国外最新宽带卫星通信系统技术概述

2011-08-13许菁菁

国际太空 2011年12期

1 概述

□□美国卫讯公司（VIASAT）与美国劳拉公司联合打造的卫讯-1（ViaSat-1）于2011年10月19日发射。它是迄今为止容量最大的宽带卫星。与之相对应的是欧洲卫星通信公司（EutelSat）于2010年12月发射的“Ka频段卫星”（Ka-Sat）。这2颗卫星均采用美国卫讯公司的新一代“冲浪波束”（SurfBeam）网络系统，大大提高了卫星容量，更好地服务于美国、加拿大、欧洲和地中海地区。

卫讯-1

卫讯-1在轨展开示意图

打造完毕的卫讯-1

美国卫讯公司与美国劳拉公司签署了关于卫讯-1的研制合同，其合作伙伴还有加拿大电信卫星公司（TELESAT）和欧洲卫星通信公司。他们希望把卫讯-1打造成为迄今最大容量的宽带卫星，以满足目前的市场需求。卫讯-1以其高质量、大容量、超高速和高效益地服务于美国、加拿大的个人及企业用户。与目前Ka频段的宽带卫星相比，卫讯-1与美国卫讯公司的 “冲浪波束”系统优化组合后，有望提高10倍以上的容量。

卫讯-1定点在西经115°，设计寿命15年。加拿大电信卫星公司对该卫星提供遥测、跟踪和控制的操作。它采用大容量的Ka频段点波束技术，有18个网关，能以更快的速率服务于更多的宽带用户，总业务量为130Gbit/s，超过了现今覆盖北美的双向Ka、C、Ku频段的全部容量之和。卫讯-1使用数据服务接口标准（BOCSIS）网络技术，降低了成本。其终端包括卫星调制解调器和Ka频段转发器。数据服务接口标准网络技术还可以应付由大雨引起的信号衰减，卫讯系统通过上行链路的功率控制和自适应的数据编码技术可以自动地对雨衰作出响应。

卫讯-1实现创新的技术有：① “冲浪波束”；②Ka频段卫星室外单元；③数字视频广播SkyPhy芯片；④网络和应用加速软件；⑤Ka频段卫星天线和网关系统；⑥卫星有效载荷和系统设计。

“Ka频段卫星”

欧洲卫星通信公司的“Ka频段卫星”于2010年12月底发射，是大容量的Ka频段宽带卫星，总容量超过70Gbit/s。它采用卫讯公司“冲浪波束2”（SurfBeam 2）系统来支持欧洲卫星通信公司的“双向”宽带服务，传输速率最高可达10Mbit/s的下载速率和4Mbit/s的上传速率，容量可达到现行服务的3～4倍。该卫星配置了82 个点波束，每个点波束容量为900Mbit/s，这些点波束与10个网关地面站相连接，以此作为“双向”服务的一部分来提供用户宽带服务。这种构造可以使频率重复使用20次。“Ka频段卫星”已成为欧洲的基础设施，它包括贯穿欧洲大陆的8个网关和2个候补网关，并通过纤维中枢环路与因特网连接。它的应用还将成为商业卫星领域最快速增长和最有前途的应用。

卫讯-1 基本技术指标

“Ka频段卫星”定位于9°E附近，通过1副双频天线，欧洲用户既可接收Ku频段的电视，也可获得Ka频段的新媒体服务。欧洲通信的用户终端由卫讯公司提供。“Ka频段卫星”装有4副反馈展开天线和1个高精确的指示系统，不相邻单元频率可以重复使用并且不发生干涉。其中，多点波束技术、大量频率复用和极高精确度的指向系统是获得70Gbit/s的超大容量的关键。

“冲浪波束”系统

“冲浪波束”系统是一种基于卫星的，特别为宽带网络设计的全新的系统。美国卫讯公司成功地将基于有线电视网络上的数据服务接口标准的有线工业技术及最先进和成熟的卫星技术集成运用于“冲浪波束”系统之上。“冲浪波束”既可以工作于新的Ka频段点波束卫星转发器上，提供支持数百万用户的超大网络容量，也能工作于传统的Ku频段卫星。

