Q/V频段高通量卫星通信系统抗雨衰设计

李若可，李新华，李集林，张云杰

（中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引言

目前，个人上网、企业数据传输、基站回传、飞机通信、航海通信、军事通信等都对高通量卫星提出了重大需求，应用场景越来越广泛，通过高通量卫星技术创新，将驱动市场应用不断发展。

高通量卫星按轨道可划分为地球同步静止轨道（GEO）和非静止轨道（NGSO）两种类型卫星。当前在轨应用的高通量卫星以GEO-HTS为主，但NGSO-HTS星座项目的实施将对GEOHTS的增长产生一定程度影响。自2004年全球首颗高通量卫星发射以来，截止到2018年底，全球共发射73颗载有高通量载荷的卫星（含16颗中轨道的O3b卫星）。

截至2018年底已发射的部分高通量卫星统计如表1所示。回顾高通量卫星的发展历程，可将其划分为4个阶段：

（1）起步阶段（2004～2009年），共发射卫星13颗，单颗高通量卫星的容量不超过50Gb/s。

（2）平稳发展阶段（2010～2016年），共发射卫星38颗，单颗高通量卫星的容量最高达200Gb/s。

（3）迅猛发展阶段（2017～2018年），共发射卫星22颗，单颗高通量卫星的容量在100-300Gb/s。

（4）跨越发展阶段（2019年以后），单颗通信卫星的容量将达到1Tb/s。

表1 截至2018底已发射的部分高通量卫星统计表

目前，GEO-HTS通常采用Ka频段作为其信关站通信链路，可用的频谱只有2GHz，系统容量可达300GHz。预计到2020年，下一代GEO-HTS系统容量将达到1Tb/s，信关站通信链路需要向Q/V、太赫兹以及激光等频段发展，获得更大的工作带宽资源，进一步提高卫星通信容量。目前来看，Q/V频段（40/60GHz）可用信关站通信链路的带宽达到5GHz，且Q/V频段设备近期内将成熟并可投入使用，可改善对Ka频段的严重依赖[1]。采用Q/V频段作为关口站链路的使用频率，可将Ka频段完全分配给用户链路使用，这样用户链路可得到更多的带宽资源；此外，由于Q/V频段带宽更宽，单个关口站可管理更多的用户波束，这也是有效减少地面关口站数量、控制系统成本的重要手段之一。

1 Q/V频段HTS发展现状

Q/V频段作为毫米波频段（30-300GHz）中最适合开展卫星通信业务的频段，该频段的通信载荷已开始逐步进入商业卫星市场。结合国际主要宇航公司开发的现有产品以及毫米波传播“衰减峰”，馈电链路（信关站-卫星）上行通常选择47.2-50.2GHz和50.4-51.4GHz；下行通常选择37.5-39.5GHz和40.5-42.5GHz[1]。

2013年7月发射的Alphasat是卫星行业开发Q/V频段使用的重要一步，该星是曾经建造的最大的通信卫星。Alphasat搭载了由Thales Alenia Space为意大利航天局（ASI）制造的首个Q/V频段通信载荷（Technology Demonstration Payload，TDP5），上行频率48GHz，下行频率38GHz，采用了2次变频、10W固放方案，包含3个点波束、2个可切换的转发器通道[1]。该有效载荷用于测试Q/V频段内站点之间宽带数据业务的性能，以评估在可能对信号产生负面影响的大气条件下的性能。

2016年3月，Eutelsat成为第一个在其Eutelsat 65 West A卫星上测试Q/V波段通信的商业运营商之一。与劳拉空间系统（SSL）合作，Eutelsat确认已经使用实验有效载荷在EHF中成功地进行了传输。利用该有效载荷来分析40-50GHz的Q/V频段的潜在性能，并测定这是否是促进Terabit卫星宽带计划的关键。

2018年4月，欧洲通信卫星公司（Eutelsat）宣布订购下一代VHTS卫星系统——“KONNECT VHTS”（甚高通量卫星），以支持其欧洲固定带宽和机载通信业务的发展。“Eutelsat KONNECTVHTS”卫星质量6，300千克，由泰雷兹·阿莱尼亚宇航公司（TAS）基于“Spacebus-Neo”平台建造，安装有Ka波段甚高通量有效载荷，馈电链路使用Q/V频段，传输速率500Gb/s。该卫星将于2021年投入运营，将是迄今在轨安装有最强大数据处理器的卫星，具有灵活配置带宽容量、优化的频谱使用和渐进地面网络部署能力。

