歐洲GEO衛(wèi)星星簇寬帶通信系統(tǒng)——SkyLANkyLAN

解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 茍 亮

總參信息化部駐7144廠軍代室 左 鵬

中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 蔣麗鳳

一、引言

衛(wèi)星星簇是一個(gè)老的概念，在上世紀(jì)70年代末期和80年代初期，它引起了空間產(chǎn)業(yè)界的很大的關(guān)注。在那個(gè)時(shí)期，空間產(chǎn)業(yè)界擔(dān)心隨著空間通信能力需求的逐步增加，GEO軌道將達(dá)到飽和；重要的軌道位置變得越來越擁擠，協(xié)作問題也越來越尖銳。為應(yīng)對(duì)這種情況，主要考慮兩種技術(shù)：一是大GEO空間平臺(tái)；二是使用衛(wèi)星星簇系統(tǒng)。在那個(gè)時(shí)候，由于發(fā)射工具的限制，大平臺(tái)設(shè)計(jì)遇到多次發(fā)射和在軌組裝等難以解決的困難。而由“常規(guī)尺寸”衛(wèi)星組成，通過微波或光星際鏈路實(shí)現(xiàn)互連互通的衛(wèi)星星簇最優(yōu)選擇。星簇的概念消除了大平臺(tái)的缺點(diǎn)，允許空間段的模塊化增長(zhǎng)，以滿足需求的發(fā)展變化。此外，它還減少了系統(tǒng)所需的初始投資。

然而，隨著發(fā)射工具能力的逐步提高，建造和發(fā)射非常大的平臺(tái)成為可能，人們對(duì)衛(wèi)星星簇的興趣逐漸消退。最近，戰(zhàn)略衛(wèi)星軌道位置的緊缺和最大程度利用可用頻譜的必要性，使放置多顆衛(wèi)星在相同的軌道上的想法又開始引起重視，通過星際鏈路ISL連接的、互相合作的星簇概念，重新成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

二、SkyLAN概念

SkyLAN系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)由多顆GEO衛(wèi)星組成的空間網(wǎng)絡(luò)。它以標(biāo)準(zhǔn)化的星間通信接口為基礎(chǔ)，將通常由單顆通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的功能分布到多顆不同的、更小的、處于同一軌道的衛(wèi)星上。因此，SkyLAN是一個(gè)通過ISL交換信息，執(zhí)行綜合、集成功能的衛(wèi)星星簇。SkyLAN概念的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)基本條件：

⊙ 簇：它將一個(gè)大衛(wèi)星的功能分離或分布到由多顆小衛(wèi)星組成的星簇中；

⊙ ISL：星簇中的衛(wèi)星通過ISL互連來執(zhí)行綜合任務(wù)。

圖1 SkyLAN概念圖解

意大利的阿爾卡特宇航公司（Alcatel Space）、西班牙的GMV公司、瑞士的康特拉弗斯公司、盧森堡的SESAstra公司和加拿大的Telesat公司聚集了許多著名的航天業(yè)務(wù)和航天工程方面的專家，對(duì)SkyLAN進(jìn)行了研究。研究的目標(biāo)就是為三種不同任務(wù)評(píng)估SkyLAN 概念在技術(shù)和財(cái)政上可行性，這三種任務(wù)是：移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)（MSS）任務(wù)，固定衛(wèi)星服務(wù)FSS（FSS）任務(wù)和廣播衛(wèi)星服務(wù)（BSS）任務(wù)。選擇這三種任務(wù)進(jìn)行研究是因?yàn)樗鼈兙枰嫶蟮能壍蕾Y源，而現(xiàn)有的平臺(tái)并不能滿足其巨大的需求。

