高低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)特點對比分析

孫晨華，章勁松，趙偉松，肖永偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

進入21世紀后，GEO寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，真正實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入。一是GEO通信衛(wèi)星從基于C和Ku頻段寬波束向基于Ka點波束的高通量衛(wèi)星(HTS)發(fā)展，載荷從單一固定波束配置向固定+可調點波束配置，單星容量從原來的1 Gbit/s量級發(fā)展到100 Gbit/s量級，目前正在向1 Tbit/s量級邁進，單星容量更大，資源應用更加靈活；二是基于GEO寬帶衛(wèi)星的組網(wǎng)技術體制從原來的DVB-S/DV-RCS演進到DVB-S2x/DVB-RCS2,功率及頻率效率成倍提升，組網(wǎng)方式從單波束到多波束組網(wǎng)、星狀到支持網(wǎng)狀，能夠針對不同用戶提供多種業(yè)務應用的組網(wǎng)能力。

2015年后，基于低軌星座的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)重新引起衛(wèi)星通信業(yè)界甚至航天圈的關注，并成為繼GEO HTS之后的發(fā)展重點，如Oneweb、Starlink、Telesat等，該類系統(tǒng)顯著的外在特征是衛(wèi)星數(shù)量巨大、系統(tǒng)容量號稱Tbit/s量級和支持全球覆蓋，可為全球用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，該類低軌星座也被稱為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展已經(jīng)影響到GEO HTS發(fā)展，但衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座能夠替代GEO寬帶/高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)嗎？本文重點從多個角度闡述和比較高低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點及優(yōu)缺點，并針對我國未來發(fā)展，提出高低軌協(xié)調發(fā)展的建議。

1 高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的典型特點

1.1 常規(guī)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

GEO常規(guī)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要指基于工作在C和Ku頻段的固定衛(wèi)星業(yè)務(Fixed Satellite Service，F(xiàn)SS)，一般也稱為VSAT系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的通信衛(wèi)星一般采用寬波束設計，如采用區(qū)域賦型波束覆蓋特定地區(qū)。目前全球的衛(wèi)星運營商中，包括Telesat、SES、中國衛(wèi)通和亞太衛(wèi)星[1]等，所屬C和Ku頻段通信衛(wèi)星中90%以上屬于此類。

常規(guī)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星以透明轉發(fā)為主，地面應用系統(tǒng)一般采用DVB-S2/DVB-RCS、TDMA、FDMA等技術體制，支持大范圍分布的地面終端之間的星狀組網(wǎng)、網(wǎng)狀組網(wǎng)以及大容量點對點通信[2]。

DVB-S2/DVB-RCS以星狀組網(wǎng)為主，典型系統(tǒng)如Idirect、Viasat公司surfbeam2、Gilat公司SkyEdgeII-C以及Newtec公司Sat3play等。TDMA系統(tǒng)以支持網(wǎng)狀組網(wǎng)為主，典型系統(tǒng)如Viasat公司LinkwayS2A、PolarSat公司VSATPlusIII以及ND公司SkyWAN等。FDMA系統(tǒng)以支持點對點通信為主，典型系統(tǒng)如ComtechEF Data公司Vipersat和PolarSat公司FlexiDAMA。

1.2 高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)

高通量衛(wèi)星(HTS)最早由北方天空研究公司(NSR)于2008年提出，相對于同等軌道頻譜的常規(guī)衛(wèi)星，主要采用頻率復用和點波束技術，可提供比常規(guī)衛(wèi)星高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的容量[3-4]，典型HTS衛(wèi)星覆蓋如圖1所示。HTS的基本特點是：高頻段(Ku和Ka頻段)、多點波束、頻率復用、整星吞吐量一般100 Gbit/s以上、透明轉發(fā)以及地面多關口站接入，典型系統(tǒng)如Ka-sat和Viasat-1等。

圖1 典型高通量衛(wèi)星(HTS)覆蓋示意Fig.1 Schematic of typical high-throughput satellite (HTS) coverage

頻率復用和點波束技術也可服務于傳統(tǒng)C和Ku頻段的FSS[5]，如Ku多波束系統(tǒng)IPstar衛(wèi)星和Intelsat公司的IS-29e衛(wèi)星。

根據(jù)高通量衛(wèi)星轉發(fā)器特點，地面應用系統(tǒng)一般采用星狀組網(wǎng)架構的DVB-S2/DVB-RCS技術體制，如Kasat-1和Viasat-1衛(wèi)星采用了surfbeam2系統(tǒng)，增加移動性管理功能，支持地面終端跨波束切換。

