國外高吞吐量衛(wèi)星多樣化業(yè)務(wù)應(yīng)用及對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的影響

文|北京空間科技信息研究所 劉悅

國外高吞吐量衛(wèi)星多樣化業(yè)務(wù)應(yīng)用及對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的影響

文|北京空間科技信息研究所 劉悅

自 2004年首個(gè)高吞吐量通信衛(wèi)星（HTS）系統(tǒng)——互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星（IPSTAR）發(fā)展至今，歷經(jīng)了十余年的發(fā)展歷程，在軌比例逐年提高，產(chǎn)業(yè)收入令人矚目，在寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、移動(dòng)海事和航空領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，是通信衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展最快、潛力最大的一類衛(wèi)星，成為近幾年國內(nèi)外通信衛(wèi)星領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而高吞吐量衛(wèi)星以市場發(fā)展為導(dǎo)向應(yīng)運(yùn)而生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、方案選擇、市場應(yīng)用無不是以市場驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo)，因此對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的研究不能脫離產(chǎn)業(yè)而獨(dú)立開展。2016年，我國已經(jīng)啟動(dòng)首個(gè)全球HTS系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)于相關(guān)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)的研究需求將更為迫切。

一、 高吞吐量衛(wèi)星概念的提出與發(fā)展

HTS是2004年以來，隨著全球移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和個(gè)人消費(fèi)者對(duì)“無所不在”的網(wǎng)絡(luò)需求，在傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星（FSS）的基礎(chǔ)上，以市場和產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)發(fā)展起來的一類先進(jìn)的通信衛(wèi)星。該類衛(wèi)星最早稱為寬帶衛(wèi)星（Broadband Satellite），這是因?yàn)樾l(wèi)星早期以“運(yùn)行在Ka頻段、吞吐量很高、提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)”為特點(diǎn)，隨著衛(wèi)星能力的增強(qiáng)和服務(wù)的多樣化，產(chǎn)業(yè)界對(duì)于HTS概念的認(rèn)識(shí)也在發(fā)生變化。

2008年，美國航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）提出了“高吞吐量衛(wèi)星”的概念，將“采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)的衛(wèi)星，在獲得同樣頻譜資源的條件下，整星吞吐量是FSS數(shù)倍的衛(wèi)星”定義為“高吞吐量衛(wèi)星”。此后，產(chǎn)業(yè)界對(duì)于“高吞吐量衛(wèi)星”的概念逐漸達(dá)成了共識(shí)：“HTS衛(wèi)星以點(diǎn)波束和頻率復(fù)用為標(biāo)志，可以運(yùn)行在任何頻段，吞吐量也有大有小，取決于分配的頻譜和頻率復(fù)用次數(shù)，可以提供固定、廣播和移動(dòng)等各類商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)?！?/p>

HTS最基本的特征是“多點(diǎn)波束”和“頻率復(fù)用”。所謂“點(diǎn)波束”，指的是由特定結(jié)構(gòu)天線產(chǎn)生的、在地面和星上接收到的離散的信號(hào)，比起FSS形成的半球波束，點(diǎn)波束的覆蓋范圍僅為300～700km，而FSS衛(wèi)星的覆蓋范圍在2000km左右。

從2004年首個(gè)高吞吐量通信衛(wèi)星IPSTAR-1發(fā)射以來，截至2015年底，全球共計(jì)發(fā)射了48顆HTS。2010年至2015年底，全球共計(jì)發(fā)射35顆HTS，是過去6年發(fā)射數(shù)量的總和（13顆）的近3倍。

從HTS在軌比例來看，根據(jù)NSR研究預(yù)測，HTS在軌比例將逐年增加。在2011年發(fā)射通信衛(wèi)星當(dāng)中，HTS衛(wèi)星占比僅為4%；到2015年增至10%；到2020年，HTS衛(wèi)星在軌比例將增至23%；到2025年，HTS衛(wèi)星在軌比例預(yù)計(jì)將增至34%。

