新一代高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)載荷關(guān)鍵技術(shù)研究*

惠騰飛，張 劍，劉明洋

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高通量通信衛(wèi)星是在使用相同頻率資源的條件下，通信容量比常規(guī)通信衛(wèi)星高數(shù)倍甚至數(shù)十倍的通信衛(wèi)星，其主要特點是采用了頻率復(fù)用、多點波束等先進技術(shù)。從2004年首顆HTS衛(wèi)星發(fā)射以來，GEO軌道HTS衛(wèi)星呈逐年增長態(tài)勢。根據(jù)歐洲咨詢公司預(yù)測，2017—2025年間，全球預(yù)計有96顆GEO HTS衛(wèi)星發(fā)射，平均每年11顆左右，較上一個十年的年均有3顆大幅增長。

2017年4月12日，我國首顆高通量通信衛(wèi)星(HTS)實踐13號發(fā)射升空。該衛(wèi)星采用了Ka頻段，通信總?cè)萘砍^20 Gbps，標志我國衛(wèi)星通信進入高通量時代，填補了我國在該領(lǐng)域的空白。

2020年7月9日20點11分，我國目前通信容量最大、波束最多、輸出功率最大、設(shè)計程度最復(fù)雜的民商用通信衛(wèi)星亞太6D衛(wèi)星成功發(fā)射。該衛(wèi)星是我國首個Ku頻段“高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)”的首發(fā)星，通信總?cè)萘砍^50 Gbps，標志著我國高通量通信衛(wèi)星研制能力達到國際先進水平。

隨著商業(yè)競爭的不斷加劇，更大容量以及更高靈活性成為了HTS系統(tǒng)發(fā)展的主要目標，新一代的HTS系統(tǒng)即將進入到“Tbps”時代。本文針對新一代HTS系統(tǒng)的發(fā)展，從衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)角度開展研究工作[1]。

1 HTS系統(tǒng)概述

典型HTS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，采用星型組網(wǎng)雙跳通信模式，主要包括從信關(guān)站到用戶端的前向鏈路以及由用戶端到信關(guān)站的返向鏈路。

前向鏈路由兩部分組成，分別是信關(guān)站到衛(wèi)星的饋電上行鏈路以及由衛(wèi)星到用戶端的用戶下行鏈路。返向鏈路由兩部分組成，分別是用戶端到衛(wèi)星的用戶上行鏈路以及衛(wèi)星到信關(guān)站的饋電下行鏈路。信關(guān)站以簇為單位實現(xiàn)波束簇內(nèi)通信。

圖1 HTS系統(tǒng)典型架構(gòu)示意圖

從功能上劃分，HTS系統(tǒng)主要由空間段、地面段以及用戶段組成。

空間段主要是指承載HTS載荷的大容量通信衛(wèi)星，包括GEO衛(wèi)星以及MEO和LEO等各種軌道的衛(wèi)星資源。

地面段主要包括運營中心和信關(guān)站。運營中心是地面系統(tǒng)管理、控制、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)交換的核心，具有業(yè)務(wù)運營支撐功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能、數(shù)據(jù)中心功能、與地面Internet 網(wǎng)以及3/4G等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的交換路由功能。信關(guān)站為所在饋電波束對應(yīng)的用戶波束提供接入服務(wù)，完成饋電鏈路信號收發(fā)、基帶處理和與運營中心的數(shù)據(jù)交換。

用戶段為固定、車載、船載以及機載等各類應(yīng)用終端。

高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的空間段衛(wèi)星資源、地面段網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)運營系統(tǒng)采用天地一體化設(shè)計，用戶無需建設(shè)主站，僅需購買終端站就可使用寬帶衛(wèi)星服務(wù)，終端站通過衛(wèi)星的用戶波束接入所屬信關(guān)站，為用戶節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資。系統(tǒng)除支持固定終端外，還支持機載、車載和船載等移動終端的動中通應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)跨波束自動無縫切換。天地一體化的通信平臺直接面向用戶，提供數(shù)據(jù)、視頻、語音等服務(wù)，可支持多種應(yīng)用[2]。