2 低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的典型特點

2.1 基于固定波束的低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

當前，基于固定波束設計的低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)典型代表就是Oneweb。對于該類系統(tǒng)，為實現(xiàn)全球覆蓋，軌道設計上一般會采用近極軌道構型。工作頻段一般采用Ku或Ka頻段工作，由于頻段高、波束窄，全球全時覆蓋條件下，需要部署巨大數(shù)量的衛(wèi)星才能提供服務。如Oneweb，考慮部署720顆衛(wèi)星(后續(xù)調整到600余顆)，每顆衛(wèi)星配置16個Ku頻段固定橢圓用戶波束，可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋[6]。

由于衛(wèi)星采用固定點波束，衛(wèi)星轉發(fā)器天線設計相對簡單，衛(wèi)星質量相對較小，而且可提供較高的傳輸能力。如Oneweb，單星質量約150 kg，0.3 m口徑天線終端，支持50 Mbit/s互聯(lián)網(wǎng)接入。技術體制設計上，如Oneweb為星上透明轉發(fā)，采用與地面移動通信類似的技術體制，不需要考慮星上處理實現(xiàn)的代價及可行性，主要針對低軌衛(wèi)星高動態(tài)情況進行適應性改進。

2.2 基于可移動點波束的低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

基于可移動點波束設計的低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，典型代表包括Starlink和Telesat等。為實現(xiàn)全球覆蓋，軌道設計一般會采用近極軌道構型。

由于衛(wèi)星采用相控陣天線設計，衛(wèi)星設計相對復雜，衛(wèi)星質量一般較大，如Starlink已發(fā)射衛(wèi)星質量在300 kg左右(不含星間鏈路)[7-8]。

該類系統(tǒng)由于波束靈活可調，可以根據(jù)業(yè)務量需求進行覆蓋，有利于提高系統(tǒng)資源利用率；而且可以面向重點區(qū)域提供多星多波束覆蓋、面向重點用戶提供單星多波束覆蓋，可以較為容易滿足業(yè)務量劇增的需求，從幾百Mbit/s提升到Gbit/s量級。可移動點波束一般基于相控陣天線技術實現(xiàn)，波束在衛(wèi)星覆蓋視場任意可調，部署較少的衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球可達服務，如Telesat星座，部署117顆衛(wèi)星即可提供服務。

3 高低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點對比

3.1 覆蓋對比

高軌GEO衛(wèi)星相對地球靜止，軌道高度高，覆蓋范圍廣，理論上3顆衛(wèi)星就可實現(xiàn)南北緯70°區(qū)域。針對目標區(qū)域，部署一顆衛(wèi)星即可提供一天24 h不間斷的穩(wěn)定覆蓋。

目前高軌HTS衛(wèi)星一般采用Ku及Ka頻段點波束技術，覆蓋較為靈活，既可支持區(qū)域性覆蓋，如Kasat-1的歐洲覆蓋[9]，也可通過更多點波束疊加，可提供南北緯70°全覆蓋，如Viasat-3，3顆衛(wèi)星基本實現(xiàn)全球南北緯70°全覆蓋[10]。

低軌LEO衛(wèi)星或星座，理論上可以實現(xiàn)全球覆蓋，彌補GEO南北極覆蓋的空白。低軌衛(wèi)星一直繞地球做相對運動，一般1顆衛(wèi)星對地可視時間10 min左右，部署1顆衛(wèi)星無法為特定區(qū)域提供穩(wěn)定覆蓋及服務。為形成穩(wěn)定的覆蓋，需數(shù)量巨大的衛(wèi)星形成星座部署，才能形成穩(wěn)定覆蓋。如Oneweb近極軌道構型星座部署了648顆衛(wèi)星，從而實現(xiàn)全球無縫覆蓋；Starlink部署4 409顆衛(wèi)星，實現(xiàn)全球可達覆蓋。

3.2 鏈路能力對比

在相同工作頻段、相同地面終端配置下，高低鏈路能力差別主要體現(xiàn)在空間鏈路損耗及載荷能力配置上；對于載荷配置，體現(xiàn)鏈路能力的主要衡量指標是EIRP值與G/T值。

高軌GEO衛(wèi)星與地面終端之間的星地距離約40 000 km，低軌衛(wèi)星(初步考慮800 km)與地面終端之間的星地最大距離約2 000 km，二者鏈路傳輸損耗預計約26 dB。高低軌衛(wèi)星與地面之間的傳輸距離對比如圖2所示。

圖2 高低軌衛(wèi)星與地面之間的傳輸距離對比示意Fig.2 Transmission distance of GEO and LEO satellite

參考目前高軌HTS衛(wèi)星配置，Ka頻段單波束典型EIRP值約60 dBW，典型G/T值約13 dB/K。低軌衛(wèi)星Ka頻段單波束典型EIRP值約35 dBW，典型G/T值約1 dB/K。在相同地面終端配置條件下，參考載荷能力及鏈路損耗，可以估算出下行鏈路能力在高低軌基本相當，但低軌衛(wèi)星上行鏈路能力較高軌GEO衛(wèi)星提升10倍以上。針對0.5 m口徑地面終端，上行信息速率可以從2.5 Mbit/s提升至25 Mbit/s。