二、高吞吐量衛(wèi)星的多樣化業(yè)務(wù)應(yīng)用

早期的高吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用開辟了互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)市場，但隨著市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，HTS系統(tǒng)已經(jīng)能夠涵蓋FSS和移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星（MSS）所有業(yè)務(wù)的類型，主要包括：寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、民商甚小孔徑天線衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（VSAT）、軍用通信服務(wù)、干線傳輸和蜂窩回程、航空寬帶接入、海事寬帶接入和直播到戶視頻服務(wù)（DTH）共七類業(yè)務(wù)。

其中，寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入是目前HTS系統(tǒng)應(yīng)用最主要的業(yè)務(wù)類型，主要面向個(gè)人消費(fèi)者提供固定互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。前三代的HTS系統(tǒng)主要提供該類服務(wù)，例如：IPSTAR衛(wèi)星、狂藍(lán)-1衛(wèi)星（WildBlue-1）、阿尼克-F2衛(wèi)星（Anik-F2）和KA衛(wèi)星（KA-SAT）系統(tǒng)，這類業(yè)務(wù)要求HTS系統(tǒng)向更高的吞吐量、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率（主要是下行速率）和更低的數(shù)據(jù)使用成本方向發(fā)展。Ka頻段由于可用帶寬更寬，因而成為提供該類服務(wù)HTS系統(tǒng)的主要選擇。

民商VSAT網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較為普遍，涵蓋了多個(gè)行業(yè)應(yīng)用，包括：民用政府機(jī)構(gòu)、油氣采礦業(yè)、零售業(yè)、金融業(yè)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。IPSTAR、“另外三十億人”衛(wèi)星（O3b）和阿聯(lián)酋衛(wèi)星（Yahsat）系統(tǒng)主要提供該類服務(wù)。這類業(yè)務(wù)要求HTS向更高的吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的數(shù)據(jù)使用成本方向發(fā)展，對(duì)于油氣和采礦業(yè)，還對(duì)系統(tǒng)的可靠性和可用性提出了要求。

雖然在軌HTS系統(tǒng)以商業(yè)系統(tǒng)為主，但也面向軍事機(jī)構(gòu)提供服務(wù)。除了傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)接入和通信服務(wù)，近幾年新興的無人機(jī)業(yè)務(wù)增長潛力巨大。國際移動(dòng)衛(wèi)星-5（Inmarsat-5）、國際通信衛(wèi)星-史詩（Intelsat-Epic）、O3b、Yahsat均將軍方作為重要的客戶來源，這類業(yè)務(wù)既包括數(shù)據(jù)傳輸，也包括移動(dòng)業(yè)務(wù)，因而除了對(duì)吞吐量提出要求以外，對(duì)廣大地域的覆蓋，系統(tǒng)頻段（無人機(jī)主要運(yùn)行在Ku頻段）、可用性和可靠性提出了較高的要求。

干線傳輸和中繼業(yè)務(wù)（Trunking）是一端到另一端的連接，主要是在長途通信中。一般用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入與主干網(wǎng)。蜂窩回程（Backhual）是將移動(dòng)信號(hào)發(fā)射塔或者基站的信號(hào)（接入點(diǎn)）回傳給網(wǎng)絡(luò)中的提供商的連接，也包括從提供商到核心網(wǎng)的連接。有14個(gè)HTS系統(tǒng)將其作為主要的業(yè)務(wù)類型，其中O3b在話音傳輸方面最為成功，主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的低延遲能力。由于目前大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行在Ku頻段，因?yàn)镵u頻段HTS系統(tǒng)的備份能力最強(qiáng)。

航空和海事寬帶接入業(yè)務(wù)屬于移動(dòng)VSAT接入業(yè)務(wù)，主要面向飛機(jī)和船只提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。由于多年來該業(yè)務(wù)存在空白，因此近幾年發(fā)展很快，全球主要的HTS系統(tǒng)，例如Intelsat-Epic、歐洲通信衛(wèi)星-172B（Eutelsat-172B）、Inmarsat-5、歐洲衛(wèi)星公司-12/14/15（SES-12/14/15）、電星 -12優(yōu)勢衛(wèi)星（Telsatar-12 Vantage）和衛(wèi)訊-2/3衛(wèi)星（ViaSat-2/3）均將其作為HTS系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用。這類業(yè)務(wù)對(duì)于系統(tǒng)的覆蓋能力、吞吐量提出了很高的要求，Ku頻段和Ka頻段將長期共存。

