Q/V频段卫星通信发展现状与关键技术分析

袁 丽，王 悦，王 权，熊 越，王鸿伟

(航天恒星科技有限公司，北京100089)

0 引言

宽带通信技术在信息交换中发挥着越来越重要的作用，机载通信、海上通信、工业通信、无线网络回传和物联网等行业对数据与视频的消耗以及持续性的宽带网络服务提出了更高的要求，驱动着通信容量、带宽与传输速率需求的增长，高通量宽带卫星通信系统(HTS)因此发展迅速。而未来的HTS既要增加容量，也要降低成本，以降低终端用户的使用成本为目的，加之C、Ku以及Ka等频段资源的使用逐渐趋于饱和，促使了更高频率的Q/V频段卫星通信系统的应用与发展。使用Q/V波段虽然具有容量大、速率高、频段宽以及终端更加小型化的优势，但也带来了系统抗雨衰、高频射频器件不成熟等问题。

目前，国内针对Q/V频段抗雨衰的研究主要还停留在传统技术手段层面，针对通过综合网络管理与控制系统实现网关间智能分配的技术也只处于起步阶段；同时，针对射频器件的选用与研制，较多的研究还是指向行波管功放，针对对高阻抗、高可靠性和高效率应用有迫切要求的Q/V高频段尚未提出明确的固态功放方案。因此，文中将通过对国内外前沿的智能网关分集与高频射频技术的详细研究，提出了更加全面可靠的技术方案。

1 Q/V频段卫星通信系统发展现状与趋势

Q/V频段处于极高频(EHF)范围内的33～75 GHz之间，与Ku/Ka频段卫星相比，在使用相同频谱数量的情况下，可获得高达多倍的容量，能向全球用户提供高速宽带数据传输业务，每信道速率低则100 Mb/s，最高可达1 Gb/s，同时可减少通信传输成本。

随着更高通信吞吐量需求的增长，具备高带宽、大容量、窄波束和低成本等优势的Q/V频段被认为是下一代甚高通量通信系统(VHTS)的首选频段，在对地静止轨道(GEO)与非静止轨道(NGSO)高通量宽带卫星通信系统中发展迅速。

1.1 Q/V频段GEO应用现状

1.1.1 Milstar 卫星Q/V频段通信载荷

美军的Milstar以及AEHF系列卫星是工作在Q/V频段的GEO卫星星座通信系统，为美国及其盟友国家提供加密、抗干扰的安全通信服务。Milstar工作在60 GHz的V频段，具有星间链路，每颗卫星上均装有2副1.8 m口径V频段天线以用于星间通信；得益于其星间链路，系统可不经由地面信关站的中继转发而实现全球通信，通信速率10 Mb/s。

2020年3月26日AEHF最后一颗卫星AEHF-6成功发射，美军的抗干扰加密卫星通信星座AEHF完全建成，其工作频率也为60 GHz，同时也设置了星间链路，天线口径为1.83 m，通信速率可达60 Mb/s[1]。卫星还搭载了Q频段通信载荷，为美军提供抗干扰的高速数据传输服务。

1.1.2 Eutelsat Q/V频段通信载荷

欧洲电信卫星公司(Eutelsat)联合劳拉公司利用Eutelsat 65 West A卫星的一个特殊实验载荷于2016年3月开展了极高频(EHF)通信测试，测试的主要目标在于对40～50 GHz频段的通信性能进行验证分析。实验主要验证了Q/V频段的链路稳定性以及抗雨衰技术，其中主要验证了自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技术，测试场景为使用遵循DVB-S2协议标准的终端在多个信关站之间进行通信；与此同时让卫星搭载的有效载荷对链路情况进行实施监视，用以评估波束动态调整的方法[2]。Eutelsat成为首个在其Eutelsat 65 West A卫星上测试Q/V频段通信的运营商。

