Ka寬帶衛(wèi)星通信
——我國應(yīng)急通信發(fā)展的新方向

· 文|中國衛(wèi)通集團有限公司 沈永言

Ka寬帶衛(wèi)星通信
——我國應(yīng)急通信發(fā)展的新方向

· 文|中國衛(wèi)通集團有限公司 沈永言

衛(wèi)星通信是應(yīng)急通信的重要支撐，Ka寬帶衛(wèi)星通信是衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。國際上，衛(wèi)星應(yīng)急通信已經(jīng)進入Ka階段。相比于C、Ku頻段，Ka衛(wèi)星應(yīng)急通信的容量更大、終端更小、性價比更高、市場門檻更低、網(wǎng)絡(luò)使用更加靈活。中星16號和中星18號Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)將把我國衛(wèi)星應(yīng)急通信帶入新的階段。

Ka寬帶衛(wèi)星通信 應(yīng)急通信

一、前言

應(yīng)急通信得到全社會的廣泛關(guān)注，是我們國家進步和發(fā)展的一個重要體現(xiàn)。應(yīng)急通信主要應(yīng)用于抗災(zāi)減災(zāi)、突發(fā)事件、重大活動、新聞采集、國防軍事等各個方面，終端有車載、船載、機載、便攜單機等各種形式。不管如何應(yīng)用，其目的都是為了經(jīng)濟、生命損失的最小化，社會效益的最大化。

應(yīng)急通信的基本特點是通信時間、地點具有隨機性、緊急性，通信服務(wù)保障要具有靈活性、可靠性。與地面通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星通信在覆蓋區(qū)域、傳輸能力、應(yīng)用種類、建設(shè)速度、容災(zāi)性能、操作搬移等方面都具有明顯優(yōu)勢，因而成為應(yīng)急通信的主要支撐方式，這在近年來全球各地重大災(zāi)難救援過程中已得到了充分的驗證。

應(yīng)急通信系統(tǒng)是信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和特定應(yīng)用形式。由于用戶數(shù)量、使用頻次、應(yīng)用種類、高清視頻等因素的共同推動，信息網(wǎng)絡(luò)在不斷向?qū)拵Щ较虬l(fā)展，如光纖寬帶（OTN、EPON、GPON）、移動寬帶（3G、LTE、4G）等。同樣，衛(wèi)星通信以及衛(wèi)星應(yīng)急通信也要向Ka頻段高通量衛(wèi)星（HTS）方向發(fā)展。這不僅是為了適應(yīng)通信需求變化的需要，也是為了擺脫衛(wèi)星通信自身日趨嚴重的C/Ku頻段軌位和頻率資源困境的需要。

二、Ka寬帶衛(wèi)星通信的基本特點、發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)急應(yīng)用展望

1．基本特點

（1）高頻段

相對于C、Ku等傳統(tǒng)頻段，Ka可用頻率資源最為豐富，高達3.5GHz，因而為衛(wèi)星通信的寬帶化提供可觀的拓展空間。

（2）抗干擾

除了頻率資源豐富之外，頻段高的第二個好處是遠離一般地面通信系統(tǒng)所在的頻率范圍，具有天然的高抗干擾性能。

（3）雨衰大

與頻率資源豐富、抗干擾性能好相對應(yīng)的不利因素是Ka頻段雨衰相對較大。然而，自動功率控制、自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)的進步已使雨衰問題得到有效克服。

（4）點波束

為了滿足日益增長的通信帶寬需求，Ka寬帶衛(wèi)星幾乎清一色地采用點波束、頻率復(fù)用來擴展系統(tǒng)傳輸能力。通常，其頻率重復(fù)利用次數(shù)在20次以上，這成為衛(wèi)星通信容量的主要來源，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)區(qū)域波束與Ka點波束的區(qū)別

（5）需切換

點波束的應(yīng)用必然帶來了機載“動中通”等應(yīng)用時的越區(qū)切換問題，對此，終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)必須有所應(yīng)對。

