高低轨宽带卫星通信系统特点对比分析

孙晨华，章劲松，赵伟松，肖永伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

进入21世纪后，GEO宽带卫星通信系统发展迅速，真正实现了互联网宽带接入。一是GEO通信卫星从基于C和Ku频段宽波束向基于Ka点波束的高通量卫星(HTS)发展，载荷从单一固定波束配置向固定+可调点波束配置，单星容量从原来的1 Gbit/s量级发展到100 Gbit/s量级，目前正在向1 Tbit/s量级迈进，单星容量更大，资源应用更加灵活；二是基于GEO宽带卫星的组网技术体制从原来的DVB-S/DV-RCS演进到DVB-S2x/DVB-RCS2,功率及频率效率成倍提升，组网方式从单波束到多波束组网、星状到支持网状，能够针对不同用户提供多种业务应用的组网能力。

2015年后，基于低轨星座的宽带卫星通信系统重新引起卫星通信业界甚至航天圈的关注，并成为继GEO HTS之后的发展重点，如Oneweb、Starlink、Telesat等，该类系统显著的外在特征是卫星数量巨大、系统容量号称Tbit/s量级和支持全球覆盖，可为全球用户提供宽带互联网接入，该类低轨星座也被称为卫星互联网星座。

卫星互联网星座的发展已经影响到GEO HTS发展，但卫星互联网星座能够替代GEO宽带/高通量卫星通信系统吗？本文重点从多个角度阐述和比较高低轨宽带卫星通信系统的特点及优缺点，并针对我国未来发展，提出高低轨协调发展的建议。

1 高轨宽带卫星通信系统的典型特点

1.1 常规宽带卫星通信系统

GEO常规宽带卫星通信系统主要指基于工作在C和Ku频段的固定卫星业务(Fixed Satellite Service，FSS)，一般也称为VSAT系统。该类系统的通信卫星一般采用宽波束设计，如采用区域赋型波束覆盖特定地区。目前全球的卫星运营商中，包括Telesat、SES、中国卫通和亚太卫星[1]等，所属C和Ku频段通信卫星中90%以上属于此类。

常规宽带卫星通信系统卫星以透明转发为主，地面应用系统一般采用DVB-S2/DVB-RCS、TDMA、FDMA等技术体制，支持大范围分布的地面终端之间的星状组网、网状组网以及大容量点对点通信[2]。

DVB-S2/DVB-RCS以星状组网为主，典型系统如Idirect、Viasat公司surfbeam2、Gilat公司SkyEdgeII-C以及Newtec公司Sat3play等。TDMA系统以支持网状组网为主，典型系统如Viasat公司LinkwayS2A、PolarSat公司VSATPlusIII以及ND公司SkyWAN等。FDMA系统以支持点对点通信为主，典型系统如ComtechEF Data公司Vipersat和PolarSat公司FlexiDAMA。

1.2 高通量卫星通信系统

高通量卫星(HTS)最早由北方天空研究公司(NSR)于2008年提出，相对于同等轨道频谱的常规卫星，主要采用频率复用和点波束技术，可提供比常规卫星高出数倍甚至数十倍的容量[3-4]，典型HTS卫星覆盖如图1所示。HTS的基本特点是：高频段(Ku和Ka频段)、多点波束、频率复用、整星吞吐量一般100 Gbit/s以上、透明转发以及地面多关口站接入，典型系统如Ka-sat和Viasat-1等。

图1 典型高通量卫星(HTS)覆盖示意Fig.1 Schematic of typical high-throughput satellite (HTS) coverage

频率复用和点波束技术也可服务于传统C和Ku频段的FSS[5]，如Ku多波束系统IPstar卫星和Intelsat公司的IS-29e卫星。

根据高通量卫星转发器特点，地面应用系统一般采用星状组网架构的DVB-S2/DVB-RCS技术体制，如Kasat-1和Viasat-1卫星采用了surfbeam2系统，增加移动性管理功能，支持地面终端跨波束切换。

