Ka頻段的特點與應用研究

王 孟，魯 煜

（國家無線電監測中心烏魯木齊監測站，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

21世紀以來，Ka頻段使用計劃紛紛頒布并逐步實施，特別是2010年以來逐漸成為各國衛星追捧的頻段。它以超寬的帶寬已應用于高速衛星通信、寬帶數字傳輸、4K和8K電視、衛星新聞采集、VSAT業務、直接到戶（DTH）及個人衛星等業務，并在具體使用中展現出其極大的優勢[1]。隨著Ka頻段的逐步使用，其相關設備的制造工藝、性能指標、芯片集成、技術創新等均不斷完善，為天地海一體化等人類空間無線電事業主用頻段提供強有力的支撐。

Ka頻段衛星通信優勢明顯，主要表現在8個方面[1]：一是Ka頻段范圍較寬，達到3.5 GHz，能滿足高清視頻、互聯網、物聯網等相關通信的傳輸要求；二是抗干擾性能強，衛星上天線的增益可以根據需要靈活配置，用戶終端天線可做得小而輕便；三是多波束和相控陣技術的推廣使用，可以隨心所欲地改變衛星上天線的指向，以達到滿足對點波束通信以及星上交換的需求；四是能實現星上功率動態分配，采用上行功率控制技術和自適應技術能有效控制雨衰所造通信質量的下降，且效果較為理想；五是信號可采用高階調制技術（QPSK、8PSK/16PSK/32PSK），不僅信號占用帶寬明顯降低，而且信號傳輸速率也得到很大提高；六是點波束的應用使衛星頻率資源利用率提高20倍以上；七是多關口，饋電鏈路頻率的復用、用戶的本地化接入、地面關口站的信息化處理能力等因素，需要Ka頻段寬帶衛星通信系統要設置多個地域分布的關口站，不同關口站之間通過地面光纖網絡相互連接，以形成一個完整的信息網絡；八是Ka頻段鄰星間隔2°就可以實現頻率復用和點波束覆蓋，作為新興的衛星通信頻段，現有的網絡比較少，軌道位置的申請相對容易一些，而且不會對現有的傳統業務產生影響。

圖1 Ka頻段在萬物互聯中的運用

1 Ka頻段在靜止軌道衛星的典型應用

自前蘇聯發射第一顆衛星以來，航天事業已過去60多年，從開始的單一業務已經發展到今天廣泛應用，從過去小容量到今天的超大容量，從使用低頻段發展到今天的Ka甚至更高的Q/V頻段，它為人類生活帶來了巨大的變革，也為人類生活帶來了巨大的便利，本節主要介紹Ka頻段應用在典型的GEO中。

1.1 Viasat-1/2/3

ViaSat-1衛星是首顆總數據吞吐量超過100 Gb/s的全Ka波段大型寬帶通信衛星，該星部署于115°W，攜帶Ka波段點波束，覆蓋區域超過75%的美國大陸、太平洋夏威夷島嶼、阿拉斯加和北部的加拿大，已經在為北美地區提供新型的高速寬帶業務。ViaSat-1具有頗多的亮點[2]：一是ViaSat-1衛星總容量超過140 Gb/s，是2017年前全球在軌最高容量的寬帶通信衛星；二是作為新一代VHTS衛星的代表，ViaSat 1衛星采用Ka波段多點波束和頻率復用技術，使衛星總帶寬應用達到最大限度；三是ViaSat-1衛星72個點波束主要作為寬帶服務應用于北美地區；四是ViaSat-1寬帶衛星系統將創新的沖浪2技術（Viasat Surf Beam2）應用到寬帶衛星網絡系統中，該系統可利用現有的電視調制解調芯片、現有運營商級的終端設備、可采用第三方產品、網關、運營支撐系統（OSS）應用。

圖2.Viasat SurfBeam系統

圖3 Viasat-1覆蓋圖

表1 Viasat-1實際使用頻段

2017年第四季度投入使用的ViaSat-2僅采用Ka頻段，其容量是ViaSat-1的2倍以上，超過300 Gb/s，將為用戶提供更快的速度并增加更多的數據容量，帶來更為優質的服務。ViaSat-2是當前在軌重容量最大、使用技術最先進的衛星，它不僅提供民用互聯網服務，也為美國政府、國防和軍事應用提供通信服務。

ViaSat-3是Ka頻段星座，它由3顆衛星組成，每一顆都有1 Tb/s的容量，是ViaSat-2的3倍，一旦3顆星全部投運，為全球增加K a頻段容量。ViaSat-3的前兩顆衛星正在建設中，將分別服務于美洲和歐洲，中東和非洲（EMEA）市場，這兩顆衛星預計將在2022年前發射。Viasat最近正在為亞太地區（APAC）開發第三顆ViaSat-3級衛星，預計將于2022年啟動，進而實現全球Ka頻段覆蓋計劃。

圖4 Viasat衛星的通信終端（GAT-5518）

1.2 Global Xpress系列衛星

Global Xpress的全球覆蓋能力來自四顆K a頻段地球同步衛星。第一顆衛星覆蓋歐洲、中東地區、非洲及亞洲；第二顆衛星覆蓋美洲和大西洋地區；第三顆衛星覆蓋太平洋地區；第四顆衛星已經開始提供額外的網絡區域容量以滿足航空公司的需求。后續的二顆衛星I-6 F1和I-6 F2將提供更多的Ka頻段帶寬業務，在需求最高的地區提供額外的Global Xpress容量，它是目前真正的全球性Ka頻段衛星網絡。

GX1于2013年12月8日發射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s去為歐洲、中東地區、非洲和亞洲提供區域GX服務。