1.1.3 Q/V-LIFT 项目

大多数已建成的高通量通信卫星与其信关站之间的馈电链路通常工作于Ka频段，而将Q/V频段用于馈电链路，不仅增加了上行馈电链路的带宽，还可将Ka频段完全释放出来用于用户链路，以此获得更多带宽资源，使单位通信成本得以降低。欧空局因此制定了相应的研究框架，意大利航天局(ASI)于2013年发射了Alphasat卫星，卫星由泰雷兹(Thales Alenia Space)研制，上面搭载了欧洲首个Q/V频段通信载荷TDP5(Technology Demonstration Payload，TDP)，工作频率为上行48 GHz、下行38 GHz；载荷包含了3个点波束以及2个可自动切换的转发器通道，用于无线电波信号在波束间动态切换，实现与地面多个信关站间的智能分集，同时也采用了2次变频与10 W固态功放方案。ASI还启动了Q/V频段高通量系统地面部分连接试验(Q/V Band Earth Segment Link for Future High Throughput Space Systems，Q/V-LIFT)项目，用于测试Q/V频段卫星星座星地通信、站点之间宽带业务传输的各项性能指标，以评估恶劣大气条件对系统性能的具体影响。这些数据将打造未来GEO卫星的宽带通信模式，且有望实现更大的可用带宽以及更小的用户终端。Q/V-LIFT系统架构[3]如图1所示。

图1 Q/V-LIFT系统架构Fig.1 Q/V-LIFT system architecture

1.1.4 休斯-95W Q/V频段下一代高通量卫星

美国联邦通信委员会(FCC)在2019年6月向休斯公司授予其容量高达500 Gb/s的下一代甚高通量卫星—休斯-95W(HNS-95W或Jupiter-3)的建造与运行许可，标志着全球首个采用Q/V频段提供商业通信服务的卫星通信系统向前迈出重要一步[4]。

1.2 Q/V频段NGSO应用现状

Q/V频段卫星通信系统中较高的大气和雨衰影响，使得其最初用于GEO卫星与大型地面站的高带宽馈电链路，但Q/V频段系统的高带宽以及NGSO轨道较低的路径损耗，也促使其逐渐被卫星运营商用作NGSO系统的馈电链路。一方面，可将Ka频段资源完全用于用户链路，大幅提升系统容量，降低每比特通信成本；另一方面，可使单个信关站的传输能力更强，管理的用户波束数量更多。

截至2018年年中，已有SpaceX、OneWeb、Boeing等多家卫星通信运营商提交了Q/V频段NGSO卫星星座建设申请文件，卫星总数将达一万余颗，旨在提供全球无缝覆盖的宽带通信服务。

1.2.1 Boeing公司 Q/V频段NGSO星座计划

Boeing公司于2016年提出了基于Q/V频段的LEO星座建设构想，计划开发和运营一个面向全球用户提供卫星宽带通信服务的LEO卫星星座。星座将包含2 956颗工作于37.5～42 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～51.4 GHz的低轨宽带通信卫星。Boeing初始计划发射1 396颗Q/V频段卫星，运行在高度为1 030，1 082 km附近的LEO轨道。星座建成后将为全球各行业用户提供高速率低延迟的互联网接入服务。Boeing公司Q/V频段NGSO卫星星座系统架构如图2所示。

图2 Boeing公司Q/V频段NGSO卫星星座系统架构Fig.2 Architecture of Q/V band NGSO satellite constellation system of Boeing company

1.2.2 SpaceX的Q/V频段“Starlink”星座计划

SpaceX于2017年提出了“Starlink”NGSO星座计划，星座将采用7 518颗Q/V频段卫星，轨道高度不超过400 km，星间将创新地采用激光链路进行通信，用以增强首批提出、由四千余颗卫星组成并工作于Ku/Ka频段的卫星星座。SpaceX透露其星座的通信延迟将不超过25～35 ms，可向全球各地的用户提供高速的宽带通信网络服务，成为地面光纤的有力竞争对手。

1.2.3 银河航天Q/V频段低轨宽带通信卫星

2020年1月16日，银河航天低轨卫星星座首颗低轨宽带通信卫星成功发射，通信容量达10 Gb/s，成为国内该领域的领先者。该卫星除采用Ka频段外，还首次采用了Q/V高通信频段，具备高速、大带宽的通信传输能力，可为更大规模的用户提供更快、更流畅的宽带卫星通信服务。银河航天将在卫星入轨后迅速进行通信速率、通信性能等业务与技术的测试与验证[5]。