MSS任務(wù)為全歐洲提供S波段的S-DMB（衛(wèi)星數(shù)字多媒體廣播系統(tǒng)）服務(wù)，它是為實(shí)現(xiàn)廣播和多播服務(wù)而在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加的系統(tǒng)。歐洲上空極高功率的衛(wèi)星，能讓移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)操作者通過前向鏈路給移動(dòng)用戶手持終端傳輸豐富的多媒體信息。衛(wèi)星廣播覆蓋范圍大的特點(diǎn)和它本身所具有的廣播特性，使其對(duì)這種S-DMB服務(wù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和很高的性價(jià)比。但是，S-DMB系統(tǒng)衛(wèi)星天線口徑和功率消耗都很大，功耗超過14kW，這么大的系統(tǒng)在現(xiàn)有平臺(tái)上很難實(shí)現(xiàn)。

FSS任務(wù)系統(tǒng)在全歐洲提供Ka波段多媒體寬帶業(yè)務(wù)服務(wù)。從帶寬和電路數(shù)量上來說，只有大容量衛(wèi)星能達(dá)到高性價(jià)比的要求，以保證衛(wèi)星系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)上來說是可行的。該系統(tǒng)的寬帶有效載荷具有復(fù)雜的多波束天線，數(shù)百個(gè)接收、路由和發(fā)送通道，另外，為了再生和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)字信號(hào)，還需要很大的、功能很強(qiáng)的星上處理器。因此，也只有很重的高功率衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)這些功能。

BSS任務(wù)在全歐洲提供Ku波段的語音電視廣播服務(wù)。盡管現(xiàn)在對(duì)衛(wèi)星電視廣播服務(wù)的需求不大，但隨著小廣播公司直接接入衛(wèi)星需求的增加和特定地區(qū)的語音廣播服務(wù)需求通常是基于語音和文化的特性，這種情況有望在幾年內(nèi)改變。而且，未來衛(wèi)星都希望占據(jù)熱點(diǎn)軌道位置，如19.2°E或13°E，并使用分配的所有Ku波段頻譜，以接入大量的用戶，也只有大的高功率衛(wèi)星能提供這種服務(wù)。

在以上三種情況下，大衛(wèi)星面臨技術(shù)可行性的限制，接下來自然就考慮到基于SkyLAN概念的衛(wèi)星星簇了。衛(wèi)星星簇顯然是一種更加靈活的方法，到目前為止，ESA已經(jīng)對(duì)數(shù)個(gè)功能分布原理和在數(shù)個(gè)小衛(wèi)星上進(jìn)行資源分配方法進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，對(duì)于FSS任務(wù)，最好的方式是各衛(wèi)星具有相同的覆蓋范圍和容量，ISL保證每顆衛(wèi)星覆蓋范圍的全球連接。對(duì)于BSS任務(wù)，衛(wèi)星星簇的形成需要兩個(gè)步驟，第一是分離星上處理功能并將其放在一顆專用衛(wèi)星上，第二步將覆蓋范圍和容量分布到各彎管式衛(wèi)星上。ISL將處理衛(wèi)星和各彎管式衛(wèi)星連接起來并擴(kuò)展各彎管式衛(wèi)星覆蓋區(qū)域。SkyLAN概念對(duì)MSS任務(wù)的吸引力很小，ISL不會(huì)給MSS任務(wù)系統(tǒng)帶來任何好處，這種任務(wù)的星簇需要的是小衛(wèi)星之間的協(xié)同定位，而不星間連接。因此，該任務(wù)不適合SkyLAN概念，所以不予考慮。

衛(wèi)星之間的通信鏈路具有多種拓?fù)洌盒切汀⒕W(wǎng)狀、環(huán)形和總線型。雙環(huán)結(jié)構(gòu)是FSS星簇的最好選擇。在雙環(huán)拓?fù)渲校琁SL是雙向的，數(shù)據(jù)流能在正反兩個(gè)方向上傳輸。這種拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢(shì)是對(duì)故障具有更好的健壯性。星簇內(nèi)所有衛(wèi)星配置相同，具有相同的軟硬件。雙環(huán)拓?fù)湎鄬?duì)網(wǎng)狀和星型拓?fù)?，ISL的數(shù)量減少了，在路由上具有更高的靈活性，并且不需要中斷服務(wù)就可以添加新的衛(wèi)星到星簇中。其缺點(diǎn)是，需要很大的ISL載荷，且在每顆交叉衛(wèi)星（crossed satellite）中需要本地路由，以使數(shù)據(jù)流能在環(huán)中循環(huán)流動(dòng)。具有處理衛(wèi)星（hub衛(wèi)星）的星型拓?fù)涓m合于BSS任務(wù)。星型拓?fù)涞倪x擇是由處理衛(wèi)星的中心角色所決定的，其主要缺點(diǎn)是在hub衛(wèi)星中，ISL終端數(shù)目巨大。