图1 测试中的Eutelsat 65 West A卫星

2018年11月印度空间研究组织（ISRO）成功的GSAT-29卫星配备有Ka和Ku频段的HTS通信转发器。GSAT-29上还有测试用的Q/V频段载荷，用于高频段的技术验证。

2 空间分集抗雨衰技术

为了保证系统运行可靠，同时尽量降低高通量地面系统投资，馈电链路的可用度通常在99.9%以上。表2以北京、成都和喀什三个站点为例，假设卫星轨道位置125°E，使用ITU模型计算出馈电链路上行的衰减量@50GHz。从表2中可以看出，若北京、成都信关站馈电链路可用度达到99.9%@50GHz，雨率值将在29dB以上，雨天链路总衰减可达40dB，采用传统的自动上行增益控制（AUPC）和ACM（自适应编码调制），无法完全补偿雨天链路的衰减量。

表2 典型城市雨天馈电链路上行衰减，可用度99.9%@50GHz，卫星轨位125°E

为了解决Q/V频段馈电链路雨率过大的问题，可行的解决方案有三个：

（1）Single Site Diversity，即1+1备份模式。

（2）N+P diversity，即N+P备份模式。

（3）N-active，即N-active模式。

2.1 1+1备份模式

图2（a） 1+1备份工作模式（主站晴天）

图2（b） 1+1备份工作模式（主站雨天）

1+1备份模式是指每个主用信关站均配备一个备用站，备用站可只配置天线和射频链路，两者之间使用光纤网络相连。主用站和备用站之间，相隔足够远，以降低其降雨相关性。当主用站因降雨量过大导致链路中断时，天线和射频链路切换到备用站，基带设备仍然使用主用站的，如图2（a）、（b）所示。

根据相隔距离D（km）的主备站相关系数ρ的计算公式[2]：

可知当主备站间的距离大于100km时，两者可认为空间不相关。

2.2 N+P备份模式

N+P备份模式是指N个信关站同时工作，当N个信关站中的P个因降雨量过大导致链路中断时，链路切换到备用站，备用站数量最多为P个。当P=N时，该模式等同于1+1备份。

图3（a） N+P工作模式（晴天）

图3（b） N+P工作模式（晴天）

从图3（a）、（b）中可以看出，N+P配置下，当P=1时，也就是在只有一个备份站的系统中，如果两个信关站同时中断，那么只有一个信关站下的用户中断可以在备份站的支持下继续工作。这种方案充分利用了不同信关站降雨的统计无关性。根据前面主备站相关系数ρ的计算公式，通过加大信关站之间的距离，可以大大降低两个信关站同时经历大雨衰的概率。在保证馈电链路可用度的要求下，备用站的数量，取决于对可靠性的要求和网络的规模。在下一章，将会详细讨论相关内容。在星上有效载荷复杂度方面，从逻辑上来说与1+1模式几乎相同，唯一不同是备用站可以连接到多个转发器上。

2.3 N-active模式

该种方案需要使用智能信关站分集方案（Smart Gateway diversity scheme）。智能信关站分集方案是指：使用若干地面信关站，彼此之间通过地面网络连接，形成可灵活路由馈电链路信息的网络，其可以通过分集技术对抗信关站与卫星之间的链路衰减[3]。

该种方案可以通过时域或频域多路来实现。无论是频分多路还是时分多路，都需要调整星上有效载荷，使用频分或时分转发策略。

（1）频分多路：这种多路方式如图4（a）所示，需要使用多载波前向链路（上行链路）。频分多路方案目的是将馈电链路波束上的数据流量分布到多个信关站上，以此来降低整个馈电波束中断的风险。问题在于，如果要使用地面所有信关站的话，星上有效载荷和地面信关站处理载波的数量带来的复杂度是个亟待解决的问题。对于地面段来说，处理更多的载波带来的复杂度有限，但是星上载荷的复杂度随着可用信关站的数量增多而有所增大。这将导致卫星转发器的数量增加，转发器的数量又是限制有效载荷的约束参数。除此之外，信关站的数量增加将导致载波带宽的减少以及相关损耗的增加（保护带宽，对有效载荷噪声的敏感度等）。当多个信关站同时为一个用户终端提供服务时，需要信道数量增加，星上有效载荷数量增加。