“Ka频段卫星”在轨展开示意图

建造中的“Ka频段卫星”

该系统具有的优势有：可利用线程的有限电视调制解调芯片；可利用现有运营商级的终端设备；可采用第三方产品、网关、运营支撑系统（OSS）应用及在有限电视网数以百万计用户中广泛应用的业务。其主要特点有：①容易扩展的架构；②大容量及低成本；③出色的用户体验；④集成前台和后台运营支持系统；⑤虚拟网络运营。

“Ka频段卫星”基本技术指标

“冲浪波束”是一个双向宽带卫星通信系统，可以使服务提供商通过商用地球静止轨道卫星（Ka或Ku频段）为居民、小型企业用户提供高速因特网接入和宽带多媒体通信业务。它由一个主站（或称信关站）和成千上万分布在各地的用户终端组成，其中主站由射频子系统、基带/中频子系统，信关站管理系统和网控中心组成。它的主要设备有：用户终端、卫星调制解调传输系统SMTS-1200、网络管理系统（NMS）。

吊装中的卫讯-1

自适应解码与调制（ACM）是用来增强“冲浪波束”下行链路信道系统容量的一种自适应编码调制配置。自适应解码与调制跟踪每个用户的下行链路信道质量和用户用来发送信息的模块的动力学变化。

2 Ka频段通信卫星的功能

通信体制

“Ka频段卫星”通过欧洲卫星通信公司现有的热鸟-6和欧鸟-3来接入服务，其提供的电视服务采用包括基于数字视频广播（DVB-S2）的VCM/ACM模式的新技术和H.264SVC编码22。“Ka频段卫星”使用基于自适应解码与调制的方法对系统性能非常重要，其MOD/COD门槛是基于数字视频广播标准的。

有效载荷质量和功耗

美国卫讯-1发射质量6300 k g，净质量3650kg。欧洲“Ka频段卫星” 发射质量6150kg，净质量为3200kg，其中载荷质量1000kg。载荷功率为11kW，太阳电池产生功率15kW。

有效载荷设计

· 使用行波管辐射收集器（Radiative collector TWTs），增加南北热管耦合的高有效性，降低南北墙板的热辐射范围，同时能满足多种运载火箭的要求（因此内部留有4m直径的减阻装置）。在距天线发射端最短距离的位置安装行波管辐射收集器，使有效全向辐射功率（EIRP）性能最优化。

· 由于采用了新一代的双轴天线部署和调整机械装置（ADTM Mk2），在一个嵌套构造中可容纳4副收拢状态的大型反射面天线。双轴天线部署和调整机械装置是一个小型设计，用来支持双配置链，并保留了机械模块和技术的很强的继承性。

· 天线馈源组件安装在上层的水平高度上，以最大限度提高增益噪声比。

· 产生一种支持天线反馈组装的新概念，将反馈组装在上层区域之上。这个构造可以对反馈提供清晰视野，同时能够使天线几何补偿最优化。

天线设计

· 多波束天线使用每个波束单反射器天线配有单反馈的传统概念，设计需要有两个关键特点：①将多模式反馈角设计成高度优化，同时提供组合接受和传输功能；②反射器外壳的高度稳定性，要考虑到制造公差和热弹性畸变。

天线设计和波束设计

（1）天线分系统设计

链路预算考虑作为前向连接（FW）第二代通过卫星的数字视频广播标准，以30 Msym/s的符号速率，低密度奇偶校验码（LDPC）的编码率2/5。这样的波形占有一个比“Ka频段卫星”转发器提供的237MHz更窄的带宽。对于返回通道（RC），不同的构造都是基于交互频道的数字视频广播标准，只有一个编码率，也就是涡轮1/3。