整個(gè)星簇的軌道布置受備用衛(wèi)星和SkyLAN定義的影響。在相同軌道窗口通過偏心率和傾角分離實(shí)現(xiàn)的協(xié)同定位被證明對(duì)ISL的操作是不利的。在白天，衛(wèi)星彼此不斷旋轉(zhuǎn)，為了保持連續(xù)地ISL連接，要求在每顆衛(wèi)星上布置數(shù)個(gè)ISL終端，并需要擴(kuò)展掃描能力和進(jìn)行復(fù)雜的切換。ESA已經(jīng)評(píng)估了軌道布置和位置保持的數(shù)個(gè)場(chǎng)景，但是沒有一個(gè)對(duì)SkyLAN概念提出挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。

三、針對(duì)FSS任務(wù)的SkyLAN系統(tǒng)

FSS任務(wù)是一個(gè)遍布?xì)W洲（從愛爾蘭到烏克蘭）的、面向消費(fèi)者和商業(yè)市場(chǎng)的寬帶多媒體任務(wù)。彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器在用戶終端和網(wǎng)關(guān)之間提供服務(wù)（Internet接入），再生轉(zhuǎn)發(fā)器用于實(shí)現(xiàn)P2P通信（終端到終端的對(duì)等通信）。通信信號(hào)遵從歐洲的DVB-S和DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 四色頻率復(fù)用的用戶覆蓋

該任務(wù)對(duì)歐洲的覆蓋由64個(gè)相鄰的用戶單元和5個(gè)不相交的網(wǎng)管單元組成，頻率使用四色復(fù)用方案。

用戶終端以單極化方式工作，雙極化方式分配給網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)在兩個(gè)方向上提供256個(gè)帶寬為56.25MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器：從網(wǎng)關(guān)站到用戶終端的前向鏈路和從用戶終端到網(wǎng)關(guān)的反向鏈路。這256個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器中的32個(gè)用于傳輸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量。整個(gè)系統(tǒng)的可用帶寬達(dá)到14.4GHz。

該任務(wù)需要一個(gè)非常大的有效載荷：120個(gè)行波管放大器（TWTA）和8副直徑為1.6m的天線。有效載荷的質(zhì)量和功率預(yù)算分別達(dá)到1.3噸和12kW。如此大的有效載荷的安裝需要一個(gè)龐大的平臺(tái)，而現(xiàn)有大平臺(tái)的生產(chǎn)能力是非常有限的。

針對(duì)FSS任務(wù)的SkyLAN由4顆衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星處理1/4的覆蓋范圍、16個(gè)用戶單元和2個(gè)網(wǎng)關(guān)單元，使用1/4的分配帶寬，也就是125MHz（叫作色）和64個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。網(wǎng)關(guān)通過Internet骨干網(wǎng)連接，并在終端和網(wǎng)關(guān)之間提供全連通性。在每顆衛(wèi)星處理的從用戶終端之間的網(wǎng)狀信息流達(dá)到總的信息流的25%。這種網(wǎng)狀流需要ISL為整個(gè)歐洲覆蓋范圍內(nèi)的終端提供全連通服務(wù)。使用雙環(huán)拓?fù)涞男情g通信帶來了靈活性和健壯性。由于光ISL技術(shù)相對(duì)容易，因此被選擇用來提供高速數(shù)字連接，以及用來與數(shù)字星上處理器OBP（On Board Processing）連接。當(dāng)然，EHF頻段的微波技術(shù)也可以使用。

圖3 FSS SkyLAN結(jié)構(gòu)

