国外高吞吐量卫星多样化业务应用及对卫星设计的影响

文|北京空间科技信息研究所 刘悦

国外高吞吐量卫星多样化业务应用及对卫星设计的影响

文|北京空间科技信息研究所 刘悦

自 2004年首个高吞吐量通信卫星（HTS）系统——互联网卫星（IPSTAR）发展至今，历经了十余年的发展历程，在轨比例逐年提高，产业收入令人瞩目，在宽带互联网接入、移动海事和航空领域具有巨大的应用前景，是通信卫星领域发展最快、潜力最大的一类卫星，成为近几年国内外通信卫星领域的研究热点。而高吞吐量卫星以市场发展为导向应运而生，系统设计、方案选择、市场应用无不是以市场驱动为主导，因此对卫星系统的研究不能脱离产业而独立开展。2016年，我国已经启动首个全球HTS系统建设，对于相关应用与产业的研究需求将更为迫切。

一、 高吞吐量卫星概念的提出与发展

HTS是2004年以来，随着全球移动互联网的发展和个人消费者对“无所不在”的网络需求，在传统固定通信卫星（FSS）的基础上，以市场和产业为主导发展起来的一类先进的通信卫星。该类卫星最早称为宽带卫星（Broadband Satellite），这是因为卫星早期以“运行在Ka频段、吞吐量很高、提供宽带互联网接入服务”为特点，随着卫星能力的增强和服务的多样化，产业界对于HTS概念的认识也在发生变化。

2008年，美国航天咨询公司北方天空研究所（NSR）提出了“高吞吐量卫星”的概念，将“采用多点波束和频率复用技术的卫星，在获得同样频谱资源的条件下，整星吞吐量是FSS数倍的卫星”定义为“高吞吐量卫星”。此后，产业界对于“高吞吐量卫星”的概念逐渐达成了共识：“HTS卫星以点波束和频率复用为标志，可以运行在任何频段，吞吐量也有大有小，取决于分配的频谱和频率复用次数，可以提供固定、广播和移动等各类商业卫星通信服务。”

HTS最基本的特征是“多点波束”和“频率复用”。所谓“点波束”，指的是由特定结构天线产生的、在地面和星上接收到的离散的信号，比起FSS形成的半球波束，点波束的覆盖范围仅为300～700km，而FSS卫星的覆盖范围在2000km左右。

从2004年首个高吞吐量通信卫星IPSTAR-1发射以来，截至2015年底，全球共计发射了48颗HTS。2010年至2015年底，全球共计发射35颗HTS，是过去6年发射数量的总和（13颗）的近3倍。

从HTS在轨比例来看，根据NSR研究预测，HTS在轨比例将逐年增加。在2011年发射通信卫星当中，HTS卫星占比仅为4%；到2015年增至10%；到2020年，HTS卫星在轨比例将增至23%；到2025年，HTS卫星在轨比例预计将增至34%。

二、高吞吐量卫星的多样化业务应用

早期的高吞吐量卫星系统的应用开辟了互联网接入服务市场，但随着市场和产业发展，HTS系统已经能够涵盖FSS和移动业务卫星（MSS）所有业务的类型，主要包括：宽带互联网接入、民商甚小孔径天线卫星网络（VSAT）、军用通信服务、干线传输和蜂窝回程、航空宽带接入、海事宽带接入和直播到户视频服务（DTH）共七类业务。

其中，宽带互联网接入是目前HTS系统应用最主要的业务类型，主要面向个人消费者提供固定互联网接入服务。前三代的HTS系统主要提供该类服务，例如：IPSTAR卫星、狂蓝-1卫星（WildBlue-1）、阿尼克-F2卫星（Anik-F2）和KA卫星（KA-SAT）系统，这类业务要求HTS系统向更高的吞吐量、更快的数据传输速率（主要是下行速率）和更低的数据使用成本方向发展。Ka频段由于可用带宽更宽，因而成为提供该类服务HTS系统的主要选择。

民商VSAT网络应用较为普遍，涵盖了多个行业应用，包括：民用政府机构、油气采矿业、零售业、金融业和企业网络。IPSTAR、“另外三十亿人”卫星（O3b）和阿联酋卫星（Yahsat）系统主要提供该类服务。这类业务要求HTS向更高的吞吐量、数据传输速率和更低的数据使用成本方向发展，对于油气和采矿业，还对系统的可靠性和可用性提出了要求。

虽然在轨HTS系统以商业系统为主，但也面向军事机构提供服务。除了传统的互联网接入和通信服务，近几年新兴的无人机业务增长潜力巨大。国际移动卫星-5（Inmarsat-5）、国际通信卫星-史诗（Intelsat-Epic）、O3b、Yahsat均将军方作为重要的客户来源，这类业务既包括数据传输，也包括移动业务，因而除了对吞吐量提出要求以外，对广大地域的覆盖，系统频段（无人机主要运行在Ku频段）、可用性和可靠性提出了较高的要求。