（2）Ka频段天线设计

天线轴的长度（约100mm）保证了高硬度的平面，适用于在高速传输上的应用。

“Ka频段卫星”的频率复用情况

· 高级的辐射排列：天线是一个辐射排列再分为开槽的波导的N分排列，融入到Tx和Rx天线区内。以这样的方式，在天线辐射区域之间共享，没有不稳定的天线增益。Rx前段和Tx/Rx相位调整器的数量减少，这样可以应对必须的无线电频率（RF）组件集成所带来的问题。而且Rx和Tx的排列分离使天线组网更加容易，可以在没有天线共用器时实现，甚至简化必须的无线电频率（Tx/Rx）。必须的无线电频率高功率部分置于室内，这可以使天线温度遵从实际的欧洲卫星通信公司信息请求说明。然而，当进入室外的无线电频率的高频部分时，可能造成Tx路径损失。

天线的垂直距离保持尽量的低，使辐射元件旁的无线电频率组件、引擎、数字控制器成为一个整体。

· 天线屏蔽器设计：天线屏蔽器用于终端移动应用设备上，它材料的选择要以结构为基础，考虑到热和电磁。其形状要满足空气动力学、天线的安装、结构和电学扫描需求。天线屏蔽器的设计通常是给予性能工艺和组件相互作用的一个迭代过程。公司已经开发了一个有效的A型天线屏蔽器，但不能完全用于Ka频段。选用一种更好的九层结构，表现出更好的电学性能。

（3）波束设计

“Ka频段卫星”使用欧洲星-E3000平台，具有如下特点：

· 天线跟踪系统（ATS）以保证精确瞄准。

· 在双重配置中，长焦距与大直径反射器相结合，以获得最优性能，包括增益和多波束范围的干扰率。

· 三级机械平台结构与辐射冷却收集器相结合；适用于大载荷，能够限制热扩散，并能够使高效率等向辐射功率和增益噪声比的损失减到最小。

· 等离子体推进系统能够保障这样的大型卫星的生命周期性能。

频率规划

对于Ka频段卫星，频率范围：-19.7～20.2GHz和29.5～30GHz。其中上行链路：27.5～29.5GHz与固定服务共享（FS），24.75～25.25GHz 在2/3的国际电信联盟（ITU）区域，因此3GHz是可用的，但有限制。对于下行链路：17.3～19.7GHz与宽带卫星业务（BSS）反馈链路（feeder link）共享和固定服务共享与很多地面链路操作，21.4～22GHz在ITU区域，1/3与固定服务、移动、宽带卫星业务共享。因此3GHz是可用的，但有限制。

“Ka频段卫星”具有高等级的频率复用。它配备四重反馈可展开天线，以及增强的指示精准的高效中继器。其范围覆盖欧洲、非洲中东和北部部分地区。有效的频率复用使系统获得的容量超过70Gbit/s。卫讯-1总容量超过100Gbit/s。

使用Ka频段，意味着波束更小。在前向链路（网关-终端）可以使卫星功率更有效的用在有限的区域，连同必须的有效各向同性辐射功率和给予用户的更加接近。

地面应用系统设计

· “冲浪波束”上下行速率：3.5/72Mbit/s。

· 用户终端：“Ka频段卫星”包括外部单元，带有直径小于75cm的天线；小型内部单元，它可以提供一个简单的用户界面：即插即拔、以太网或Vifi。

“Ka频段卫星”用户终端设备

· 信关站：“Ka频段卫星”提供82个点波束，其中由一个地面站提供服务，地面站由8个信关站组成，8个信关站由光纤连接。

· 组网：假设移动的卫星调制解调器作为一个路由器工作，也就是配有属于两个网络的两个接口。对于用户接口，假设它在移交（HO）过程中不改变其构造。对于卫星接口，物理组成由一个返回链路的调节器和一个前向连接的调节器构成。不同的方法都可以应用到卫星接口的构造上。如果卫星所有网关的接口具有相同的IP地址，那么移交不需要重新分配IP地址。如果网关具有不同的IP地址，会对卫星接口进行动态的重构。在任何情况下，在移交过程中的IP组（特别是TCP期间）会变差。一种解决这个问题的方法是移动IP（MIP）。