1.3 Q/V频段发展趋势

随着GEO卫星向大容量、星座化发展，众多NGSO星座开始部署，卫星通信应用也将愈加广泛，从传统的固定卫星通信业务向船载、机载等宽带移动通信业务发展，并融合地面移动通信，实现全球无缝覆盖的移动互联网接入以及M2M物联网等新兴服务的发展。而作为具备高带宽、大容量、低成本等突出优势的Q/V频段，将会更加广泛地用于GEO-HTS与NGSO-HTS，提供星间链路通信、关口站链路通信、地面移动网络回传、热点信息广播推送、个人互联网接入和超高速率宽带接入等高速信息传输服务。

与此同时，从国内外各大运营商/研究机构开展的Q/V频段验证测试的情况来看，Q/V频段由于频段高，受到雨衰的影响较大，运行的链路稳定性、抗雨衰以及关键射频器件的研制都将是需要持续进行攻关的难题。

2 Q/V频段卫星通信系统技术难点

Q/V频段存在的主要技术难点包括两方面：高频段卫星通信系统抗雨衰与高频射频器件研制。

2.1 高频段卫星通信系统抗雨衰技术

无线电波信号传输过程中受降雨影响严重是采用Q/V频段进行通信的最大问题，链路通信质量迅速变差甚至中断。雨衰是无线电波受到雨滴的吸收和散射而造成，频段越高，无线电波信号会因为波长越接近雨滴的大小而导致衰减变得越为严重；此外，雨衰与降雨量成正比，降雨量越多，雨衰越强。根据ITU-RP.618-12规则计算出在降雨量为47 mm/h时Q/V频段的雨衰情况如图3所示。由此可以看出，降雨对Q/V高频段信号传输质量的影响十分显著，所以必须采用高效的雨衰补偿方式[6]。

图3 ITU-RP.618-12Q/V频段的雨衰图Fig.3 Rain attenuation at ITU-RP.618-12 Q/V band

2.2 高频射频器件研制

Q/V频段射频器件产业链并不成熟，尤其是高功率放大器，其稳定性和低功率制约了Q/V频段通信系统的发展和应用。

工作频率高、工作通道带宽宽和输出功率高，内部包含的功能电路多，与Ka波段相比具有更大的非线性效应，损耗也更高，对功放的输出功率及线性设计提出了较高要求。

兼顾功放重量体积、电源功耗和输出功率的要求，对整机效率提出较高的要求。

3 Q/V频段卫星通信系统关键技术设计

3.1 抗雨衰技术

自由空间损耗、大气吸收/散射损耗等多种外在因素形成了对Q/V频段高通量宽带卫星通信系统信号传输质量的主要影响。自由空间损耗与所使用频率的平方成正比，频率越高，天线的指向性就越高，因此，随着频率而增加的损耗需靠更高的天线增益进行补偿；大气损耗中，降雨对Q/V频段使用的影响最大——信号在受到雨滴的吸收和散射时会产生衰减，Q/V频段频率高，其信号波长更接近雨滴1.5 mm的大小，比C/Ku/Ka频段信号的衰减更为严重。因此，需采用有效的抗雨衰技术以补偿降雨带来的信号衰减甚至通信中断，雨衰补偿技术主要有以下3项：上行功率控制(Uplink Power Control，ULPC)技术、自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技术以及Smart Gateways智能网关分集技术。

3.1.1 ULPC技术

ULPC技术是高频段卫星通信链路抗雨衰的主要方式。地面信关站到卫星的上行链路雨衰较为严重，远远超过下行链路，故通常采用提高信关站上行链路EIRP的方式实现对降雨衰减的补偿，进而提高链路的可用率。上行功率自动控制是增大EIRP最有效的方式。具体实现方式是：在信关站设计时预留上行功率冗余，系统运行时通过对卫星信标以及其他载波信号自动实时的检测而获得降雨情况下的衰减值，根据衰减值对卫星信关站的发射功率做适应性调整，以确保卫星接收电平维持在一定范围内，从而补偿降雨对信号所带来的损耗。

