 管理系統，虛擬網絡運營商能夠完全掌控他們調制器和解調器卡、數據協議服務器及終端，靈活定義管理自身的服務。VNO 同時能夠獲取詳細監控數據，如VSAT 狀況、帶寬使用及RF 電平。

通過SkyEdge II 平臺可靈活支持傳統寬波束衛星以及多點波束的高吞吐量通信衛星，伴隨需求增長，可以從任何衛星、任何頻段選取容量。

圖2 X架構適用于任何衛星、任何頻段

5 結束語

本文綜合介紹了各種衛星通信系統，闡述了衛星通信作為地面通信的一種補充通信方式取得巨大的成功，衛星通信已經成為了人們生活中不可或缺的一部分。