（6）小終端

Ka高頻段信號內(nèi)在的高增益使得用戶終端得到進一步縮小，從而加強了實際應(yīng)用的便利性和普遍性。

（7）大容量

豐富的頻率資源以及點波束和頻率復(fù)用技術(shù)的綜合運用，使得Ka寬帶衛(wèi)星通信的系統(tǒng)容量得到數(shù)十倍甚至百倍以上的提高，與此同時，衛(wèi)星系統(tǒng)造價并未有顯著變化。在VSAT網(wǎng)絡(luò)方面，其傳輸速度已接近4G水平，這使得整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性價比和市場競爭力得到大大提高。

（8）星狀網(wǎng)

在透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下，點波束的應(yīng)用內(nèi)生性地決定了Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)星網(wǎng)一體化設(shè)計要求和星狀拓撲結(jié)構(gòu)。

（9）多關(guān)口

饋電鏈路頻率的復(fù)用、用戶的本地化接入、地面關(guān)口站的信息處理能力等因素，要求Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)要設(shè)置多個地域分布的關(guān)口站。不同關(guān)口站之間通過地面光纖網(wǎng)絡(luò)相互連接，以形成一個完整的信息網(wǎng)絡(luò)。

（10）應(yīng)用廣

Ka寬帶衛(wèi)星通信的星狀結(jié)構(gòu)特別適合提供寬帶接入直接到戶（DTH）、基站中繼、IP中繼、內(nèi)容分發(fā)、新聞采集、應(yīng)急通信，以及機載、船載和車載類“動中通”等商對客（B2C）型應(yīng)用。由于關(guān)口站之間的互聯(lián)互通，它同樣可以提供其他網(wǎng)狀型應(yīng)用。

（11）模式多

Ka寬帶衛(wèi)星通信的星網(wǎng)要一體化設(shè)計導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)運營模式的多樣化。根據(jù)美國iDirect公司的觀點，Ka寬帶衛(wèi)星通信的價值鏈由衛(wèi)星運營、電信港設(shè)施、關(guān)口站設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)運營、服務(wù)提供、終端用戶等環(huán)節(jié)組成。這些環(huán)節(jié)的不同組合大致形成了垂直一體化運營、分銷批發(fā)運營、虛擬運營、獨立運營等模式。

2．發(fā)展現(xiàn)狀

（1）總體情況

到目前為止，Ka寬帶衛(wèi)星通信已經(jīng)發(fā)展了兩代系統(tǒng)。第一代以加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）的Anik-F2、泰國衛(wèi)星通信公司（Thaicom）的IPstar、美國衛(wèi)訊公司（ViaSat）的WildBlue-1、美國休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司（Hughes）的Spaceway-3等為代表，系統(tǒng)容量基本在10Gbit/s左右；第二代以歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）的Ka-Sat、ViaSat的ViaSat-1、Hughes的Jupiter-1等為代表，系統(tǒng)容量100Gbit/s左右，可支持200萬～300萬用戶。

Ka寬帶衛(wèi)星通信市場發(fā)展最好的當屬北美和歐洲。到2012年底，Hughes共擁有65.9萬用戶。2013年3月底，ViaSat Exede12擁有51.2萬用戶。Eutelsat和SES分別擁有10多萬戶。全球最大的衛(wèi)星直播電視公司——DirecTV已經(jīng)大量采用Ka寬帶衛(wèi)星用于本地化、高清電視直播。此外，國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）、國際移動衛(wèi)星公司（Inmarsat）都在加緊建設(shè)各自的Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

目前，在軌全Ka寬帶衛(wèi)星有20余顆，到2016年全球Ka頻段商用通信衛(wèi)星將達50顆左右。歐洲咨詢公司預(yù)測，2018年，Ka頻段需求將占總需求的14％。北方天空研究公司（NSR）預(yù)測，到2021年，全球HTS的總需求容量達750Gbit/s，寬帶接入用戶總數(shù)將達到810萬。