干线传输和中继业务（Trunking）是一端到另一端的连接，主要是在长途通信中。一般用于远程网络接入与主干网。蜂窝回程（Backhual）是将移动信号发射塔或者基站的信号（接入点）回传给网络中的提供商的连接，也包括从提供商到核心网的连接。有14个HTS系统将其作为主要的业务类型，其中O3b在话音传输方面最为成功，主要是因为该系统的低延迟能力。由于目前大多数卫星系统运行在Ku频段，因为Ku频段HTS系统的备份能力最强。

航空和海事宽带接入业务属于移动VSAT接入业务，主要面向飞机和船只提供互联网接入服务。由于多年来该业务存在空白，因此近几年发展很快，全球主要的HTS系统，例如Intelsat-Epic、欧洲通信卫星-172B（Eutelsat-172B）、Inmarsat-5、欧洲卫星公司-12/14/15（SES-12/14/15）、电星 -12优势卫星（Telsatar-12 Vantage）和卫讯-2/3卫星（ViaSat-2/3）均将其作为HTS系统的主要业务应用。这类业务对于系统的覆盖能力、吞吐量提出了很高的要求，Ku频段和Ka频段将长期共存。

视频业务是卫星通信领域利润最高的业务应用，但提供此类服务的HTS系统较少，提供服务的系统主要有IPSTAR提供本地电视频道的广播业务，以及提供新闻采集业务的ViaSat系统、高度适应性卫星（Hylas）系统、KA-SAT系统和Yahsat系统。由于窄点波束并不适合点对多点的业务，因而这类业务对覆盖能力、吞吐量和成本提出了较高的要求，未来随着交互式视频和应用的普及，延迟也成为重要的考虑因素。

三、不同应用对高吞吐量卫星设计的影响

对于HTS运营商来说，没有任何一种系统设计能够适用所有的业务应用，不同的应用对系统能力有不同的要求，系统设计的选择也不尽相同。多样化的业务应用导致不同的系统设计的选择，主要体现在三个方面：吞吐量和覆盖的选择，频段的选择，轨道的选择。

1.吞吐量和覆盖的选择

对于互联网接入等数据业务，对吞吐量要求较高，而对于航空宽带接入和海事宽带接入等业务，则要求更广的系统覆盖。系统的吞吐量和覆盖能力主要取决于点波束的尺寸和星上天线的选择。点波束尺寸越小，要想实现大面积区域的连续覆盖，就需要波束数量多，但从实际应用来看，点波束数量并不能无限增加，受限于星上资源（功率、质量和空间）。因此，对于要求吞吐量的业务应用，主要采用窄点波束，提高吞吐量而牺牲覆盖；而对于要求覆盖的业务应用，主要采用宽波束，增加覆盖而牺牲吞吐量。对于一些既要求覆盖，但又要求具有一定高吞吐量能力的系统，例如Intelsat-Epic，则可通过宽波束实现大面积覆盖，再通过可移动的窄点波束实现热点地区的容量增强。

目前，多波束天线主要有两类：①单馈源单波束天线（SFB）；②多馈源单波束天线（MFB）。SFB的每个馈源喇叭对应一个波束，优势在于简化了硬件设备，电性能也较好，代价是为了获得重叠覆盖，需要卫星载有更多的反射器。对于采用标准4色频率复用的系统，一般需要4副反射器实现虚拟重叠。大多数HTS系统采用的都是SFB天线。

MFB通过小的喇叭阵列形成波束，有时还需复杂的波束成形网络。优势在于减少携带的反射器，这是由于馈源口径之间存在物理重合，相邻波束共用喇叭，只需要1副反射器天线就能实现波束重合，从而大幅减少星上天线的尺寸和成本。

对于覆盖要求高的业务应用来说，SFB天线比MFB的天线增益更高，最为适合。例如，欧洲通信卫星公司（Eutelsat）在2010年发展的KASAT卫星就采用了收发共用的SFB天线；MFB由于需要的反射器较少，特别适用于多用途卫星搭载的HTS有效载荷，因此对于较小的地理区域和多用途HTS卫星，MFB天线应该是最佳选择。例如，Eutelsat 36C/Express AMU-1卫星，提供3个频段的多种应用，因而MFB天线更为适合。

2.Ku频段和Ka频段选择

HTS系统主要运行在可用带宽较大的Ku和 Ka频段。未来还有可能运行在Q/V频段。频段对系统应用的影响主要体现在：①终端尺寸；②服务区域；③网络性能与成本；④备份能力；⑤信关站、终端、系统和培训的投资成本。对于工作在偏远地区和极端条件下的企业级用户，例如：石油、采矿业、商业海事、政府等对于通信服务可靠性要求较高的服务，更加适合Ku频段HTS系统，比Ka频段HTS系统更有优势。但对于可靠性要求不高的个人用户消费者宽带接入业务，Ka频段HTS系统则更有竞争力。