視頻業(yè)務(wù)是衛(wèi)星通信領(lǐng)域利潤最高的業(yè)務(wù)應(yīng)用，但提供此類服務(wù)的HTS系統(tǒng)較少，提供服務(wù)的系統(tǒng)主要有IPSTAR提供本地電視頻道的廣播業(yè)務(wù)，以及提供新聞采集業(yè)務(wù)的ViaSat系統(tǒng)、高度適應(yīng)性衛(wèi)星（Hylas）系統(tǒng)、KA-SAT系統(tǒng)和Yahsat系統(tǒng)。由于窄點(diǎn)波束并不適合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的業(yè)務(wù)，因而這類業(yè)務(wù)對(duì)覆蓋能力、吞吐量和成本提出了較高的要求，未來隨著交互式視頻和應(yīng)用的普及，延遲也成為重要的考慮因素。

三、不同應(yīng)用對(duì)高吞吐量衛(wèi)星設(shè)計(jì)的影響

對(duì)于HTS運(yùn)營商來說，沒有任何一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠適用所有的業(yè)務(wù)應(yīng)用，不同的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)能力有不同的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選擇也不盡相同。多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用導(dǎo)致不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選擇，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：吞吐量和覆蓋的選擇，頻段的選擇，軌道的選擇。

1.吞吐量和覆蓋的選擇

對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)接入等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對(duì)吞吐量要求較高，而對(duì)于航空寬帶接入和海事寬帶接入等業(yè)務(wù)，則要求更廣的系統(tǒng)覆蓋。系統(tǒng)的吞吐量和覆蓋能力主要取決于點(diǎn)波束的尺寸和星上天線的選擇。點(diǎn)波束尺寸越小，要想實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域的連續(xù)覆蓋，就需要波束數(shù)量多，但從實(shí)際應(yīng)用來看，點(diǎn)波束數(shù)量并不能無限增加，受限于星上資源（功率、質(zhì)量和空間）。因此，對(duì)于要求吞吐量的業(yè)務(wù)應(yīng)用，主要采用窄點(diǎn)波束，提高吞吐量而犧牲覆蓋；而對(duì)于要求覆蓋的業(yè)務(wù)應(yīng)用，主要采用寬波束，增加覆蓋而犧牲吞吐量。對(duì)于一些既要求覆蓋，但又要求具有一定高吞吐量能力的系統(tǒng)，例如Intelsat-Epic，則可通過寬波束實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，再通過可移動(dòng)的窄點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)的容量增強(qiáng)。

目前，多波束天線主要有兩類：①單饋源單波束天線（SFB）；②多饋源單波束天線（MFB）。SFB的每個(gè)饋源喇叭對(duì)應(yīng)一個(gè)波束，優(yōu)勢在于簡化了硬件設(shè)備，電性能也較好，代價(jià)是為了獲得重疊覆蓋，需要衛(wèi)星載有更多的反射器。對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)4色頻率復(fù)用的系統(tǒng)，一般需要4副反射器實(shí)現(xiàn)虛擬重疊。大多數(shù)HTS系統(tǒng)采用的都是SFB天線。

MFB通過小的喇叭陣列形成波束，有時(shí)還需復(fù)雜的波束成形網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)勢在于減少攜帶的反射器，這是由于饋源口徑之間存在物理重合，相鄰波束共用喇叭，只需要1副反射器天線就能實(shí)現(xiàn)波束重合，從而大幅減少星上天線的尺寸和成本。

對(duì)于覆蓋要求高的業(yè)務(wù)應(yīng)用來說，SFB天線比MFB的天線增益更高，最為適合。例如，歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）在2010年發(fā)展的KASAT衛(wèi)星就采用了收發(fā)共用的SFB天線；MFB由于需要的反射器較少，特別適用于多用途衛(wèi)星搭載的HTS有效載荷，因此對(duì)于較小的地理區(qū)域和多用途HTS衛(wèi)星，MFB天線應(yīng)該是最佳選擇。例如，Eutelsat 36C/Express AMU-1衛(wèi)星，提供3個(gè)頻段的多種應(yīng)用，因而MFB天線更為適合。

