高通量衛星通信發展現狀與應用探索

文 | 高鑫 門吉卓 劉曉濱 姚力北京航天控制儀器研究所

一、引言

國際通信衛星組織在1965年成功發射晨鳥號通信衛星（Intelsat－1），提供國際通信服務，標志著衛星通信進入商業應用領域。到上世紀末，衛星通信系統的承載業務發生了顯著變化，從語音、低速率數據業務轉變為高速率的寬帶互聯網接入業務和寬帶移動多媒體業務，進入到了寬帶化發展階段，可滿足低人口密度地區、復雜地貌地帶、遠海、空中等陸地網絡無法覆蓋區域的互聯網接入需求。

隨著傳輸速率的進一步提高、多媒體業務不斷增多以及網絡節點規模不斷擴大，寬帶衛星通信系統大規模推廣應用已受限于衛星的通信容量（簡稱通量）[1]。為了解決通信衛星通量不足的問題，國外航天研究機構通過借鑒陸地無線蜂窩通信頻率復用的相關原理，結合多點波束技術，在相同可用頻譜資源的條件下，將通量提升數倍，將衛星通信帶入到高通量發展階段。

二、高通量衛星通信技術發展現狀

1.高通量通信衛星概述

高通量通信衛星（High Throughput Satellite，HTS）概念首先由美國北方天空研究所（NSR）在2008年提出：采用頻率復用和多點波束技術，在同樣頻譜資源的條件下，整顆衛星的通信容量是傳統支持固定通信衛星的數倍[2]。業界普遍認為，高通量通信衛星屬于寬帶通信衛星，用戶鏈路頻段不局限于Ka頻段，其通信容量應大于10Gbit/s。

從高通量通信衛星的發展歷程看，可將其分為兩個階段：第一階段（2005-2010年），單星通量10～100Gbit/s；第二階段（2011-2019年），單星通量100～300Gbit/s，通量大于10Gbit/s的高通量通信衛星（包括非靜止軌道的星座）。

在互聯網業務與多媒體業務的應用進一步普及之時，衛星通信有向寬帶化、高通量方向邁進的客觀需求，帶動多點波束技術應用范圍的持續擴大，從L頻段或S頻段的移動通信衛星擴大至C頻段、Ku頻段、Ka頻段通信衛星。多點波束的優勢在于通過減小天線波束的孔徑角，帶來星載天線單元增益提高的優勢，實現不同波束之間頻率的復用，以提高衛星通信系統的通量。同時，高通量通信衛星在相同覆蓋區域內可代替數顆傳統通信衛星來承擔通信任務，節約地球靜止軌道（GEO）的軌道資源和頻率資源。

2.高通量衛星通信系統結構

高通量衛星通信系統分為空間段、地面段和用戶段，為星型網絡結構。饋電鏈路工作頻段為Ka頻段，用戶鏈路由應用場景來決定頻段，可為C頻段、Ku頻段、Ka頻段。空間段為一顆GEO高通量通信衛星；地面段包括主控站、網絡控制中心（NCC）、若干個關口站，其中關口站將陸地寬帶互聯網業務、移動寬帶多媒體業務接入至高通量衛星通信系統，以實現對衛星寬帶多媒體業務的支持；用戶段包括便攜式VSAT地球站、固定地球站、車載VSAT地球站，如圖1所示。

圖1 高通量衛星通信系統結構

高通量衛星通信系統的每個關口站采取主用與備用相結合的方式。主用關口站與備用關口站相距幾百千米，通過陸地專線鏈接，實現空間分集接收，均可接收和處理業務流量。主用關口站受雨衰影響較大時，系統自動切換到備用關口站，通過冗余和分集手段，抵抗雨衰的影響。當用戶鏈路為Ka頻段時，采用自適應調制編碼（ACM）和自動載波功率控制機制（ACPC），對雨衰進行補償。

