Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析

+ 郑晓天 李集林 刘海客 于雪晖 林墨航天恒星科技有限公司

Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析

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Ka频段 星座 静止轨道 Anik F2

Ka频段多点波束卫星通信系统有星座组网、全球覆盖、星上交换等实现方式；也有静止轨道、区域覆盖、透明转发等实现方式。前一种方式波束覆盖灵活可调，通信质量高，技术复杂，容量受限；后一种方式技术简单可靠，容量大，波束覆盖相对固定。本文通过对Ka频段多点波束卫星通信系统发展的梳理，以及射频技术和数据通信技术发展对卫星通信发展影响的分析，指出就将来一段时间而言，后一种方式是Ka频段多点波束卫星通信系统发展的主流。

1. 序言

自从1945年Clarke提出卫星通信的想法后，卫星通信已经走过了60多年的发展历程。最近二十年Ka频段多点波束卫星通信系统发展迅猛，但其发展道路也充满了曲折。本文通过研究梳理Ka频段多点波束卫星通信系统发展历程，就未来发展趋势进行分析预测，希望对我国相关领域的发展提供借鉴。

2. 卫星通信发展概述

如果以1945年Clarke提出卫星通信的设想作为卫星通信的开端，20年后1965年第一颗商业通信卫星Early Bird成功发射；约20年之后在1984年第一个商用VSAT系统在沃尔玛成功投入使用；再过20年到2004年DVB-S2标准正式推出。回顾卫星通信发展历史，每隔20年卫星通信必然会发生重大变革。

图 1 下一代卫星通信系统[2]

1957年前苏联发射了人类第一颗人造卫星Sputnik I。虽然Sputnik I只能发射信标信号，但它证明通过卫星进行通信是可行的。随后Echo I和Echo II采用无源反射的方式进行了卫星通信实验。紧接着分别在1962年和1963年Telstar I 和Telstar II发射成功，上述卫星都携带了一个带宽50MHz的C频段转发器，采用太阳能电池和蓄电池供电，进行了跨大西洋电视直播和电话通信演示。在1965年之前，美苏发射了大量的的通信卫星进行实验，但都集中于中低轨道。直到1965年 4月16日，第一颗投入商业运行的静止轨道通信卫星INTELSAT I 也称作Early Bird发射升空。该卫星由Hughes公司负责制造，由Intelsat负责运营。Early Bird携带两个25MHz带宽的C频段转发器，能够提供480路语音信道[2, 3]。从此以后到80年代中期，静止轨道卫星容量越来越大，能够提供上万路的的话音和几十套电视节目，但其基本工作模式和技术没有本质变化。1985年Hughes公司为Wal-Mart建设了世界上第一个商用VSAT系统，这是卫星通信系统一次重大的变革，被《财富》杂志评为20世纪最具有意义的20个战略决策之一[4]。VSAT系统不仅仅是通信频段的变化和终端天线的小型化，更重要的是实现了基于卫星的双向交互式通信，实现了卫星通信的一次飞跃。随后几十年基于静止轨道卫星的VSAT发展迅猛，但是其固有的大延时制约了其在当时条件下的发展。所以后来移动通信卫星利用其轨道高度低，延迟小，信号损耗小和全球覆盖的优势，迅速得到了发展。而当时光纤通信技术存在诸多缺陷，在这种背景下铱星和GlobarStar 基于全球覆盖的卫星通信网看起来前途光明。但在其通信网络建成之后，地面光纤性能大幅度提升，即使跨海光缆的性价比也远远优于LEO卫星通信。因此铱星正式运营没多久就破产，被美国军方收购。1993年美国NASA先进通信技术卫星（ACTS）发射升空[1]，此后十年是Ka频段多点波束卫星发展的高潮，各种卫星通信方案相继提出。

3. Ka频段星座组网全球覆盖卫星通信系统

在Ka频段多点波束卫星理论进行了20多年研究，并通过ACTS行了大量试验之后，人们迫不及待将其进行商业化推广应用。在上世界末和20世纪初，在全球范围内规划了大量的宽带卫星通信系统，包括LEO、MEO和GEO卫星，如图 1所示[2]：

Astrolink[3,4]– 该卫星系统包括9个GEO Ka频段卫星。其上行频率为28.35-28.8GHz和29.25-30.0GHz。下行频率为19.7-20.2GHz。该系统的目标是提供基于卫星网络的高速多媒体通信。Astrolink采用星上处理（Onboard Processing OBP）以提升系统的效率，并采用星上交换（Onboard Switch OBS）提升系统的灵活性。该系统能够向端站提供从16kb/s到9.6Mb/s的数据传输速率。并且端站采用90cm碟形天线就能够支持384kb/s的上行数据速率。

