Ka频段的特点与应用研究

王 孟，鲁 煜

（国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

21世纪以来，Ka频段使用计划纷纷颁布并逐步实施，特别是2010年以来逐渐成为各国卫星追捧的频段。它以超宽的带宽已应用于高速卫星通信、宽带数字传输、4K和8K电视、卫星新闻采集、VSAT业务、直接到户（DTH）及个人卫星等业务，并在具体使用中展现出其极大的优势[1]。随着Ka频段的逐步使用，其相关设备的制造工艺、性能指标、芯片集成、技术创新等均不断完善，为天地海一体化等人类空间无线电事业主用频段提供强有力的支撑。

Ka频段卫星通信优势明显，主要表现在8个方面[1]：一是Ka频段范围较宽，达到3.5 GHz，能满足高清视频、互联网、物联网等相关通信的传输要求；二是抗干扰性能强，卫星上天线的增益可以根据需要灵活配置，用户终端天线可做得小而轻便；三是多波束和相控阵技术的推广使用，可以随心所欲地改变卫星上天线的指向，以达到满足对点波束通信以及星上交换的需求；四是能实现星上功率动态分配，采用上行功率控制技术和自适应技术能有效控制雨衰所造通信质量的下降，且效果较为理想；五是信号可采用高阶调制技术（QPSK、8PSK/16PSK/32PSK），不仅信号占用带宽明显降低，而且信号传输速率也得到很大提高；六是点波束的应用使卫星频率资源利用率提高20倍以上；七是多关口，馈电链路频率的复用、用户的本地化接入、地面关口站的信息化处理能力等因素，需要Ka频段宽带卫星通信系统要设置多个地域分布的关口站，不同关口站之间通过地面光纤网络相互连接，以形成一个完整的信息网络；八是Ka频段邻星间隔2°就可以实现频率复用和点波束覆盖，作为新兴的卫星通信频段，现有的网络比较少，轨道位置的申请相对容易一些，而且不会对现有的传统业务产生影响。

图1 Ka频段在万物互联中的运用

1 Ka频段在静止轨道卫星的典型应用

自前苏联发射第一颗卫星以来，航天事业已过去60多年，从开始的单一业务已经发展到今天广泛应用，从过去小容量到今天的超大容量，从使用低频段发展到今天的Ka甚至更高的Q/V频段，它为人类生活带来了巨大的变革，也为人类生活带来了巨大的便利，本节主要介绍Ka频段应用在典型的GEO中。

1.1 Viasat-1/2/3

ViaSat-1卫星是首颗总数据吞吐量超过100 Gb/s的全Ka波段大型宽带通信卫星，该星部署于115°W，携带Ka波段点波束，覆盖区域超过75%的美国大陆、太平洋夏威夷岛屿、阿拉斯加和北部的加拿大，已经在为北美地区提供新型的高速宽带业务。ViaSat-1具有颇多的亮点[2]：一是ViaSat-1卫星总容量超过140 Gb/s，是2017年前全球在轨最高容量的宽带通信卫星；二是作为新一代VHTS卫星的代表，ViaSat 1卫星采用Ka波段多点波束和频率复用技术，使卫星总带宽应用达到最大限度；三是ViaSat-1卫星72个点波束主要作为宽带服务应用于北美地区；四是ViaSat-1宽带卫星系统将创新的冲浪2技术（Viasat Surf Beam2）应用到宽带卫星网络系统中，该系统可利用现有的电视调制解调芯片、现有运营商级的终端设备、可采用第三方产品、网关、运营支撑系统（OSS）应用。

图2.Viasat SurfBeam系统

图3 Viasat-1覆盖图

表1 Viasat-1实际使用频段

2017年第四季度投入使用的ViaSat-2仅采用Ka频段，其容量是ViaSat-1的2倍以上，超过300 Gb/s，将为用户提供更快的速度并增加更多的数据容量，带来更为优质的服务。ViaSat-2是当前在轨重容量最大、使用技术最先进的卫星，它不仅提供民用互联网服务，也为美国政府、国防和军事应用提供通信服务。