2 低轨宽带卫星通信系统的典型特点

2.1 基于固定波束的低轨宽带卫星通信系统

当前，基于固定波束设计的低轨宽带卫星通信系统典型代表就是Oneweb。对于该类系统，为实现全球覆盖，轨道设计上一般会采用近极轨道构型。工作频段一般采用Ku或Ka频段工作，由于频段高、波束窄，全球全时覆盖条件下，需要部署巨大数量的卫星才能提供服务。如Oneweb，考虑部署720颗卫星(后续调整到600余颗)，每颗卫星配置16个Ku频段固定椭圆用户波束，可以实现全球无缝覆盖[6]。

由于卫星采用固定点波束，卫星转发器天线设计相对简单，卫星质量相对较小，而且可提供较高的传输能力。如Oneweb，单星质量约150 kg，0.3 m口径天线终端，支持50 Mbit/s互联网接入。技术体制设计上，如Oneweb为星上透明转发，采用与地面移动通信类似的技术体制，不需要考虑星上处理实现的代价及可行性，主要针对低轨卫星高动态情况进行适应性改进。

2.2 基于可移动点波束的低轨宽带卫星通信系统

基于可移动点波束设计的低轨宽带卫星通信系统，典型代表包括Starlink和Telesat等。为实现全球覆盖，轨道设计一般会采用近极轨道构型。

由于卫星采用相控阵天线设计，卫星设计相对复杂，卫星质量一般较大，如Starlink已发射卫星质量在300 kg左右(不含星间链路)[7-8]。

该类系统由于波束灵活可调，可以根据业务量需求进行覆盖，有利于提高系统资源利用率；而且可以面向重点区域提供多星多波束覆盖、面向重点用户提供单星多波束覆盖，可以较为容易满足业务量剧增的需求，从几百Mbit/s提升到Gbit/s量级。可移动点波束一般基于相控阵天线技术实现，波束在卫星覆盖视场任意可调，部署较少的卫星即可实现全球可达服务，如Telesat星座，部署117颗卫星即可提供服务。

3 高低轨宽带卫星通信系统的特点对比

3.1 覆盖对比

高轨GEO卫星相对地球静止，轨道高度高，覆盖范围广，理论上3颗卫星就可实现南北纬70°区域。针对目标区域，部署一颗卫星即可提供一天24 h不间断的稳定覆盖。

目前高轨HTS卫星一般采用Ku及Ka频段点波束技术，覆盖较为灵活，既可支持区域性覆盖，如Kasat-1的欧洲覆盖[9]，也可通过更多点波束叠加，可提供南北纬70°全覆盖，如Viasat-3，3颗卫星基本实现全球南北纬70°全覆盖[10]。

低轨LEO卫星或星座，理论上可以实现全球覆盖，弥补GEO南北极覆盖的空白。低轨卫星一直绕地球做相对运动，一般1颗卫星对地可视时间10 min左右，部署1颗卫星无法为特定区域提供稳定覆盖及服务。为形成稳定的覆盖，需数量巨大的卫星形成星座部署，才能形成稳定覆盖。如Oneweb近极轨道构型星座部署了648颗卫星，从而实现全球无缝覆盖；Starlink部署4 409颗卫星，实现全球可达覆盖。

3.2 链路能力对比

在相同工作频段、相同地面终端配置下，高低链路能力差别主要体现在空间链路损耗及载荷能力配置上；对于载荷配置，体现链路能力的主要衡量指标是EIRP值与G/T值。

高轨GEO卫星与地面终端之间的星地距离约40 000 km，低轨卫星(初步考虑800 km)与地面终端之间的星地最大距离约2 000 km，二者链路传输损耗预计约26 dB。高低轨卫星与地面之间的传输距离对比如图2所示。

图2 高低轨卫星与地面之间的传输距离对比示意Fig.2 Transmission distance of GEO and LEO satellite

参考目前高轨HTS卫星配置，Ka频段单波束典型EIRP值约60 dBW，典型G/T值约13 dB/K。低轨卫星Ka频段单波束典型EIRP值约35 dBW，典型G/T值约1 dB/K。在相同地面终端配置条件下，参考载荷能力及链路损耗，可以估算出下行链路能力在高低轨基本相当，但低轨卫星上行链路能力较高轨GEO卫星提升10倍以上。针对0.5 m口径地面终端，上行信息速率可以从2.5 Mbit/s提升至25 Mbit/s。