2.Ku頻段和Ka頻段選擇

HTS系統(tǒng)主要運(yùn)行在可用帶寬較大的Ku和 Ka頻段。未來還有可能運(yùn)行在Q/V頻段。頻段對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的影響主要體現(xiàn)在：①終端尺寸；②服務(wù)區(qū)域；③網(wǎng)絡(luò)性能與成本；④備份能力；⑤信關(guān)站、終端、系統(tǒng)和培訓(xùn)的投資成本。對(duì)于工作在偏遠(yuǎn)地區(qū)和極端條件下的企業(yè)級(jí)用戶，例如：石油、采礦業(yè)、商業(yè)海事、政府等對(duì)于通信服務(wù)可靠性要求較高的服務(wù)，更加適合Ku頻段HTS系統(tǒng)，比Ka頻段HTS系統(tǒng)更有優(yōu)勢。但對(duì)于可靠性要求不高的個(gè)人用戶消費(fèi)者寬帶接入業(yè)務(wù)，Ka頻段HTS系統(tǒng)則更有競爭力。

Ka頻段應(yīng)用優(yōu)勢：①資源的可用性，Ka頻段比Ku頻段可獲得性較大，頻率軌位資源是衛(wèi)星運(yùn)營商的命脈，因?yàn)閷?duì)于Intelsat這樣擁有全球最大衛(wèi)星編隊(duì)的運(yùn)營商來說，建設(shè)Ku系統(tǒng)是可能的，但對(duì)于新興運(yùn)營商，例如ViaSat，獲取Ka頻段的可能性較大；②Ka頻段的帶寬更寬，一顆Ka頻段衛(wèi)星能夠?yàn)樾抨P(guān)站波束分配1100MHz的帶寬；③在晴朗的氣候下，Ka頻段系統(tǒng)比Ku頻段系統(tǒng)性能更好，這是因?yàn)镵a頻段HTS衛(wèi)星系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就留有較大的鏈路余量用于對(duì)抗雨衰。

Ku頻段應(yīng)用優(yōu)勢：①Ku頻段系統(tǒng)在軌衛(wèi)星較多，地面應(yīng)用也更加非常普遍，因此地面設(shè)備由于實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)而較為便宜；②Ku頻段系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)在軌備份，一旦HTS衛(wèi)星的一個(gè)點(diǎn)波束失效，該波束覆蓋地區(qū)的用戶都會(huì)受到影響，Ku頻段系統(tǒng)則可通過其他Ku頻段衛(wèi)星替代服務(wù)；③Ku頻段系統(tǒng)受雨衰影響較Ka頻段少。

因此，近年來，為了降低雨衰對(duì)高頻段HTS系統(tǒng)的影響，發(fā)展了一系列抗雨衰技術(shù)，例如：大型信關(guān)站天線技術(shù)、高功率放大器技術(shù)、上行功率控制技術(shù)（UPC）、端到端功率控制技術(shù)（EEPC）、自動(dòng)水平控制技術(shù)（ALC）、自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)（ACM）、動(dòng)態(tài)速率調(diào)整技術(shù)（DRA）、多信關(guān)站技術(shù)。

3.不同軌道衛(wèi)星部署的選擇

目前大多數(shù)的HTS衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行在地球靜止軌道，從2015年起，出現(xiàn)了一批新興的HTS星座計(jì)劃。軌道對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的影響主要體現(xiàn)在：①部署成本；②系統(tǒng)壽命；③可靠性；④時(shí)延；⑤覆蓋能力；⑥終端復(fù)雜度和成本。對(duì)于面向個(gè)人消費(fèi)者的互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，對(duì)系統(tǒng)的覆蓋能力要求不高，一般采用地球靜止軌道（GEO） HTS衛(wèi)星，但對(duì)于商業(yè)VSAT網(wǎng)絡(luò)、干線傳輸和蜂窩回程等對(duì)于覆蓋和時(shí)延有一定要求的業(yè)務(wù)，一般采用非GEO HTS星座，移動(dòng)業(yè)務(wù)既可采用GEO衛(wèi)星，也可使用非GEO星座。

