國外高吞吐量衛星多樣化業務應用及對衛星設計的影響

文|北京空間科技信息研究所 劉悅

國外高吞吐量衛星多樣化業務應用及對衛星設計的影響

文|北京空間科技信息研究所 劉悅

自 2004年首個高吞吐量通信衛星（HTS）系統——互聯網衛星（IPSTAR）發展至今，歷經了十余年的發展歷程，在軌比例逐年提高，產業收入令人矚目，在寬帶互聯網接入、移動海事和航空領域具有巨大的應用前景，是通信衛星領域發展最快、潛力最大的一類衛星，成為近幾年國內外通信衛星領域的研究熱點。而高吞吐量衛星以市場發展為導向應運而生，系統設計、方案選擇、市場應用無不是以市場驅動為主導，因此對衛星系統的研究不能脫離產業而獨立開展。2016年，我國已經啟動首個全球HTS系統建設，對于相關應用與產業的研究需求將更為迫切。

一、 高吞吐量衛星概念的提出與發展

HTS是2004年以來，隨著全球移動互聯網的發展和個人消費者對“無所不在”的網絡需求，在傳統固定通信衛星（FSS）的基礎上，以市場和產業為主導發展起來的一類先進的通信衛星。該類衛星最早稱為寬帶衛星（Broadband Satellite），這是因為衛星早期以“運行在Ka頻段、吞吐量很高、提供寬帶互聯網接入服務”為特點，隨著衛星能力的增強和服務的多樣化，產業界對于HTS概念的認識也在發生變化。

2008年，美國航天咨詢公司北方天空研究所（NSR）提出了“高吞吐量衛星”的概念，將“采用多點波束和頻率復用技術的衛星，在獲得同樣頻譜資源的條件下，整星吞吐量是FSS數倍的衛星”定義為“高吞吐量衛星”。此后，產業界對于“高吞吐量衛星”的概念逐漸達成了共識：“HTS衛星以點波束和頻率復用為標志，可以運行在任何頻段，吞吐量也有大有小，取決于分配的頻譜和頻率復用次數，可以提供固定、廣播和移動等各類商業衛星通信服務。”

HTS最基本的特征是“多點波束”和“頻率復用”。所謂“點波束”，指的是由特定結構天線產生的、在地面和星上接收到的離散的信號，比起FSS形成的半球波束，點波束的覆蓋范圍僅為300～700km，而FSS衛星的覆蓋范圍在2000km左右。

從2004年首個高吞吐量通信衛星IPSTAR-1發射以來，截至2015年底，全球共計發射了48顆HTS。2010年至2015年底，全球共計發射35顆HTS，是過去6年發射數量的總和（13顆）的近3倍。

從HTS在軌比例來看，根據NSR研究預測，HTS在軌比例將逐年增加。在2011年發射通信衛星當中，HTS衛星占比僅為4%；到2015年增至10%；到2020年，HTS衛星在軌比例將增至23%；到2025年，HTS衛星在軌比例預計將增至34%。

二、高吞吐量衛星的多樣化業務應用

早期的高吞吐量衛星系統的應用開辟了互聯網接入服務市場，但隨著市場和產業發展，HTS系統已經能夠涵蓋FSS和移動業務衛星（MSS）所有業務的類型，主要包括：寬帶互聯網接入、民商甚小孔徑天線衛星網絡（VSAT）、軍用通信服務、干線傳輸和蜂窩回程、航空寬帶接入、海事寬帶接入和直播到戶視頻服務（DTH）共七類業務。

其中，寬帶互聯網接入是目前HTS系統應用最主要的業務類型，主要面向個人消費者提供固定互聯網接入服務。前三代的HTS系統主要提供該類服務，例如：IPSTAR衛星、狂藍-1衛星（WildBlue-1）、阿尼克-F2衛星（Anik-F2）和KA衛星（KA-SAT）系統，這類業務要求HTS系統向更高的吞吐量、更快的數據傳輸速率（主要是下行速率）和更低的數據使用成本方向發展。Ka頻段由于可用帶寬更寬，因而成為提供該類服務HTS系統的主要選擇。

民商VSAT網絡應用較為普遍，涵蓋了多個行業應用，包括：民用政府機構、油氣采礦業、零售業、金融業和企業網絡。IPSTAR、“另外三十億人”衛星（O3b）和阿聯酋衛星（Yahsat）系統主要提供該類服務。這類業務要求HTS向更高的吞吐量、數據傳輸速率和更低的數據使用成本方向發展，對于油氣和采礦業，還對系統的可靠性和可用性提出了要求。

雖然在軌HTS系統以商業系統為主，但也面向軍事機構提供服務。除了傳統的互聯網接入和通信服務，近幾年新興的無人機業務增長潛力巨大。國際移動衛星-5（Inmarsat-5）、國際通信衛星-史詩（Intelsat-Epic）、O3b、Yahsat均將軍方作為重要的客戶來源，這類業務既包括數據傳輸，也包括移動業務，因而除了對吞吐量提出要求以外，對廣大地域的覆蓋，系統頻段（無人機主要運行在Ku頻段）、可用性和可靠性提出了較高的要求。