3.3 关口站特点对比

无论高轨还是低轨宽带卫星通信系统，关口站的主要功能均相同，支持卫星通信地面终端之间互联互通、卫星网络和地面网络互联互通，同时还承担卫星网络管理和控制的功能。关口站数据吞吐容量通常为几Gbit/s～几十Gbit/s。

从卫星通信系统的角度来看，无论是高轨GEO宽带/高通量,还是LEO宽带/高通量，为保证大容量用户接入及大容量业务交换，均采用异地、多关口站配置的方案。

对于高轨宽带卫星通信系统，突出特点是单星用户波束较多、带宽大，为解决大带宽到关口站接入的问题，一般采用频率复用，配置多个星地馈电链路，在不同区域部署多个关口站。一般Ka频段馈电链路传输能力在5～10 Gbit/s，对于100 Gbit/s的GEO宽带/高通量卫星，需要部署15～20个关口站。如Kasat-1，单星容量70 Gbit/s，地面部署10个关口站，支持82个用户波束的接入。为了减少降雨导致的链路中断，部分GEO宽带/高通量卫星系统采用异地多站(或多天线)的部署方式。

对于低轨宽带卫星通信系统，突出特点是卫星数量多，一是需要配置数量较多关口站；二是每个关口站需要配置多路天线及射频通道对多星,尽可能接入更多的卫星，提高系统服务能力。如OneWeb系统，原计划部署超过50个Ka关口站，每个关口站至少配置10付天线，OneWeb系统Clewiston关口站天线部署如图3所示；Starlink为支持初期部署及运行，预计将在美国部署200个关口站。

图3 OneWeb系统Clewiston关口站天线部署Fig.3 OneWeb gateway station antenna deployment

3.4 终端特点对比

对于高轨宽带卫星通信系统，一是卫星相对地面静止，地面终端实现相对简单；二是作为传统的高轨FSS卫星通信，地面终端技术发展较成熟，终端已经实现高集成度和小型化，而且已达到消费级价格。如KaSat对外销售的家用终端，配置3 W Ka频段功率放大器，75 cm天线，终端包括天线的价格约350欧元。

对于低轨宽带卫星通信系统，由于低轨卫星一直绕地球做相对运动，即使地面固定类终端也需要配置伺服跟踪系统，为保证Ka频段地面终端的窄波束能够精确指向运动过程中的低轨卫星，地面终端生产制造成本肯定比面向高轨高。另外，为保证地面终端的不间断通信，需要不断进行跨星切换操作，地面终端需要具备双波束或波束捷变的能力，以保证能够同时与2颗卫星建链。为实现双波束或波束捷变的能力，当前主要有2个技术实现途径：① 地面终端配置抛物面形式的双天线，如目前在用的典型NGSO宽带卫星通信系统O3b，很多站型采用双抛物面天线设计[11]，如图4所示；② 配置相控阵天线，从目前来看基于T/R组件的Ka相控阵天线阵元数较庞大，生产成本较高，价格在25 000～50 000美元。

图4 O3b双抛物面天线地面站组成框图Fig.4 Composition block diagram of O3b double parabolic antenna station

地面终端成本能否进一步降低，达到消费级价格，将是影响低轨宽带卫星通信系统能否形成规模化应用，能否与GEO高通量卫星通信系统竞争的一个关键因素。

3.5 系统容量效率对比

在面向应用的系统容量设计方面，GEO卫星优势明显，可以针对服务地区的需求定制容量。国外卫星咨询机构给出一个典型的分析结果，对于一颗欧洲上空卫星(可以覆盖整个欧洲、中东、非洲、大西洋大部以及印度洋一部)，并采用跳波束技术，各波束之间的效率在理想资源共享情况下可以达到60%[12]。

