基于高通量卫星技术特点的应用分析

吕智勇

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014）

1 引言

2018年6 月，卫星工业协会SIA发布了2018年度的卫星产业状况报告[1]。报告称2017年全球卫星产业总收入达到2686亿美元，收益相比2016年增加3%；其中卫星服务收入1287亿，增加1%；地面设备收入1198亿，增加5.6%；卫星制造收入155亿，增加10%；卫星发射收入46亿元，下降16%。而在2017年度卫星产业状况报告中，2016年全球卫星产业总收入为2605亿美元，收益相比2015年增加2%；其中卫星服务收入1277亿，增加0.2%；地面设备收入1134亿，增加7%；卫星制造收入139亿，下降13%；卫星发射收入55亿，增加2%。从2017、2018年度卫星产业报告中可以看出，卫星服务和地面设备是整个卫星产业收入的大头，地面设备收入年增长率达6%左右，而卫星服务增长率不足1%，也就是说用户的增长与服务收费的增长并不匹配，而这两年恰好是高通量卫星高速发展的时期[2]。下面我们就通过技术分析比较高通量通信卫星与传统通信卫星之间的区别，进而分析其对卫星通信应用的影响。

2 高通量卫星技术特点分析

高通量通信卫星（HTS，High Throughput Satellite）是指数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至数十倍的通信卫星，按轨道可划分为地球同步静止轨道和非静止轨道两种类型，当前在轨应用的高通量卫星以静止轨道为主。高通量卫星的兴起主要源于用户通信需求量的增长。传统通信卫星一般工作于C、Ku频段，目前频率轨位均已用满，仍不能满足日益增长的通信需求，急需拓展新的通信频段和更高效的通信方式。随着多波束天线、宽带大功率器件以及高速数据处理等关键技术和器件的攻关，使得高通量卫星技术日益成熟，卫星数据吞吐量越来越高，从而引起人们的广泛重视。高通量卫星与传统通信卫星的主要差别在于以下几点：

2.1 多波束天线

高通量卫星一般选用Ka频段，一方面是由于当前C和Ku频段轨位频率使用已接近饱和，且带宽有限，而ka频段轨位频率资源丰富，可用带宽大；另一方面是由于Ka频段天线增益高，可以减小地面终端体积。采用Ka频段可以获得更高的天线增益，付出的代价是卫星单波束覆盖面积小，以前一个C或Ku波束能够覆盖的区域，现在必须多个Ka波束拼接覆盖。中星16是2017年4月发射入轨的我国首颗高通量通信卫星，其用户波束共26个，拼接覆盖中国中部，中西部，东部，南部，拉萨地区及中国近海地区，单波束覆盖区约20万平方千米。亚太7号卫星是2012年3月发射入轨的商业通信卫星，其1个Ku 频段大陆波束就能覆盖我国全部领土及广大临近海域[3]，单波束覆盖区达到上千万平方千米。可以看出：传统通信卫星单波束覆盖区远远大于高通量卫星单波束覆盖区，高通量卫星欲实现相同覆盖必须采用数十个甚至上百个波束拼接覆盖。这对通信会带来如下影响：一是不同波束下用户间相互通信必须由星上进行交换或由地面进行转接。由于星上交换会极大增加卫星制造复杂度、制造成本，并降低卫星可靠性；且随着卫星波束数量的增加，卫星交换矩阵规模成指数上升，因此高通量卫星制造和运营商一般采用地面转接方案。二是用户移动通信会带来波束切换问题，特别是对飞机等高速移动载体，情况尤为突出。三是为实现大地域范围内广播，必须同时在多个波束内同时下发相同信息。四是业务不均匀分布在多个波束中，系统效能不能得到充分发挥。

2.2 频率复用

高通量卫星采用多波束技术后，为频率复用提供了可能。频率复用是指不同覆盖区域的波束使用相同的通信频率，卫星波束数量越多，频率复用带给系统的好处越大，频率复用技术是高通量卫星实现高数据吞吐量的关键。频率复用可以极大提高卫星频谱利用率，增加卫星数据吞吐容量；频率复用因子越小，则频率复用次数越多，效率也越高，但频率复用因子受同频干扰C/I和通信体制约束。