GEO HTS系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢：①單顆衛(wèi)星系統(tǒng)部署成本較低，一顆靜止軌道HTS系統(tǒng)的部署成本約為4億～5億美元（含發(fā)射和保險(xiǎn)），系統(tǒng)擴(kuò)展可以逐顆進(jìn)行，項(xiàng)目初期風(fēng)險(xiǎn)可控；②可以使用較窄的點(diǎn)波束，對(duì)于面向局部地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)吞吐量較高；③地面終端設(shè)計(jì)簡單，無需跟蹤天線，適應(yīng)于小型化批量生產(chǎn)；④比起低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛(wèi)星，空間環(huán)境較好，一般系統(tǒng)都具有15年以上在軌壽命。

非GEO HTS星座系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢：①衛(wèi)星運(yùn)行的軌道較低，可以提供交互式低延遲服務(wù)：GEO系統(tǒng)的服務(wù)延遲在250ms，MEO系統(tǒng)延遲在150ms，LEO系統(tǒng)延遲在30～50ms，接近地面光纖通信（10～20ms）和無線通信（10～50ms）的延遲；②由于衛(wèi)星數(shù)量眾多，因此系統(tǒng)的總吞吐量更大，用戶數(shù)據(jù)使用成本更低：GEO系統(tǒng)為500美元/月，MEO系統(tǒng)為150美元/月，LEO系統(tǒng)為25美元/月，接近地面光纖通信（5美元/月）和無線通信（0.5美元/月）的使用成本；③能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋。對(duì)于具有星間鏈路的星座系統(tǒng)，還能實(shí)現(xiàn)單跳通信。

國外還出現(xiàn)了一種新的GEO+LEO的發(fā)展模式，例如：2015年Intelsat-Epic系統(tǒng)與OneWeb系統(tǒng)的聯(lián)合，未來還會(huì)有更多的多軌道聯(lián)合系統(tǒng)，這對(duì)于系統(tǒng)終端天線在不同波束之間的切換提出了更高的要求。目前，O3b系統(tǒng)終端主要通過兩副跟蹤天線跟蹤并同時(shí)在衛(wèi)星之間切換，波束切換主要是“硬切換”（以機(jī)械的方式進(jìn)行），終端設(shè)備非常昂貴，適用于運(yùn)行在MEO的衛(wèi)星數(shù)量有限的HTS系統(tǒng)。對(duì)于LEO系統(tǒng)或GEO+LEO系統(tǒng)，目前國外出現(xiàn)了“超材料”天線產(chǎn)品，例如，凱米塔公司（Kymeta）的超材料表面天線（MSA-T），類似PCB板樣式的電路板，與傳統(tǒng)饋源相連，可以通過調(diào)節(jié)數(shù)千個(gè)亞波長諧振器的方式，改變波束的形狀和方向的目的。這使得天線具備相控陣天線的能力，而無需移相器、相關(guān)的放大器，及其他部組件。

四、未來發(fā)展趨勢

根據(jù)歐洲咨詢公司預(yù)測，未來HTS系統(tǒng)容量需求將從2015年的340Gbit/s增長到2024年的2000Gbit/s，年復(fù)合增長率約為22%。與此同時(shí)，HTS系統(tǒng)供應(yīng)也在同步增長，預(yù)計(jì)到2020年，HTS容量供應(yīng)將達(dá)到約2900Gbit/s。2015年，HTS系統(tǒng)容量收入約為11億美元，比2014年增長了1.6億美元，預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到62億美元，年復(fù)合增長率約為18%。

[1]http://www.yahsat.ae.

[2]http://www.viasat.com/broadband-satellitenetworks/viasat-1.

[3] http://www.eutelsat.com/satellites/9e_ka-sat.html.

[4]http://www.spacenews.com/launch/120706-echostar17-healthy.html.

[5]http://www.space-travel.com/reports/Avanti_ announces_successful_launch_of_its_HYLAS_2_ Satellite_999.html.