高通量衛(wèi)星系統(tǒng)與技術發(fā)展綜述

攸陽 張弢

摘要：近些年來，高通量衛(wèi)星發(fā)展迅速，受到廣泛關注，成為未來通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向和驅(qū)動力。隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務規(guī)模不斷增大，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，衛(wèi)星通信容量逐漸成為衛(wèi)星通信發(fā)展的瓶頸。針對此問題，梳理了較為典型的高通量通信衛(wèi)星及通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成以及地面系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡模型進行了分析，給出相關發(fā)展建議，以進一步促進其應用。

關鍵詞：高通量衛(wèi)星；通信系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；架構(gòu)設計；網(wǎng)絡模型

中圖分類號：TN96文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）21-55-5

0引言

隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務規(guī)模不斷增大，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，受傳統(tǒng)通信衛(wèi)星吞吐率低、帶寬成本高等問題的限制，通信容量逐漸成為衛(wèi)星通信發(fā)展的瓶頸。2008年，美國北方天空研究所（NSR）率先提出了高通量通信衛(wèi)星（High Throughput Satellite，HTS）的概念，即采用頻率復用和多點波束技術，在同樣頻譜資源的條件下，通信容量是傳統(tǒng)支持固定通信衛(wèi)星的數(shù)倍的衛(wèi)星[1]。近些年來，高通量衛(wèi)星發(fā)展迅速，受到廣泛關注，成為當前和未來通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向和驅(qū)動力。

1高通量衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

1.1高通量通信衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

（1）美國ViaSat-1/2/3

ViaSat-1衛(wèi)星于2011年發(fā)射，是一顆超大容量的全Ka頻段高通量通信衛(wèi)星，有18個網(wǎng)關，總業(yè)務量為140 Gbit/s，超過了現(xiàn)今覆蓋北美的雙向Ka，C，Ku頻段的全部容量之和。ViaSat-2衛(wèi)星已于2015年發(fā)射，相比于ViaSat-1波束數(shù)量更多、覆蓋范圍更大，通信容量增加1倍以上。ViaSat-3計劃在2022年發(fā)射，共3顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星的總?cè)萘慷歼_到了1 Tbit/s，是ViaSat-2衛(wèi)星的3倍，能夠為美歐、中東、非亞地區(qū)的用戶提供100 Mbit/s的接入服務[2]。

（2）歐洲Ka-Sat

Ka-Sat衛(wèi)星于2010年發(fā)射，系統(tǒng)總?cè)萘窟_70 Gbit/s，具有82個Ka點波束，點波束覆蓋整個歐洲、北非大部分城市，并有專用波束覆蓋紅海及阿拉伯半島。每波束傳輸容量可達475～850 Mbit/s。地面8個關口站連接到互聯(lián)網(wǎng)，可為l00萬家庭用戶及企業(yè)用戶提供高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接[3]。

（3）實踐十三號（中星16）

作為我國首顆高通量通信衛(wèi)星，實踐十三號（中星16號）于2017年4月12日成功發(fā)射入軌，標志著我國衛(wèi)星通信正式進入高通量時代。中星16號衛(wèi)星首次搭載Ka頻段通信載荷，衛(wèi)星通信總?cè)萘窟_20 Gbit/s，超過了之前我國研制的所有通信衛(wèi)星容量的總和。衛(wèi)星有26個用戶點波束，用戶下載和回傳速率最高分別達到150 Mbit/s和12 Mbit/s。衛(wèi)星每波束前向容量680 Mbit/s，每波束返向容量200 Mbit/s。中星16號衛(wèi)星首次將空間技術試驗和示范應用相結(jié)合，提供雙向?qū)拵ㄐ攀痉痘\營服務[4]。

（4）亞太6D

亞太6D衛(wèi)星于2020年7月9日成功發(fā)射入軌，是國內(nèi)研制的首顆Ku/Ka頻段全球高通量寬帶商業(yè)衛(wèi)星，衛(wèi)星有效載荷質(zhì)量、有效載荷功率、波束數(shù)量及波束覆蓋區(qū)等多項性能指標均為國內(nèi)第一，代表了我國高通量衛(wèi)星研制的最高水平。亞太6D衛(wèi)星配置Ku頻段多波束（Ka頻段饋電鏈路）載荷，總通信容量達到50 Gbit/s。配置32路Ku頻段前向轉(zhuǎn)發(fā)器和10路Ka頻段返向轉(zhuǎn)發(fā)器，共計90個用戶波束，實現(xiàn)靜止軌道可視范圍下全球覆蓋，并配置8個信關站實現(xiàn)靈活切換，單波束容量可達1 Gbit/s以上[5]。