2 HTS系統(tǒng)發(fā)展歷程

結(jié)合業(yè)內(nèi)相關(guān)研究成果，按照能力和發(fā)展時期，HTS衛(wèi)星的發(fā)展歷程大致可劃分為四代。

第一代HTS衛(wèi)星采用寬波束，系統(tǒng)吞吐量在1～3 Gbit/s之間，以IPSTAR衛(wèi)星和Anik-F2衛(wèi)星為代表，數(shù)據(jù)下載速率低于256 kbit/s，只能滿足基本的應(yīng)用需求，例如文件共享、網(wǎng)頁瀏覽以及電子郵件。

第二代HTS衛(wèi)星開始使用寬點波束和頻率復(fù)用技術(shù)，吞吐量在5～10 Gbit/s，主要出現(xiàn)在2006—2007年前后，以WildBlue-1衛(wèi)星和Spaceway-3衛(wèi)星為代表，主要使用Ka頻段，數(shù)據(jù)下載速率達到256 kbit/s～5 Mbit/s，能夠滿足類似VoIP、短視頻和音頻流媒體等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

第三代HTS衛(wèi)星大量使用窄點波束和頻率復(fù)用技術(shù)(小于100個)，吞吐量在100 Gbit/s左右，主要出現(xiàn)在2010年以后，以KA-SAT衛(wèi)星和ViaSat-1衛(wèi)星為代表，主要使用Ka頻段，數(shù)據(jù)下載速率達到12～50 Mbit/s，能夠滿足高速網(wǎng)頁瀏覽、高清電影和VoIP電話等應(yīng)用。

第四代HTS衛(wèi)星采用更窄的點波束，吞吐量超過300 Gbit/s，最高可達1 Tbit/s，目前大部分處于在研狀態(tài)，以ViaSat-2衛(wèi)星和ViaSat-3衛(wèi)星為代表。此外，新一代的HTS衛(wèi)星也逐漸開始向更高靈活性的方向發(fā)展，從系統(tǒng)的角度高效地滿足有效的、局部的、特定的需求，除滿足數(shù)據(jù)速率更高的衛(wèi)星寬帶接入業(yè)務(wù)以外，還支持更廣區(qū)域范圍內(nèi)的海事和航空移動業(yè)務(wù)。

另外，隨著低軌星座通信技術(shù)的發(fā)展，以中軌以及低軌系統(tǒng)構(gòu)建的HTS系統(tǒng)也成為了國際研究及系統(tǒng)建設(shè)的熱點[3-4]，圖2為HTS系統(tǒng)發(fā)展歷程示意圖。

圖2 HTS系統(tǒng)發(fā)展歷程示意圖

3 新一代HTS載荷關(guān)鍵技術(shù)研究

新一代高吞吐量衛(wèi)星(HTS)衛(wèi)星載荷主要特點是使用了更高頻的通信頻率且采用更加密集的多波束結(jié)構(gòu)，單個波束覆蓋范圍越來越小，單星的波束個數(shù)越來越多，通過重復(fù)使用有限的頻率資源獲得單星下更大的系統(tǒng)通信容量，另外，結(jié)合通信業(yè)務(wù)的靈活變化及經(jīng)濟綜合性考慮采用了更加靈活的載荷技術(shù)。新一代HTS載荷相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)主要包括超大規(guī)模高性能多波束天線技術(shù)、跳波束通信技術(shù)、靈活載荷技術(shù)、數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)、波束預(yù)編碼技術(shù)以及基于微波光子的星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)等，下面將詳細介紹。

3.1 超大規(guī)模高性能多波束天線技術(shù)

高通量衛(wèi)星能夠大幅提升系統(tǒng)的通信容量，而高增益多點波束天線是高通量衛(wèi)星實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量的核心[5]。天線波束的增加是提高HTS系統(tǒng)容量最有效的方法之一，下一代HTS系統(tǒng)對波束寬度的需求進一步縮小，由0.8°向0.5°甚至0.2°發(fā)展，圖3給出了ViaSat-3衛(wèi)星的密集波束覆蓋示意圖。