3.3 關口站特點對比

無論高軌還是低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，關口站的主要功能均相同，支持衛(wèi)星通信地面終端之間互聯(lián)互通、衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡互聯(lián)互通，同時還承擔衛(wèi)星網(wǎng)絡管理和控制的功能。關口站數(shù)據(jù)吞吐容量通常為幾Gbit/s～幾十Gbit/s。

從衛(wèi)星通信系統(tǒng)的角度來看，無論是高軌GEO寬帶/高通量,還是LEO寬帶/高通量，為保證大容量用戶接入及大容量業(yè)務交換，均采用異地、多關口站配置的方案。

對于高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，突出特點是單星用戶波束較多、帶寬大，為解決大帶寬到關口站接入的問題，一般采用頻率復用，配置多個星地饋電鏈路，在不同區(qū)域部署多個關口站。一般Ka頻段饋電鏈路傳輸能力在5～10 Gbit/s，對于100 Gbit/s的GEO寬帶/高通量衛(wèi)星，需要部署15～20個關口站。如Kasat-1，單星容量70 Gbit/s，地面部署10個關口站，支持82個用戶波束的接入。為了減少降雨導致的鏈路中斷，部分GEO寬帶/高通量衛(wèi)星系統(tǒng)采用異地多站(或多天線)的部署方式。

對于低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，突出特點是衛(wèi)星數(shù)量多，一是需要配置數(shù)量較多關口站；二是每個關口站需要配置多路天線及射頻通道對多星,盡可能接入更多的衛(wèi)星，提高系統(tǒng)服務能力。如OneWeb系統(tǒng)，原計劃部署超過50個Ka關口站，每個關口站至少配置10付天線，OneWeb系統(tǒng)Clewiston關口站天線部署如圖3所示；Starlink為支持初期部署及運行，預計將在美國部署200個關口站。

圖3 OneWeb系統(tǒng)Clewiston關口站天線部署Fig.3 OneWeb gateway station antenna deployment

3.4 終端特點對比

對于高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一是衛(wèi)星相對地面靜止，地面終端實現(xiàn)相對簡單；二是作為傳統(tǒng)的高軌FSS衛(wèi)星通信，地面終端技術發(fā)展較成熟，終端已經(jīng)實現(xiàn)高集成度和小型化，而且已達到消費級價格。如KaSat對外銷售的家用終端，配置3 W Ka頻段功率放大器，75 cm天線，終端包括天線的價格約350歐元。

對于低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由于低軌衛(wèi)星一直繞地球做相對運動，即使地面固定類終端也需要配置伺服跟蹤系統(tǒng)，為保證Ka頻段地面終端的窄波束能夠精確指向運動過程中的低軌衛(wèi)星，地面終端生產(chǎn)制造成本肯定比面向高軌高。另外，為保證地面終端的不間斷通信，需要不斷進行跨星切換操作，地面終端需要具備雙波束或波束捷變的能力，以保證能夠同時與2顆衛(wèi)星建鏈。為實現(xiàn)雙波束或波束捷變的能力，當前主要有2個技術實現(xiàn)途徑：① 地面終端配置拋物面形式的雙天線，如目前在用的典型NGSO寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)O3b，很多站型采用雙拋物面天線設計[11]，如圖4所示；② 配置相控陣天線，從目前來看基于T/R組件的Ka相控陣天線陣元數(shù)較龐大，生產(chǎn)成本較高，價格在25 000～50 000美元。

圖4 O3b雙拋物面天線地面站組成框圖Fig.4 Composition block diagram of O3b double parabolic antenna station

地面終端成本能否進一步降低，達到消費級價格，將是影響低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)能否形成規(guī)模化應用，能否與GEO高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)競爭的一個關鍵因素。

3.5 系統(tǒng)容量效率對比

在面向應用的系統(tǒng)容量設計方面，GEO衛(wèi)星優(yōu)勢明顯，可以針對服務地區(qū)的需求定制容量。國外衛(wèi)星咨詢機構給出一個典型的分析結果，對于一顆歐洲上空衛(wèi)星(可以覆蓋整個歐洲、中東、非洲、大西洋大部以及印度洋一部)，并采用跳波束技術，各波束之間的效率在理想資源共享情況下可以達到60%[12]。

