高通量卫星系统与技术发展综述

2022-04-29攸阳张弢

计算机与网络 2022年21期

攸阳张弢

摘要：近些年来，高通量卫星发展迅速，受到广泛关注，成为未来通信卫星产业发展的重要方向和驱动力。随着宽带互联网业务规模不断增大，数据传输速率不断提高，卫星通信容量逐渐成为卫星通信发展的瓶颈。针对此问题，梳理了较为典型的高通量通信卫星及通信系统的发展现状，并对高通量卫星通信系统的组成以及地面系统架构、网络模型进行了分析，给出相关发展建议，以进一步促进其应用。

关键词：高通量卫星；通信系统；发展现状；架构设计；网络模型

中图分类号：TN96文献標志码：A文章编号：1008-1739（2022）21-55-5

0引言

随着宽带互联网业务规模不断增大，数据传输速率不断提高，受传统通信卫星吞吐率低、带宽成本高等问题的限制，通信容量逐渐成为卫星通信发展的瓶颈。2008年，美国北方天空研究所（NSR）率先提出了高通量通信卫星（High Throughput Satellite，HTS）的概念，即采用频率复用和多点波束技术，在同样频谱资源的条件下，通信容量是传统支持固定通信卫星的数倍的卫星[1]。近些年来，高通量卫星发展迅速，受到广泛关注，成为当前和未来通信卫星产业发展的重要方向和驱动力。

1高通量卫星通信发展现状

1.1高通量通信卫星发展现状

（1）美国ViaSat-1/2/3

ViaSat-1卫星于2011年发射，是一颗超大容量的全Ka频段高通量通信卫星，有18个网关，总业务量为140 Gbit/s，超过了现今覆盖北美的双向Ka，C，Ku频段的全部容量之和。ViaSat-2卫星已于2015年发射，相比于ViaSat-1波束数量更多、覆盖范围更大，通信容量增加1倍以上。ViaSat-3计划在2022年发射，共3颗卫星，每颗卫星的总容量都达到了1 Tbit/s，是ViaSat-2卫星的3倍，能够为美欧、中东、非亚地区的用户提供100 Mbit/s的接入服务[2]。

（2）欧洲Ka-Sat

Ka-Sat卫星于2010年发射，系统总容量达70 Gbit/s，具有82个Ka点波束，点波束覆盖整个欧洲、北非大部分城市，并有专用波束覆盖红海及阿拉伯半岛。每波束传输容量可达475～850 Mbit/s。地面8个关口站连接到互联网，可为l00万家庭用户及企业用户提供高速宽带互联网连接[3]。

（3）实践十三号（中星16）

作为我国首颗高通量通信卫星，实践十三号（中星16号）于2017年4月12日成功发射入轨，标志着我国卫星通信正式进入高通量时代。中星16号卫星首次搭载Ka频段通信载荷，卫星通信总容量达20 Gbit/s，超过了之前我国研制的所有通信卫星容量的总和。卫星有26个用户点波束，用户下载和回传速率最高分别达到150 Mbit/s和12 Mbit/s。卫星每波束前向容量680 Mbit/s，每波束返向容量200 Mbit/s。中星16号卫星首次将空间技术试验和示范应用相结合，提供双向宽带通信示范化运营服务[4]。

（4）亚太6D

亚太6D卫星于2020年7月9日成功发射入轨，是国内研制的首颗Ku/Ka频段全球高通量宽带商业卫星，卫星有效载荷质量、有效载荷功率、波束数量及波束覆盖区等多项性能指标均为国内第一，代表了我国高通量卫星研制的最高水平。亚太6D卫星配置Ku频段多波束（Ka频段馈电链路）载荷，总通信容量达到50 Gbit/s。配置32路Ku频段前向转发器和10路Ka频段返向转发器，共计90个用户波束，实现静止轨道可视范围下全球覆盖，并配置8个信关站实现灵活切换，单波束容量可达1 Gbit/s以上[5]。

1.2高通量卫星通信系统发展现状

（1）Viasat SurfBeam系统

美国卫讯（Viasat）公司在2000年开始研发SurfBeam系统。SurfBeam系统是一个双向宽带卫星通信系统，可以使服务提供商通过商用静止轨道通信卫星（Ka或Ku波段）为居民、小型企业用户提供高速因特网接入和宽带多媒体通信业务[6]。SurfBeam系统能够支持百万级用户，系统容量可以采取增量配置的手段、更高的带宽处理能力、强大的调制解调能力和SMTS能够有效降低系统功率消耗。该系统目前已经发展到第三代，已经应用于包括ViaSat和Ka-Sat在内的多颗超过70 Gbit/s的超大容量通信卫星系统中。

