Ka頻段的特點與應(yīng)用研究

王 孟，魯 煜

（國家無線電監(jiān)測中心烏魯木齊監(jiān)測站，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

21世紀以來，Ka頻段使用計劃紛紛頒布并逐步實施，特別是2010年以來逐漸成為各國衛(wèi)星追捧的頻段。它以超寬的帶寬已應(yīng)用于高速衛(wèi)星通信、寬帶數(shù)字傳輸、4K和8K電視、衛(wèi)星新聞采集、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶（DTH）及個人衛(wèi)星等業(yè)務(wù)，并在具體使用中展現(xiàn)出其極大的優(yōu)勢[1]。隨著Ka頻段的逐步使用，其相關(guān)設(shè)備的制造工藝、性能指標、芯片集成、技術(shù)創(chuàng)新等均不斷完善，為天地海一體化等人類空間無線電事業(yè)主用頻段提供強有力的支撐。

Ka頻段衛(wèi)星通信優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)在8個方面[1]：一是Ka頻段范圍較寬，達到3.5 GHz，能滿足高清視頻、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)通信的傳輸要求；二是抗干擾性能強，衛(wèi)星上天線的增益可以根據(jù)需要靈活配置，用戶終端天線可做得小而輕便；三是多波束和相控陣技術(shù)的推廣使用，可以隨心所欲地改變衛(wèi)星上天線的指向，以達到滿足對點波束通信以及星上交換的需求；四是能實現(xiàn)星上功率動態(tài)分配，采用上行功率控制技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)能有效控制雨衰所造通信質(zhì)量的下降，且效果較為理想；五是信號可采用高階調(diào)制技術(shù)（QPSK、8PSK/16PSK/32PSK），不僅信號占用帶寬明顯降低，而且信號傳輸速率也得到很大提高；六是點波束的應(yīng)用使衛(wèi)星頻率資源利用率提高20倍以上；七是多關(guān)口，饋電鏈路頻率的復(fù)用、用戶的本地化接入、地面關(guān)口站的信息化處理能力等因素，需要Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)要設(shè)置多個地域分布的關(guān)口站，不同關(guān)口站之間通過地面光纖網(wǎng)絡(luò)相互連接，以形成一個完整的信息網(wǎng)絡(luò)；八是Ka頻段鄰星間隔2°就可以實現(xiàn)頻率復(fù)用和點波束覆蓋，作為新興的衛(wèi)星通信頻段，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)比較少，軌道位置的申請相對容易一些，而且不會對現(xiàn)有的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。

圖1 Ka頻段在萬物互聯(lián)中的運用

1 Ka頻段在靜止軌道衛(wèi)星的典型應(yīng)用

自前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，航天事業(yè)已過去60多年，從開始的單一業(yè)務(wù)已經(jīng)發(fā)展到今天廣泛應(yīng)用，從過去小容量到今天的超大容量，從使用低頻段發(fā)展到今天的Ka甚至更高的Q/V頻段，它為人類生活帶來了巨大的變革，也為人類生活帶來了巨大的便利，本節(jié)主要介紹Ka頻段應(yīng)用在典型的GEO中。

1.1 Viasat-1/2/3

ViaSat-1衛(wèi)星是首顆總數(shù)據(jù)吞吐量超過100 Gb/s的全Ka波段大型寬帶通信衛(wèi)星，該星部署于115°W，攜帶Ka波段點波束，覆蓋區(qū)域超過75%的美國大陸、太平洋夏威夷島嶼、阿拉斯加和北部的加拿大，已經(jīng)在為北美地區(qū)提供新型的高速寬帶業(yè)務(wù)。ViaSat-1具有頗多的亮點[2]：一是ViaSat-1衛(wèi)星總?cè)萘砍^140 Gb/s，是2017年前全球在軌最高容量的寬帶通信衛(wèi)星；二是作為新一代VHTS衛(wèi)星的代表，ViaSat 1衛(wèi)星采用Ka波段多點波束和頻率復(fù)用技術(shù)，使衛(wèi)星總帶寬應(yīng)用達到最大限度；三是ViaSat-1衛(wèi)星72個點波束主要作為寬帶服務(wù)應(yīng)用于北美地區(qū)；四是ViaSat-1寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)將創(chuàng)新的沖浪2技術(shù)（Viasat Surf Beam2）應(yīng)用到寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可利用現(xiàn)有的電視調(diào)制解調(diào)芯片、現(xiàn)有運營商級的終端設(shè)備、可采用第三方產(chǎn)品、網(wǎng)關(guān)、運營支撐系統(tǒng)（OSS）應(yīng)用。