3.國內外主要高通量通信衛星

世界第一顆高通量通信衛星IPSTAR－1于2005年8月發射入軌，同年10月開通運營，用戶鏈路工作頻段為Ku，包括84個用戶點波束，整星通信容量可達40Gbit/s，開啟了高通量衛星通信的時代。此后，國際移動衛星公司（Inmarsat）、國際通信衛星公司（Intelsat）、歐洲衛星公司（SES）、歐洲通信衛星公司（Eutelsat）、衛訊公司（ViaSat）、休斯公司（Hughes）等世界主要衛星通信運營商均訂購了高通量通信衛星[2-7]，具體信息如表1所示。

近年來，一些國家陸續發射了覆蓋本國范圍的高通量通信衛星，例如加拿大Telstar－19V于2018年7月發射入軌，印度GSAT－29和GSAT－11分別于2018年11月和12月發射入軌，印尼Nusantara Satu衛星于2019年2月發射入軌。同時，高通量通信衛星也正向超高通量衛星（VHTS）方向邁進，ViaSat公司在建的ViaSat－3通量達1Tbit/s，Hughes公司Jupiter－3通量達500Gbit/s，Eutelsat公司在建的Konnect VHTS衛星通量達500Gbit/s。

我國首顆高通量通信衛星中星十六號于2017年4月12日發射，定點于110.5°E地球靜止軌道，提供26個Ka頻段用戶波束，覆蓋中國中部、中西部、東部、南部、拉薩地區及中國近海地區，可應用于遠程教育、醫療、互聯網接入、機載和船舶通信、應急通信等領域。中星十六號整星通量達20Gbit/s，大于我國所有在軌通信衛星的容量之和，但僅達到高通量通信衛星第一階段的發展水平。第二顆高通量通信衛星中星十八號于2019年發射失敗。亞太6D衛星于2020年7月9日成功發射，最終定點于134°E地球靜止軌道，為Ku/Ka頻段高通量通信衛星，通量達50Gbit/s，包括90個用戶波束，單波束通量達1Gbit/s以上,覆蓋亞太地區絕大部分陸地和海洋地區，包括7個在建關口站。亞太6D是我國目前通信容量最大、輸出功率最大、設計程度最復雜的民商用通信衛星，可滿足海事通信、航空機載通信、陸地車載通信、應急固定衛星寬帶互聯網接入等多種應用需求。后續還將陸續發射多顆高通量通信衛星，實現對中國全境、周邊國家以及“一帶一路”等區域的覆蓋。

表1 國外主要GEO高通量通信衛星參數

衛星平臺是高通量通信衛星的重要支撐技術。東方紅五號衛星平臺的成功研制使我國邁入世界衛星通信領域的先進行列。東方紅五號衛星平臺整星發射質量達8000kg，有效載荷承載質量達1500kg，有效載荷功率達18kW，采用先進綜合電子系統與大推力、多模式電推進系統，使我國具備研制100～1000Gbit/s超高通量通信衛星的能力，可滿足未來20年的大容量衛星應用需求。

三、高通量衛星通信應用分析

1.商業應用優勢

由于衛星通信系統的建設成本極高，涉及衛星制造、火箭發射、控制站、關口站、發射保險等方面費用，這導致單位帶寬使用費用是陸地互聯網的幾百倍。為扭轉衛星通信在與陸地寬帶網絡競爭中處于明顯劣勢的不利局面，激發衛星通信商業應用的新動能，降低用戶資費和終端價格已成為擺在衛星通信運營商面前亟需解決的問題。

高通量通信衛星制造費用稍高于傳統通信衛星，但火箭發射、發射保險、關口站、控制站、衛星維護的費用與傳統衛星持平，單位帶寬的使用資費大幅下降，僅僅是陸地網絡的幾倍，具備與陸地網絡競爭的可能性。