LEO星座以OneWeb为例的研究表明，针对商业航空和海事领域，OneWeb系统吞吐量不超过50%。这是因为在任何给定时刻，大多数卫星都处于低流量地区，只有很少一部分位于流量密集区域。设计者需要在服务峰值需求与有效利用星座容量之间权衡，为峰值而建造意味着很多容量的浪费；限定卫星SWaP指标可以提高效率，但是抛弃了一部分客户。在商业航空和海事市场，设计满足90%服务需求的星座效率仅有4%～5%。利用载荷共享技术可以改善效率，但基本仍在个位数徘徊。

针对GEO HTS和LEO HTS，国外卫星咨询机构给出了一个对比分析，如表1所示，GEO HTS卫星的有效单位成本明显优于 LEO HTS。表中没有考虑在轨寿命，如果增加在轨生命周期因素，GEO HTS卫星优势更为明显。

表1 典型GEO HTS和LEO HTS星座系统效率对比Tab.1 Comparison of efficiency between typical GEO HTS and LEO HTS constellation

3.6 业务传输时延对比

业务传输时延是指数据包从起始点用户到目的地用户所需的时间。在卫星通信系统中，经常关注由于卫星高度不同带来的传播时延，主要是传播时延对业务传输时延影响较大。其实影响业务传输时延的指标还包括组帧时延、处理及排队时延。组帧时延是链路业务速率与数据包长度的函数，与业务速率成反比，与数据包长成正比。排队及处理时延主要包括数据包在队列的等待时间、数据包头处理及数据包检错的时间等。对于星上处理交换，还需要包括排队及处理时延，具体时延与设计实现相关[13]。

对于GEO宽带各类业务来说，单跳业务传输时延基本上控制在400 ms以内，其中传播时延约270 ms，组帧时延、排队及处理时延预计100 ms左右。对于LEO来说，单星上下行按照星地最大距离3 000 km计算传播时延约20 ms，跨2颗星距离按照2 000 km计算，星间传播时延约6.7 ms。按照跨8颗星考虑，星间传播时延约47 ms，对于数据业务，预计最大业务传输时延可以控制100 ms以内。如果为单星下工作，数据业务的最大业务传输时延可以控制50 ms以内。对于窄带话音业务，考虑降低时延抖动及组帧效率，帧周期约120 ms，即话音组帧时延最大可达120 ms，窄带话音业务的单跳最大业务传输时延可控制在150 ms以内。

基于LEO的端到端业务传输时延明显优于GEO,特别适合对于时间敏感性要求较高的应用，如在线实时游戏及高频次电子商务等，但该类应用占互联网流量不到5%，而95%的流量与视频业务相关，用户对业务传输时延实际上是不敏感的。

低时延是低轨宽带卫星通信系统明显优势之一，但低时延应用业务占比较低，对系统运营收入难以带来决定性影响。

4 结束语

目前国内多个单位已经提出了卫星互联网星座，包括鸿雁星座和虹云工程等，另外国家科技创新2030“天地一体化信息网络”重大项目将GEO宽带卫星、低轨星座纳入实施任务内[14-15]。上述星座均向ITU递交了申报资料，公布了系统研制建设计划，但问题和困难依然存在。首先是卫星互联网星座技术难度大；其次整个星座部署建设周期长，短时间难以形成服务能力；最后是面向消费级的大规模应用的地面终端技术还不成熟。除上述因素外，频率协调及境外落地运营协调工作量大，境外开展服务需要时间。

从构建全球无缝覆盖、提供随遇接入及可靠服务的天地一体化信息网络角度来看，特别是未来5年，应该考虑统筹我国GEO卫星资源，重点弥补GEO宽带卫星通信系统的不足和盲区，特别是用户数不多但应用急需的区域，如南北极、美洲等。在组网应用上支持高低轨一体化运行，用户可以在高低轨卫星之间按需切换。高低轨结合，有助于控制卫星互联网星座的建设规模，保证在尽可能短的周期内构建一个时间及空间连续覆盖的、可靠实用的卫星网络。