圖2.Viasat SurfBeam系統(tǒng)

圖3 Viasat-1覆蓋圖

表1 Viasat-1實際使用頻段

2017年第四季度投入使用的ViaSat-2僅采用Ka頻段，其容量是ViaSat-1的2倍以上，超過300 Gb/s，將為用戶提供更快的速度并增加更多的數(shù)據(jù)容量，帶來更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。ViaSat-2是當(dāng)前在軌重容量最大、使用技術(shù)最先進的衛(wèi)星，它不僅提供民用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，也為美國政府、國防和軍事應(yīng)用提供通信服務(wù)。

ViaSat-3是Ka頻段星座，它由3顆衛(wèi)星組成，每一顆都有1 Tb/s的容量，是ViaSat-2的3倍，一旦3顆星全部投運，為全球增加K a頻段容量。ViaSat-3的前兩顆衛(wèi)星正在建設(shè)中，將分別服務(wù)于美洲和歐洲，中東和非洲（EMEA）市場，這兩顆衛(wèi)星預(yù)計將在2022年前發(fā)射。Viasat最近正在為亞太地區(qū)（APAC）開發(fā)第三顆ViaSat-3級衛(wèi)星，預(yù)計將于2022年啟動，進而實現(xiàn)全球Ka頻段覆蓋計劃。

圖4 Viasat衛(wèi)星的通信終端（GAT-5518）

1.2 Global Xpress系列衛(wèi)星

Global Xpress的全球覆蓋能力來自四顆K a頻段地球同步衛(wèi)星。第一顆衛(wèi)星覆蓋歐洲、中東地區(qū)、非洲及亞洲；第二顆衛(wèi)星覆蓋美洲和大西洋地區(qū)；第三顆衛(wèi)星覆蓋太平洋地區(qū)；第四顆衛(wèi)星已經(jīng)開始提供額外的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域容量以滿足航空公司的需求。后續(xù)的二顆衛(wèi)星I-6 F1和I-6 F2將提供更多的Ka頻段帶寬業(yè)務(wù)，在需求最高的地區(qū)提供額外的Global Xpress容量，它是目前真正的全球性Ka頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

GX1于2013年12月8日發(fā)射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發(fā)射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s去為歐洲、中東地區(qū)、非洲和亞洲提供區(qū)域GX服務(wù)。

GX2于2015年2月1日發(fā)射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發(fā)射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s為美洲及大洋洲地區(qū)提供區(qū)域GX服務(wù)。

GX3于2015年8月28日發(fā)射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發(fā)射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s為太平洋地區(qū)提供區(qū)域GX服務(wù)。

GX4于2017年5月15日發(fā)射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發(fā)射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s為航空公司提供區(qū)域GX服務(wù)。

GX5于2019年11月29日發(fā)射升空，它攜帶72個Ka頻段點波束提供超高通量（VHTS）業(yè)務(wù)，覆蓋中東、歐洲和印度次大陸，尤其將用于機上Wi-Fi和商業(yè)海事服務(wù)，目前該星處在漂移過程，還未完全入軌。