因此，這樣分離后載荷就變得相對(duì)簡(jiǎn)單：28個(gè)TWTA，2副1.6m直徑的天線和2個(gè)ISL終端。質(zhì)量和功率預(yù)算分別為380kg和3.2kW，并可以安裝在小型平臺(tái)（如阿爾卡特宇航公司的SPACEBUS3000-b1）上。整顆衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量約為2.8噸。

如果從經(jīng)濟(jì)上考慮，多顆相同的以雙環(huán)結(jié)構(gòu)連接的星簇對(duì)FSS任務(wù)也很有吸引力。從覆蓋和頻率分配上來說，對(duì)設(shè)計(jì)稍微進(jìn)行改動(dòng)，就可能建造一個(gè)能夠完成其自身任務(wù)也能完成另一顆衛(wèi)星任務(wù)的衛(wèi)星。以這種方式，可以建造一個(gè)由6顆衛(wèi)星構(gòu)成的星簇，包括4顆活動(dòng)衛(wèi)星，1顆在軌備份衛(wèi)星和1顆在地面儲(chǔ)存的衛(wèi)星。這種構(gòu)造比1顆大衛(wèi)星加上其在軌備份具有更好的可靠性和靈活性。相同的衛(wèi)星在生產(chǎn)和操作上也具有更好的經(jīng)濟(jì)性。但是，在星簇情況下發(fā)射的整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量（2.8噸的6倍）肯定比2顆大衛(wèi)星質(zhì)量（6.4噸的2倍）要大30%。星簇的優(yōu)點(diǎn)是提高了靈活性和對(duì)市場(chǎng)發(fā)展的適應(yīng)性，減小了初始投資，分散和減小了投資風(fēng)險(xiǎn)。

四、針對(duì)BSS任務(wù)的SkyLAN系統(tǒng)

BSS任務(wù)是一個(gè)面向整個(gè)歐洲消費(fèi)者、工作在Ku波段的廣播任務(wù)。彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器從廣播站為用戶終端提供直接的視頻廣播服務(wù)，再生轉(zhuǎn)發(fā)器為從各種小型的、分散的廣播站發(fā)來的上行信號(hào)提供視頻多路復(fù)用。TV信號(hào)符合歐洲D(zhuǎn)VB-S標(biāo)準(zhǔn)。用戶終端和發(fā)送站以雙極化方式工作。

系統(tǒng)基于歐洲的語言區(qū)域劃分進(jìn)行覆蓋。泛歐洲覆蓋由10個(gè)Ku頻段的“語言”波束和5個(gè)只接收Ka頻段單元的鄰近波束組成。

圖4 三色頻率復(fù)用的用戶覆蓋

各“語言”波束大致覆蓋各不同的語言區(qū)域：伊比利亞半島、德國(guó)、土耳其、法國(guó)、巴爾干半島、斯堪的納維亞半島、意大利、東俄（East Russia）和西俄（East Russia）。頻率采用三色復(fù)用方案，如圖4所示。

系統(tǒng)提供134個(gè)帶寬為33MHz的Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器和5個(gè)帶寬為72MHz的Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，其中多達(dá)25個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)能夠進(jìn)行星上處理，5個(gè)為Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)，剩下的為134個(gè)之中的20個(gè)Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)。星上處理為MPEG-2柔性多路復(fù)用。整個(gè)系統(tǒng)的可用帶寬為4.78GHz，能容納超過800路的數(shù)字電視信道。

該任務(wù)需要一個(gè)非常復(fù)雜的有效載荷：160個(gè)TWTA和4個(gè)直徑超過3.5m的大反射天線。有效載荷的質(zhì)量和功率預(yù)算分別超過1.7噸和17kW?，F(xiàn)有平臺(tái)無法安裝這么大的有效載荷。因此，將其容量分布到多顆更小的衛(wèi)星上是非常必要的。