1.2高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）Viasat SurfBeam系統(tǒng)

美國衛(wèi)訊（Viasat）公司在2000年開始研發(fā)SurfBeam系統(tǒng)。SurfBeam系統(tǒng)是一個雙向?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)，可以使服務提供商通過商用靜止軌道通信衛(wèi)星（Ka或Ku波段）為居民、小型企業(yè)用戶提供高速因特網(wǎng)接入和寬帶多媒體通信業(yè)務[6]。SurfBeam系統(tǒng)能夠支持百萬級用戶，系統(tǒng)容量可以采取增量配置的手段、更高的帶寬處理能力、強大的調(diào)制解調(diào)能力和SMTS能夠有效降低系統(tǒng)功率消耗。該系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，已經(jīng)應用于包括ViaSat和Ka-Sat在內(nèi)的多顆超過70 Gbit/s的超大容量通信衛(wèi)星系統(tǒng)中。

（2）Gilat SkyEdgeII系統(tǒng)

以色列吉來特（Gilat）衛(wèi)星通信公司推出的SkyEdgeII系統(tǒng)是SkyEdge系列的第二代產(chǎn)品，具有高性能、高效率等特點，可滿足不同衛(wèi)星網(wǎng)絡需求。SkyEdgeII是基于DVB-S2和DVB-RCS標準的多媒體寬帶綜合IP衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)為TDM/MF-TDMA的通信體制，支持星狀、網(wǎng)狀和多星狀等網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[7]。另外，SkyEdgeII系統(tǒng)支持多衛(wèi)星和多頻段（Ku，C，Ka）同時工作，通過多個出境工作信道提供多個區(qū)域的同時覆蓋；通過采用先進的編碼、糾錯技術和安全保密功能保證用戶信息的安全和可靠的傳輸。

（3）Hughes（休斯）

美國休斯公司是世界上最大的VSAT系統(tǒng)供應商，是DVB-S/S2標準的提出和制定者；Jupiter系統(tǒng)是休斯最新一代的高容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，支持DVB-S2X標準，單主站出向載波速率高達235萬采樣/秒，系統(tǒng)單機柜通信容量達10 Gbit/s。系統(tǒng)大幅度改善的LDPC糾錯編碼，結(jié)合自適應調(diào)制功能，使休斯解決方案成為當今市場上很有效的DVB-S2平臺[8]。

（4）中國電科Latice系統(tǒng)

Latice高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)是中國電科網(wǎng)絡通信研究院開發(fā)的新一代高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是我國首套支持DVB-S2X、具有完全知識產(chǎn)權的商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有高效、靈活、可擴展的特點，支持多星、多波束、多頻段、多信關站組網(wǎng)，可以滿足衛(wèi)星通信的廣泛需求。Latice系統(tǒng)的前向鏈路技術遵循DVB-S2和DVB-S2X標準實現(xiàn)，返向鏈路支持MF-TDMA、SCPC、動態(tài)SCPC三種回傳體制，具有高效、高可用、大動態(tài)傳輸速率等特點。Latice系統(tǒng)提供完善、豐富的QoS機制，支持VLAN、二層網(wǎng)絡、三層路由等多種組網(wǎng)應用模式，具有先進的波束切換功能，為移動用戶提供良好的用戶體驗，可以支持電信級運營。2021年8月，Latice系統(tǒng)基于某高通量衛(wèi)星進行大帶寬極速測試時，1 m便攜站實現(xiàn)了前向280 Mbit/s、返向195 Mb it/s的傳輸速率，均刷新了國內(nèi)衛(wèi)星通信行業(yè)的最高紀錄。

2高通量衛(wèi)星系統(tǒng)組成與架構(gòu)設計

2.1系統(tǒng)組成

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由空間段、地面段、用戶段構(gòu)成，如圖1所示。

空間段由一顆或多顆高通量通信衛(wèi)星構(gòu)成。為了提高系統(tǒng)容量，高通量衛(wèi)星通過采用多點波束覆蓋、頻率復用等技術，提高各個波束內(nèi)的鏈路能力以及系統(tǒng)可用帶寬。對于覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務量密集區(qū)域，衛(wèi)星采用密集固定點波束進行覆蓋；而對于業(yè)務量不確定、需要臨時覆蓋的區(qū)域，則采用可移動點波束進行按需覆蓋。衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，將各個用戶波束的前向、返向信號與饋電波束進行交換，為了滿足大容量通信需求，系統(tǒng)部署多個信關站。