Cyberstar[4,5]- Cyberstar卫星星座包含3颗Ka频段GEO卫星。该卫星系统旨在向网络服务提供商（Internet Service Providers ISPs）、大中小商业组织和多媒体服务提供商提供IP多信道广播广播通信服务。Cyberstar网络的容量为9.6Gbps。该卫星系统的网络将采用基于帧中继和ATM的通信网络架构。

Spaceway[6]-该系统包含16颗GEO卫星和20颗MEO卫星。该卫星的Ka系统能够提供高速数据传输、Internet接入和宽带多媒体信息服务。Spaceway卫星架构基于传统的弯管转发。当使用0.66m口径天线的终端时，该系统能提供高性能QoS（BER＜10-10），并保证从16kbps到6Mbps的上行传输数据速率。Spaceway卫星网络兼容ATM协议，ISDN，帧中继和X.25等地面网络标准。

SkyBridge[7]-SkyBridge星座包含80颗圆轨道LEO卫星，轨道高度1469Km，轨道倾角53°。该系统旨在提供先进信息服务（例如：交互式多媒体服务），信息速率从16kbps到60Mbps。SkyBridge卫星基于弯管转发架构。不同于其它卫星，SkyBridge工作于Ku频段，上行工作频率为12.75-14.5GHz，下行工作频率为10.7-12.75GHz。该系统选择Ku频段的原因在于其Ka相关技术还不成熟。SkyBridge信关站与地面网络的接口为ATM交换机，该系统预计能满足两千万用户同时使用。

Teledesic[8]– 该系统包含288颗卫星，所有卫星平均分布于12条轨道，每条轨道由24可卫星组成。Teledesic卫星系统工作于Ka频段，上行频率28.6-29.1GHz，下行频率为18.8-19.3GHz。每条轨道间相邻卫星的星间链路（Intersatellite Links ISLs）工作于60GHz频段。Teledesic采用了OBP和OBS技术，旨在提供“空中Internet”。它能够提供高质量和话音、数据和多媒体信息服务。QoS设计性能为BER＜10-10。上行链路采用MF-TDMA接入方式，下行采用异步TDMA（ATDMA）多址接入。该系统设计容量为10Gbps，用户上行速率为2Mbps，下行速率为64Mbps。

iSky（KaStar）[9]-iSky曾叫做KaStar，旨在向北美地区提供宽带数据和Internet服务。其Ka系统服务包括：高速双向Internet接入，卫星广播电视服务（Direct Broadcast Service DBS）和未来个人通信系统（Personal Communications Systems PCS）。iSky系统初期由2颗GEO卫星组成，上行频率为19.2-20.0GHz，下行频率为29.0-30.0GHz。终端上行速率为1.5-5Mbps，下行速率为40Mbps.

从上述分析可以看出，这些系统多为中低轨道Ka频段卫星星座。相比于GEO和GSO卫星，中低轨卫星的优势是明显的，这种优势主要是由于其更低的轨道高度，主要包括：

图 2 Anik F2点波束覆盖区域[11]

更短的信号时延-由于中低轨道卫星轨道高度更低，信号往返时间（Round Trip Time RTT）更短，因此用户会获得更好的的话音体验。

更小的链路衰减-轨道高度低的另外一个好处是，信号在自由空间中的损耗会更小，因此用户甚至可以直接使用手持设备进行通信或获得热点服务。

但同时更低的轨道高度同时特给LEO和MEO卫星带来了很大不利因素，主要包括：

星座组网-为了保证卫星服务覆盖范围，LEO和MEO卫星必须进行星座组网。如图 1所示，每个星座少则十几颗卫星多则几十上百颗卫星，整个系统的成本是非常昂贵的。

ISLs链路与卫星切换-LEO和MEO卫星的轨道周期很短，为了保证提供持续不断地服务，必须保证卫星之间的链路通信。而要合理的规划卫星星座中每颗卫星合理的通信范围和可靠地ISLs，必须采用非常复杂的技术，这将导致昂贵的费用和低可靠性。

终端天线-由于LEO和MEO卫星相对地面固定位置一直在运动，所以终端必须采用全向天线或者带有跟踪装置的定向天线。全向天线没有增益，因此会限制终端数据速率。如果采用带有跟踪装置的天线，会带来重量增加、供电增加、设备复杂度等一系列问题。

图 3 IPSTAR 覆盖中国区域

卫星寿命低-轨道高度低带来的另一个问题是卫星寿命短，LEO和MEO卫星寿命一般在5～8年，而且每个轨道面都必须有备份卫星。因此，为了保证卫星组网必须定期发射卫星。