开环控制、闭环控制以及反馈环控制是上行功率控制的3种主要方式。开环控制的特点是采用独立测量的方法来对链路的衰减值进行预估，根据预估结果对发射功率进行动态控制，对链路衰减量的估算是开环控制过程中最核心的部分，包含2种实现方法：① 通过接收的信标信号电平；② 根据天线噪声温度的测算结果。闭环控制通过信关站利用自己经由卫星转发器转发的载波信号或者地面控制中心站发来的指令来预估上行链路的衰减情况，并以此进行动态控制。反馈环控制则主要是通过信关站与中心站之间信号电平等信令的交互来实现中心站针对全网信关站功率调整指令的统一下发，从而实现各信关站对自身上行链路功率的控制[7]。ULPC技术示意如图4所示。

图4 上行功率控制技术示意Fig.4 Schematic diagram of uplink power control technology

3.1.2 ACM技术

Q/V频段卫星通信系统的自适应编码调制主要分为2种：信关站上行链路ACM及信关站下行链路ACM。在上行链路中，信关站首先根据接收到的降雨衰减值调整发射功率，使卫星接收电平保持在一定范围内，当通过增加发射功率的方式无法完全补偿降雨带来的信号衰减时，信关站根据信号衰减程度自适应动态改变编码方式及调制级别，保障信号传输畅通[8]；在下行链路中，信关站自动接收链路状态信息，当信关站或终端遭遇降雨时，信关站根据接收到的链路状态信息以及终端的反馈信息，实时动态通知端站选用调制和编码级别较低的方式以确保链路不中断。例如从天气较好情况下的64APSK 4/5降到阴天的QPSK 4/5，甚至是恶劣的雨雪天气情况下的QPSK 1/2，在天气情况转好时又自动调整为带宽利用效率较高的高阶编码与调制模式。

ACM技术示意如图5所示。

图5 ACM技术示意Fig.5 Schematic diagram of ACM technology

3.1.3 智能网关分集技术

卫星通信系统常用的ULPC技术与ACM技术还不足以完全解决Q/V频段卫星通信系统馈电链路遇到的雨衰影响，在降雨强度与卫星仰角达到一定数值时，将会造成高达20 dB以上的衰减，直接导致高频段通信链路传输中断。因此，站点分集的技术被采用，最初的站点分集方案架构比较简单，卫星的波束根据覆盖区域分别划分给不同的网关进行管理[9]，每个波束由一个网关进行管理与服务，通过为每个信关站提供备份网关而实现冗余，以确保每个波束无论何时都能接受到正常运行的网关的服务，但这意味着重复的地面部分和潜在的成本，且对馈电链路只能进行有限的信号补偿，缺乏对在整个系统链路可用性的有效支撑。因此，智能网关技术逐渐兴起，以实现在一个合理的成本下提高馈线链路的可用性。本文采用“柔性网关灵活接入”的分集策略，根据传播条件和流量负载的不同将用户终端分配给不同的网关，当用户最初被分配的网关出现较大的信号衰减时可以自动快速接入另外的网关。出于对传统弯管宽带多波束卫星设计的考虑，为了实现网关间的协作，需要考虑不同的系统架构，同时进行网络和无线电频率的强灵活性设计。

本文主要进行2类架构的智能网关分集方案设计：

①N+0：第1种设计是为每个用户波束提供来自不同网关管理的载波，该机制能够在不显著影响有效载荷结构的情况下保持高可用性[10]；

②N+P：第2种设计依赖于网关端激活一些额外容量的使用，以弥补因网关通道衰减程度过高而造成的容量损失。

3.1.3.1N+0分集方案

(1)工作原理

N+ 0分集也称频率复用分集，其基本原理是为不同的用户波束提供系统内不同信关站的载波分集服务。在可行性方面，由于系统中对网关与用户波束进行了分集，当某一信关站遇到传输障碍时，对应的用户波束还可以接入提前预设的其他网关，重新分配到来自没有信号衰减的网关的载波，一个网关的中断或容量减少会影响到系统内所有用户，但某波束的服务完全不可用变得不太可能，因为它需要服务于波束的所有网关的中断。系统可用性的改进取决于参与分集方案的网关数量。

