天基通信系統在智慧海洋中的應用研究

王權 劉清波 王悅 熊越 袁麗

(航天恒星科技有限公司,北京 100095)

海洋幅員遼闊、資源豐富,全球諸多國家紛紛認識到了海洋的重要性,都在積極開展海洋的建設應用,力爭成為海洋強國。通信系統作為通信基礎設施,在海洋建設應用中起著舉足輕重的作用,而天基通信系統作為海洋通信的主力手段,也逐漸受到更多的重視。許多國家都在大量發射、應用覆蓋海洋的通信衛星,結合使用地面系統與終端,保障海洋各級各類用戶隨遇接入、信息隨處可達。國外使用較為廣泛的是“海事衛星”(Inmarsat)通信系統(高軌)和“銥”(Iridium)衛星通信系統(低軌),高軌＋低軌基本可實現全球覆蓋。

我國提出智慧海洋工程建設方案,其總體規劃要實現海洋通信泛在隨行,秉持軍民融合、協同發展、自主可控、開放合作的建設原則,達到全要素全天候自主通信能力的建設目標,形成空天地海一體的海洋信息通信保障能力。目前,我國海洋通信已應用現有天基衛星和地面有線/無線等通信手段,能滿足一定程度的服務應用,但在通信覆蓋和容量上還存在嚴重不足,無法滿足智慧海洋的發展需求,而海洋地域及環境的特性決定了天基通信是不可或缺的手段,因此急需天基通信系統的發展支撐。建設應用于智慧海洋的天基通信系統,可彌補現有通信手段的不足,解決其日益增長的信息傳輸需求,對海洋權益維護與安全保障、海洋政務管理利用、海洋經濟開發與利用、海洋公共服務等能力提升具有重要意義。

本文通過研究智慧海洋對通信的需求與現狀,結合我國天基通信的發展規劃,提出高軌＋低軌的天基通信系統思路與架構,重點研究相關技術途徑,結合海洋應用需求與技術發展分析可提供的應用服務種類,可為智慧海洋各通信節點提供寬帶通信、航海監視、海洋信息分發、海洋萬物互聯等服務。

1 智慧海洋需求與通信能力現狀

1.1 智慧海洋需求

智慧海洋需要提供各類服務應用,因而存在大量的數據傳輸需求,主要包括感知系統獲取數據和人員通信數據。感知系統獲取的數據包括目標識別、海洋環境監測(溢油、工業廢水排放、海水懸濁物、大氣污染物)、海洋魚情監測、基礎海情海況監測(海面水色、水溫、風場、海浪、海流、潮汐)、海島礁變化監測、海島礁立體測繪等,可通過天基、空基、地基和海基的感知手段獲得大量的數據信息。人員通信數據包括語音、視頻和文件數據。感知系統獲取的數據很大部分是要實時傳輸的,例如浮標、岸基站、船載等小數據量,以及視頻監控、溢油雷達、無人機、衛星遙感等大數據量,再加上人員通信的數據量,對通信系統提出了非常高的要求。圖1為天空地海一體化感知數據。

圖1 天空地海一體化感知數據Fig.1 Perceptual data of space-based,sky,ground and sea-based

海洋通信節點眾多,涉及的海域也從我國近海向遠海發展,包括南海、遠洋航線和“一帶一路”海域。據相關工業部門分析,海上塔、島固定節點約100個,每個節點的信息傳輸速率為30 Mbit/s,海上“一帶一路”移動船2000艘以上,每艘船的信息傳輸速率為2 Mbit/s,因此,基本需求容量已達7 Gbit/s,再加上遠洋商船及應急通信,通信容量、覆蓋需求更大。