BSS任務(wù)也是由4顆衛(wèi)星組成的星簇，但是功能分布是不同的。3顆Rx/Tx衛(wèi)星負(fù)責(zé)處理從廣播站接收到的信號(hào)，并向用戶拋物面天線發(fā)送ku波段信號(hào)。每顆Rx/Tx衛(wèi)星負(fù)責(zé)一部分覆蓋區(qū)域，有3到4個(gè)不相交的語言波束，并分配1/3的帶寬，也就是說，1色有12或14個(gè)信道。這3顆衛(wèi)星分別具有36，42和52個(gè)33MHz帶寬的信道。

第4顆衛(wèi)星提供25個(gè)信道的星上處理。星上處理為DVB-S解調(diào)和MPEG-2 TS（發(fā)送信號(hào)）的多路復(fù)用。第4顆星也負(fù)責(zé)Ka波段信道的接收，然后對(duì)其進(jìn)行星上DVB處理。ISL以星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，處理衛(wèi)星相當(dāng)于一個(gè)hub。該拓?fù)湓谡Z言波束之間提供準(zhǔn)全連接（quasi-full）服務(wù)：任意一個(gè)廣播站能夠廣播一路信道的信號(hào)到任意一個(gè)語言波束覆蓋區(qū)中。由于EHF射頻技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，因此在ISL中選擇它作為Ku波段信道的接入，光ISL使用光載波的模擬調(diào)制也能提供相同的服務(wù)。

Rx/Tx衛(wèi)星的有效載荷與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Ku波段BSS有效載荷相似：72個(gè)TWTA，1或2個(gè)直徑超過3.5m的大反射面天線。有效載荷包括一個(gè)能處理16路33MHz雙向信道的ISL終端。其質(zhì)量和功率預(yù)算分別為500kg和6.5kW，有效載荷安裝在1個(gè)中等大小的平臺(tái)上，如阿爾卡特宇航公司的SPACEBUS 4100-C1。相應(yīng)的衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量為4.6噸，并需要8.7kW的太陽能帆板（EOL）。

處理衛(wèi)星有不一樣的載荷：沒有高功率TWTA，有1個(gè)大的數(shù)字OBP，1副接收多波束Ka波段信號(hào)的天線和3個(gè)ISL終端。其質(zhì)量和功率預(yù)算為400kg和1.5kW。其耗散實(shí)際上等于功率消耗；衛(wèi)星在ISL上只發(fā)射很少的RF功率。相應(yīng)的衛(wèi)星為非典型的：2.6噸的發(fā)送質(zhì)量和2.2kW的太陽能帆板。處理衛(wèi)星能放置在離3顆RX/Tx衛(wèi)星較遠(yuǎn)的軌道位置（例如，相離6度）。這種軌道放置通過減小掃描角度，減小了ISL天線或瞄準(zhǔn)鏡的復(fù)雜度。

星簇中的所有衛(wèi)星都是不同的，執(zhí)行不同的功能，互相之間是不可交換的，備份策略簡(jiǎn)單但卻消耗很大，每顆衛(wèi)星都要有備份。完全部署這個(gè)星簇需要8顆衛(wèi)星。整個(gè)星簇的發(fā)射質(zhì)量（32.8噸）大于兩顆假定的大衛(wèi)星。BSS系統(tǒng)星簇有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：允許在設(shè)計(jì)和發(fā)射處理衛(wèi)星之前，可以等待星上多路復(fù)用的按需開發(fā)。

五、結(jié)束語

通過短距離星間鏈路進(jìn)行合作的SkyLAN GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)概念相比于大衛(wèi)星來說有非常吸引人的優(yōu)勢(shì)。星簇的使用更昂貴，但它具有靈活性和擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)，足以抵消其劣勢(shì)。更重要的是，對(duì)新一代衛(wèi)星服務(wù)來說，星簇是惟一可負(fù)擔(dān)得起的方法。

SkyLAN最吸引人的特點(diǎn)是ISL。雖然ISL終端消耗有效載荷資源而沒有為操作者增加或提供收益，但是ISL帶來巨大的靈活性和可擴(kuò)展性。通過減小質(zhì)量和功率，ISL硬件將會(huì)非常便宜，并將能提供高質(zhì)量的短距離通信連接?！?/p>

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