高通量衛星通信系統設計因素分析

● 文 ｜ 中國衛通集團有限公司　王麗君

?

高通量衛星通信系統設計因素分析

● 文 ｜ 中國衛通集團有限公司王麗君

高通量衛星利用多點波束頻率復用等方式，大幅提高衛星傳輸容量的同時，顯著降低了單位帶寬的成本。高通量衛星從21世紀初誕生到現在，迅猛的發展態勢已經令世人矚目。

高通量衛星最大的特點就是容量大，其大容量主要通過多點波束及頻率復用實現，高通量衛星的頻率復用像是將地面的蜂窩設計搬上衛星，通過復用，可以實現頻率倍增，每顆衛星得到了常規衛星數倍或數十倍的可用頻率資源，大大降低單位帶寬的成本。高通量衛星在寬帶接入、數據中繼、基站回傳、航空船載娛樂等方面都得到了廣泛應用。

一、高通量衛星系統概況

到目前為止，全球約40家衛星運營商中，已經有26個衛星運營商投資超過60顆高通量衛星或部分載荷。

有的高通量衛星采用Ka頻段多點波束頻率復用，如美國衛訊公司（ViaSat）的ViaSat-1、休斯網絡系統公司（Hughes）的Jupiter-1、歐洲通信衛星公司（Eutelsat）的Ka-sat等；有的高通量衛星采用C/Ku頻段多點波束頻率復用，如正在建設中的國際通信衛星公司（Intelsat）的Epic系統、Measat-2A、ABS-2A等。

有的高通量衛星系統是全球布局，如Inmarsat-5、Intelsat的Epic系統；有的系統是區域布局，如Eutelsat的Ka-sat、阿聯酋衛星通信公司（Yahsat）的Yahclick等。

有的高通量衛星點波束大、覆蓋范圍大，如O3b衛星的一個點波束直徑約700km；有的高通量衛星點波束小，如Viasat-1衛星的一個點波束直徑約350km。

有的高通量衛星采用固定波束，如IPStar、Yahsat-1B、Hylas-1/2等；有的高通量衛星波束可以靈活調整，Spaceway-3采用相控陣天線，波束大小、指向、功率可以調整，O3B則是每個波束都有獨立的可移動天線。

有的高通量衛星設計成專用星，如Ka-sat、Jupiter-1等；有的則搭載在傳統衛星上，如Eutelsat 36C搭載了18個Ka點波束覆蓋非洲、PSN-6搭載了8個Ku點波束覆蓋印尼。

總之，高通量衛星通信系統設計在不斷推陳出新。

二、高通量衛星系統設計因素分析

1.市場因素

“市場需求推動產品革新，產品革新帶動市場需求”的理論同樣適用于衛星通信市場。寬帶、移動、空地一體、全球化是通信發展的大趨勢，衛星通信作為無線通信領域的一種通信方式，同樣面臨著高速化、寬帶化、移動性、空地一體、全球化的市場需求推動，高通量衛星的設計與市場需求密不可分。

O3b系統彌補市場需求空缺是O3b業務快速開展的前提。O3b系統具有可移動點波束設計、低延時特性、目標市場主要針對數據中繼和基站回傳業務，一方面可以彌補地面光纜無覆蓋的市場需求空缺，另一方面與現有昂貴的洲際光纜和傳統衛星中繼比有價格上的競爭優勢。

國際移動衛星公司（Inmarsat）是全球最大的移動衛星服務（MSS）運營商，也是唯一一家提供高通量衛星服務的MSS運營商。多年來，Inmarsat在船舶安全和通信服務方面具有壟斷地位，然而隨著近年來船舶和航空領域的寬帶化通信需求，Inmarsat的第四代BGAN系統速率低（最大共享帶寬不超過500kbit/s），遠遠不能滿足市場需求，于是Inmarsat設計了第五代Inmarsat GX衛星通信系統，包括4顆同步軌道Ka衛星，Inmarsat因此實現了從低頻窄帶L頻段到高頻寬帶Ka頻段通信的業務擴展。

ViaSat和Hughes緊抓個人寬帶接入在北美的需求，在Wildblue和Spaceway-3個人寬帶接入市場得到熱捧時順勢而為，ViaSat設計制造了ViaSat-1，Hughes設計制造了Jupiter-1；在看到北美市場的個人寬帶業務需求還有更廣闊的天地時，ViaSat和Hughes又分別設計了ViaSat-2和Jupiter-2。