1.2 通信能力現狀

海洋現有通信手段主要解決人員通信問題,受限于通信容量和傳輸速率的限制,并發通信路數較少,數據質量不高,而且基本無法滿足感知系統獲取數據的傳輸需求。現有通信手段主要為有線通信、短波通信、超短波通信、散射通信、自組網通信、4G通信、Wifi及天基通信(傳統自主S、C、Ku頻段衛星,“海事衛星”通信等)。其中,天基以外的通信手段只能解決近海通信問題,遠海通信及遠距離高速通信還要依靠天基通信實現。作為中國境內最大、唯一擁有衛星資源、自主運營管理的衛星運營企業,中國衛通集團股份有限公司現擁有15顆以上在軌商業通信衛星,其C、Ku頻段衛星有“中星”和“亞太星”系列,覆蓋范圍包括亞太、中東、非洲、南美等地區[1]。但是,15顆衛星總容量只有幾吉比特每秒,基本已租售完畢,無法滿足智慧海洋的后續需求;S頻段衛星天通一號01星覆蓋區域主要為中國及周邊、中東、非洲等相關地區,以及太平洋、印度洋部分海域,支持語音、短消息和小數據業務[2]。

國外天基通信衛星方面,“海事衛星”系統全球海上應用較為廣泛,尤其美國“海事衛星”第5代具備寬帶通信能力,每顆衛星有89個固定波束和6個大容量機動波束。固定波束可提供的最高速率為下行50 Mbit/s和上行5 Mbit/s[3];機動波束則可以提供下行100 Mbit/s和上行10 Mbit/s的速率;可支持天線口徑在45～240 cm的終端。我國中星16號衛星是首顆高通量通信衛星,通信總容量超過20 Gbit/s,超過國內此前研制的通信衛星容量總和,可實現每戶最高150 Mbit/s的寬帶接入[4],比國外寬帶衛星能力稍有欠缺,而且資費較高。

總之,我國海洋通信面臨著覆蓋范圍、容量/速率、資費、核心技術裝備國產化率等諸多掣肘。面對智慧海洋的迫切需求以及通信能力現狀,我國急需發展建設滿足海域覆蓋和寬帶容量的自主天基通信系統,支撐智慧海洋工程的建設。

2 天基通信系統

通過智慧海洋需求與通信能力現狀的分析,結合我國通信衛星的發展規劃,本文建議構建高軌＋低軌的天基通信系統,支撐智慧海洋工程建設。對于高軌通信衛星,我國已有多年的發展基礎,2017年4月發射的中星16號高軌寬帶通信衛星標志著我國進入了高通量寬帶衛星時代。高通量衛星采用多點波束和頻率復用技術,在同樣的頻譜資源情況下,容量是傳統衛星固定業務(FSS)的數倍[5]。高軌寬帶通信衛星容量大(少則幾十吉比特每秒,多則幾百吉比特每秒),可接入幾十萬甚至上百萬用戶使用。但是,單星覆蓋范圍有限,需要多顆衛星組合才能覆蓋全部海域;另外,高軌衛星鏈路損耗大,無法支持手持終端使用,而且鏈路延時也較大,很難滿足延時要求較高的業務需求。低軌衛星星座由于其低軌道、全球覆蓋及低延時的優勢,可彌補高軌衛星的不足。因此,高軌＋低軌的天基通信系統可滿足智慧海洋工程對通信海域覆蓋和寬帶容量的需求。

2.1 高軌＋低軌天基通信系統架構

為了發揮出最大能力,高軌＋低軌天基通信系統需要形成一體化的網絡,而不是高軌通信系統一張網、低軌通信系統一張網。如圖2所示,高軌＋低軌天基通信系統在地面關口站進行網絡融合,共建同一套運營支撐系統提供運營服務,采用同一套用戶終端入網,這樣,既可接入高軌通信系統,又可接入低軌通信系統。

圖2 天基通信系統架構Fig.2 Architecture of space-based communications system

為了實現高軌＋低軌天基通信系統,地面關口站網絡需要融合,地面寬帶通信終端需要共型,按照國內外技術發展趨勢,需要重點解決終端網絡架構、波束切換和相控陣天線等關鍵技術。

2.1.1 終端網絡架構

考慮到高軌、低軌終端共型,終端設計引入新的網絡架構技術,借鑒軟件定義網絡(SDN)組網集中管控、靈活可配、擴展性強等特點,在衛星網絡拓撲負載優化、精細化流量管控、衛星資源利用率提升等方面進行融合設計。圖3為SDN組網架構。