1.3 AMOS系列衛(wèi)星

以色列Spacecom公司AMOS系列衛(wèi)星中的AMOS-4和AMOS-17是Ka頻段的兩顆衛(wèi)星，它們已經(jīng)向歐洲、亞洲、中東和非洲提供服務(wù)。AMOS-4攜帶4個Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，作為Spacecom公司探索性使用Ka頻段的衛(wèi)星，已實現(xiàn)它預(yù)期高速、寬帶的目標。AMOS-17衛(wèi)星是該公司宣布打造高通量衛(wèi)星以來的第一顆成功發(fā)射和投運的高通量衛(wèi)星，擴大了Spacecom對非洲、中東和歐洲的覆蓋。它是具有先進技術(shù)水平的多頻段高吞吐量衛(wèi)星，可為用戶提供可靠的解決方案和極大的競爭優(yōu)勢，這顆衛(wèi)星與Spacecom公司的擴張策略相符合。

AMOS-17通過采用Novelsat公司的雙重載波消除（CEC）頻分復(fù)用技術(shù)，展示了大容量衛(wèi)星傳輸功能，頻率效率高達10.5 bit/Hz，以9/10前向速率和2%的翻滾（roll-off）實現(xiàn)64APSK調(diào)制，在81.6 MHz的帶寬下實現(xiàn)845 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]。

圖5 AMOS-17 Ka頻段覆蓋圖

2 Ka頻段在NGSO上的應(yīng)用

2015年后，位于LEO的寬帶高通量衛(wèi)星迎來大發(fā)展的浪潮。以太空探索公司（SpaceX）的StarLink星座計劃、一網(wǎng)公司OneWeb星座計劃、亞馬遜柯伊伯（Kuiper）星 座計劃、加拿大電信衛(wèi) 星公司Telstar計劃和中國的鴻雁星座計劃、虹云星座計劃等為代表。新一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)射及生產(chǎn)成本更低，組網(wǎng)規(guī)模大，旨在為全球提供更高速率、更低延時的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。在應(yīng)急、災(zāi)備、海洋作業(yè)、機/船載Wi-Fi、偏遠地帶帶寬覆蓋等應(yīng)用上持續(xù)突破，并在內(nèi)容信息交換、寬帶接入、基站中繼、移動平臺通信等方面和5G融合已取得實質(zhì)性進展[2]。

2.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的優(yōu)勢及典型星座用頻

發(fā)展至今，新一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座已有明確的定義，即由數(shù)百甚至上千/萬顆運行在低地球軌道（LEO）的小型衛(wèi)星構(gòu)成，能夠提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的通信衛(wèi)星星座。主要表現(xiàn)在[2]：一是覆蓋范圍非常廣，目前僅有20%的陸地面積被地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，地球表面的覆蓋約為5%，若衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)布設(shè)完畢，可實現(xiàn)不受地域的限制，實現(xiàn)全球無縫的覆蓋；二是建設(shè)成本較低，與地面布設(shè)的5G基礎(chǔ)設(shè)施及海洋光纖光纜建設(shè)相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的成本更低；三是時延可達到幾十甚至幾毫秒，可媲美5G，5G典型端到端時延為5-10 ms左右；四是高帶寬，HTS技術(shù)的不斷成熟逐步提升單星容量，降低了衛(wèi)星單位帶寬的成本。

據(jù)統(tǒng)計，目前全球至少有20家公司對外公布了全球低軌星座計劃，其中，中國6家、美國6家、俄羅斯1家、加拿大1家、英國1家、韓國1家、印度1家、盧森堡1家、尼日利亞1家、盧旺達1家。使用的頻段大多以Ka頻段為主，或?qū)⒃擃l段作為用戶鏈路、星間鏈路和饋鏈路中的一部分。

表2 典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)使用頻率

2.2 Ka頻段在我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

（1）虹云工程。2016年，我國航天科工集團提出“虹云工程”，計劃發(fā)射156顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球組網(wǎng)，采用Ka波段通信，每顆衛(wèi)星有4 Gb/s帶寬的吞吐量?！昂缭乒こ獭本邆渫ㄐ?、導(dǎo)航和遙感一體化、全球覆蓋，系統(tǒng)自主可控，以極低的通信延時、極高的頻率復(fù)用率、可實現(xiàn)真正的全球覆蓋。