中星16号卫星采用了4色频率复用加左右旋极化复用的方式[4]，同一频率在26个波束间重复使用了6～7次。这里采用极化复用是由于同频波束间隔距离较近，波束旁瓣抑制难以满足C/I指标，必须通过极化隔离度来减少同频信号之间相互干扰。频率、极化复用对通信影响如下：一是极大提高卫星频率利用率，增大系统吞吐量。二是移动用户跨越波束时，需切换工作频率和极化方式，增加通信管理难度；切换极化方式会增加终端设备体积和复杂度。

2.3 超宽带转发器

高通量卫星为实现高数据吞吐量，必须扩大可用通信带宽，并提高频谱效率。提高频谱效率意味着高阶调制，也就意味着需要更高的信噪比，更大的发射功率。对于功率受限的卫星系统来说，扩大通信带宽比提高发射功率更容易实现，因此高通量卫星优先采用宽带转发器，并在此基础上支持多种调制方式，以适应信道环境变化。

传统通信卫星转发器带宽一般为36MHz或54MHz[5]。中星16号卫星前向转发器带宽为340MHz[4]，是传统通信卫星转发器带宽的10倍左右。下面以中星16为例，分析宽频段转发器对通信影响。

通信卫星通信过程及链路计算如图1所示。

式中，C表示链路等效总功率；N表示链路等效总噪声；（C/N）表示全链路总信噪比；C1表示到达卫星接收机信号功率；N1表示卫星接收机等效信号噪声（信号带宽内噪声）；（C1/N1）上表示上行链路信噪比；C2表示用户终端接收机接收到的信号功率；N2表示用户接收机等效信号噪声（信号带宽内噪声）；（C2/N2）下表示下行链路信噪比。

图1 通信链路计算

图2 卫星转发器示意图

卫星转发器示意图如图2所示。

式中，G通道增益表示整个卫星转发器增益（含卫星收发天线增益）；G卫星接收天线增益表示卫星接收天线增益；Lf表示卫星下行信号空间衰减；G终端接收天线增益表示用户终端接收天线增益。可以看出卫星通道增益（G通道增益-G卫星接收天线增益）直接决定下行信号强弱，进而影响整个链路通信质量。从图2中还可以看出，转发器通道对信号放大的同时，也对卫星接收机噪声进行了放大，此时噪声经放大后占用整个转发器功率百分比如下：

式中，EIRP为卫星转发器全向辐射功率；K为波兹曼常数；T为卫星等效噪声温度；Bn为转发器带宽。

在传统通信卫星中，一般（C1/N1）上与（C2/N2）下基本相同，此时噪声占整个转发器功率大约为10%。当高通量卫星转发器采用宽带转发器（以中星16号为例）后，其转发器带宽增加了近10倍，如果转发器通道增益不变，则卫星噪声将占转发器功率的100%，这显然是不可接受的。为保持卫星噪声占转发器功率百分比10%，则必须降低卫星转发器增益10dB，但通过公式（2）可以看出，此时下行信号功率也随之减少了10dB，则下行链路信噪比下降了10dB，导致全链路通信质量下降。为保持下行信号信噪比，只有两个方法，要么增大下行接收天线增益，要么增大上行信号C1功率，即增大用户发射天线增益或者增大上行信号发射功率。综合考虑前反向链路，用户终端发射能力和接收能力受限，只能通过增大通信对端的接收和发射能力加以解决。即，设置关口站，关口站采用大口径高增益天线和大功率功放。

