Ka宽带卫星通信<br/>——我国应急通信发展的新方向

Ka宽带卫星通信
——我国应急通信发展的新方向

2014-07-10中国卫通集团有限公司沈永言

卫星应用 2014年10期

· 文|中国卫通集团有限公司沈永言

Ka宽带卫星通信
——我国应急通信发展的新方向

· 文|中国卫通集团有限公司沈永言

卫星通信是应急通信的重要支撑，Ka宽带卫星通信是卫星通信的发展方向。国际上，卫星应急通信已经进入Ka阶段。相比于C、Ku频段，Ka卫星应急通信的容量更大、终端更小、性价比更高、市场门槛更低、网络使用更加灵活。中星16号和中星18号Ka宽带卫星通信系统的建设将把我国卫星应急通信带入新的阶段。

Ka宽带卫星通信应急通信

一、前言

应急通信得到全社会的广泛关注，是我们国家进步和发展的一个重要体现。应急通信主要应用于抗灾减灾、突发事件、重大活动、新闻采集、国防军事等各个方面，终端有车载、船载、机载、便携单机等各种形式。不管如何应用，其目的都是为了经济、生命损失的最小化，社会效益的最大化。

应急通信的基本特点是通信时间、地点具有随机性、紧急性，通信服务保障要具有灵活性、可靠性。与地面通信系统相比，卫星通信在覆盖区域、传输能力、应用种类、建设速度、容灾性能、操作搬移等方面都具有明显优势，因而成为应急通信的主要支撑方式，这在近年来全球各地重大灾难救援过程中已得到了充分的验证。

应急通信系统是信息网络的重要组成部分和特定应用形式。由于用户数量、使用频次、应用种类、高清视频等因素的共同推动，信息网络在不断向宽带化方向发展，如光纤宽带（OTN、EPON、GPON）、移动宽带（3G、LTE、4G）等。同样，卫星通信以及卫星应急通信也要向Ka频段高通量卫星（HTS）方向发展。这不仅是为了适应通信需求变化的需要，也是为了摆脱卫星通信自身日趋严重的C/Ku频段轨位和频率资源困境的需要。

二、Ka宽带卫星通信的基本特点、发展现状及应急应用展望

1．基本特点

（1）高频段

相对于C、Ku等传统频段，Ka可用频率资源最为丰富，高达3.5GHz，因而为卫星通信的宽带化提供可观的拓展空间。

（2）抗干扰

除了频率资源丰富之外，频段高的第二个好处是远离一般地面通信系统所在的频率范围，具有天然的高抗干扰性能。

（3）雨衰大

与频率资源丰富、抗干扰性能好相对应的不利因素是Ka频段雨衰相对较大。然而，自动功率控制、自适应编码和调制技术的进步已使雨衰问题得到有效克服。

（4）点波束

为了满足日益增长的通信带宽需求，Ka宽带卫星几乎清一色地采用点波束、频率复用来扩展系统传输能力。通常，其频率重复利用次数在20次以上，这成为卫星通信容量的主要来源，如图1所示。

图1 传统区域波束与Ka点波束的区别

（5）需切换

点波束的应用必然带来了机载“动中通”等应用时的越区切换问题，对此，终端设备和网络管理系统必须有所应对。

（6）小终端

Ka高频段信号内在的高增益使得用户终端得到进一步缩小，从而加强了实际应用的便利性和普遍性。

（7）大容量

丰富的频率资源以及点波束和频率复用技术的综合运用，使得Ka宽带卫星通信的系统容量得到数十倍甚至百倍以上的提高，与此同时，卫星系统造价并未有显著变化。在VSAT网络方面，其传输速度已接近4G水平，这使得整个卫星通信系统的性价比和市场竞争力得到大大提高。

（8）星状网

在透明转发模式下，点波束的应用内生性地决定了Ka频段宽带卫星通信系统星网一体化设计要求和星状拓扑结构。

（9）多关口

馈电链路频率的复用、用户的本地化接入、地面关口站的信息处理能力等因素，要求Ka频段宽带卫星通信系统要设置多个地域分布的关口站。不同关口站之间通过地面光纤网络相互连接，以形成一个完整的信息网络。

（10）应用广

Ka宽带卫星通信的星状结构特别适合提供宽带接入直接到户（DTH）、基站中继、IP中继、内容分发、新闻采集、应急通信，以及机载、船载和车载类“动中通”等商对客（B2C）型应用。由于关口站之间的互联互通，它同样可以提供其他网状型应用。