地面段由運控中心和分布在各地的信關站構(gòu)成，運控中心實現(xiàn)對空間衛(wèi)星和地面各種應用的管理和控制，并為衛(wèi)星網(wǎng)絡的運營提供OSS/BSS接口。信關站完成用戶到地面網(wǎng)絡的接入，實現(xiàn)對地面各類服務的訪問。此外，信關站站間通過大容量地面網(wǎng)絡互聯(lián)，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的交換。

用戶段包括各種終端。終端可使用衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器以星狀網(wǎng)方式進行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)在信關站完成基帶數(shù)據(jù)的恢復、交換、路由、調(diào)制，從而實現(xiàn)用戶站間以及用戶站與地面網(wǎng)之間的業(yè)務通信。

2.2地面系統(tǒng)架構(gòu)設計

高通量衛(wèi)星的系統(tǒng)基本采用多點波束覆蓋，單個波束的帶寬很大。而實際上地面系統(tǒng)的衛(wèi)星通信設備、衛(wèi)星通信終端的處理能力是有限的，一方面調(diào)制器、解調(diào)器、衛(wèi)星終端通常只能處理不超過150 MHz的信號；另一方面受限于CPU的處理能力，這些設備通常只能處理數(shù)百Mb/s的數(shù)據(jù)量，因此，需要對高通量衛(wèi)星通信的地面系統(tǒng)進行合理的架構(gòu)設計，以適應高通量衛(wèi)星的多波束大帶寬的資源覆蓋特點。

為了降低地面系統(tǒng)設備的射頻、傳輸及基帶設備的處理壓力，將高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)劃分為多個容量較小的處理單元來實現(xiàn)，每一個處理單元稱為一個網(wǎng)絡段，高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的架構(gòu)示意如圖2所示。系統(tǒng)由多個信關站組成，每個信關站管理若干數(shù)量的波束。用戶波束及饋電波束的頻率資源在多個用戶波束及饋電波束間頻分復用，從而擴展了系統(tǒng)的可用帶寬。每個波束下分成多個網(wǎng)絡段進行管理，每個網(wǎng)絡段占用前向、返向衛(wèi)星頻率資源的部分帶寬。

2.3業(yè)務網(wǎng)絡模型

在業(yè)務層面，系統(tǒng)的網(wǎng)絡模型如圖3所示，是以各個信關站為交換中心的星狀網(wǎng)，各個網(wǎng)段組成一個交換單元，等效于一個二層網(wǎng)絡。

從邏輯上，該網(wǎng)絡可以劃分為業(yè)務網(wǎng)絡及控制網(wǎng)絡，業(yè)務網(wǎng)絡用于傳輸用戶的業(yè)務數(shù)據(jù)，控制網(wǎng)絡傳輸衛(wèi)星網(wǎng)的控制數(shù)據(jù)；各個網(wǎng)絡段的數(shù)據(jù)在各個信關站的交換節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，采用經(jīng)過優(yōu)化的路由協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的路由及交換；各個信關站的交換節(jié)點采用專用交換網(wǎng)絡進行互聯(lián)，也可以與地面網(wǎng)絡互聯(lián)，為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入等業(yè)務。

2.4基本管理單元

網(wǎng)絡段是高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本管理單元，占用一定的前向、返向帶寬資源組建了獨立的衛(wèi)星網(wǎng)絡，網(wǎng)絡段的頻譜資源如圖4所示。

網(wǎng)絡段的設備組成如圖5所示，包含獨立的調(diào)制器、解調(diào)器、鏈路控制和業(yè)務處理設備，各個網(wǎng)絡段之間獨立工作，通過交換設備連接。

①調(diào)制器：用于發(fā)送各個網(wǎng)絡段的前向信號，一般采用TDM體制，復接了所有終端的出境業(yè)務數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以配置冗余調(diào)制器。

②解調(diào)器：用于解調(diào)各個終端的回傳信號，為滿足多用戶的業(yè)務回傳需求，采用多種速率檔的多載波解調(diào)器。

③鏈路控制：用于前向、返向鏈路的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)定時、時鐘同步、頻率同步、功率控制、ACM控制、前向/返向信道資源的分配。