(2)工作过程

用户对不同载波和网关的切换可以分为3个阶段：

第1阶段：按照既定的策略对网关-卫星馈电链路上的衰减情况进行检测；

第2阶段：网关的网络控制中心根据网络管理系统提前预设的算法将用户波束分配到其他载波，网络控制中心可收集到系统内所有信关站的所有通道状态的实时信息；

第3阶段：用户根据接收到的载波信令以及更新后的地面网络路由表执行载波切换[11]。

N+0分集方案如图6所示。

图6 N+0分集方案Fig.6 N+0 diversity scheme

3.1.3.2N+P分集方案

可以采用另外一种N+P分集方案减少传播损耗对馈电链路的影响。与N+ 0分集设计相比，N+P分集方案的主要变化是为了达到给定的吞吐量需求而相应地增加数量为P的网关，这同时也意味着由于地面站数目较多，需要增加一定的费用。

每个网关可以服务一个由k个用户波束组成的集群。如果配置相同的P个额外的网关可以连接到既有的N个用户波束集群，那么当某个信关站遇到通信衰减时，其固定连接的波束集群可以接入到某个冗余的信关站。N+P结构的一个明显结果就是系统需要N+P组波束，在有效载荷内部需要设置交换机将额外的网关连接到波束集群[12]。N+P分集方案如图7所示。

图7 N+P分集方案Fig.7 N+P diversity scheme

3.2 高频段射频技术

高频射频器件难点主要集中在V频段高功率放大器上。V频段高功率放大器主要有2类：固态功放与行波管。国外受限于实际应用，固态功放应用不多，功率也不高，主要采用的还是行波管高功放；国内则刚起步，行波管和固态高功放均在研制阶段。

目前大多数卫星通信地面站均习惯配备高功率功放，从而可得到更大的EIRP提升系统的吞吐量。V频段行波管目前只能做到线性80 W的输出功率，功率偏小，而固态功放可以进行单片功率叠加，提升其合成效率即可实现高功率输出[13]。

3.2.1 氮化镓(GaN)单片微波集成电路(MMIC)技术

本文设计固态功放采用GaN MMIC技术，具有更高的击穿电压和功率密度，可充分实现小器件、低电容、高阻抗和高效率等应用需求[14]；再结合其高效率空间功率合成技术、预失真线性化技术等优势，可在V频段卫星通信系统建设过程中迅速发展应用。固态功放与行波管功放技术特点对比如表1所示。

表1 固态功放与行波管功放技术特点对比

3.2.2 空间功率合成技术

本文采用空间功率合成技术，与传统的平面合成不同，空间合成技术首先将输入的微波信号转换成空间分布的场结构，空间场内具有三维的宽带天线阵列、三维的芯片阵列以及对称的天线阵列，这3个阵列共同完成了微波信号的空间功率合成，其中三维宽带天线阵列完成信号能量的耦合与分配，三维芯片阵列完成输入信号的放大，对称天线阵列完成放大后信号的合成并将信号传送到输出端[15]。由于天线阵列分布在空间场内，其本质上是一个N合一的大规模并行合成阵列，其合成损耗与单独一路的损耗一致，因此，在损耗维持在单路的情况下合成效率却实现了N倍的提升。

空间功率合成充分利用了波导损耗小的特点，同时发挥波导阻抗变换灵活的优势，实现多路数和高效率的功率合成。由于工作频段高，采用低损耗的波导功率合成方式，可以大大降低合成和分配损耗。空间功率合成示意如图8所示。

空间功率合成的优势在于可实现多路直接合成，而不是通过二叉树多级合成的方式，减少了合成损耗。

图8 空间功率合成示意Fig.8 Schematic diagram of space power synthesis

例如每一级的二叉树合成采用Wilkinson合成器，电损耗在0.6 dB左右，考虑到传输线的损耗，总合成损耗约为0.75 dB。采用同轴腔空间合成，多路直接合成为1路，其损耗是固定的。