多點波束技術還可解決覆蓋區域內增益較低的問題。單個點波束在地球上覆蓋區域近似為圓形，在覆蓋區域內提供較高的EIRP和G/T值。與區域波束覆蓋的衛星終端相比，在支持相同傳輸速率條件下，Ka頻段衛星終端在點波束覆蓋區域的天線口徑可縮小50%以上，可降低天線單元的成本價格，有利于進一步向大眾用戶推廣應用。高通量衛星通信系統是星網一體的網絡系統，信令、幀、空中接口可統一化、規范化，基帶處理單元可形成大批量化生產，進一步降低衛星終端的價格。

2.應用領域

（1）陸地寬帶接入服務

衛星通信可作為偏遠地區、低人口密度鄉村、群島、遠離大陸島嶼等地區通信網絡與互聯網連接的骨干網絡。由于這些地區的用戶數量有限，架設光纜、甚至海底光纜的單位成本極高，遠高于建設衛星通信遠端站的成本。在高通量通信衛星時代，單位帶寬的使用資費相對較低，使其在上述地區的應用具有非常大的優勢，解決寬帶互聯網的接入問題。

ViaSat－1和ViaSat－2所有的關口站和遠端站均采用SurfBeam通信體制，為北美陸地地區和夏威夷群島、中北美及加勒比海地區提供寬帶互聯網接入服務，可提供下行50 Mbit/s、上行20 Mbit/s的速率。KA-SAT向歐洲及地中海至今未能鋪設陸地光纜的地區提供數字電視、數據業務，同樣采用SurfBeam通信體制，最高下行速率達10Mbit/s，在速度、價格等方面與陸地ADSL相當。Intelsat EpicNG衛星提供寬帶互聯網接入服務，在點波束覆蓋范圍內提供的下行速率可達160Mbit/s，寬波束覆蓋范圍內提供的下行速率為40Mbit/s。

（2）客機寬帶通信服務

近年來，航空出行呈現大眾化的趨勢，旅客對在航程中告別“網絡信息孤島”頗為期待，為基于高通量衛星通信的機載應用帶來了機遇。高通量通信衛星可進一步提高客機艙內WiFi的通信速率，滿足旅客出行期間享受寬帶多媒體業務的實際需求。目前，ViaSat公司、Inmarsat公司在該領域提供服務，并占據較高的市場份額。

ViaSat公司與Eutelsat公司、澳大利亞寬帶網絡公司（NBN）、中國衛通等多家公司簽訂協議，允許這些公司的高通量衛星通信系統進行漫游和接入服務，包括WildBlue－1、Anik－F2、ViaSat－1、ViaSat－ 2、KA-SAT、SkyMuster I/II、中星十六號等Ka頻段高通量通信衛星，實現衛星通信波束對客機的全球無縫覆蓋。

Inmarsat公司在2017年開通了基于“全球快訊”（Global Xpress）系統運營機載寬帶服務GX for Aviation，可提供高速、全球無縫覆蓋的民航客機機載WiFi服務，旅客在機上可連接體驗與陸地網絡相媲美的寬帶服務品質。目前，德國漢莎航空、新西蘭航空、新加坡航空等多家航空公司選用GX for Aviation服務。

2020年7月7日，中國首架高速衛星互聯網飛機—青島航空QW9771航班首航成功，機上適配了基于中星十六號衛星的高速互聯系統，使旅客在萬米高空機艙內實現百兆以上的速率聯網，可享受與地面WiFi同樣的上網體驗。

（3）海事領域寬帶通信服務

進入21世紀以來，海洋戰略地位日漸凸顯，海上商業航運量逐年提升，油氣資源勘探、深海科學考察、遠海捕撈作業等社會經濟活動顯著增多。海上作業平臺及過往船舶的工作人員迫切需要寬帶互聯網，以緩解其長期枯燥無味的海上生活，豐富其工作之余的精神文化生活。

目前，僅有Inmarsat公司的“全球快訊”系統可在南北緯70°之間全球任何位置提供無縫寬帶衛星通信服務，不僅支持海上交通信息傳輸，為船舶安全航行保駕護航，還支持視頻會議、遠程維修、遠程醫療、海上電子商務、船舶物聯網信息回傳等寬帶業務[8]。