（2）天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)（天象星座）。2019年6月5日，“天象”試驗1星、2星成功進入預(yù)定軌道。天象小衛(wèi)星是我國首個基于Ka頻段星間鏈路的雙星組網(wǎng)小衛(wèi)星系統(tǒng)。天象衛(wèi)星利用先進的技術(shù)，不僅能實現(xiàn)雙星組網(wǎng)傳輸，包括各種信息數(shù)據(jù)、語音、視頻、圖片的高質(zhì)量實時傳輸，還兼具星間測量、導(dǎo)航增強、ADS-B、對地遙感等多項功能。

（3）銀河航天（銀河Galaxy衛(wèi)星星座）。銀河航天計劃建造由位于1200 km的近地軌道的上千顆5G通信衛(wèi)星組成星座網(wǎng)絡(luò)，可使用戶高速靈活地接入5G網(wǎng)絡(luò)。2020年1月16日，首發(fā)衛(wèi)星進入預(yù)定軌道，它采用Q/V和Ka等通信頻段，具備速率達10 Gb/s透明轉(zhuǎn)發(fā)通信能力，通過衛(wèi)星終端可為用戶提供寬帶通信服務(wù)。

3 Ka頻段在HAPS的應(yīng)用

2020年10月，德國電信展示了高空平臺（High Altitude Platform System，HAPS）項目的最新實驗成果，并計劃于兩年內(nèi)實施。對于業(yè)務(wù)鏈路，饋線鏈路，將采用21 GHz、26 GHz、28 GHz、31 GHz 等Ka頻段。在飛行平臺上安裝面積約9m2、由1 028個天線單元組成的大規(guī)模天線陣列，可發(fā)射200個波束，每個波束對應(yīng)一個小區(qū)，200個小區(qū)可同時在地面形成直徑約140 km的連續(xù)覆蓋范圍。該次實驗表明，HAPS系統(tǒng)覆蓋面積廣，尤其可以解決地面基站信號因受到建筑物、山丘等阻擋所產(chǎn)生的覆蓋盲點，因此是地面移動網(wǎng)絡(luò)的良好補充。HAPS指位于平流層的飛行平臺可以像基站一樣直接連接手機和物聯(lián)網(wǎng)終端，并與地面的電信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)天地一體的立體組網(wǎng)[4]。

德國電信成功演示的HAPS項目中，天線安裝于可遠程 遙控的飛行平臺上，平臺位于離地約14 km的平流層，可在地面形成直徑約10 km的覆蓋小區(qū)，且在該小區(qū)范圍內(nèi)手機可直接與平臺上的天線連接通信。而飛行平臺連接到地面核心網(wǎng)采用高頻段、大帶寬的無線回傳。

圖6 HAPS實驗場景

HAPS位于平流層，介于民航飛機飛行高度與衛(wèi)星軌道高度之間，因此，HAPS兼具衛(wèi)星和陸地通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，具有覆蓋面積廣、成本較低、傳輸延遲小、易配置等特點。

圖7 HAPS實施方案

4 結(jié)束語

相比常規(guī)C、Ku頻段的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，Ka寬帶衛(wèi)星將豐富的頻率資源與多點波束組合應(yīng)用，單星容量提高數(shù)十倍至數(shù)百倍，整星吞吐量在100 Gb/s以上，甚至可以達到Tb/s級別。我國中星16首次應(yīng)用Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)，總?cè)萘窟_20G以上，已經(jīng)實現(xiàn)我國中東部及沿海區(qū)的覆蓋，作為我國第一顆高通量衛(wèi)星為我國經(jīng)濟社會發(fā)展、“網(wǎng)絡(luò)強國”的建設(shè)起到促進作用，同時應(yīng)汲取國外先進的技術(shù)，突破限制發(fā)展的壁壘，為我國在天基互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入更強勁的活力。