新一代高通量卫星通信系统载荷关键技术研究*

惠腾飞，张 剑，刘明洋

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高通量通信卫星是在使用相同频率资源的条件下，通信容量比常规通信卫星高数倍甚至数十倍的通信卫星，其主要特点是采用了频率复用、多点波束等先进技术。从2004年首颗HTS卫星发射以来，GEO轨道HTS卫星呈逐年增长态势。根据欧洲咨询公司预测，2017—2025年间，全球预计有96颗GEO HTS卫星发射，平均每年11颗左右，较上一个十年的年均有3颗大幅增长。

2017年4月12日，我国首颗高通量通信卫星(HTS)实践13号发射升空。该卫星采用了Ka频段，通信总容量超过20 Gbps，标志我国卫星通信进入高通量时代，填补了我国在该领域的空白。

2020年7月9日20点11分，我国目前通信容量最大、波束最多、输出功率最大、设计程度最复杂的民商用通信卫星亚太6D卫星成功发射。该卫星是我国首个Ku频段“高通量宽带卫星通信系统”的首发星，通信总容量超过50 Gbps，标志着我国高通量通信卫星研制能力达到国际先进水平。

随着商业竞争的不断加剧，更大容量以及更高灵活性成为了HTS系统发展的主要目标，新一代的HTS系统即将进入到“Tbps”时代。本文针对新一代HTS系统的发展，从卫星载荷关键技术角度开展研究工作[1]。

1 HTS系统概述

典型HTS系统架构如图1所示，采用星型组网双跳通信模式，主要包括从信关站到用户端的前向链路以及由用户端到信关站的返向链路。

前向链路由两部分组成，分别是信关站到卫星的馈电上行链路以及由卫星到用户端的用户下行链路。返向链路由两部分组成，分别是用户端到卫星的用户上行链路以及卫星到信关站的馈电下行链路。信关站以簇为单位实现波束簇内通信。

图1 HTS系统典型架构示意图

从功能上划分，HTS系统主要由空间段、地面段以及用户段组成。

空间段主要是指承载HTS载荷的大容量通信卫星，包括GEO卫星以及MEO和LEO等各种轨道的卫星资源。

地面段主要包括运营中心和信关站。运营中心是地面系统管理、控制、卫星数据处理、网络交换的核心，具有业务运营支撑功能、网络管理功能、数据中心功能、与地面Internet 网以及3/4G等网络互联互通的交换路由功能。信关站为所在馈电波束对应的用户波束提供接入服务，完成馈电链路信号收发、基带处理和与运营中心的数据交换。

用户段为固定、车载、船载以及机载等各类应用终端。

高通量卫星系统的空间段卫星资源、地面段网络系统及业务运营系统采用天地一体化设计，用户无需建设主站，仅需购买终端站就可使用宽带卫星服务，终端站通过卫星的用户波束接入所属信关站，为用户节省了网络建设的投资。系统除支持固定终端外，还支持机载、车载和船载等移动终端的动中通应用，能够实现跨波束自动无缝切换。天地一体化的通信平台直接面向用户，提供数据、视频、语音等服务，可支持多种应用[2]。

2 HTS系统发展历程

结合业内相关研究成果，按照能力和发展时期，HTS卫星的发展历程大致可划分为四代。

第一代HTS卫星采用宽波束，系统吞吐量在1～3 Gbit/s之间，以IPSTAR卫星和Anik-F2卫星为代表，数据下载速率低于256 kbit/s，只能满足基本的应用需求，例如文件共享、网页浏览以及电子邮件。

第二代HTS卫星开始使用宽点波束和频率复用技术，吞吐量在5～10 Gbit/s，主要出现在2006—2007年前后，以WildBlue-1卫星和Spaceway-3卫星为代表，主要使用Ka频段，数据下载速率达到256 kbit/s～5 Mbit/s，能够满足类似VoIP、短视频和音频流媒体等数据业务。

第三代HTS卫星大量使用窄点波束和频率复用技术(小于100个)，吞吐量在100 Gbit/s左右，主要出现在2010年以后，以KA-SAT卫星和ViaSat-1卫星为代表，主要使用Ka频段，数据下载速率达到12～50 Mbit/s，能够满足高速网页浏览、高清电影和VoIP电话等应用。

第四代HTS卫星采用更窄的点波束，吞吐量超过300 Gbit/s，最高可达1 Tbit/s，目前大部分处于在研状态，以ViaSat-2卫星和ViaSat-3卫星为代表。此外，新一代的HTS卫星也逐渐开始向更高灵活性的方向发展，从系统的角度高效地满足有效的、局部的、特定的需求，除满足数据速率更高的卫星宽带接入业务以外，还支持更广区域范围内的海事和航空移动业务。