ViaSat-3是Ka频段星座，它由3颗卫星组成，每一颗都有1 Tb/s的容量，是ViaSat-2的3倍，一旦3颗星全部投运，为全球增加K a频段容量。ViaSat-3的前两颗卫星正在建设中，将分别服务于美洲和欧洲，中东和非洲（EMEA）市场，这两颗卫星预计将在2022年前发射。Viasat最近正在为亚太地区（APAC）开发第三颗ViaSat-3级卫星，预计将于2022年启动，进而实现全球Ka频段覆盖计划。

图4 Viasat卫星的通信终端（GAT-5518）

1.2 Global Xpress系列卫星

Global Xpress的全球覆盖能力来自四颗K a频段地球同步卫星。第一颗卫星覆盖欧洲、中东地区、非洲及亚洲；第二颗卫星覆盖美洲和大西洋地区；第三颗卫星覆盖太平洋地区；第四颗卫星已经开始提供额外的网络区域容量以满足航空公司的需求。后续的二颗卫星I-6 F1和I-6 F2将提供更多的Ka频段带宽业务，在需求最高的地区提供额外的Global Xpress容量，它是目前真正的全球性Ka频段卫星网络。

GX1于2013年12月8日发射，携带89个Ka频段点波束通过来两个发射和两个接收天线速度高达50 Mb/s去为欧洲、中东地区、非洲和亚洲提供区域GX服务。

GX2于2015年2月1日发射，携带89个Ka频段点波束通过来两个发射和两个接收天线速度高达50 Mb/s为美洲及大洋洲地区提供区域GX服务。

GX3于2015年8月28日发射，携带89个Ka频段点波束通过来两个发射和两个接收天线速度高达50 Mb/s为太平洋地区提供区域GX服务。

GX4于2017年5月15日发射，携带89个Ka频段点波束通过来两个发射和两个接收天线速度高达50 Mb/s为航空公司提供区域GX服务。

GX5于2019年11月29日发射升空，它携带72个Ka频段点波束提供超高通量（VHTS）业务，覆盖中东、欧洲和印度次大陆，尤其将用于机上Wi-Fi和商业海事服务，目前该星处在漂移过程，还未完全入轨。

1.3 AMOS系列卫星

以色列Spacecom公司AMOS系列卫星中的AMOS-4和AMOS-17是Ka频段的两颗卫星，它们已经向欧洲、亚洲、中东和非洲提供服务。AMOS-4携带4个Ka频段转发器，作为Spacecom公司探索性使用Ka频段的卫星，已实现它预期高速、宽带的目标。AMOS-17卫星是该公司宣布打造高通量卫星以来的第一颗成功发射和投运的高通量卫星，扩大了Spacecom对非洲、中东和欧洲的覆盖。它是具有先进技术水平的多频段高吞吐量卫星，可为用户提供可靠的解决方案和极大的竞争优势，这颗卫星与Spacecom公司的扩张策略相符合。

AMOS-17通过采用Novelsat公司的双重载波消除（CEC）频分复用技术，展示了大容量卫星传输功能，频率效率高达10.5 bit/Hz，以9/10前向速率和2%的翻滚（roll-off）实现64APSK调制，在81.6 MHz的带宽下实现845 Mb/s的数据传输速率[3]。

图5 AMOS-17 Ka频段覆盖图

2 Ka频段在NGSO上的应用

2015年后，位于LEO的宽带高通量卫星迎来大发展的浪潮。以太空探索公司（SpaceX）的StarLink星座计划、一网公司OneWeb星座计划、亚马逊柯伊伯（Kuiper）星 座计划、加拿大电信卫 星公司Telstar计划和中国的鸿雁星座计划、虹云星座计划等为代表。新一代卫星互联网星座的发射及生产成本更低，组网规模大，旨在为全球提供更高速率、更低延时的卫星互联网接入服务。在应急、灾备、海洋作业、机/船载Wi-Fi、偏远地带带宽覆盖等应用上持续突破，并在内容信息交换、宽带接入、基站中继、移动平台通信等方面和5G融合已取得实质性进展[2]。