（2）Gilat SkyEdgeII系统

以色列吉来特（Gilat）卫星通信公司推出的SkyEdgeII系统是SkyEdge系列的第二代产品，具有高性能、高效率等特点，可满足不同卫星网络需求。SkyEdgeII是基于DVB-S2和DVB-RCS标准的多媒体宽带综合IP卫星通信系统，该系统为TDM/MF-TDMA的通信体制，支持星状、网状和多星状等网络拓扑结构[7]。另外，SkyEdgeII系统支持多卫星和多频段（Ku，C，Ka）同时工作，通过多个出境工作信道提供多个区域的同时覆盖；通过采用先进的编码、纠错技术和安全保密功能保证用户信息的安全和可靠的传输。

（3）Hughes（休斯）

美国休斯公司是世界上最大的VSAT系统供应商，是DVB-S/S2标准的提出和制定者；Jupiter系统是休斯最新一代的高容量卫星通信系统，支持DVB-S2X标准，单主站出向载波速率高达235万采样/秒，系统单机柜通信容量达10 Gbit/s。系统大幅度改善的LDPC纠错编码，结合自适应调制功能，使休斯解决方案成为当今市场上很有效的DVB-S2平台[8]。

（4）中国电科Latice系统

Latice高通量卫星通信系统是中国电科网络通信研究院开发的新一代高通量卫星通信系统，是我国首套支持DVB-S2X、具有完全知识产权的商用卫星通信系统，具有高效、灵活、可扩展的特点，支持多星、多波束、多频段、多信关站组网，可以满足卫星通信的广泛需求。Latice系统的前向链路技术遵循DVB-S2和DVB-S2X标准实现，返向链路支持MF-TDMA、SCPC、动态SCPC三种回传体制，具有高效、高可用、大动态传输速率等特点。Latice系统提供完善、丰富的QoS机制，支持VLAN、二层网络、三层路由等多种组网应用模式，具有先进的波束切换功能，为移动用户提供良好的用户体验，可以支持电信级运营。2021年8月，Latice系统基于某高通量卫星进行大带宽极速测试时，1 m便携站实现了前向280 Mbit/s、返向195 Mb it/s的传输速率，均刷新了国内卫星通信行业的最高纪录。

2高通量卫星系统组成与架构设计

2.1系统组成

高通量卫星通信系统通常由空间段、地面段、用户段构成，如图1所示。

空间段由一颗或多颗高通量通信卫星构成。为了提高系统容量，高通量卫星通过采用多点波束覆盖、频率复用等技术，提高各个波束内的链路能力以及系统可用带宽。对于覆盖区域内的业务量密集区域，卫星采用密集固定点波束进行覆盖；而对于业务量不确定、需要临时覆盖的区域，则采用可移动点波束进行按需覆盖。卫星的转发器采用透明转发，将各个用户波束的前向、返向信号与馈电波束进行交换，为了满足大容量通信需求，系统部署多个信关站。

地面段由运控中心和分布在各地的信关站构成，运控中心实现对空间卫星和地面各种应用的管理和控制，并为卫星网络的运营提供OSS/BSS接口。信关站完成用户到地面网络的接入，实现对地面各类服务的访问。此外，信关站站间通过大容量地面网络互联，实现用户数据以及控制数据的交换。

用户段包括各种终端。终端可使用卫星透明转发器以星状网方式进行组网，数据在信关站完成基带数据的恢复、交换、路由、调制，从而实现用户站间以及用户站与地面网之间的业务通信。

2.2地面系统架构设计

高通量卫星的系统基本采用多点波束覆盖，单个波束的带宽很大。而实际上地面系统的卫星通信设备、卫星通信终端的处理能力是有限的，一方面調制器、解调器、卫星终端通常只能处理不超过150 MHz的信号；另一方面受限于CPU的处理能力，这些设备通常只能处理数百Mb/s的数据量，因此，需要对高通量卫星通信的地面系统进行合理的架构设计，以适应高通量卫星的多波束大带宽的资源覆盖特点。