高通量卫星采用宽带转发器后，必须设置大口径关口站弥补卫星转发器增益下降带来的损失；而传统通信卫星如单纯增大转发器带宽是无法保证正常通信的，这也是传统卫星转发器带宽较窄的根本原因。当然，如果卫星转发器对信号进行了再生处理，则可以屏蔽卫星噪声对卫星转发器功率的影响，卫星链路的上下行通信质量可以分别进行计算。但由于星上处理的复杂性，高通量卫星制造商和运营商在卫星波束数量多的情况下均采取设置关口站的解决方案。宽带转发器对高通量卫星通信影响归纳为一段话就是：宽带转发器会导致卫星转发器增益下降，而为补偿卫星转发器通道增益下降，必须设置大型关口站，系统中所有卫星用户终端只能和关口站进行通信。

3 高通量卫星通信系统应用分析

3.1 高通量卫星通信系统组成

典型高通量卫星通信系统组成如图3所示[6]，系统由高通量卫星、各类用户终端以及关口站三部分组成。高通量卫星实现信号的转发，用户终端为各类用户提供卫星通信服务，关口站配置有接入系统、交换系统、业务支撑系统和运营支撑系统，实现各类用户信号的接入、交换和管理功能。

图3 高通量卫星通信系统组成架构（以viasat为例）

高通量卫星通信系统最主要特点有三个：一是星形结构，所有用户与关口站建立通信连接。这要求卫星、关口站和用户终端必须配套建设，系统用户只能采购专用终端设备（终端通信体制必须与关口站通信体制兼容）才能接入系统。二是用户不均匀的分布在各多点波束覆盖范围内。三是单星支持高吞吐量数据通信，系统以数据流量进行收费，通信服务费用相对较低。

3.2 业务应用分析

卫星通信服务领域主要分为以下几个部分：公众宽带、移动通信、中继通信、企业商用和公务通信、广播通信、应急通信和军用通信。下面我们分别比较高通量卫星和传统通信卫星在这几个领域的优劣。

竭诚服务职工群众。群众利益无小事。只有平时真正把职工群众的一桩桩“小事”做好了，做到与职工群众心连心，关键时刻才能“一呼百应”。要大处着眼、小处着手，不怕琐细、日积月累，深入细致做好为职工服务工作。要深入开展农民工入会集中行动，最大限度把农民工吸收到工会中来，使他们成为工人阶级坚定可靠的新生力量。要坚持扶贫同扶志、扶智相结合，分类做好城市困难职工解困脱困工作，让困难职工同步迈入全面小康社会。

（1）公众宽带。主要为地面网络覆盖不到的地区提供宽带上网服务，重点解决偏远地区30%-40%人口的宽带上网问题。用户特点：用户通信位置相对固定，对通信费用比较敏感，用户数量多，通信带宽需求大，希望服务商直接提供全套服务，系统操作使用越简单越好。高通量卫星通信系统建有关口站，并提供完整服务，用户仅需购买通信终端即可获得宽带通信服务，通信服务费用低。传统卫星通信系统以出租转发器为主，对此需构建专用通信系统，并提供相应服务保障，通信费用较高。因此在这一领域，高通量卫星通信系统占有较大优势，是未来重点发展方向。

（2）移动通信。主要为飞机、轮船、火车、汽车等高速移动载体提供广域宽带通信服务。用户特点：用户移动速度较快，服务区域广、对通信服务质量要求高，要求宽带通信以便构建局部热点服务区。

高通量卫星通信系统通信速率高，通信服务费用价格低，但由于发展刚刚起步，通信服务区相对较小，跨越波束时需要进行切换，不同高通量卫星通信系统通信体制相互不兼容。传统卫星通信系统覆盖区域广，适用各种通信体制，通信终端可在任意传统通信卫星上获得服务，但通信速率相对较低，通信服务费用较高。可以看出，在这一服务领域，高通量卫星与传统通信卫星各有优势，但随着高通量卫星的快速发展，卫星数量越来越多，覆盖区越来越广，高通量卫星将在这一领域占有一定优势。