2.1 卫星互联网发展的优势及典型星座用频

发展至今，新一代卫星互联网星座已有明确的定义，即由数百甚至上千/万颗运行在低地球轨道（LEO）的小型卫星构成，能够提供宽带互联网接入服务的通信卫星星座。主要表现在[2]：一是覆盖范围非常广，目前仅有20%的陆地面积被地面网络覆盖，地球表面的覆盖约为5%，若卫星互联网布设完毕，可实现不受地域的限制，实现全球无缝的覆盖；二是建设成本较低，与地面布设的5G基础设施及海洋光纤光缆建设相比，卫星互联网组网的成本更低；三是时延可达到几十甚至几毫秒，可媲美5G，5G典型端到端时延为5-10 ms左右；四是高带宽，HTS技术的不断成熟逐步提升单星容量，降低了卫星单位带宽的成本。

据统计，目前全球至少有20家公司对外公布了全球低轨星座计划，其中，中国6家、美国6家、俄罗斯1家、加拿大1家、英国1家、韩国1家、印度1家、卢森堡1家、尼日利亚1家、卢旺达1家。使用的频段大多以Ka频段为主，或将该频段作为用户链路、星间链路和馈链路中的一部分。

表2 典型卫星互联网使用频率

2.2 Ka频段在我国卫星互联网的应用

（1）虹云工程。2016年，我国航天科工集团提出“虹云工程”，计划发射156颗卫星实现全球组网，采用Ka波段通信，每颗卫星有4 Gb/s带宽的吞吐量。“虹云工程”具备通信、导航和遥感一体化、全球覆盖，系统自主可控，以极低的通信延时、极高的频率复用率、可实现真正的全球覆盖。

（2）天地一体化信息网络（天象星座）。2019年6月5日，“天象”试验1星、2星成功进入预定轨道。天象小卫星是我国首个基于Ka频段星间链路的双星组网小卫星系统。天象卫星利用先进的技术，不仅能实现双星组网传输，包括各种信息数据、语音、视频、图片的高质量实时传输，还兼具星间测量、导航增强、ADS-B、对地遥感等多项功能。

（3）银河航天（银河Galaxy卫星星座）。银河航天计划建造由位于1200 km的近地轨道的上千颗5G通信卫星组成星座网络，可使用户高速灵活地接入5G网络。2020年1月16日，首发卫星进入预定轨道，它采用Q/V和Ka等通信频段，具备速率达10 Gb/s透明转发通信能力，通过卫星终端可为用户提供宽带通信服务。

3 Ka频段在HAPS的应用

2020年10月，德国电信展示了高空平台（High Altitude Platform System，HAPS）项目的最新实验成果，并计划于两年内实施。对于业务链路，馈线链路，将采用21 GHz、26 GHz、28 GHz、31 GHz 等Ka频段。在飞行平台上安装面积约9m2、由1 028个天线单元组成的大规模天线阵列，可发射200个波束，每个波束对应一个小区，200个小区可同时在地面形成直径约140 km的连续覆盖范围。该次实验表明，HAPS系统覆盖面积广，尤其可以解决地面基站信号因受到建筑物、山丘等阻挡所产生的覆盖盲点，因此是地面移动网络的良好补充。HAPS指位于平流层的飞行平台可以像基站一样直接连接手机和物联网终端，并与地面的电信网络互联互通，从而实现天地一体的立体组网[4]。

德国电信成功演示的HAPS项目中，天线安装于可远程 遥控的飞行平台上，平台位于离地约14 km的平流层，可在地面形成直径约10 km的覆盖小区，且在该小区范围内手机可直接与平台上的天线连接通信。而飞行平台连接到地面核心网采用高频段、大带宽的无线回传。

图6 HAPS实验场景

HAPS位于平流层，介于民航飞机飞行高度与卫星轨道高度之间，因此，HAPS兼具卫星和陆地通信系统的优势，具有覆盖面积广、成本较低、传输延迟小、易配置等特点。

图7 HAPS实施方案

4 结束语

相比常规C、Ku频段的卫星网络，Ka宽带卫星将丰富的频率资源与多点波束组合应用，单星容量提高数十倍至数百倍，整星吞吐量在100 Gb/s以上，甚至可以达到Tb/s级别。我国中星16首次应用Ka频段多波束宽带通信系统，总容量达20G以上，已经实现我国中东部及沿海区的覆盖，作为我国第一颗高通量卫星为我国经济社会发展、“网络强国”的建设起到促进作用，同时应汲取国外先进的技术，突破限制发展的壁垒，为我国在天基互联网的发展注入更强劲的活力。