從銀河航天首發(fā)星在軌測試分析低軌寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢

李建成

[銀河航天（北京）科技有限公司，北京 100089]

0 引言

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是通過一定數(shù)量的低軌寬帶通信衛(wèi)星形成組網(wǎng)模式，旨在覆蓋全球，為部署在地面、海洋和空域的用戶終端提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入服務，其具備覆蓋區(qū)域大、傳輸速率高、傳輸時延低、環(huán)境適應性好等優(yōu)點。 2020年4月20日，國家發(fā)改委首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和 5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等一起列入信息基礎設施，明確了建設衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在新一代信息技術(shù)演進上的重大戰(zhàn)略意義。在 3GPP RAN主導的 5G NR（新空口）網(wǎng)絡標準中，非地面網(wǎng)絡（NTN）技術(shù)也將衛(wèi)星和高空平臺作為重要的研究方向，已經(jīng)有眾多參與方提交并形成了一系列重要的技術(shù)報告，并積極推進相關(guān)的技術(shù)規(guī)范制定工作。星地融合的通信時代已是漸行漸近。

銀河航天作為國內(nèi)民營商業(yè)航天的獨角獸企業(yè)，在2020年1月16日成功發(fā)射首發(fā)星，該衛(wèi)星是一顆低軌寬帶通信衛(wèi)星。目前，該星已成功開展了近一年的星地通信聯(lián)試，完成了信關(guān)站信標跟蹤對比測試、衛(wèi)星信道特性測試、通信業(yè)務呼叫流程以及相關(guān)的通信性能驗證等一系列測試用例，同時基于信關(guān)站和衛(wèi)星用戶波束的覆蓋范圍，開展場景場地適應性測試，驗證了低軌寬帶衛(wèi)星的通信能力，探索出一套行之有效的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)測試方法，為后續(xù)低軌衛(wèi)星星座的建設提供了有力的測試 數(shù)據(jù)支撐。在此期間，銀河航天選擇了綿陽市北川縣山區(qū)（7月中旬）和唐山市曹妃甸濱海高濕度環(huán)境（9月中旬）進行了不同環(huán)境條件下的試驗，實測證明首發(fā)星的鏈路預算指標能有效對抗中雨、大霧等水汽環(huán)境，為用戶提供端到端的數(shù)據(jù)通信服務。本文結(jié)合銀河航天首發(fā)星通信系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的測試情況，分析了低軌衛(wèi)星通信在帶寬、時延、覆蓋等方面的特點，并探討了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在未來服務應用中的優(yōu)勢。

1 衛(wèi)星通信環(huán)境適應性

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的獨特性在于不受地面環(huán)境影響，因而成為災難應急、偏遠區(qū)域通信等場景下的重要選擇。隨著低頻段頻譜資源的日益擁擠，擁有更高可用頻譜帶寬的 Q/V/Ka頻段成為衛(wèi)星空口使用的重要資源。然而高頻段信號由于頻率較高，在空間的損耗較大，受降雨、大氣中的水凝物以及大氣湍流等影響更為嚴重，降雨甚至可以引起高達 10 dB以上的信號衰減，導致信號中斷，進而影響通信系統(tǒng)的可用性等重要指標。有關(guān)雨衰的理論研究以及相關(guān)的試驗驗證較為復雜，美、英、日、意等國早在 20世紀70年代就開始結(jié)合本國氣候特點，利用輻射計法、雷達法、衛(wèi)星信標法等，做了大量的實驗與理論研究，利用實驗實際的測試數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法建立了諸如 Assis-Einloft Improved、ITU-R等模型系統(tǒng)。為對抗雨衰帶來的影響，通常的做法是在原有鏈路計算的基礎上，引入鏈路余量，隨之而來的是設備配置等級、鏈路自適應動態(tài)運行與無線資源調(diào)度以及設備成本預算等一系列的問題。為了應對局部小范圍的高強度降雨而保留過高余量的做法，顯得極為不合理、不經(jīng)濟。為探索合理的系統(tǒng)設計方法，銀河航天的工程開發(fā)人員在測試過程中積累氣象數(shù)據(jù)，并且選擇在濱海區(qū)域進行了降雨中及降雨后高濕度條件下的通信測試并取得成功。

圖1 信關(guān)站的氣象儀采集的氣象信息

就場地適應性而言，地面光纖作為傳輸網(wǎng)絡的重要媒介，可以光纖到戶，其優(yōu)勢是通信帶寬大，其劣勢是在偏遠山區(qū)、海洋等區(qū)域鋪設受到地形地貌的限制，成本高昂。衛(wèi)星終端能夠以固定、便攜、車載、船載或者機載等多種站型快速部署并提供服務，在部署成本和使用便捷性上優(yōu)勢顯著。銀河航天在山區(qū)環(huán)境下開展的通信試驗很好地印證了這一點。

圖2 部署在綿陽市北川縣山區(qū)的固定式低軌衛(wèi)星終端

承擔以上環(huán)境適應性通信試驗任務的銀河航天首發(fā)星，是中國境內(nèi)首顆通信能力達 24 Gb/s的低軌寬帶通信衛(wèi)星。

2 銀河航天首發(fā)星試驗系統(tǒng)