（2）相關(guān)應(yīng)用

·機載通信

在Ka寬帶衛(wèi)星通信各種類應(yīng)急通信應(yīng)用中，機載通信最引人注目。機載衛(wèi)星通信始于2008年。最初，美航采用的是Ku頻段。到目前為止，美國三分之二的民航飛機提供了此項服務(wù)。2013年6月，ViaSat公司開始與LiveTV合作，基于ViaSat-1 Ka寬帶衛(wèi)星，向美國捷藍航空170架飛機和大陸航空公司200多架飛機提供寬帶服務(wù)。預(yù)計，此服務(wù)每個乘客的下載速度可達12Mbit/s或更高，此項工程將于2015年完成。此外，ViaSat也在與美國波音公司合作，在波音商用飛機上預(yù)裝Ka寬帶衛(wèi)星通信機載終端；與以色列航空合作，基于歐洲Ka-Sat Ka衛(wèi)星，在歐洲和中東地區(qū)提供航空寬帶服務(wù)。2012年12月，Inmarsat與Gogo開始合作，共同提供GX Ka頻段航空寬帶服務(wù)。2013年1月，Eutelsat與LiveTV合作，向歐洲商業(yè)航空公司的乘客提供Ka寬帶服務(wù)—“Eutelsat Air Access”，每架飛機的連接速度可達100Mbit/s。

·船載通信

與C、Ku頻段相比，Ka具有更高的增益和G/T值，終端天線更小，因而有利于加裝天線罩，以有效避免海上風暴和鹽霧等惡劣環(huán)境對衛(wèi)星天線的不良影響。2015年中期，Inmarsat-5 Global Xpress Ka寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)運行后，海事衛(wèi)星船載通信應(yīng)用將從L頻段向Ka遷移。憑借50Mbit/s的下行速度和5Mbit/s的上行速度， Inmarsat不僅將可以向船員提供寬帶上網(wǎng)、在線購物、遠程醫(yī)療等服務(wù)，還可以進行視頻監(jiān)控，這將成為全球海事寬帶衛(wèi)星通信的新標準。

·車載通信

一直以來，汽車是各種“動中通”和“靜中通”衛(wèi)星通信應(yīng)用中的最普通平臺。然而，今天車載平臺已擴展到火車，甚至高鐵。例如，以色列Orbit公司已經(jīng)開發(fā)出可運行于Ka頻段，能夠有效應(yīng)對鐵路電磁干擾、鐵磁影響等特殊環(huán)境的高鐵“動中通”天線——RailTRxTM2-500，以迎接高鐵Ka寬帶衛(wèi)星通信時代的到來。除了具備常規(guī)“動中通”天線所必須的自動跟蹤功能外，RailTRxTM2-500還充分考慮了火車通過涵洞或車站時由于信號遮擋所引發(fā)的瞬時重新捕捉。

·基站中繼

衛(wèi)星基站中繼不僅是移動運營商組網(wǎng)的基本需要，更是移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信的必要保障。伴隨著全球移動通信從2G、3G向LTE、4G的整體遷移，從2013年開始，全球衛(wèi)星基站中繼技術(shù)模式已開始從運行于C、Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的老解決方案——SCPC和TDMA，向基于Ka的HTS、O3b衛(wèi)星等下一代解決方案升級。例如，IPstar、Hughes、O3b、Intelsat、Inmarsat等衛(wèi)星運營商都在積極開拓LTE、4G基站中繼市場。

·新聞采集

新聞采集是應(yīng)急通信中應(yīng)用最多的種類之一。2012年3月，Eutelsat開始基于Ka-Sat衛(wèi)星，為歐洲及地中海盆地各國廣播機構(gòu)推出一種名為NewsSpotter的新型Ka頻段新聞采集（SNG）服務(wù)。NewsSpotter有三種版本的用戶終端：①背包式小型終端，重量在5～10kg之間，需要手動對星，天線口徑為60～70cm；②小型汽車緊湊型終端，可自動對星，天線口徑為75～90cm；③安裝在耐用的車輛上的終端，可用于崎嶇不平的地區(qū)，天線口徑為75～120cm，如圖2所示。此后，英國BBC和BskyB公司、盧森堡RTL以及意大利RAI等廣播機構(gòu)已經(jīng)在歐洲測試了NewsSpotter傳輸系統(tǒng)，而丹麥TV2公司已將NewsSpotter集成到廣播基礎(chǔ)設(shè)施之中，以提升其新聞采集能力。

圖2 NewsSpotter用戶終端

2012年4月，ViaSat通過ViaSat-1衛(wèi)星，為美國各地廣播機構(gòu)推出Exede新聞采集。當年11月，芝加哥WLS電視臺和休斯頓KTRT電視臺成功完成了Exede新聞采集應(yīng)用測試，該測試是通過帶有單個75cm Ka天線終端的SNG車完成。