干線傳輸和中繼業務（Trunking）是一端到另一端的連接，主要是在長途通信中。一般用于遠程網絡接入與主干網。蜂窩回程（Backhual）是將移動信號發射塔或者基站的信號（接入點）回傳給網絡中的提供商的連接，也包括從提供商到核心網的連接。有14個HTS系統將其作為主要的業務類型，其中O3b在話音傳輸方面最為成功，主要是因為該系統的低延遲能力。由于目前大多數衛星系統運行在Ku頻段，因為Ku頻段HTS系統的備份能力最強。

航空和海事寬帶接入業務屬于移動VSAT接入業務，主要面向飛機和船只提供互聯網接入服務。由于多年來該業務存在空白，因此近幾年發展很快，全球主要的HTS系統，例如Intelsat-Epic、歐洲通信衛星-172B（Eutelsat-172B）、Inmarsat-5、歐洲衛星公司-12/14/15（SES-12/14/15）、電星 -12優勢衛星（Telsatar-12 Vantage）和衛訊-2/3衛星（ViaSat-2/3）均將其作為HTS系統的主要業務應用。這類業務對于系統的覆蓋能力、吞吐量提出了很高的要求，Ku頻段和Ka頻段將長期共存。

視頻業務是衛星通信領域利潤最高的業務應用，但提供此類服務的HTS系統較少，提供服務的系統主要有IPSTAR提供本地電視頻道的廣播業務，以及提供新聞采集業務的ViaSat系統、高度適應性衛星（Hylas）系統、KA-SAT系統和Yahsat系統。由于窄點波束并不適合點對多點的業務，因而這類業務對覆蓋能力、吞吐量和成本提出了較高的要求，未來隨著交互式視頻和應用的普及，延遲也成為重要的考慮因素。

三、不同應用對高吞吐量衛星設計的影響

對于HTS運營商來說，沒有任何一種系統設計能夠適用所有的業務應用，不同的應用對系統能力有不同的要求，系統設計的選擇也不盡相同。多樣化的業務應用導致不同的系統設計的選擇，主要體現在三個方面：吞吐量和覆蓋的選擇，頻段的選擇，軌道的選擇。

1.吞吐量和覆蓋的選擇

對于互聯網接入等數據業務，對吞吐量要求較高，而對于航空寬帶接入和海事寬帶接入等業務，則要求更廣的系統覆蓋。系統的吞吐量和覆蓋能力主要取決于點波束的尺寸和星上天線的選擇。點波束尺寸越小，要想實現大面積區域的連續覆蓋，就需要波束數量多，但從實際應用來看，點波束數量并不能無限增加，受限于星上資源（功率、質量和空間）。因此，對于要求吞吐量的業務應用，主要采用窄點波束，提高吞吐量而犧牲覆蓋；而對于要求覆蓋的業務應用，主要采用寬波束，增加覆蓋而犧牲吞吐量。對于一些既要求覆蓋，但又要求具有一定高吞吐量能力的系統，例如Intelsat-Epic，則可通過寬波束實現大面積覆蓋，再通過可移動的窄點波束實現熱點地區的容量增強。

目前，多波束天線主要有兩類：①單饋源單波束天線（SFB）；②多饋源單波束天線（MFB）。SFB的每個饋源喇叭對應一個波束，優勢在于簡化了硬件設備，電性能也較好，代價是為了獲得重疊覆蓋，需要衛星載有更多的反射器。對于采用標準4色頻率復用的系統，一般需要4副反射器實現虛擬重疊。大多數HTS系統采用的都是SFB天線。

MFB通過小的喇叭陣列形成波束，有時還需復雜的波束成形網絡。優勢在于減少攜帶的反射器，這是由于饋源口徑之間存在物理重合，相鄰波束共用喇叭，只需要1副反射器天線就能實現波束重合，從而大幅減少星上天線的尺寸和成本。

對于覆蓋要求高的業務應用來說，SFB天線比MFB的天線增益更高，最為適合。例如，歐洲通信衛星公司（Eutelsat）在2010年發展的KASAT衛星就采用了收發共用的SFB天線；MFB由于需要的反射器較少，特別適用于多用途衛星搭載的HTS有效載荷，因此對于較小的地理區域和多用途HTS衛星，MFB天線應該是最佳選擇。例如，Eutelsat 36C/Express AMU-1衛星，提供3個頻段的多種應用，因而MFB天線更為適合。

2.Ku頻段和Ka頻段選擇

HTS系統主要運行在可用帶寬較大的Ku和 Ka頻段。未來還有可能運行在Q/V頻段。頻段對系統應用的影響主要體現在：①終端尺寸；②服務區域；③網絡性能與成本；④備份能力；⑤信關站、終端、系統和培訓的投資成本。對于工作在偏遠地區和極端條件下的企業級用戶，例如：石油、采礦業、商業海事、政府等對于通信服務可靠性要求較高的服務，更加適合Ku頻段HTS系統，比Ka頻段HTS系統更有優勢。但對于可靠性要求不高的個人用戶消費者寬帶接入業務，Ka頻段HTS系統則更有競爭力。