另外，随着低轨星座通信技术的发展，以中轨以及低轨系统构建的HTS系统也成为了国际研究及系统建设的热点[3-4]，图2为HTS系统发展历程示意图。

图2 HTS系统发展历程示意图

3 新一代HTS载荷关键技术研究

新一代高吞吐量卫星(HTS)卫星载荷主要特点是使用了更高频的通信频率且采用更加密集的多波束结构，单个波束覆盖范围越来越小，单星的波束个数越来越多，通过重复使用有限的频率资源获得单星下更大的系统通信容量，另外，结合通信业务的灵活变化及经济综合性考虑采用了更加灵活的载荷技术。新一代HTS载荷相关关键技术主要包括超大规模高性能多波束天线技术、跳波束通信技术、灵活载荷技术、数字透明转发处理技术、波束预编码技术以及基于微波光子的星上转发技术等，下面将详细介绍。

3.1 超大规模高性能多波束天线技术

高通量卫星能够大幅提升系统的通信容量，而高增益多点波束天线是高通量卫星实现高数据吞吐量的核心[5]。天线波束的增加是提高HTS系统容量最有效的方法之一，下一代HTS系统对波束宽度的需求进一步缩小，由0.8°向0.5°甚至0.2°发展，图3给出了ViaSat-3卫星的密集波束覆盖示意图。

目前星载Ka频段多波束一般采用反射面+馈源阵列形式。由于使用了反射面，因此能够用较小的阵列馈源实现高增益多波束的要求，降低了系统的复杂程度。多口径、多馈源、多波束天线是超大容量卫星发展的主要载荷技术，多个馈源产生一个波束，波束总体覆盖特性以及邻近波束间的隔离指标都能进行较好的优化设计，另外针对窄波束的高精度校准技术也是超大规模高性能多波束天线技术研究的重要内容之一。

图3 ViaSat-3卫星全球波束覆盖示意图[6]

3.2 面向HTS系统的跳波束通信技术

传统的HTS通信系统中，各个波束的频谱带宽、覆盖区域、射频功率等参数一般为固定设计值。但是，由于各波束覆盖区内的业务需求并不相同，且具有明显的时变特性，这种固定的载荷设计必然导致卫星资源分配灵活性受限，从而造成卫星实际使用性能下降。跳波束系统可以根据卫星不同区域的不同业务需求量，合理分配波束资源，当某一区域业务量大时可以增加时隙个数，当业务量变小后又可以相应减少该区域的时隙个数，从而提高整个系统的资源使用效率，图4为HTS系统跳波束原理及转发器示意图。

(a) HTS系统跳波束原理图

(b) HTS系统跳波束转发器示意图

HTS系统跳波束是一种特殊的载荷设计方式。星载天线是全覆盖的多波束天线，但转发器资源在多个波束之间分时共用，本质上是信号在不同波束之间跳变，但从用户使用上看是一个跳波束系统。

HTS系统采用跳波束技术主要优势如下：

1)提高了系统容量：单个波束使用的带宽提高，不需要四色复用。天线C/I得到了提高，相邻波束影响降低，有利于使用频谱效率更高的编码调制方式；

2)提高了业务调配的灵活性：通过高效的资源管理使得信号在不同波束的驻留时间动态分配，可以有效解决不同波束区域之间以及同一波束不同时间段的业务需求，从时间及空间维度优化系统容量分配。

3.3 数字透明转发处理技术

多波束通信卫星主要采用弯管式有效载荷(透明转发)转发器。在弯管式有效载荷中，卫星不对用户信号进行再生处理，信号体制与转发器无关，使用灵活；多波束卫星一般采用微波开关矩阵实现不同波束间信号的交链，在一定程度上提高了系统的连通性。然而，由于星上微波交换矩阵都是硬连接，其路由选择方式是固定的，无法适应业务量的变化及多波束间灵活组网[7]。

采用数字透明处理器(digital transparent processor，DTP)，提高了波束间交链的灵活性，从单一支持星状网(以馈电站为中心，两跳)，变成支持星状网和网状网(终端到终端直接通信，一跳)结合的系统，卫星变成网络交换的节点，降低对关口站的要求，支持点到点、广播、组播等模式；另外，数字透明处理器可使得卫星载荷的频率，功率资源“池化”，资源利用率提高，资源灵活使用，可实现运营模式的“灵活定制”。

图5 数字透明转发示意图

数字透明处理技术的主要发展方向是多端口、宽带以及大容量处理。Intelsat后续规划的新一代 HTS卫星配置了全数字透明处理载荷(DTP)，带宽和功率可灵活调配，容量达到70 Gbps。

3.4 基于微波光子的星上转发技术

微波光子技术是微波技术和光学技术相结合的一种新型技术，可实现微波和光波之间的转换。采用微波光子通信方式，既具备激光通信的宽带宽技术优势，又具有微波通信的宽覆盖特性技术优势，同时结合微波光子技术独有的微波频段的光域搬移及微波/光波混合方式，使得微波光子通信在带宽、信息处理能力、工程实现难度、系统复杂度、电磁兼容性、体积、重量、功耗等方面都具有无与伦比的优势。