（11）模式多

Ka宽带卫星通信的星网要一体化设计导致了网络运营模式的多样化。根据美国iDirect公司的观点，Ka宽带卫星通信的价值链由卫星运营、电信港设施、关口站设施、网络运营、服务提供、终端用户等环节组成。这些环节的不同组合大致形成了垂直一体化运营、分销批发运营、虚拟运营、独立运营等模式。

2．发展现状

（1）总体情况

到目前为止，Ka宽带卫星通信已经发展了两代系统。第一代以加拿大电信卫星公司（Telesat）的Anik-F2、泰国卫星通信公司（Thaicom）的IPstar、美国卫讯公司（ViaSat）的WildBlue-1、美国休斯网络系统公司（Hughes）的Spaceway-3等为代表，系统容量基本在10Gbit/s左右；第二代以欧洲通信卫星公司（Eutelsat）的Ka-Sat、ViaSat的ViaSat-1、Hughes的Jupiter-1等为代表，系统容量100Gbit/s左右，可支持200万～300万用户。

Ka宽带卫星通信市场发展最好的当属北美和欧洲。到2012年底，Hughes共拥有65.9万用户。2013年3月底，ViaSat Exede12拥有51.2万用户。Eutelsat和SES分别拥有10多万户。全球最大的卫星直播电视公司——DirecTV已经大量采用Ka宽带卫星用于本地化、高清电视直播。此外，国际通信卫星公司（Intelsat）、国际移动卫星公司（Inmarsat）都在加紧建设各自的Ka宽带卫星通信系统。

目前，在轨全Ka宽带卫星有20余颗，到2016年全球Ka频段商用通信卫星将达50颗左右。欧洲咨询公司预测，2018年，Ka频段需求将占总需求的14％。北方天空研究公司（NSR）预测，到2021年，全球HTS的总需求容量达750Gbit/s，宽带接入用户总数将达到810万。

（2）相关应用

·机载通信

在Ka宽带卫星通信各种类应急通信应用中，机载通信最引人注目。机载卫星通信始于2008年。最初，美航采用的是Ku频段。到目前为止，美国三分之二的民航飞机提供了此项服务。2013年6月，ViaSat公司开始与LiveTV合作，基于ViaSat-1 Ka宽带卫星，向美国捷蓝航空170架飞机和大陆航空公司200多架飞机提供宽带服务。预计，此服务每个乘客的下载速度可达12Mbit/s或更高，此项工程将于2015年完成。此外，ViaSat也在与美国波音公司合作，在波音商用飞机上预装Ka宽带卫星通信机载终端；与以色列航空合作，基于欧洲Ka-Sat Ka卫星，在欧洲和中东地区提供航空宽带服务。2012年12月，Inmarsat与Gogo开始合作，共同提供GX Ka频段航空宽带服务。2013年1月，Eutelsat与LiveTV合作，向欧洲商业航空公司的乘客提供Ka宽带服务—“Eutelsat Air Access”，每架飞机的连接速度可达100Mbit/s。

·船载通信

与C、Ku频段相比，Ka具有更高的增益和G/T值，终端天线更小，因而有利于加装天线罩，以有效避免海上风暴和盐雾等恶劣环境对卫星天线的不良影响。2015年中期，Inmarsat-5 Global Xpress Ka宽带卫星系统运行后，海事卫星船载通信应用将从L频段向Ka迁移。凭借50Mbit/s的下行速度和5Mbit/s的上行速度， Inmarsat不仅将可以向船员提供宽带上网、在线购物、远程医疗等服务，还可以进行视频监控，这将成为全球海事宽带卫星通信的新标准。

·车载通信

一直以来，汽车是各种“动中通”和“静中通”卫星通信应用中的最普通平台。然而，今天车载平台已扩展到火车，甚至高铁。例如，以色列Orbit公司已经开发出可运行于Ka频段，能够有效应对铁路电磁干扰、铁磁影响等特殊环境的高铁“动中通”天线——RailTRxTM2-500，以迎接高铁Ka宽带卫星通信时代的到来。除了具备常规“动中通”天线所必须的自动跟踪功能外，RailTRxTM2-500还充分考虑了火车通过涵洞或车站时由于信号遮挡所引发的瞬时重新捕捉。

·基站中继

卫星基站中继不仅是移动运营商组网的基本需要，更是移动网络应急通信的必要保障。伴随着全球移动通信从2G、3G向LTE、4G的整体迁移，从2013年开始，全球卫星基站中继技术模式已开始从运行于C、Ku频段转发器的老解决方案——SCPC和TDMA，向基于Ka的HTS、O3b卫星等下一代解决方案升级。例如，IPstar、Hughes、O3b、Intelsat、Inmarsat等卫星运营商都在积极开拓LTE、4G基站中继市场。