为了降低地面系统设备的射频、传输及基带设备的处理压力，将高通量卫星通信系统划分为多个容量较小的处理单元来实现，每一个处理单元称为一个网络段，高通量卫星通信系统的架构示意如图2所示。系统由多个信关站组成，每个信关站管理若干数量的波束。用户波束及馈电波束的频率资源在多个用户波束及馈电波束间频分复用，从而扩展了系统的可用带宽。每个波束下分成多个网络段进行管理，每个网络段占用前向、返向卫星频率资源的部分带宽。

2.3业务网络模型

在业务层面，系统的网络模型如图3所示，是以各个信关站为交换中心的星状网，各个网段组成一个交换单元，等效于一个二层网络。

从逻辑上，该网络可以划分为业务网络及控制网络，业务网络用于传输用户的业务数据，控制网络传输卫星网的控制数据；各个网络段的数据在各个信关站的交换节点进行数据交换，采用经过优化的路由协议，完成数据的路由及交换；各个信关站的交换节点采用专用交换网络进行互联，也可以与地面网络互联，为用户提供互联网接入等业务。

2.4基本管理单元

网络段是高通量卫星通信系统的基本管理单元，占用一定的前向、返向带宽资源组建了独立的卫星网络，网络段的频谱资源如图4所示。

网络段的设备组成如图5所示，包含独立的调制器、解调器、链路控制和业务处理设备，各个网络段之间独立工作，通过交换设备连接。

①调制器：用于发送各个网络段的前向信号，一般采用TDM体制，复接了所有终端的出境业务数据，根据需要可以配置冗余调制器。

②解调器：用于解调各个终端的回传信号，为满足多用户的业务回传需求，采用多种速率档的多载波解调器。

③链路控制：用于前向、返向链路的控制，实现系统定时、时钟同步、频率同步、功率控制、ACM控制、前向/返向信道资源的分配。

④业务处理：主要完成用户数据到卫星链路的适配，包括业务数据的封装、解封装，数据的排队及服务质量管理；IP业务数据的加速、压缩，加/解密，预取以及计费数据的生成；IP业务数据在卫星网络的寻址及交换。

3高通量卫星通信发展建议

（1）提高卫星系统容量上限

目前具备研制50 Gbit/s容量宽带卫星通信系统的水平，可以满足当前的工程建设需求。然而，目前国内外的行业与商业应用，已经提出了1 Tbit/s的容量需求。因此，为应对通信容量需求持续增加的发展趋势，需要进一步提升平台承载能力，包括提高整星功率输出能力和载荷承重能力，进一步提升有效载荷的容量和灵活性，包括采用更高带宽频率、更多波束数量，面向关口站、覆盖区、功率/带宽以及组网方式的灵活实现，以进一步提高卫星系统容量。

（2）提升卫星信道使用效率

卫星信道受到星上功率和频带的限制，尤其对于支持超大容量数据传输的宽带通信系统，频率资源更加紧张，而传统的地面IP协议中，其开销降低了频谱利用率。高误码和长延时也严重影响传输效率。对于容量超过百Gb/s的系统，在低滚降系数解调性能、ACM策略、高速协议增强等方面仍然需要进一步提升性能和优化设计。

（3）提高对广域移动载体接入的支持能力

随着我国科技军事力量的不断发展，特殊环境下的广域移动通信越来越重要。在军事应用方面，海军加快推进由近海防御型向远海防卫型转变，航迹越来越远，同时对外军事交往更加密切，中俄等双多边海上演习常态化举行，亚丁湾护航、“和谐使命”医疗服务赢得越来越多赞誉。在民用领域，预计到2030年我国大型民用航空器将达到4 000架以上，高铁列车超过2 000组。高通量卫星通信能够解决地面网络覆盖范围不足及传统卫星通信容量不足的问题，但同时由于高通量卫星多点波束覆盖及相邻波束极化可能不同等特点，在广域范围进行高运行速度、高业务速率业务通信时，必须要解决波束切换问题。现有系统设计中存在波束切换不及时、用户体验差的缺点。因此需要优化系统在动中通越区切换过程中的设计，进一步提高对广域移动载体接入的支持能力。

（4）提升高商業价值应用终端的研制能力

国外在发展高通量卫星通信系统的过程中，高度重视系统发展，即空间段、地面段和用户段设备的能力同时增强。目前的应用终端集成度低、生产成本较高、移动平台适应性不足，综合指标相对落后，导致整个系统的综合性能难以得到本质性的提高。鉴于此，发展具有高商业价值的应用终端研制、降低其成本，进一步推动产业后端的发展、提高整个系统的性能，是下一步的工作重点。