图6 采用微波光子技术的HTS卫星转发器简化框图[8]

微波光子交叉互联转发系统集成了光学微波本振信号产生与馈送、光域微波信号变频、光交换等多项技术，在光域实现了多路微波信号的处理与转发。在该系统中，每个来自于上行链路天线波束的微波电信号都通过电光混频器转换到光载波上，与输入光本振信号通过电光混频器进行电光混频，下变频后输出中频(IF)信号。在光域，信号经过放大后进入到由路由分配器和开关组成的光交叉连接矩阵中。光-微波接收机将该光交叉连接矩阵输出的光信号转换为中频的电信号，以便后续电路能够用传统的微波技术进行RF通道滤波。与微波转发器相比，该类型转发器在保证系统功能和规模的前提下，可大大节省卫星载荷的质量，提高系统联通性。相对射频通道微波透明转发而言，集成微波光子技术具有小尺寸、大宽带、可调谐和低功耗等优势，在未来高通量卫星载荷技术中极具应用前景[9]。

3.5 灵活载荷技术

采用传统透明转发器的通信卫星在入轨以后，其技术状态基本上就是固定的，难以针对市场变化及时做出动态调整。因此，产业界萌发了“灵活卫星”的概念，即卫星在轨服役期间，可以针对商业模式或市场需求变化动态调整星上资源，持续提供卫星通信服务，实现卫星的灵活性[10]。

目前，国际上对灵活有效载荷(flexible payload)的内涵和概念尚未统一，有的学者称其为可重构式载荷(reconfigurable payload)，前者主要从应用的角度强调载荷服务能力上的灵活使用效果，后者则主要从载荷设备的角度强调在同一个物理实体上实现多种通信模式、通信体制的兼容性设计及在轨功能升级和更新。灵活有效载荷主要可以分为三种，分别是波束覆盖的灵活性、频谱在轨变换的灵活性以及功率动态调配的灵活性等方面[11]。

1)灵活的波束覆盖

在波束覆盖方面，主要通过相控阵天线技术实现覆盖区的灵活动态变化。欧洲新一代Quantum卫星具备灵活通信能力，其波束具备方位及形状的高度灵活性，同时支持快速的波束跳变能力。另外，Quantum卫星天线载荷利用其强大的波束赋形能力可以实现对干扰的检测及空域抑制作用。

图7 欧洲量子卫星波束灵活变化示意图[12]

2)灵活的频率使用

频谱资源是通信卫星系统中非常重要的资源之一，提高其使用效率及使用灵活性成为了国际通信领域的研究热点。频谱资源的调度主要包括跨星调度、跨波束调度以及同一波束内调度，具体调度方式包括整段调度、子带调度以及离散频点调度。

目前频率灵活可变主要采用数字透明转发技术进行整个载荷的频率铰链关系的动态管理和规划。例如欧洲的新一代灵活卫星Quantum卫星采用了数字透明处理机制，具备端口带宽、中心频率以及子带带宽等灵活调度能力，这是其他卫星所不具备的。

3)灵活的功率调整

载荷功率配置是卫星通信系统设计的核心指标之一，该参数决定卫星链路能力，直接影响用户端的服务质量(QoS)。

多通道放大技术是实现卫星功率调整的主要关键技术之一，其优点是使用的行波管放大器具有高灵活性、低功耗和低饱和功率的特点，实现动态资源调配。另外，星上功率可调放大器也是实现功率动态变化主要方式之一。例如英国的高适应性卫星Hylas-1卫星采用了多种先进的载荷技术，包括由德国Tesat-Spacecom公司研制的在轨可调微波功率模块[13]。

3.6 波束预编码技术

HTS卫星通信系统典型的特征是采用多波束技术实现覆盖，国际上的研究表明，为了进一步提升HTS系统的容量，需要采用频率复用技术来不断提高系统频带利用率。类似地面蜂窝无线通信系统，采用全频率复用方案能够获得最大的频带利用率，但同时使得系统内同频干扰也最严重。采用地面MIMO的传输思想，HTS系统中的多波束和多用户构成的系统与可以看作分布式MIMO系统[14]。

目前关于HTS卫星系统中应用MIMO技术的研究主要集中在前向链路MIMO技术中，其中新一代DVB-S2X标准给出了针对波束预编码的实现框架，如图8所示[15]。

图8 HTS系统前向链路预编码处理流程图[16]

4 结论

高通量卫星已成为国际民商用卫星通信领域的关注焦点，向着大容量、密集波束、高频段以及灵活使用等方向发展。本文在回顾HTS发展历程的基础上，对新一代HTS系统所涉及的关键载荷技术进行了梳理及总结，重点聚焦在高轨GEO卫星载荷技术上。但随着中低轨高通量系统的发展，其在一体化网络设计及载荷技术上呈现新的特征。