（3）中继通信。一类为偏远地区地面移动基站提供固定的远端宽带数据接入，这类中继通信主要将远端数据接入骨干网络，它对接入点并不敏感；另一类为两个固定骨干节点间提供宽带数据通信，或为光纤、微波等骨干通信链路提供备份，这类业务对接入点有明确要求。第一类用户特点：用户大多处于发展中地区、偏远地区、海岛、沙漠、山区等区域，位置相对固定，对通信带宽和通信质量要求较高，对费用有一定要求。第二类用户特点：中继节点位置固定，对通信速率和通信质量要求高。第一类用户，高通量卫星相对传统通信卫星通信速率高，但通信质量略差（主要由于降雨对高频段通信影响较大），费用相对较低。中继站费用由建设费用、使用费用和维护费用三部分构成，高通量卫星中继站总费用是传统卫星中继站总费用的50%左右，成本优势十分明显[7]。第二类用户，由于中继节点位置相对固定，要求一跳到达，因此传统卫星通信占有明显优势。

（4）企业商用和公务通信。一类为企业和政府构建卫星通信专网，提供专网内部用户间可靠安全保密通信服务；一类为商业人员、公务员和其他个人用户提供远程宽带接入服务。

（5）广播通信。主要为各类用户提供卫星视频和音频广播业务。广播业务是卫星服务的主体，其业务收入占整个卫星服务收入的80%以上。用户特点：分布范围广，全天候全时段通信，对通信质量要求高。

高通量卫星按通信流量进行收费，而广播业务要求全时段保持通信；高通量卫星覆盖由多个波束拼接覆盖组成，难以满足大地域广播要求；高通量卫星大多工作在Ka等较高频段，对降雨比较敏感，小到中雨就会造成通信中断。因此在这一通信领域传统通信卫星占有明显优势。

（6）应急通信。为出现自然的或人为的突发性紧急情况，以及重要节假日、重要会议，提供广域宽带应急通信保障。应急通信具有突发性和暂时性。用户特点：分布范围广，局部地区通信量剧增，支持综合通信保障，终端便于携带，通信质量要求高，互联互通要求高。高通量卫星通信特点在于终端体积小、重量轻、便于携带、使用方便、通信速率高；传统卫星通信特点在于支持多种通信体制、受降雨影响小，整星资源可以集中使用。应急通信是一个综合通信保障系统，要求多种通信手段综合使用，两者在应用通信中都将发挥重要作用。

（7）军用通信。为部队军事作战、训练、执勤、演习提供远程通信保障。军用卫星通信服务也是商用卫星服务的重点保障对象。据美国国防部和产业官员宣称[8]，商业卫星使用量占到整个美国军事卫星服务量的80%，在伊拉克和阿富汗战场上高达96%。

用户特点：分布范围广，安全保密要求高，需要自主管理。

高通量卫星系统定义了自己专用的通信体制，所有用户必须接入关口站实现信号的接入和交换，所有用户受到运营服务商管理控制和监管，这些无疑为商用高通量卫星的军事通信应用设置了障碍。因此在这一领域传统商用通信卫星占有优势，高通量卫星可为一些保密性要求不高军事应用提供补充服务。

通过前面分析可以看出，高通量卫星在公众宽带、移动通信、中继通信应用方面占有一定优势，传统通信卫星在广播通信、军用通信应用方面占有优势，两者在应急通信、企业商用和公务通信应用方面各有优劣。另外，需要引起注意的是，带宽需求和收入结构差异较大，高带宽占用并不代表高收入。不同应用场景占用的卫星带宽和获得的收入差异较大，收入差异是源于不同应用场景的带宽定价机制不同，高带宽占用并不代表高收入。例如，移动通信的单位通信收入就远高于公众固定宽带通信的单位通信收入。

4 结束语

高通量卫星通过采用多波束天线、频率复用、超宽带转发器等技术，大幅提升卫星数据吞吐量，是解决卫星通信容量受限的有效方式，是实现全球宽带互联网的重要手段，是未来卫星通信发展的一个方向。高通量卫星突破了传统通信卫星频率限制，将向更高的频段和带宽出发，除了现有Ka频段，还有Q、V、W等更高的频段、更多的资源等待高通量卫星去开发和使用，发展空间巨大，在未来广域宽带通信领域必将大有作为。■