Eutelsat和ViaSat采用的VSAT網(wǎng)絡(luò)都是ViaSat的SurfBeam2系統(tǒng)，其回傳速度可達20Mbit/s。它們同時展現(xiàn)了Ka寬帶衛(wèi)星通信在新聞采集方面所具有的小型、移動、快速、簡單、大容量、經(jīng)濟、應(yīng)用廣泛等多種優(yōu)勢。

3．應(yīng)急通信展望

Ka寬帶衛(wèi)星通信在機載、船載、車載、基站中繼、新聞采集等方面的應(yīng)用和發(fā)展，表明了衛(wèi)星應(yīng)急通信已經(jīng)進入Ka時代。實際上，2014年7月1日，ViaSat和Eutelsat共同宣布，兩家公司將相互利用對方資源，提供機載、海事船載、緊急救援、石油天然氣及政府等服務(wù)。值得注意的是，這些都是商業(yè)級的應(yīng)用，可見困擾Ka頻段衛(wèi)星通信固有的雨衰以及由于點波束而產(chǎn)生的“動中通”越區(qū)切換等問題已經(jīng)得到有效的解決。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)相比，Ka寬帶衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：①容量大：可以傳送標清、甚至高清視頻，在必要時，可以同時傳輸多路視頻，從而有效提高應(yīng)急通信的質(zhì)量和水平；②終端小：更容易裝備、攜帶和使用；③性價比高：可以大幅降低應(yīng)急通信系統(tǒng)的運行成本和行業(yè)進入門檻；④無需單獨建網(wǎng)：Ka寬帶衛(wèi)星通信是星網(wǎng)一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)急單位或部門無需單獨建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，就可以直接使用。

就整個衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式來講，并沒有因為Ka寬帶衛(wèi)星通信的引用而發(fā)生根本的改變。衛(wèi)星應(yīng)急通信能否順利向Ka升級，很大程度上取決于各種適用終端天線的供應(yīng)。目前，有很多Ku、Ka頻段平板陣列終端天線廠商，比較知名的有Row44、Panasonic、Gogo、ViaSat等。Ka寬帶衛(wèi)星通信的小終端以及新一代平板陣列天線的低輪廓特征，使得它們更容易裝備于飛機、汽車、輪船、火車等移動平臺之上。新的Ku、Ka雙頻段集成式饋源網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)一副天線跟蹤Ku或Ka頻段衛(wèi)星，這就為衛(wèi)星應(yīng)急通信從Ku向Ka平滑過渡，以及兩種網(wǎng)絡(luò)的相互備份、融合應(yīng)用創(chuàng)造了十分有利的條件。

三、我國自主Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)情況

我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中星16號 Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在緊鑼密鼓地建設(shè)之中。該系統(tǒng)具有26個用戶波束、3個饋電波束，在北京、成都和喀什三地設(shè)置了三個關(guān)口站，衛(wèi)星將于2016年底發(fā)射。中星16號Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖3。與目前國際先進的衛(wèi)星相比，中星16號 Ka寬帶衛(wèi)星的系統(tǒng)容量、區(qū)域覆蓋等還相對有限，隨后建設(shè)的中星18號Ka寬帶衛(wèi)星將對此進行全面的補充和完善。屆時，除了我國陸地、北海、東海、南海都可以全部覆蓋之外，還有幾個海洋移動波束可以用于機動應(yīng)用。這將為我國應(yīng)急通信提供大范圍、全時空的系統(tǒng)保障。同時，作為Ka寬帶衛(wèi)星的運營商，中國衛(wèi)通集團有限公司將有能力從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺、系統(tǒng)集成、人員保障等各個方面，為我國衛(wèi)星應(yīng)急通信事業(yè)提供更為全面、可靠的服務(wù)。

圖3 中星16號Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

四、結(jié)語

市場環(huán)境變化和通信技術(shù)發(fā)展決定了衛(wèi)星應(yīng)急通信必然向Ka寬帶衛(wèi)星通信方向演進。從全球來看，Ka寬帶衛(wèi)星應(yīng)急通信已經(jīng)成為現(xiàn)實。中星16號和中星18號Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)將為我國衛(wèi)星應(yīng)急通信和整體應(yīng)急通信提供更為強大的支撐。