目前星載Ka頻段多波束一般采用反射面+饋源陣列形式。由于使用了反射面，因此能夠用較小的陣列饋源實現(xiàn)高增益多波束的要求，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。多口徑、多饋源、多波束天線是超大容量衛(wèi)星發(fā)展的主要載荷技術(shù)，多個饋源產(chǎn)生一個波束，波束總體覆蓋特性以及鄰近波束間的隔離指標都能進行較好的優(yōu)化設(shè)計，另外針對窄波束的高精度校準技術(shù)也是超大規(guī)模高性能多波束天線技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。

圖3 ViaSat-3衛(wèi)星全球波束覆蓋示意圖[6]

3.2 面向HTS系統(tǒng)的跳波束通信技術(shù)

傳統(tǒng)的HTS通信系統(tǒng)中，各個波束的頻譜帶寬、覆蓋區(qū)域、射頻功率等參數(shù)一般為固定設(shè)計值。但是，由于各波束覆蓋區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)需求并不相同，且具有明顯的時變特性，這種固定的載荷設(shè)計必然導(dǎo)致衛(wèi)星資源分配靈活性受限，從而造成衛(wèi)星實際使用性能下降。跳波束系統(tǒng)可以根據(jù)衛(wèi)星不同區(qū)域的不同業(yè)務(wù)需求量，合理分配波束資源，當(dāng)某一區(qū)域業(yè)務(wù)量大時可以增加時隙個數(shù)，當(dāng)業(yè)務(wù)量變小后又可以相應(yīng)減少該區(qū)域的時隙個數(shù)，從而提高整個系統(tǒng)的資源使用效率，圖4為HTS系統(tǒng)跳波束原理及轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖。

(a) HTS系統(tǒng)跳波束原理圖

(b) HTS系統(tǒng)跳波束轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖

HTS系統(tǒng)跳波束是一種特殊的載荷設(shè)計方式。星載天線是全覆蓋的多波束天線，但轉(zhuǎn)發(fā)器資源在多個波束之間分時共用，本質(zhì)上是信號在不同波束之間跳變，但從用戶使用上看是一個跳波束系統(tǒng)。

HTS系統(tǒng)采用跳波束技術(shù)主要優(yōu)勢如下：

1)提高了系統(tǒng)容量：單個波束使用的帶寬提高，不需要四色復(fù)用。天線C/I得到了提高，相鄰波束影響降低，有利于使用頻譜效率更高的編碼調(diào)制方式；

2)提高了業(yè)務(wù)調(diào)配的靈活性：通過高效的資源管理使得信號在不同波束的駐留時間動態(tài)分配，可以有效解決不同波束區(qū)域之間以及同一波束不同時間段的業(yè)務(wù)需求，從時間及空間維度優(yōu)化系統(tǒng)容量分配。

3.3 數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)

多波束通信衛(wèi)星主要采用彎管式有效載荷(透明轉(zhuǎn)發(fā))轉(zhuǎn)發(fā)器。在彎管式有效載荷中，衛(wèi)星不對用戶信號進行再生處理，信號體制與轉(zhuǎn)發(fā)器無關(guān)，使用靈活；多波束衛(wèi)星一般采用微波開關(guān)矩陣實現(xiàn)不同波束間信號的交鏈，在一定程度上提高了系統(tǒng)的連通性。然而，由于星上微波交換矩陣都是硬連接，其路由選擇方式是固定的，無法適應(yīng)業(yè)務(wù)量的變化及多波束間靈活組網(wǎng)[7]。

采用數(shù)字透明處理器(digital transparent processor，DTP)，提高了波束間交鏈的靈活性，從單一支持星狀網(wǎng)(以饋電站為中心，兩跳)，變成支持星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)(終端到終端直接通信，一跳)結(jié)合的系統(tǒng)，衛(wèi)星變成網(wǎng)絡(luò)交換的節(jié)點，降低對關(guān)口站的要求，支持點到點、廣播、組播等模式；另外，數(shù)字透明處理器可使得衛(wèi)星載荷的頻率，功率資源“池化”，資源利用率提高，資源靈活使用，可實現(xiàn)運營模式的“靈活定制”。