銀河航天首發(fā)星系統(tǒng)由在軌衛(wèi)星、信關(guān)站、測控站、衛(wèi)星終端和衛(wèi)星運控中心組成，其中，在軌衛(wèi)星使用 Q/V頻段信號與信關(guān)站進行連接，使用 Ka頻段信號與衛(wèi)星終端進行連接。同時，衛(wèi)星系統(tǒng)與多種制式的地面網(wǎng)絡實現(xiàn)對接連通，如 5G，LTE，GSM，Wi-Fi等，可開展各種星地融合網(wǎng)絡試驗。整個試驗系統(tǒng)全景如圖 3所示。

圖3 銀河航天首發(fā)星試驗系統(tǒng)全景

在濱海環(huán)境通信測試中，信關(guān)站位于北京市海淀區(qū)，衛(wèi)星終端位于唐山市曹妃甸，臨近渤海灣，測試過程中用戶段區(qū)域有中等強度降雨。此次測試是國內(nèi)首次利用在軌低軌寬帶衛(wèi)星驗證高頻毫米波在雨區(qū)海洋等氣候環(huán)境下的通信能力。如圖4所示。

圖4 濱海環(huán)境通信測試

3 在軌測試分析

3.1 環(huán)境適應性

圖5為持續(xù)降雨條件下，在信關(guān)站采用頻譜分析儀按秒采集信標信號強度及信標鎖定情況。排除快速過頂時產(chǎn)生的 2個失鎖樣本點，在中雨條件下信標信號鎖定正常，滿足通信條件。

3.2 通信帶寬

圖6實測數(shù)據(jù)表明，在降雨條件下，衛(wèi)星終端接收信號信噪比（信號與噪聲強度之比）依然能達到 20 dB左右，且保持穩(wěn)定。參考 ETSI EN 302 307-2規(guī)范文檔中關(guān)于解調(diào)性能仿真結(jié)果，此信噪比可支持比較高階的編碼率，結(jié)合前向配置的信號帶寬（20 Ms/s），信息速率超過 80 Mb/s，足以支持現(xiàn)行大多數(shù)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用場景。

圖5 信標信號接收和鎖定指示

圖6 信號接收強度和信噪比（降雨條件下實測數(shù)據(jù)）

如圖7、圖8所示，在晴好天氣條件下進行的基于衛(wèi)星鏈路的 5G基站回傳測試中，回傳鏈路數(shù)據(jù)吞吐量達到了 500 Mb/s以上。這一測試結(jié)果表明，銀河航天的低軌通信衛(wèi)星在信關(guān)站和衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)的大帶寬傳輸，可為 LTE或者5G蜂窩網(wǎng)絡提供衛(wèi)星鏈路回傳，為現(xiàn)有的電信運營商提供了一個非常重要的選擇。

圖7 衛(wèi)星終端接收情況（晴好天氣條件實測數(shù)據(jù)）

圖8 信關(guān)站接收情況（晴好天氣條件實測數(shù)據(jù)）

3.3 通信時延

如圖 9所示，在銀河航天首發(fā)星測試中，對通信時延進行了統(tǒng)計，典型值在 20 ms-40 ms，可與地面光纖相比擬。在長距傳輸?shù)那樾蜗拢蛙壭l(wèi)星傳輸跳數(shù)相比地面光纖網(wǎng)絡更少，時延優(yōu)勢將更為明顯。這一低軌衛(wèi)星通信的重要特征，對于金融交易等對低時延有強烈需求的場景尤為重要。

圖9 通信時延實測結(jié)果

3.4 地域覆蓋

相比于地面通信基站，低軌星座天然具備廣覆蓋的特性，地面基站天線高度和低軌衛(wèi)星軌道高度及覆蓋方式對比如圖 10所示。

圖10 地面基站與低軌衛(wèi)星覆蓋對比示意圖

衛(wèi)星的波束覆蓋范圍遠遠大于地面蜂窩基站，低軌衛(wèi)星覆蓋寬，在滿足低容量密度區(qū)域的通信需求時具有優(yōu)勢，地面蜂窩基站則可以用于覆蓋城市地區(qū)等容量密度需求大的區(qū)域。

銀河航天基于覆蓋的測試需求，以北京信關(guān)站為中心，在唐山（210 km左右）、石家莊（300 km）等多地開展了異地通信測試，為驗證信關(guān)站服務區(qū)域、服務時間、多區(qū)域連續(xù)服務能力以及可能的衛(wèi)星工作模式提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。圖 11為以信關(guān)站為中心的覆蓋區(qū)域示意圖。

圖11 以信關(guān)站為中心的覆蓋區(qū)域范圍

4 結(jié)束語

受益于火箭發(fā)射技術(shù)、衛(wèi)星批產(chǎn)、 HTS高通量衛(wèi)星等產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步，低軌衛(wèi)星通信星座正在迎來發(fā)展熱潮。憑借廣覆蓋、低時延、大通量和環(huán)境適應性強等顯著優(yōu)勢，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)將獲得廣闊的發(fā)展空間。國內(nèi)外正涌現(xiàn)出一批致力于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)建設的企業(yè)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也將隨著衛(wèi)星制造、測運控技術(shù)和星地通信等諸多技術(shù)突破，成為關(guān)鍵的基礎設施，為全球越來越多的用戶提供通信應用服務。