图4（b） 频分多路复用（雨天）

图4（b） 频分多路复用（雨天）

假设信关站个数为3，用户波束为6，那么在N-active工作模式（频分复用）下，每个信关站要为所有用户提供载波。假设每个信关站可用载波数为9，其中6个用于晴天状态下，为用户波束提供服务，剩余3个载波预留用于接替中断服务的信关站的载波。假设三个信关站中的一个，因降水或其他原因处于中断状态，那么其余两个信关站使用预留的载波接替继续提供服务，如图4（b）所示。

图5（a） 时分多路复用（晴天）

（2）时分多路：这种多路方式如图5（a）所示。在此种多路方式下，在每个帧周期（frame period）内，每个用户端可被多个信关站同时提供服务，如图6所示。在一个时隙（slot period）内，一个用户终端只被一个信关站提供服务。

与频分多路类似，假设信关站的数量为3，用户波束的数量为6，每个信关站的帧周期分为9个时隙。在晴天条件下，每个信关站正常工作，使用6个时隙为6个用户波束提供服务。当其中一个信关站，因雨衰等因素处于中断状态，那么其余两个信关站调用剩下的时隙，接替中断的信关站时隙继续提供服务，如图5（b）所示。

图5（b） 时分多路复用（雨天）

系统通过路由任意上下行链路之间的时分多址突发帧（TDMA bursts）来实现。任何一对上下行链路之间的内部互联可通过星上高速微波开关矩阵来实现。在卫星上，在一个帧周期内，流量矩阵将被存储，它包含了上下行链路之间的连接关系。这个矩阵关系要定期更新。从星上有效载荷方面来看，这个方案除了微波开关矩阵外，并没有像频分多路复用方案那样需要增加转发器的数量。然而，各个信关站TDM载波之间需要做到准确的时间同步[4]。随着一个用户终端可以同时连接的信关站数量的增加，开关矩阵的规模和开关的数量也有所增加。所有的地球站都需要卫星上开关切换的时间信息。在开关切换时，用户终端不需要与一个新的载波同步，而只需要同步一个新的时隙。

图6 时分多路模式简图

2.4 三种模式比较

针对前面介绍的三种模式，从特点、对卫星有效载荷互联需求以及地面段投资成本三方面进行了比较。从表3可以看出，1+1模式，系统可用度最高，但需要给每一个信关站配备一个备用站，无疑会使地面段建设费用接近翻倍，投资成本最高。N-active模式，不需要备用信关站，地面段投资费用最低，但其对星上有效载荷要求最高，无论是频分多路还是时分多路模式，都需要有效载荷做出相应修改。N+P模式无论是对有效载荷的复杂度需求还是地面段投资成本来说都比较适中，后面重点对N+P模式进行详细的介绍。

表3 三种模式的比较

3 N+P模式详细分析

3.1 馈电链路可用度计算

假设N个信关站任意一个馈电链路雨衰Ai大于其失效门限Am的概率P（Ai＞Am）=pi，在N个信关站中，有k个信关站失效，其包含有（N¦）=λ种可能的组合，该些组合可被认为是以下方程的解：

式中，xi是二进制变量，用来表示第i个信关站是否处于失效状态，xi=1表示第i个信关站处于失效状态，xi=0则表示第i个信关站正常工作。假设Xl记为方程（2）的第l个解，l=1，2，…，λ。因此有：

P（k gateways to outage） =P（set of k gateways in outages）×P（set of N -k available gateways）

上式服从泊松二项分布，它的概率分布函数描述了N个相互独立的试验结果中成功的数量，这些相互独立的试验成功的概率各不相同[7]。

N+P模式下，假设第i个信关站的失效概率为pi，失效信关站的数量k，k可写为：Y=X1+X2+… +XN+…+XN+P，即N+P个相互独立的随机变量Xk之和，且Pr{Xk=0}=1-pk，Pr{Xk=1}=pk。这些随机变量之和Y的分布，可以由随机变量Xk的线性卷积得到：