④業(yè)務處理：主要完成用戶數(shù)據(jù)到衛(wèi)星鏈路的適配，包括業(yè)務數(shù)據(jù)的封裝、解封裝，數(shù)據(jù)的排隊及服務質(zhì)量管理；IP業(yè)務數(shù)據(jù)的加速、壓縮，加/解密，預取以及計費數(shù)據(jù)的生成；IP業(yè)務數(shù)據(jù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡的尋址及交換。

3高通量衛(wèi)星通信發(fā)展建議

（1）提高衛(wèi)星系統(tǒng)容量上限

目前具備研制50 Gbit/s容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的水平，可以滿足當前的工程建設需求。然而，目前國內(nèi)外的行業(yè)與商業(yè)應用，已經(jīng)提出了1 Tbit/s的容量需求。因此，為應對通信容量需求持續(xù)增加的發(fā)展趨勢，需要進一步提升平臺承載能力，包括提高整星功率輸出能力和載荷承重能力，進一步提升有效載荷的容量和靈活性，包括采用更高帶寬頻率、更多波束數(shù)量，面向關口站、覆蓋區(qū)、功率/帶寬以及組網(wǎng)方式的靈活實現(xiàn)，以進一步提高衛(wèi)星系統(tǒng)容量。

（2）提升衛(wèi)星信道使用效率

衛(wèi)星信道受到星上功率和頻帶的限制，尤其對于支持超大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵ㄐ畔到y(tǒng)，頻率資源更加緊張，而傳統(tǒng)的地面IP協(xié)議中，其開銷降低了頻譜利用率。高誤碼和長延時也嚴重影響傳輸效率。對于容量超過百Gb/s的系統(tǒng)，在低滾降系數(shù)解調(diào)性能、ACM策略、高速協(xié)議增強等方面仍然需要進一步提升性能和優(yōu)化設計。

（3）提高對廣域移動載體接入的支持能力

隨著我國科技軍事力量的不斷發(fā)展，特殊環(huán)境下的廣域移動通信越來越重要。在軍事應用方面，海軍加快推進由近海防御型向遠海防衛(wèi)型轉(zhuǎn)變，航跡越來越遠，同時對外軍事交往更加密切，中俄等雙多邊海上演習常態(tài)化舉行，亞丁灣護航、“和諧使命”醫(yī)療服務贏得越來越多贊譽。在民用領域，預計到2030年我國大型民用航空器將達到4 000架以上，高鐵列車超過2 000組。高通量衛(wèi)星通信能夠解決地面網(wǎng)絡覆蓋范圍不足及傳統(tǒng)衛(wèi)星通信容量不足的問題，但同時由于高通量衛(wèi)星多點波束覆蓋及相鄰波束極化可能不同等特點，在廣域范圍進行高運行速度、高業(yè)務速率業(yè)務通信時，必須要解決波束切換問題。現(xiàn)有系統(tǒng)設計中存在波束切換不及時、用戶體驗差的缺點。因此需要優(yōu)化系統(tǒng)在動中通越區(qū)切換過程中的設計，進一步提高對廣域移動載體接入的支持能力。

（4）提升高商業(yè)價值應用終端的研制能力

國外在發(fā)展高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的過程中，高度重視系統(tǒng)發(fā)展，即空間段、地面段和用戶段設備的能力同時增強。目前的應用終端集成度低、生產(chǎn)成本較高、移動平臺適應性不足，綜合指標相對落后，導致整個系統(tǒng)的綜合性能難以得到本質(zhì)性的提高。鑒于此，發(fā)展具有高商業(yè)價值的應用終端研制、降低其成本，進一步推動產(chǎn)業(yè)后端的發(fā)展、提高整個系統(tǒng)的性能，是下一步的工作重點。

4結(jié)束語

在寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術的帶動下，高通量衛(wèi)星系統(tǒng)與技術迎來了高速發(fā)展。通過采用頻率復用和多點波束等技術，高通量衛(wèi)星的通信容量越來越大，隨之而來的對地面系統(tǒng)的架構(gòu)與網(wǎng)絡設計、設備性能提出了更高的要求。

目前國內(nèi)的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)與技術較國外的發(fā)展還存在一定差距，亟需突破相關技術，進一步提高衛(wèi)星系統(tǒng)容量上限，提高衛(wèi)星信道使用效率，進一步提高對廣域移動載體接入的支持能力；從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度看，應提高終端設備集成度，降低生產(chǎn)成本，發(fā)展具有高商業(yè)價值的應用終端技術。

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