LEO星座以OneWeb為例的研究表明，針對商業(yè)航空和海事領域，OneWeb系統(tǒng)吞吐量不超過50%。這是因為在任何給定時刻，大多數(shù)衛(wèi)星都處于低流量地區(qū)，只有很少一部分位于流量密集區(qū)域。設計者需要在服務峰值需求與有效利用星座容量之間權衡，為峰值而建造意味著很多容量的浪費；限定衛(wèi)星SWaP指標可以提高效率，但是拋棄了一部分客戶。在商業(yè)航空和海事市場，設計滿足90%服務需求的星座效率僅有4%～5%。利用載荷共享技術可以改善效率，但基本仍在個位數(shù)徘徊。

針對GEO HTS和LEO HTS，國外衛(wèi)星咨詢機構給出了一個對比分析，如表1所示，GEO HTS衛(wèi)星的有效單位成本明顯優(yōu)于 LEO HTS。表中沒有考慮在軌壽命，如果增加在軌生命周期因素，GEO HTS衛(wèi)星優(yōu)勢更為明顯。

表1 典型GEO HTS和LEO HTS星座系統(tǒng)效率對比Tab.1 Comparison of efficiency between typical GEO HTS and LEO HTS constellation

3.6 業(yè)務傳輸時延對比

業(yè)務傳輸時延是指數(shù)據(jù)包從起始點用戶到目的地用戶所需的時間。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，經(jīng)常關注由于衛(wèi)星高度不同帶來的傳播時延，主要是傳播時延對業(yè)務傳輸時延影響較大。其實影響業(yè)務傳輸時延的指標還包括組幀時延、處理及排隊時延。組幀時延是鏈路業(yè)務速率與數(shù)據(jù)包長度的函數(shù)，與業(yè)務速率成反比，與數(shù)據(jù)包長成正比。排隊及處理時延主要包括數(shù)據(jù)包在隊列的等待時間、數(shù)據(jù)包頭處理及數(shù)據(jù)包檢錯的時間等。對于星上處理交換，還需要包括排隊及處理時延，具體時延與設計實現(xiàn)相關[13]。

對于GEO寬帶各類業(yè)務來說，單跳業(yè)務傳輸時延基本上控制在400 ms以內(nèi)，其中傳播時延約270 ms，組幀時延、排隊及處理時延預計100 ms左右。對于LEO來說，單星上下行按照星地最大距離3 000 km計算傳播時延約20 ms，跨2顆星距離按照2 000 km計算，星間傳播時延約6.7 ms。按照跨8顆星考慮，星間傳播時延約47 ms，對于數(shù)據(jù)業(yè)務，預計最大業(yè)務傳輸時延可以控制100 ms以內(nèi)。如果為單星下工作，數(shù)據(jù)業(yè)務的最大業(yè)務傳輸時延可以控制50 ms以內(nèi)。對于窄帶話音業(yè)務，考慮降低時延抖動及組幀效率，幀周期約120 ms，即話音組幀時延最大可達120 ms，窄帶話音業(yè)務的單跳最大業(yè)務傳輸時延可控制在150 ms以內(nèi)。

基于LEO的端到端業(yè)務傳輸時延明顯優(yōu)于GEO,特別適合對于時間敏感性要求較高的應用，如在線實時游戲及高頻次電子商務等，但該類應用占互聯(lián)網(wǎng)流量不到5%，而95%的流量與視頻業(yè)務相關，用戶對業(yè)務傳輸時延實際上是不敏感的。

低時延是低軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)明顯優(yōu)勢之一，但低時延應用業(yè)務占比較低，對系統(tǒng)運營收入難以帶來決定性影響。

4 結束語

目前國內(nèi)多個單位已經(jīng)提出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，包括鴻雁星座和虹云工程等，另外國家科技創(chuàng)新2030“天地一體化信息網(wǎng)絡”重大項目將GEO寬帶衛(wèi)星、低軌星座納入實施任務內(nèi)[14-15]。上述星座均向ITU遞交了申報資料，公布了系統(tǒng)研制建設計劃，但問題和困難依然存在。首先是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座技術難度大；其次整個星座部署建設周期長，短時間難以形成服務能力；最后是面向消費級的大規(guī)模應用的地面終端技術還不成熟。除上述因素外，頻率協(xié)調及境外落地運營協(xié)調工作量大，境外開展服務需要時間。

從構建全球無縫覆蓋、提供隨遇接入及可靠服務的天地一體化信息網(wǎng)絡角度來看，特別是未來5年，應該考慮統(tǒng)籌我國GEO衛(wèi)星資源，重點彌補GEO寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的不足和盲區(qū)，特別是用戶數(shù)不多但應用急需的區(qū)域，如南北極、美洲等。在組網(wǎng)應用上支持高低軌一體化運行，用戶可以在高低軌衛(wèi)星之間按需切換。高低軌結合，有助于控制衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的建設規(guī)模，保證在盡可能短的周期內(nèi)構建一個時間及空間連續(xù)覆蓋的、可靠實用的衛(wèi)星網(wǎng)絡。