在N+P的配置下，每一个用户波束内的所有终端工作在N个信关站中的某一个下，有P个信关站作为备份。造成一个用户终端服务中断（由于馈电链路问题）的原因，是其所属的主用站失效，且P个备用站全部不可用（服务于其他用户波束，或者因为强雨衰）。

注：Pr{P+1 gateways to outage}是指P+1个信关站失效，其余信关站工作正常。

若N+P个信关站失效等概率，即p1=p2=…=pN+P=p，那么k个信关站同时失效的概率P（k gateways to outage）服从二项分布（伯努利分布）[5]。

将公式（5）带入（4）中，可以得到：

N+P模式下可以达到的馈电链路可用度取决于系统的网络规模（主用站数量）和备用站数量。在用户链路为理想情况（晴天）下，N+P系统可用度等于馈电链路的可用度。下面的3副仿真图均为N+P系统馈电可用度与每个信关站馈电链路不可用度之间的关系图，只是N和P的取值不同。

从图7中可以看出，当备用信关站数量为0时，系统馈电链路可用度等于每一个信关站馈电链路的可用度。但随着备用站数量的增加，系统可用度迅速增加。当N=30时，P分别取0、1、2，馈电链路可用度对应为99%、99.9%、99.995%。

从图8中可以看出，对于7+1或10+1模式来说，当每个信关站的可用度是99%时，用户可用度分别为99.97%和99.96%（假设用户链路为理想情况）。从图9可以看出，在单个信关站可用度为99%的情况下，当备份站数量P=3时，可以保证在主站数量N=45时，仍有99.996%的链路可用度；当备份站数量P=2时，可以保证在N=45时，链路可用度仍大于99.96%。

图7 N+P模式下，30+0，30+1，30+2系统可用度与信关站中断概率关系图

图8 N+P模式下，7+1，10+1，7+2，10+2用户可用度与信关站中断概率关系图

图9 N+P模式下，25+2，25+3，35+2，35+3，45+2，45+3 系统可用度与 信关站中断概率关系图

3.2 信关站切换策略

N+P模式，当N个主用信关站之一因为严重雨衰而失效之前，需要及时切换到备用信关站，切换策略见图10。

图10 N+P信关站切换策略

（1）获取：网络运行控制中心（NOCC）获取所有信关站前向链路的信噪比（SNR），包括所有主用站和备份站。之所以选择前向链路信噪比是因为相比于返向链路在用户链路晴天的情况下，前向链路信噪比更能反映信关站经受的雨衰值的大小。

（2）排序：网络运行控制中心将所有主备站按信噪比降序排列。信噪比强度排在第m的主站，其相应的信噪比记为μm，该信关站记为Gm；信噪比强度排在第k的备站，其相应的信噪比记为k，该信关站记为k；由此定义可得：

定义 表示信关站 的雨衰，由此定义可得：A1≤A2≤……≤AN

（3）匹配：将当前通信环境最好的备站1，与目前环境最差的主站GN匹配，并以此类推，直至将所有备站匹配完毕。例如对于25+3的配置来说，匹配结果如表4所示。

表4 主备站匹配结果

（4）切换：当主站的信噪比μN＜γth（正在工作的信关站的噪声信噪比低于门限值），且μ1＞γth（备用站的噪声信噪比高于门限值）时，进行切换，切换后，返回继续比较μN-1与门限值，重复切换过程，直至主用站信噪比高于门限，或没有可用备站为止。文献[8]详细分析了为使系统性能最优门限γth的取值，并提出了一种新颖的切换-驻留的策略。

4 结束语

Q和V频段将塑造未来宽带通信系统的蓝图，因为这些频段将显著提高下一代高吞吐量卫星的性能。为了解决Q/V频段高通量卫星通信系统面临的馈电链路雨衰过大的问题，本文提出了1+1备份、N+P备份和N-active三种解决方案，并对它们进行了比较，比较结果显示N+P备份方案更切实可行。对于N+P备份方案，通过公式推导和仿真对馈电链路的可用度进行了分析，当N=30时，P分别取0、1、2，馈电链路可用度对应为99%、99.9%、99.995%。在文章的最后，给出了N+P模式下信关站切换的策略和详细流程。