目前航空和船舶等移動載體的寬帶和娛樂需求不斷涌現，Intelsat 33E、Eutelsat 172B、SES-14、Telesat 19V等衛星根據市場需求設計了航線波束。

2.政策因素

國際上有很多在政府支持下開展的高通量衛星項目。

中國衛通集團有限公司作為中國通信衛星運營的國家隊，順應市場需求，在政府的支持下已經啟動了Ka寬帶衛星項目，該衛星將于2017年一季度發射，主要服務區在中國本土和鄰近海域。

NBN公司是澳大利亞政府于2009年成立的公司，該公司的目標就是為澳大利亞提供寬帶互聯網服務，為澳大利亞全國提供普遍寬帶服務并消除“數字鴻溝”。2012年開始，NBN與美國勞拉空間系統公司（SS/L）和ViaSat分別簽訂了2 顆高通量衛星NBN-1A和NBN-1B以及地面配套設備協議，NBN-1A已于2015年10月1日發射成功，NBN-1B計劃2016年發射，容量可達90Gbit/s。

RSCC是俄羅斯國有衛星運營商，該公司于2015年7月成功發射了Express-AM6/AM5衛星，分別攜帶12個Ka點波束高通量載荷，覆蓋俄羅斯；RSCC與Eutelsat合作制造的Express-AMU1（Eutelsat 36C）衛星已于2015年發射，該衛星也攜帶部分Ka點波束高通量容量，RSCC的高通量衛星主要用于開展俄羅斯的寬帶業務。

Insat是印度國有衛星運營商，在政府支持下啟動了2顆高通量衛星項目GSAT-11和GSAT-Ka，該公司高通量衛星項目為印度本土提供寬帶業務。

Visiona是巴西國有衛星運營商，2013年該公司與泰雷茲公司簽約購買1顆X和Ka頻段的衛星，該衛星為巴西的“靜止戰略和國防通信衛星”項目，X頻段轉發器作為國防用途，50個Ka頻段轉發器服務于“國家寬帶計劃”。

3.頻段與雨衰因素

（1）軌位資源問題

軌道位置是稀缺資源，傳統通信衛星使用的C 和Ku軌位資源早已飽和，相比較而言，Ka的軌位寬松很多，Ka軌位直到近些年才開始變得熱門。

目前大部分運營商選用Ka頻段，原因是Ka頻帶寬、復用率高、吞吐量大，更適合做寬帶接入業務。也有的運營商是因為沒有更多合適的Ku軌位，不得不選Ka；還有的運營商是因為國家戰略考慮或其他原因。

一些公司選擇Ka作為高通量衛星的工作頻段，是因為其軌位已經有多年運行的Ku頻段業務，利用Ku/Ka多星共軌，可以提高同一個軌位的資源利用率，帶來更大的鄰居效應。例如，Eutelsat的Ka-sat選擇在9°（E）工作，與熱鳥衛星共軌，不僅可以提高軌位的效率，還可以通過原有的衛星直播到戶（DTH）業務擴大市場，用戶可以使用Ku/Ka共用天線，電視直播和寬帶接入用途合二為一。

選擇Ku頻段作為高通量衛星的工作頻段，首先運營商需要有可用的Ku軌位資源，Intelsat的Epic系統選擇以Ku頻段為主的高通量設計，因為Intelsat的Ku軌位資源豐富，衛星間的業務調整容易。其次還要考慮業務定位和雨衰問題，Ka適合做寬帶接入，Ku更適合可靠性要求高的政府企業用戶。IPstar用戶波束是Ku頻段，因為IPstar是以東南亞為重要覆蓋區的衛星，東南亞降雨量大，Ku頻段比Ka頻段更有優勢。

（2）雨衰問題

雨衰問題應該說是Ka頻段最大的短板，Ka頻段比C/Ku頻段頻率高，頻率高降雨衰減急劇加大。C頻段可用度最高，無論上行還是下行，雨衰量很小，即便在降雨量大的城市，上下行鏈路備余量3dB可以達到4個9可用度（99.99%）；Ku頻段的雨衰比C頻段大一個量級，對于降雨很少的區域，可以達到4個9可用度，降雨量大的城市如廣州滿足4個9可用度比較困難；Ka頻段對于極少降雨的地區，滿足4個9可用度需要的雨衰備余量比較大，其他大部分地區不可能達到4個9可用度，降雨多的城市（如廣州）即便是3個9可用度（99.9%）都很難達到。