Ka頻段應用優勢：①資源的可用性，Ka頻段比Ku頻段可獲得性較大，頻率軌位資源是衛星運營商的命脈，因為對于Intelsat這樣擁有全球最大衛星編隊的運營商來說，建設Ku系統是可能的，但對于新興運營商，例如ViaSat，獲取Ka頻段的可能性較大；②Ka頻段的帶寬更寬，一顆Ka頻段衛星能夠為信關站波束分配1100MHz的帶寬；③在晴朗的氣候下，Ka頻段系統比Ku頻段系統性能更好，這是因為Ka頻段HTS衛星系統在設計時就留有較大的鏈路余量用于對抗雨衰。

Ku頻段應用優勢：①Ku頻段系統在軌衛星較多，地面應用也更加非常普遍，因此地面設備由于實現了批產而較為便宜；②Ku頻段系統更容易實現在軌備份，一旦HTS衛星的一個點波束失效，該波束覆蓋地區的用戶都會受到影響，Ku頻段系統則可通過其他Ku頻段衛星替代服務；③Ku頻段系統受雨衰影響較Ka頻段少。

因此，近年來，為了降低雨衰對高頻段HTS系統的影響，發展了一系列抗雨衰技術，例如：大型信關站天線技術、高功率放大器技術、上行功率控制技術（UPC）、端到端功率控制技術（EEPC）、自動水平控制技術（ALC）、自適應調制編碼技術（ACM）、動態速率調整技術（DRA）、多信關站技術。

3.不同軌道衛星部署的選擇

目前大多數的HTS衛星系統運行在地球靜止軌道，從2015年起，出現了一批新興的HTS星座計劃。軌道對系統應用的影響主要體現在：①部署成本；②系統壽命；③可靠性；④時延；⑤覆蓋能力；⑥終端復雜度和成本。對于面向個人消費者的互聯網接入業務，對系統的覆蓋能力要求不高，一般采用地球靜止軌道（GEO） HTS衛星，但對于商業VSAT網絡、干線傳輸和蜂窩回程等對于覆蓋和時延有一定要求的業務，一般采用非GEO HTS星座，移動業務既可采用GEO衛星，也可使用非GEO星座。

GEO HTS系統應用優勢：①單顆衛星系統部署成本較低，一顆靜止軌道HTS系統的部署成本約為4億～5億美元（含發射和保險），系統擴展可以逐顆進行，項目初期風險可控；②可以使用較窄的點波束，對于面向局部地區的互聯網接入服務吞吐量較高；③地面終端設計簡單，無需跟蹤天線，適應于小型化批量生產；④比起低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛星，空間環境較好，一般系統都具有15年以上在軌壽命。

非GEO HTS星座系統應用優勢：①衛星運行的軌道較低，可以提供交互式低延遲服務：GEO系統的服務延遲在250ms，MEO系統延遲在150ms，LEO系統延遲在30～50ms，接近地面光纖通信（10～20ms）和無線通信（10～50ms）的延遲；②由于衛星數量眾多，因此系統的總吞吐量更大，用戶數據使用成本更低：GEO系統為500美元/月，MEO系統為150美元/月，LEO系統為25美元/月，接近地面光纖通信（5美元/月）和無線通信（0.5美元/月）的使用成本；③能夠實現全球覆蓋。對于具有星間鏈路的星座系統，還能實現單跳通信。

國外還出現了一種新的GEO+LEO的發展模式，例如：2015年Intelsat-Epic系統與OneWeb系統的聯合，未來還會有更多的多軌道聯合系統，這對于系統終端天線在不同波束之間的切換提出了更高的要求。目前，O3b系統終端主要通過兩副跟蹤天線跟蹤并同時在衛星之間切換，波束切換主要是“硬切換”（以機械的方式進行），終端設備非常昂貴，適用于運行在MEO的衛星數量有限的HTS系統。對于LEO系統或GEO+LEO系統，目前國外出現了“超材料”天線產品，例如，凱米塔公司（Kymeta）的超材料表面天線（MSA-T），類似PCB板樣式的電路板，與傳統饋源相連，可以通過調節數千個亞波長諧振器的方式，改變波束的形狀和方向的目的。這使得天線具備相控陣天線的能力，而無需移相器、相關的放大器，及其他部組件。

四、未來發展趨勢

根據歐洲咨詢公司預測，未來HTS系統容量需求將從2015年的340Gbit/s增長到2024年的2000Gbit/s，年復合增長率約為22%。與此同時，HTS系統供應也在同步增長，預計到2020年，HTS容量供應將達到約2900Gbit/s。2015年，HTS系統容量收入約為11億美元，比2014年增長了1.6億美元，預計到2024年將達到62億美元，年復合增長率約為18%。

[1]http://www.yahsat.ae.

[2]http://www.viasat.com/broadband-satellitenetworks/viasat-1.

[3] http://www.eutelsat.com/satellites/9e_ka-sat.html.

[4]http://www.spacenews.com/launch/120706-echostar17-healthy.html.

[5]http://www.space-travel.com/reports/Avanti_ announces_successful_launch_of_its_HYLAS_2_ Satellite_999.html.