圖5 數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

數(shù)字透明處理技術(shù)的主要發(fā)展方向是多端口、寬帶以及大容量處理。Intelsat后續(xù)規(guī)劃的新一代 HTS衛(wèi)星配置了全數(shù)字透明處理載荷(DTP)，帶寬和功率可靈活調(diào)配，容量達到70 Gbps。

3.4 基于微波光子的星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

微波光子技術(shù)是微波技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，可實現(xiàn)微波和光波之間的轉(zhuǎn)換。采用微波光子通信方式，既具備激光通信的寬帶寬技術(shù)優(yōu)勢，又具有微波通信的寬覆蓋特性技術(shù)優(yōu)勢，同時結(jié)合微波光子技術(shù)獨有的微波頻段的光域搬移及微波/光波混合方式，使得微波光子通信在帶寬、信息處理能力、工程實現(xiàn)難度、系統(tǒng)復(fù)雜度、電磁兼容性、體積、重量、功耗等方面都具有無與倫比的優(yōu)勢。

圖6 采用微波光子技術(shù)的HTS衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器簡化框圖[8]

微波光子交叉互聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)集成了光學(xué)微波本振信號產(chǎn)生與饋送、光域微波信號變頻、光交換等多項技術(shù)，在光域?qū)崿F(xiàn)了多路微波信號的處理與轉(zhuǎn)發(fā)。在該系統(tǒng)中，每個來自于上行鏈路天線波束的微波電信號都通過電光混頻器轉(zhuǎn)換到光載波上，與輸入光本振信號通過電光混頻器進行電光混頻，下變頻后輸出中頻(IF)信號。在光域，信號經(jīng)過放大后進入到由路由分配器和開關(guān)組成的光交叉連接矩陣中。光-微波接收機將該光交叉連接矩陣輸出的光信號轉(zhuǎn)換為中頻的電信號，以便后續(xù)電路能夠用傳統(tǒng)的微波技術(shù)進行RF通道濾波。與微波轉(zhuǎn)發(fā)器相比，該類型轉(zhuǎn)發(fā)器在保證系統(tǒng)功能和規(guī)模的前提下，可大大節(jié)省衛(wèi)星載荷的質(zhì)量，提高系統(tǒng)聯(lián)通性。相對射頻通道微波透明轉(zhuǎn)發(fā)而言，集成微波光子技術(shù)具有小尺寸、大寬帶、可調(diào)諧和低功耗等優(yōu)勢，在未來高通量衛(wèi)星載荷技術(shù)中極具應(yīng)用前景[9]。

3.5 靈活載荷技術(shù)

采用傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器的通信衛(wèi)星在入軌以后，其技術(shù)狀態(tài)基本上就是固定的，難以針對市場變化及時做出動態(tài)調(diào)整。因此，產(chǎn)業(yè)界萌發(fā)了“靈活衛(wèi)星”的概念，即衛(wèi)星在軌服役期間，可以針對商業(yè)模式或市場需求變化動態(tài)調(diào)整星上資源，持續(xù)提供衛(wèi)星通信服務(wù)，實現(xiàn)衛(wèi)星的靈活性[10]。

目前，國際上對靈活有效載荷(flexible payload)的內(nèi)涵和概念尚未統(tǒng)一，有的學(xué)者稱其為可重構(gòu)式載荷(reconfigurable payload)，前者主要從應(yīng)用的角度強調(diào)載荷服務(wù)能力上的靈活使用效果，后者則主要從載荷設(shè)備的角度強調(diào)在同一個物理實體上實現(xiàn)多種通信模式、通信體制的兼容性設(shè)計及在軌功能升級和更新。靈活有效載荷主要可以分為三種，分別是波束覆蓋的靈活性、頻譜在軌變換的靈活性以及功率動態(tài)調(diào)配的靈活性等方面[11]。