圖3 SDN組網架構Fig.3 SDN network architecture

通過SDN和網絡功能虛擬化(NFV),將與終端網絡服務密切相關的功能上移后進行云化,用戶側終端功能簡化為2層,僅負責設備管理和終端接入;將增值業務和差異化服務等功能在云端進行集中管控,實現平臺化管理,為未來業務能力的快速部署和設備運行維護等提供基于云技術的解決方案,并且為業務公用應用程序編程接口(API)和開放業務平臺提供支撐。圖4為地面終端架構。

圖4 地面終端架構Fig.4 Ground terminal architecture

2.1.2 波束切換

由于高軌和低軌衛星點波束覆蓋的特點,終端要能支持波束切換。目前,波束切換技術主要分為:①秒級切換,終端換載波登錄,切換時間為6～10 s;②毫秒級切換,去掉終端登錄流程,全系統時間同步,切換時間約為500 ms;③微秒級切換,配合跳波束技術實現微秒級切換。波束切換過程主要分為切換檢測階段、切換決策階段及切換執行階段。圖5為波束切換各階段功能描述。

圖5 波束切換各階段功能描述Fig.5 Function description of beam switching

(1)切換檢測階段是指終端和信關站對切換需求進行檢測的階段。在此階段,終端通過周期性地檢測相關參數,判斷當前波束是否仍適合駐留,是否有切換需求。切換檢測參數一般包括終端的地理位置、信道條件(如信噪比)等。

(2)切換決策階段為波束切換的核心階段。決策是否切換及如何切換,都要依賴于有效的切換決策機制。其中,由信關站對檢測階段的切換需求進行分析,根據當前系統波束內的資源和負載狀況決策是否執行切換,以及何時執行切換。

(3)切換執行階段即信關站決定執行切換后,通過與終端之間的切換信令交互,進行舊連接斷開與新連接建立的階段。期間,信關站根據切換決策的結果發出切換信令,終端收到切換命令后,斷開與舊波束的連接,根據分配的信道資源在新波束中入網。

2.1.3 相控陣天線

低軌衛星具有移動特性,為了避免天線頻繁機械轉動,終端天線宜選用相控陣天線。目前,可形成規模化應用的相控陣天線大致分為模塊化低輪廓相控陣天線和液晶相控陣天線2類。

模塊化低輪廓相控陣天線是基于動態波束成型技術的電掃天線,使用具有電子波束成型功能的專用集成電路(ASIC)微芯片。這些芯片與非常小的貼片天線組合成一個單元,通過動態地控制每個單元的信號相位傳輸(或接收)任何方向的波束。這類天線的核心模塊是由分布在經過射頻優化面板上超過500個的單元構成的。核心模塊可以組合成各種尺寸來構建所需要的相控陣天線。未來的發展趨勢是將整個射頻鏈轉移到特定應用程序的集成電路芯片上,當一個信號在貼片天線上擊中陣列時,能立即在ASIC上轉換輸出。圖6為模塊化低輪廓相控陣天線示意。

液晶相控陣天線使用超材料形成全息波束,基于液晶電控雙折射性和閃耀光柵原理的可編程光束偏轉器件,通過外電場變化控制液晶分子指向矢,以改變液晶層的雙折射特性,從而對光波波前進行相位調制。當液晶層對光束的相位調制呈周期性改變的斜坡時,液晶層等效為閃耀光柵。這類天線支持360°的全球覆蓋,因此可在視角極低的南北緯地區實現通信連接。圖7為液晶相控陣天線示意。

相控陣天線規模化的市場應用主要受限于目前昂貴的價格,通過對國外一網(OneWeb)和太空探索技術(SpaceX)公司未來終端的分析[6],目前的成本還遠遠高于規劃,因此,其低成本化還有很長的路要走。表1為相控陣天線成本。

圖6 模塊化低輪廓相控陣天線示意Fig.6 Schematic diagram of modular low profile phased array antenna