3.面向服務應用的探索

陸地移動通信即將進入5G時代，5G系統將轉變為主要為人和機器提供信息和服務的一種方式[9]，支持極限移動寬帶、海量機器通信、超高可靠的通信應用場景。在人類社會加速進入數據化和智能化的時代，為了將不斷涌現的新型多媒體服務的應用范圍擴展至陸地互聯網無法覆蓋的區域，高通量衛星通信系統支持5G服務場景成為可能。

在國內外電信基礎設施完善地區，陸地移動通信網絡覆蓋范圍廣，未來僅有極少偏遠鄉村、近海島嶼無法實現5G系統的覆蓋，可借助融合5G的高通量衛星通信系統發揮陸地移動通信網絡的補充作用。在電信基礎設施落后地區，高通量衛星通信系統將承擔骨干網絡的作用，實現5G系統的主要設計目標，把來自不同工業經濟領域的需求映射到信息系統之上，例如農業、能源、金融、醫療、生產制造、媒體、交通、公共安全等領域的相關需求。未來的高通量衛星通信系統應具有面向人、機器提供大規模差異化接入服務的能力，構建泛在高效的空間信息網絡，改變過去移動通信領域“天弱地強”的格局。

四、高通量衛星通信發展建議

目前已投入使用的高通量衛星通信系統大多數采用獨立設計、建設、運行、維護的發展模式。衛星通信系統之間的界限清晰，支持的功能單一，星網與地網之間的通信體制不兼容，僅可通過關口站與各類陸地網絡實現互聯互通。考慮到未來的應用領域與應用需求，提出如下幾項建議：

1）在通信協議方面，對寬帶衛星通信協議作出適應性修改，兼容衛星移動通信領域的GMR-1和GMR-2，兼容陸地寬帶通信協議，實現衛星固定通信與衛星移動通信在協議層面的融合，衛星通信網絡與互聯網的融合；預留與中低軌通信衛星的軌間通信接口，以作為天地一體化信息網絡的骨干網[10]。

2）在數字載荷方面，采取軟件定義無線電技術，控制在衛星通信頻率范圍內的各種調制技術和波形要求，在壽命期間具備全新的能力來改變有效載荷功能，可根據陸地業務需求動態調整波束容量、波束覆蓋范圍。

3）在安全性方面，增加通信鏈路安全防護能力，滿足未來應用于有保密要求的政府用戶和軍用需求；在面臨網絡攻擊、數據竊取的威脅和挑戰時，有針對性采取抗干擾、防竊聽、安全路由、安全切換、安全傳輸、安全接入和密鑰管理等安全技術。

4）在終端地球站方面，實現多頻段衛星通信融合的通信終端，具有小型化、通用化的特點；單獨一個通信終端可支持衛星移動通信、衛星寬帶媒體通信、陸地移動通信、導航定位等功能。

五、結論

在互聯網技術的帶動下，衛星通信進入了高通量的發展階段。高通量衛星通信單位帶寬的使用資費已大幅下降，在低人口密度鄉村、群島、遠海島嶼等地區具備與陸地網絡競爭的可能性，在海上、空中具備應用普及化的優勢。這將激活衛星通信商業應用的潛力，扭轉與陸地寬帶網絡競爭中處于明顯劣勢的不利局面，帶動衛星通信技術的進一步發展。未來可借鑒5G通信標準，探索支持應對差異化服務，轉變為人和機器提供信息和服務的一種方式，支持極限移動寬帶、海量機器通信、超高可靠的通信應用場景。

高通量衛星通信系統目前存在封閉運行、系統之間的界限清晰、支持的功能單一、星網與地網之間的通信體制不兼容等問題。通信協議、數字載荷、安全性、終端地球站的不斷發展，將為高通量衛星通信的發展注入新的活力。