用于多路空间合成的功率合成器性能与平面合成对比如图9所示。

由图9可以看出，当合成的单元数达到一定程度后，空间合成的输出功率要大大高于传统的二叉树合成。

(a)平面合成

3.2.3 预失真线性化技术

功率放大器的非线性特性一般由AM/AM和AM/PM特性曲线来表征。在输入信号是窄带的情况下，功率放大器的这些特性曲线是恒定的，可以表示为输入信号幅度的函数如图10所示。

图10 功率放大器在无记忆效应状态下的AM/AM特性曲线Fig.10 AM/AM characteristic curve of power amplifier without memory effect

输入信号的包络频率以及相位特性会影响功率放大器的输出信号幅度。功率放大器的输出随着信号带宽的增加，不再只是输入信号的即时特定函数，而是取决于当前输入信号与过去输入信号共同形成的有记忆效应的短暂历史包络电平[16]。功率放大器在有记忆效应状态下的AM/AM特性曲线，如图11所示，曲线呈现出“发散”特性。

图11 功率放大器在有记忆效应状态下的AM/AM特性曲线Fig.11 AM/AM characteristic curve of power amplifier with memory effect

为提高功率放大器的效率，一般使功率放大器工作在非线性区，导致信号产生非线性失真，带来的影响是带内误码率升高以及带外频谱扩展。对功率放大器线性度的要求随着系统调制级别的上升而升高，简单地通过回退的方法，将会对系统造成极大的资源浪费。而微波功率放大器成本昂贵，也会造成成本的大幅增加。因此，采用线性化的技术是改善功率放大器的线性度，尽可能最小化功率输出模块的有效手段。最有效的线性化技术是预失真技术，其原理是在功放前加一个与功放特性互逆的预失真器，实现对输入信号的线性放大。

为了在不增加芯片数量的前提下，进一步提高放大器的线性度，放大器的前级将加入模拟预失真模块，对功率放大器的非线性特性进行补偿，使得功率放大器在更高的输出功率下依然可以获得很好的线性指标，在不增加成本的同时提高了放大器可用的输出功率。微波功率放大器预失真如图12所示。

图12 微波功率放大器预失真Fig.12 Predistortion of microwave power amplifier

综上所述，通过开发与整合上下游的各核心技术，可以有效地将线性预失真、空间合成技术和GaN半导体技术进行结合，超越行波管放大器的水平，成为解决中高输出功率宽带放大器需求的有效手段。而由于半导体功率放大器具有寿命长，可靠性高的优点，使用该技术将会大大地提高微波设备的质量与可靠性。同时，半导体芯片代表了微波产业的发展趋势，采用半导体功率放大器技术将会带来易于批量生产和降低成本的优势。

4 结束语

Q/V频段是未来高通量卫星通信系统(VHTS)将主要使用的频段，其成本低、终端小型化的特点将促使其在全球宽带卫星通信系统建设运营以及与地面通信系统融合应用的过程中占据越来越大的比重。休斯、Eutelsat以及众多的国外低轨卫星星座已经启动了Q/V频段通信系统的建设，并开展了以QV-LIFT为代表的试验系统的搭建，为Q/V频段后续的大规模应用提前进行关键技术的研究。目前国内发射Q/V频段卫星的只有银河航天，起步相对较晚。

文中借鉴国内外的先进经验，首先针对Q/V频段受雨衰影响严重的问题，研究了开环控制、闭环控制以及反馈环控制的ULPC技术，依据天气情况进行灵活切换的ACM技术，以及通过网络管理控制系统实现信关站实时智能分配的智能网关技术；此外，针对Q/V频段器件的选用与研制，提出了小器件、低电容、高阻抗、高可靠性和高效率应用的GaN MMIC技术，多路数、高效率、波导损耗小和阻抗变换灵活的空间功率合成技术，以及在功放前增加一个与功放特性互逆的预失真器而实现输入信号线性放大的预失真线性化技术，为后续的大规模应用积累了一定的技术基础。