圖7 液晶相控陣天線示意Fig.7 Schematic diagram of liquid crystal phased array antenna

表1 相控陣天線成本Table 1 Cost for phased array antenna

2.2 通信衛星資源

高軌＋低軌天基通信系統可接入我國所有通信衛星資源。現有通信衛星主要側重于陸地覆蓋,海域覆蓋欠缺較大,后續重點要加強覆蓋海域通信衛星的發展,這與我國通信衛星的發展規劃也較為契合。

2.2.1 高軌衛星資源

高軌衛星方面,我國傳統C、Ku頻段衛星資源覆蓋主要集中于亞太地區,廣泛應用于各個領域,資源較為緊張,目前已所剩無幾,無法滿足海洋應用需求,因此急需發射高通量衛星提供大數據量高速傳輸服務。傳統C、Ku頻段衛星資源覆蓋如圖8所示。

我國首顆Ka頻段高通量衛星中星16號的總容量超過20 Gbit/s,提供26個用戶點波束和3個饋電波束,覆蓋中國中部、中西部、東部、南部、拉薩地區及中國近海近300 km海域。中星18號衛星作為我國第2顆高通量衛星,計劃于2019年8月底發射,能提供14個Ka頻段用戶波束,整星容量為10 Gbit/s,覆蓋東北和西北,與中星16號一起形成覆蓋中國大陸和近海海域、超過30 Gbit/s容量的Ka頻段寬帶衛星通信能力。2顆衛星的覆蓋[7]如圖9所示。2019年中發射高通量衛星亞太星-6D,覆蓋亞太海域,整星容量不低于40 Gbit/s,1/2的容量為海上提供寬帶通信服務(移動和應急2種)。圖10為亞太星-6D衛星覆蓋。到2022年,通過東增強(中星26號)、西增強(中星27號)衛星和中星19號衛星,能夠實現國土、海洋的覆蓋增強和泛亞地區的覆蓋能力,如圖11所示。

圖8 C、Ku頻段衛星資源覆蓋Fig.8 Covering of satellite resources to C-band and Ku-band

圖9 中星16號和中星18號衛星覆蓋Fig.9 Covering of ChinaSat 16 and 18

圖10 亞太星-6D衛星覆蓋Fig.10 Covering of APStar-6D satellite

圖11 東、西增強衛星及中星19號衛星覆蓋區域Fig.11 Covering area of increase in the east and west satellites and ChinaSat 19

從高軌衛星的發展規劃來看,到2022年,高軌高通量衛星容量將達幾百吉比特每秒,可覆蓋南海、西太平洋、“一帶一路”海上絲綢之路,基本可滿足智慧海洋工程覆蓋和容量的需求。

2.2.2 低軌衛星資源

一直以來,衛星運營商大多選擇部署高軌衛星,率先進行技術和市場驗證,之后增加衛星數量以擴展業務能力。隨著市場需求的變化和發展,越來越多的航天企業計劃部署低軌衛星星座,尋求全球范圍內的服務能力。例如,美國OneWeb、SpaceX和低軌衛星(LEOSat)公司等都在計劃部署低軌衛星星座系統[8]。

國內已經啟動建造的有“鴻雁”和“虹云”等衛星星座。其中,低軌“鴻雁”星座系統將實現全球無縫覆蓋,為海洋各類用戶終端提供移動通信和寬帶接入服務,同時還提供航空航海監視及導航增強服務。

2.3 地面終端

高軌＋低軌天基通信系統,需要對地面終端進行共型設計,解決以往終端種類繁多、通信體制各異、無法互聯互通等問題。高軌、低軌終端形態包括固定終端、便攜終端、車載終端、船載終端和機載終端等,支持寬帶接入、高速數據傳輸和視頻回傳等業務。另外,還可根據海洋用戶的需求,基于終端芯片和模塊進行終端定制。

如前所述,高軌、低軌終端共型宜采用相控陣天線,避免天線頻繁機械轉動帶來的壽命問題,這類終端市場需求的最大變量是消費者能為終端支付的費用,因此,寬帶終端產品(見圖12)的焦點在于低成本相控陣天線[6]。目前,相控陣天線技術已得到驗證,但成本依然很高,未來終端價格有望控制在300美元以內。