1)靈活的波束覆蓋

在波束覆蓋方面，主要通過相控陣天線技術(shù)實現(xiàn)覆蓋區(qū)的靈活動態(tài)變化。歐洲新一代Quantum衛(wèi)星具備靈活通信能力，其波束具備方位及形狀的高度靈活性，同時支持快速的波束跳變能力。另外，Quantum衛(wèi)星天線載荷利用其強大的波束賦形能力可以實現(xiàn)對干擾的檢測及空域抑制作用。

圖7 歐洲量子衛(wèi)星波束靈活變化示意圖[12]

2)靈活的頻率使用

頻譜資源是通信衛(wèi)星系統(tǒng)中非常重要的資源之一，提高其使用效率及使用靈活性成為了國際通信領(lǐng)域的研究熱點。頻譜資源的調(diào)度主要包括跨星調(diào)度、跨波束調(diào)度以及同一波束內(nèi)調(diào)度，具體調(diào)度方式包括整段調(diào)度、子帶調(diào)度以及離散頻點調(diào)度。

目前頻率靈活可變主要采用數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進行整個載荷的頻率鉸鏈關(guān)系的動態(tài)管理和規(guī)劃。例如歐洲的新一代靈活衛(wèi)星Quantum衛(wèi)星采用了數(shù)字透明處理機制，具備端口帶寬、中心頻率以及子帶帶寬等靈活調(diào)度能力，這是其他衛(wèi)星所不具備的。

3)靈活的功率調(diào)整

載荷功率配置是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計的核心指標之一，該參數(shù)決定衛(wèi)星鏈路能力，直接影響用戶端的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

多通道放大技術(shù)是實現(xiàn)衛(wèi)星功率調(diào)整的主要關(guān)鍵技術(shù)之一，其優(yōu)點是使用的行波管放大器具有高靈活性、低功耗和低飽和功率的特點，實現(xiàn)動態(tài)資源調(diào)配。另外，星上功率可調(diào)放大器也是實現(xiàn)功率動態(tài)變化主要方式之一。例如英國的高適應(yīng)性衛(wèi)星Hylas-1衛(wèi)星采用了多種先進的載荷技術(shù)，包括由德國Tesat-Spacecom公司研制的在軌可調(diào)微波功率模塊[13]。

3.6 波束預(yù)編碼技術(shù)

HTS衛(wèi)星通信系統(tǒng)典型的特征是采用多波束技術(shù)實現(xiàn)覆蓋，國際上的研究表明，為了進一步提升HTS系統(tǒng)的容量，需要采用頻率復(fù)用技術(shù)來不斷提高系統(tǒng)頻帶利用率。類似地面蜂窩無線通信系統(tǒng)，采用全頻率復(fù)用方案能夠獲得最大的頻帶利用率，但同時使得系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾也最嚴重。采用地面MIMO的傳輸思想，HTS系統(tǒng)中的多波束和多用戶構(gòu)成的系統(tǒng)與可以看作分布式MIMO系統(tǒng)[14]。

目前關(guān)于HTS衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用MIMO技術(shù)的研究主要集中在前向鏈路MIMO技術(shù)中，其中新一代DVB-S2X標準給出了針對波束預(yù)編碼的實現(xiàn)框架，如圖8所示[15]。

圖8 HTS系統(tǒng)前向鏈路預(yù)編碼處理流程圖[16]

4 結(jié)論

高通量衛(wèi)星已成為國際民商用衛(wèi)星通信領(lǐng)域的關(guān)注焦點，向著大容量、密集波束、高頻段以及靈活使用等方向發(fā)展。本文在回顧HTS發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，對新一代HTS系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵載荷技術(shù)進行了梳理及總結(jié)，重點聚焦在高軌GEO衛(wèi)星載荷技術(shù)上。但隨著中低軌高通量系統(tǒng)的發(fā)展，其在一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及載荷技術(shù)上呈現(xiàn)新的特征。