對于雨衰大的問題，目前技術上主要采取加大天線口徑和自適應編碼調制（ACM）技術方式來進行補償。

有幾種通信方式特別適合Ka頻段高通量衛星開展業務，如機載通信，由于飛機除了起飛和降落基本都在對流層上方飛行，機載通信可以避免惡劣天氣或降雨等因素的影響。另外Ka頻段適合于全年降水少的區域以及對可用度要求低的業務或非實時業務，比如個人寬帶接入、數字影院、節目交換等業務。

4.覆蓋與速率因素

衛星的波束覆蓋主要取決于運營商目標市場定位，在載荷能力一定的情況下，每個點波束大，衛星整體覆蓋范圍大；相反，每個點波束小，衛星整體覆蓋范圍小。覆蓋大小哪個更好沒有唯一標準，需根據業務需求而定。

例如，將衛訊公司的ViaSat-1和Intelsat公司的Epic 29E進行比較：ViaSat-1利用72個小點波束覆蓋了美國東部以及西海岸和加拿大小部分地區，面積大約為美國國土的一半；Epic 29E利用多個點波束覆蓋了南北美大部分地區和北大西洋航線，覆蓋面積是ViaSat-1的7倍左右，但ViaSat-1提供的用戶速率比Epic大。2顆高通量衛星的波束與覆蓋設計不同，主要原因是2顆衛星的市場定位不同：ViaSat-1目標市場就是個人寬帶接入業務，覆蓋了美國人口密集的區域，縮小每個點波束的覆蓋范圍，可以提高每個點波束的服務速率，提高每個點波束的吞吐量；Epic 29E的目標市場是政府和企業用戶及航空娛樂業務，覆蓋范圍大，每個點波束的覆蓋面積大，更方便多種業務的靈活應用，大大降低了風險，在一個大點波束范圍內找到客戶的難度比一個小點波束找到客戶的難度小，保證每個點波束都可以出租出售帶來經濟效益，避免因為點波束太小找不到合適的用戶而空載運行。

再如，將O3b和Inmarsat GX兩個衛星星座進行比較，O3b的點波束少，每顆衛星12個可移動點波束（10個用戶波束、2個關口站波束），但是每個點波束的吞吐量高，單向速率600Mbit/s；Inmarsat GX的用戶波束多，每顆衛星有89個用戶點波束，每個波束的吞吐量小，單向速率50Mbit/s。O3b以離散點覆蓋為主，用戶在哪兒，點波束覆蓋指向哪兒；Inmarsat GX是全球全面覆蓋，無論用戶在哪兒，都可以覆蓋。O3b的總吞吐量比Inmarsat-5的吞吐量大。O3b目標客戶是高速中繼和基站回傳業務，Inmarsat GX的目標客戶是船舶航空等移動客戶的通信和娛樂。

5.容量分配因素

高通量衛星的容量分配直接影響高通量衛星容量的利用率，從而影響高通量衛星的收益。設計時盡量避免有的點波束容量用盡，而有的點波束容量閑置，避免波束間冷熱不均。合理分配容量不僅需要對市場進行深入的調研，還需要有準確的前瞻性。

容量分配的冷熱不均在目前高通量衛星項目中普遍存在。如Ka-sat在西歐的點波束已經飽和，但在其他區域的點波束卻比較空閑，所以Eutelsat一直在調整市場策略；IPStar在澳大利亞波束飽和不能發展新用戶的同時，中國波束卻長期閑置；ViaSat和Hughes也同樣存在波束冷熱不均的問題，所以兩家公司打造的新衛星不僅彌補現有衛星波束冷熱不均的問題，而且將之前沒覆蓋的美國中部區域完全覆蓋。

O3b的衛星系統設計，利用了靈活的可移動點波束，用戶需求在哪里衛星天線就可以指向哪里，O3b目前已經發射12顆衛星，衛星數量也可以根據需要繼續增加到20顆，波束覆蓋可以根據需求調整，避免了因為固定波束設計帶來的冷熱不均，影響衛星吞吐量的利用率。