·新闻采集

新闻采集是应急通信中应用最多的种类之一。2012年3月，Eutelsat开始基于Ka-Sat卫星，为欧洲及地中海盆地各国广播机构推出一种名为NewsSpotter的新型Ka频段新闻采集（SNG）服务。NewsSpotter有三种版本的用户终端：①背包式小型终端，重量在5～10kg之间，需要手动对星，天线口径为60～70cm；②小型汽车紧凑型终端，可自动对星，天线口径为75～90cm；③安装在耐用的车辆上的终端，可用于崎岖不平的地区，天线口径为75～120cm，如图2所示。此后，英国BBC和BskyB公司、卢森堡RTL以及意大利RAI等广播机构已经在欧洲测试了NewsSpotter传输系统，而丹麦TV2公司已将NewsSpotter集成到广播基础设施之中，以提升其新闻采集能力。

图2 NewsSpotter用户终端

2012年4月，ViaSat通过ViaSat-1卫星，为美国各地广播机构推出Exede新闻采集。当年11月，芝加哥WLS电视台和休斯顿KTRT电视台成功完成了Exede新闻采集应用测试，该测试是通过带有单个75cm Ka天线终端的SNG车完成。

Eutelsat和ViaSat采用的VSAT网络都是ViaSat的SurfBeam2系统，其回传速度可达20Mbit/s。它们同时展现了Ka宽带卫星通信在新闻采集方面所具有的小型、移动、快速、简单、大容量、经济、应用广泛等多种优势。

3．应急通信展望

Ka宽带卫星通信在机载、船载、车载、基站中继、新闻采集等方面的应用和发展，表明了卫星应急通信已经进入Ka时代。实际上，2014年7月1日，ViaSat和Eutelsat共同宣布，两家公司将相互利用对方资源，提供机载、海事船载、紧急救援、石油天然气及政府等服务。值得注意的是，这些都是商业级的应用，可见困扰Ka频段卫星通信固有的雨衰以及由于点波束而产生的“动中通”越区切换等问题已经得到有效的解决。

与传统卫星应急通信系统相比，Ka宽带卫星应急通信系统具有如下优势：①容量大：可以传送标清、甚至高清视频，在必要时，可以同时传输多路视频，从而有效提高应急通信的质量和水平；②终端小：更容易装备、携带和使用；③性价比高：可以大幅降低应急通信系统的运行成本和行业进入门槛；④无需单独建网：Ka宽带卫星通信是星网一体的网络系统，应急单位或部门无需单独建设网络，就可以直接使用。

就整个卫星应急通信系统结构和应用模式来讲，并没有因为Ka宽带卫星通信的引用而发生根本的改变。卫星应急通信能否顺利向Ka升级，很大程度上取决于各种适用终端天线的供应。目前，有很多Ku、Ka频段平板阵列终端天线厂商，比较知名的有Row44、Panasonic、Gogo、ViaSat等。Ka宽带卫星通信的小终端以及新一代平板阵列天线的低轮廓特征，使得它们更容易装备于飞机、汽车、轮船、火车等移动平台之上。新的Ku、Ka双频段集成式馈源网络可以实现一副天线跟踪Ku或Ka频段卫星，这就为卫星应急通信从Ku向Ka平滑过渡，以及两种网络的相互备份、融合应用创造了十分有利的条件。

三、我国自主Ka宽带卫星通信系统的建设情况

我国具有自主知识产权的中星16号 Ka宽带卫星通信系统正在紧锣密鼓地建设之中。该系统具有26个用户波束、3个馈电波束，在北京、成都和喀什三地设置了三个关口站，卫星将于2016年底发射。中星16号Ka宽带卫星网络拓扑结构见图3。与目前国际先进的卫星相比，中星16号 Ka宽带卫星的系统容量、区域覆盖等还相对有限，随后建设的中星18号Ka宽带卫星将对此进行全面的补充和完善。届时，除了我国陆地、北海、东海、南海都可以全部覆盖之外，还有几个海洋移动波束可以用于机动应用。这将为我国应急通信提供大范围、全时空的系统保障。同时，作为Ka宽带卫星的运营商，中国卫通集团有限公司将有能力从卫星转发器资源、卫星网络平台、系统集成、人员保障等各个方面，为我国卫星应急通信事业提供更为全面、可靠的服务。