Ka频段应用优势：①资源的可用性，Ka频段比Ku频段可获得性较大，频率轨位资源是卫星运营商的命脉，因为对于Intelsat这样拥有全球最大卫星编队的运营商来说，建设Ku系统是可能的，但对于新兴运营商，例如ViaSat，获取Ka频段的可能性较大；②Ka频段的带宽更宽，一颗Ka频段卫星能够为信关站波束分配1100MHz的带宽；③在晴朗的气候下，Ka频段系统比Ku频段系统性能更好，这是因为Ka频段HTS卫星系统在设计时就留有较大的链路余量用于对抗雨衰。

Ku频段应用优势：①Ku频段系统在轨卫星较多，地面应用也更加非常普遍，因此地面设备由于实现了批产而较为便宜；②Ku频段系统更容易实现在轨备份，一旦HTS卫星的一个点波束失效，该波束覆盖地区的用户都会受到影响，Ku频段系统则可通过其他Ku频段卫星替代服务；③Ku频段系统受雨衰影响较Ka频段少。

因此，近年来，为了降低雨衰对高频段HTS系统的影响，发展了一系列抗雨衰技术，例如：大型信关站天线技术、高功率放大器技术、上行功率控制技术（UPC）、端到端功率控制技术（EEPC）、自动水平控制技术（ALC）、自适应调制编码技术（ACM）、动态速率调整技术（DRA）、多信关站技术。

3.不同轨道卫星部署的选择

目前大多数的HTS卫星系统运行在地球静止轨道，从2015年起，出现了一批新兴的HTS星座计划。轨道对系统应用的影响主要体现在：①部署成本；②系统寿命；③可靠性；④时延；⑤覆盖能力；⑥终端复杂度和成本。对于面向个人消费者的互联网接入业务，对系统的覆盖能力要求不高，一般采用地球静止轨道（GEO） HTS卫星，但对于商业VSAT网络、干线传输和蜂窝回程等对于覆盖和时延有一定要求的业务，一般采用非GEO HTS星座，移动业务既可采用GEO卫星，也可使用非GEO星座。

GEO HTS系统应用优势：①单颗卫星系统部署成本较低，一颗静止轨道HTS系统的部署成本约为4亿～5亿美元（含发射和保险），系统扩展可以逐颗进行，项目初期风险可控；②可以使用较窄的点波束，对于面向局部地区的互联网接入服务吞吐量较高；③地面终端设计简单，无需跟踪天线，适应于小型化批量生产；④比起低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）卫星，空间环境较好，一般系统都具有15年以上在轨寿命。

非GEO HTS星座系统应用优势：①卫星运行的轨道较低，可以提供交互式低延迟服务：GEO系统的服务延迟在250ms，MEO系统延迟在150ms，LEO系统延迟在30～50ms，接近地面光纤通信（10～20ms）和无线通信（10～50ms）的延迟；②由于卫星数量众多，因此系统的总吞吐量更大，用户数据使用成本更低：GEO系统为500美元/月，MEO系统为150美元/月，LEO系统为25美元/月，接近地面光纤通信（5美元/月）和无线通信（0.5美元/月）的使用成本；③能够实现全球覆盖。对于具有星间链路的星座系统，还能实现单跳通信。

国外还出现了一种新的GEO+LEO的发展模式，例如：2015年Intelsat-Epic系统与OneWeb系统的联合，未来还会有更多的多轨道联合系统，这对于系统终端天线在不同波束之间的切换提出了更高的要求。目前，O3b系统终端主要通过两副跟踪天线跟踪并同时在卫星之间切换，波束切换主要是“硬切换”（以机械的方式进行），终端设备非常昂贵，适用于运行在MEO的卫星数量有限的HTS系统。对于LEO系统或GEO+LEO系统，目前国外出现了“超材料”天线产品，例如，凯米塔公司（Kymeta）的超材料表面天线（MSA-T），类似PCB板样式的电路板，与传统馈源相连，可以通过调节数千个亚波长谐振器的方式，改变波束的形状和方向的目的。这使得天线具备相控阵天线的能力，而无需移相器、相关的放大器，及其他部组件。

四、未来发展趋势

根据欧洲咨询公司预测，未来HTS系统容量需求将从2015年的340Gbit/s增长到2024年的2000Gbit/s，年复合增长率约为22%。与此同时，HTS系统供应也在同步增长，预计到2020年，HTS容量供应将达到约2900Gbit/s。2015年，HTS系统容量收入约为11亿美元，比2014年增长了1.6亿美元，预计到2024年将达到62亿美元，年复合增长率约为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.