6.柔性設計

因為衛星的載荷受衛星總質量、功率和衛星結構空間的限制，衛星的柔性設計和吞吐量往往存在矛盾。柔性設計必然會增加一些額外衛星質量開銷。例如Hughes的Spaceway-3是一顆載荷柔性設計很到位的衛星，衛星利用相控陣天線，可以實現波束大小、指向、功率的調整，波束間可以實現帶寬共享等設計，載荷的靈活性很高，但是Spaceway-3的吞吐量是10Gbit/s，比早2年發射的IPstar（45Gbit/s）的吞吐量少得多。在Spaceway-3提供業務后，容量快速用盡，所有的柔性設計起不到太大作用。所以后來的ViaSat-1和Jupiter-1都沒有采用復雜的柔性載荷設計，把重點放在吞吐量的提升上，帶來了更大的經濟效益。

目前很多運營商更喜歡采用可移動點波束和波束交鏈等技術，因為衛星要在天上工作十幾年，很多市場情況很難預測，為了避免市場風險，提高衛星的靈活性，搭載可移動點波束，做幾個波束交鏈，利用這樣的折衷方法，額外付出的代價也不大。

7.搭載載荷與專用星的選擇

目前全球高通量衛星中，搭載高通量載荷比發射專用高通量衛星多。專用星由于吞吐量利用率高，所以投資回報率高，但經營風險大；搭載高通量載荷投資回報率相對低些，但經營風險也小。

目前四個典型的高通量專用衛星系統運營得很成功，Jupiter-1、ViaSat-1、Ka-sat、IPStar單顆星年收入都是過億美元，這樣豐厚的收益是1顆傳統衛星百分百出租都不能匹敵的。然而專用高通量衛星市場并不是一帆風順的，全球第一顆高通量專用星IPStar的銷售經歷坎坷，從最開始的封閉經營模式不得不放開將部分波束廉價轉手給其他商家。Ka-sat在最初的兩年收入情況比預期差很多，Eutelsat及時調整了市場策略，打開了銷售渠道才創造出良好的業績。

搭載部分高通量載荷可以降低市場風險，高通量載荷銷售情況好，可以錦上添花，銷售情況不好也不至于全盤皆輸。有些公司先投資搭載高通量載荷做市場嘗試，西班牙Hispasat公司在Amazonas-3上搭載了9個高通量Ka點波束，在看到南美市場前景非常樂觀的情況下，馬上投資建設了Amazonas-4B高通量專用Ka衛星。

8.運營模式與設備兼容因素

運營模式分兩種，即封閉運營模式和開放運營模式。封閉運營模式下吞吐量利用率高，收益高但風險大，設備很難兼容。開放運營模式下收益低但風險小，收入有保障，與傳統衛星設備兼容好，靈活性高。

采用封閉運營模式的高通量衛星系統，大多數采用非對稱設計，也就是前向信道帶寬大而回傳信道帶寬小，此種設計主要服務對象是寬帶接入業務，例如ViaSat、Hughes、Ka-sat、Yahclick系統。封閉運營模式帶寬利用率高、吞吐量大，關口站復雜建設成本高，需要健全的用戶支撐服務體系（數萬或更多用戶的安裝、調試、計費、報修、咨詢客服等）。這種高通量衛星很難實現系統間的兼容。

采用開放運營模式的高通量衛星系統，多采用和傳統衛星一樣的對稱設計，主要是銷售轉發器帶寬，業務管理類似于傳統衛星，不需要強大的用戶支撐服務體系。此類模式與傳統衛星設備兼容，用戶不需要更換設備就可以轉網到這類高通量衛星使用。采用此設計的高通量衛星有Intelsat的Epic系統、SES公司的SES-12/14/15衛星等。

三、結束語

總之，高通量衛星是衛星制造業和發射業發展到一定階段的產物，充分凝聚了科技進步的精華。高通量衛星的設計是一個系統的工程，沒有最完美，只有最適合，設計出適合市場需求的高通量衛星系統，才能被市場認可與接受，才能創造出更好的經濟效益和社會效益。

泰國首都曼谷Pleiades衛星融合影像圖

該圖（成像時間2016年1月2日）為泰國首都曼谷Pleiades衛星融合影像圖，分辨率為0.5m。

空客防務與空間-地理信息供圖