圖12 寬帶終端產品示意Fig.12 Sketch map of broadband terminal product

此外,射頻終端的發展和低成本化也影響著用戶對終端的接受度。射頻終端的發展可分為3個階段(見圖13):①收發分離,低噪聲放大器(LNB)和功率放大器(BUC)為分離器件;②收發一體,LNB和BUC合成到一起組成收發一體機(Transceiver);③射頻收發一體且與終端調制解調器集成在一起。目前技術已發展到第3個階段,結構形態和成本上都可進一步優化。

圖13 射頻終端發展階段Fig.13 Development stages of RF terminal

3 應用服務模式

針對高軌＋低軌天基通信系統發展規劃,地面終端的發展研究已先行,包括終端的網絡架構、天線及射頻的形態已有一定的研究成果,可滿足智慧海洋用戶的使用需求。應用服務方面,結合智慧海洋用戶特點,高軌＋低軌天基通信系統可支持如下應用服務。

(1)智能終端通信:支持商業手機直接接入低軌衛星星座,系統支持數百萬用戶入網,提供高清晰語音服務、微信等即時通信服務、電子郵件服務等,服務于政府船只、海上漁民、遠洋商船、旅游郵輪、科學考察、海底地質勘探、搶險救災、海上應急保障等場景。

(2)寬帶接入:提供高速數據接入服務能力,使海洋用戶享受到與陸地地面網絡近似的體驗,系統容量支持百萬級用戶接入使用。

(3)基站中繼:承擔海上平臺4G/5G基站中繼,海上手機用戶可隨時享受陸地移動通信服務。

(4)物聯網:天基通信系統與多種具備感知、信息采集功能的物聯終端結合,可形成天、空、地、海一體化的信息獲取與傳輸系統,能實現全球態勢感知信息的實時回傳,解決目前各類感知信息回傳效能低下的問題,從而對物聯網起到良好的支撐和融合作用,為我國乃至世界“感知中國、感知全球”戰略實施提供有力支撐[9]。系統基于M2M的交互式物聯網業務,可支持千萬級數據采集終端,滿足物流、交通運輸等行業用戶需求。

(5)熱點信息推送:充分利用衛星廣域覆蓋的特性,針對熱點區域,支持氣象信息廣播、漁業信息、海上災害信息、安全信息廣播、廣告等信息廣播推送業務,可為政府宣傳部門、移動互聯網企業提供流量入口。

(6)專網傳輸:支持海洋相關政府部門、企業單位內部網絡數據交換,可支持數據容量大,能提供文件實時傳輸、大數據分發、OA交流等多種功能。

(7)應急通信:提供海上應急通信服務,滿足全天候不間斷應急通信需求。

(8)導航增強:能轉發“北斗”差分改正信息,為船載定位終端和物聯網終端提供更加精準可靠的位置服務。

(9)航空航海監視:支持AIS、ADS-B標準,能夠實現全球飛機、船舶的全周期跟蹤,提供統計數據增值服務,滿足日益增長的航空航海市場發展需要,實現安全可靠的全球交通運輸能力[10]。

智慧海洋要實現海洋通信泛在隨行,天基通信系統不可或缺,建成后的天基通信系統可滿足以上九大應用,再結合空基、地基和海基通信,形成空天地海一體的海洋信息通信保障能力,服務國家智慧海洋工程。

4 結束語

天基通信系統是我國智慧海洋工程建設不可或缺的通信傳輸基礎設施,本文分析了智慧海洋需求和通信能力現狀,在此基礎上提出了高軌＋低軌天基通信系統的思路與架構,并對相關關鍵技術進行了分析,最后結合智慧海洋工程的應用需求提出了九大應用服務模式。通過衛星與地面相關技術的攻關,結合我國通信衛星發展規劃,融合高軌高通量寬帶通信衛星和全球低軌移動通信衛星星座,建設天基通信系統服務于智慧海洋工程,并配套與之相適應的商業模式和應用服務體系。建議智慧海洋工程后續建設繼續秉持統籌規劃與分步實施相結合、工程示范與商業應用相結合、商業發展與政策扶持相結合的方針,盡快實現海洋強國的目標。