全球覆盖-卫星通信的一个优点就是通信费用与距离无关，于是很多厂家将其发挥到极致，卫星网络要覆盖全球。而对于卫星星座来说，无论其是否愿意覆盖全球，它都必须覆盖全球。如果卫星通信网络向连入当地电信网络，就必须与当地电信运营商和政府进行沟通，并且建设关口站作为接入接口。如果要真正实现全球互通互联，那就要与全球各个国家政府和电信运营商进行合作，这个难度可想而知。如果某一地区不允许卫星网络信号落地，那么卫星知识覆盖了这一地区，而不能提供服务。对于卫星运营商来说，单位用户的成本就会增加，其地面网络的竞争力将大打折扣。由于卫星星座大多由跨国公司运营，通信安全无法得到保障。很多新兴国家既想发展本国卫星通信产业，又不希望采用国外企业提供的卫星服务。因此覆盖本国区域的Ka频段GEO卫星成为不二选择，尤其是区域覆盖的Ka频段GSO卫星能够解决上述一系列问题。

从上述分析可以看出，LEO，MEO和GEO卫星星座技术难度大、建造成本高。2003年Lockheed-Martin 终止了Astrolink卫星项目研究[10]。Cyberstar、Spaceway、SkyBridge、Teledesic和iSKy等卫星项目相继终止或者大幅度缩减项目规模。

4.Ka频段静止轨道区域覆盖卫星通信系统

就在Ka频段星座组网全球覆盖卫星系统相继终止时，2004年Anik F2卫星成功发射升空。该卫星属于Telesat公司，主要向加拿大及美国提供卫星宽带接入服务。Anik F2采用BSS-702平台，采用透明转发，搭载38个Ka频段转发器，卫星容量2Gbps。

随后2005年IPSTAR发射成功，采用LS-1300S平台，透明转发，搭载10个Ka频段转发器，87个Ku频段转发器，卫星容量为45Gbps。

随后2007年Spaceway-3发射升空，采用BSS-702平台，搭载72个Ka频段转发器，卫星容量为10Gbit/s。该卫星采用了先进的星上转发技术和移动点波束技术，但卫星容量也受到限制，在实际运营过程中大多是情况下点波束并不需要经常移动。接下来几年WINDS、Ka-Sat、Yahsat Y1A、ViaSat-1、Arabsat-5C、Yahsat Y1B、Jupiter-1、HYLAS2、Astra 2E等卫星相继发射成功，而ViaSat-2、Jupiter-2等超过200Gbit/s容量的卫星预计在2016年发生升空。

2004年后发射的Ka频段多点波束卫星可以分为两类：由卫星运营商负责运营，以Jupiter-1等为代表，投资回报巨大；另一类为相关国家，尤其是中东、非洲和拉美等新兴国家，的政府结构负责运营，以Arabsat-5C为代表，用来改善国内通信条件。而这些卫星无一例外都是覆盖某一区域的静止轨道卫星，大部分都采用了透明转发方式。

Ka频段静止轨道区域覆盖卫星系统的最大缺点在与通信距离远，导致信号衰减大，时延长。但随着大功率射频技术的的发展，信号衰减得到了影响逐步降低，目前上述系统的EIRP普遍在62～70dBW之间，地面终端采用60cm天线就能实现卫星宽带接入。随着数据通信技术的发展，绝对延迟对用户体验的影响在逐渐减少。由此看出，采用Ka频段静止轨道区域覆盖透明转发的通信系统，具有星上简单可靠、卫星容量大、投资回报率高等优点，所以具有上述特点的Ka频段多点波束卫星通信系统在未来一段时间内将会是卫星通信发展的主流。

[1]Coney TA. Advanced communication technology satellite (acts) very small aperture terminal (vsat) network control performance. AIAA, 2011,

[2]Farserotu J, Prasad R. A survey of future broadband multimedia satellite systems, issues and trends. Communications Magazine, IEEE, 2000, 38: 128-133

[3]EVANS JV. Satellite systems for personal communications. PROCEEDINGS OF THE IEEE, 1998, 86: 1325-1341,Lockheed-Martin. Astrolink. http://www. astrolink.com

[4]S.Ohmori, Wakana H, Kawase S. Mobile satellite communications. London: Artech House 1998

[5]Cyberstar http://www.cyberstar.com

[6]Hughes spaceway http://www.hns.com./spaceway

[7]Skybridge http://www.skybridgesatellite.com

[8]Teledesic. http://www.teledesic.com

[9]Isky. http://www.ka-star.com or http:www.isky.net

[10]Spaceandtech http://www.SPACEandTECH .com

[11](ECC) ECC, (CEPT) wtECoPaTA. Ecc report 152 the use of the frequency bands 27.5-30.0 ghz and 17.3-20.2 ghz by satellite networks. 2010,

郑晓天 男 博士研究生 目前研究领域为Ka频段多点卫星通信系统

李集林 男 研究员 博士生导师 目前研究领域为卫星通信

刘海客 男 博士研究生 目前研究领域为卫星通信

余雪辉 男 博士研究生 目前研究领域为卫星网络

林墨 男 高工 博士 目前研究领域为卫星通信