GX2于2015年2月1日發射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s為美洲及大洋洲地區提供區域GX服務。

GX3于2015年8月28日發射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s為太平洋地區提供區域GX服務。

GX4于2017年5月15日發射，攜帶89個Ka頻段點波束通過來兩個發射和兩個接收天線速度高達50 Mb/s為航空公司提供區域GX服務。

GX5于2019年11月29日發射升空，它攜帶72個Ka頻段點波束提供超高通量（VHTS）業務，覆蓋中東、歐洲和印度次大陸，尤其將用于機上Wi-Fi和商業海事服務，目前該星處在漂移過程，還未完全入軌。

1.3 AMOS系列衛星

以色列Spacecom公司AMOS系列衛星中的AMOS-4和AMOS-17是Ka頻段的兩顆衛星，它們已經向歐洲、亞洲、中東和非洲提供服務。AMOS-4攜帶4個Ka頻段轉發器，作為Spacecom公司探索性使用Ka頻段的衛星，已實現它預期高速、寬帶的目標。AMOS-17衛星是該公司宣布打造高通量衛星以來的第一顆成功發射和投運的高通量衛星，擴大了Spacecom對非洲、中東和歐洲的覆蓋。它是具有先進技術水平的多頻段高吞吐量衛星，可為用戶提供可靠的解決方案和極大的競爭優勢，這顆衛星與Spacecom公司的擴張策略相符合。

AMOS-17通過采用Novelsat公司的雙重載波消除（CEC）頻分復用技術，展示了大容量衛星傳輸功能，頻率效率高達10.5 bit/Hz，以9/10前向速率和2%的翻滾（roll-off）實現64APSK調制，在81.6 MHz的帶寬下實現845 Mb/s的數據傳輸速率[3]。

圖5 AMOS-17 Ka頻段覆蓋圖

2 Ka頻段在NGSO上的應用

2015年后，位于LEO的寬帶高通量衛星迎來大發展的浪潮。以太空探索公司（SpaceX）的StarLink星座計劃、一網公司OneWeb星座計劃、亞馬遜柯伊伯（Kuiper）星 座計劃、加拿大電信衛 星公司Telstar計劃和中國的鴻雁星座計劃、虹云星座計劃等為代表。新一代衛星互聯網星座的發射及生產成本更低，組網規模大，旨在為全球提供更高速率、更低延時的衛星互聯網接入服務。在應急、災備、海洋作業、機/船載Wi-Fi、偏遠地帶帶寬覆蓋等應用上持續突破，并在內容信息交換、寬帶接入、基站中繼、移動平臺通信等方面和5G融合已取得實質性進展[2]。

2.1 衛星互聯網發展的優勢及典型星座用頻

發展至今，新一代衛星互聯網星座已有明確的定義，即由數百甚至上千/萬顆運行在低地球軌道（LEO）的小型衛星構成，能夠提供寬帶互聯網接入服務的通信衛星星座。主要表現在[2]：一是覆蓋范圍非常廣，目前僅有20%的陸地面積被地面網絡覆蓋，地球表面的覆蓋約為5%，若衛星互聯網布設完畢，可實現不受地域的限制，實現全球無縫的覆蓋；二是建設成本較低，與地面布設的5G基礎設施及海洋光纖光纜建設相比，衛星互聯網組網的成本更低；三是時延可達到幾十甚至幾毫秒，可媲美5G，5G典型端到端時延為5-10 ms左右；四是高帶寬，HTS技術的不斷成熟逐步提升單星容量，降低了衛星單位帶寬的成本。

據統計，目前全球至少有20家公司對外公布了全球低軌星座計劃，其中，中國6家、美國6家、俄羅斯1家、加拿大1家、英國1家、韓國1家、印度1家、盧森堡1家、尼日利亞1家、盧旺達1家。使用的頻段大多以Ka頻段為主，或將該頻段作為用戶鏈路、星間鏈路和饋鏈路中的一部分。

表2 典型衛星互聯網使用頻率

2.2 Ka頻段在我國衛星互聯網的應用

（1）虹云工程。2016年，我國航天科工集團提出“虹云工程”，計劃發射156顆衛星實現全球組網，采用Ka波段通信，每顆衛星有4 Gb/s帶寬的吞吐量。“虹云工程”具備通信、導航和遙感一體化、全球覆蓋，系統自主可控，以極低的通信延時、極高的頻率復用率、可實現真正的全球覆蓋。

（2）天地一體化信息網絡（天象星座）。2019年6月5日，“天象”試驗1星、2星成功進入預定軌道。天象小衛星是我國首個基于Ka頻段星間鏈路的雙星組網小衛星系統。天象衛星利用先進的技術，不僅能實現雙星組網傳輸，包括各種信息數據、語音、視頻、圖片的高質量實時傳輸，還兼具星間測量、導航增強、ADS-B、對地遙感等多項功能。

（3）銀河航天（銀河Galaxy衛星星座）。銀河航天計劃建造由位于1200 km的近地軌道的上千顆5G通信衛星組成星座網絡，可使用戶高速靈活地接入5G網絡。2020年1月16日，首發衛星進入預定軌道，它采用Q/V和Ka等通信頻段，具備速率達10 Gb/s透明轉發通信能力，通過衛星終端可為用戶提供寬帶通信服務。

3 Ka頻段在HAPS的應用

2020年10月，德國電信展示了高空平臺（High Altitude Platform System，HAPS）項目的最新實驗成果，并計劃于兩年內實施。對于業務鏈路，饋線鏈路，將采用21 GHz、26 GHz、28 GHz、31 GHz 等Ka頻段。在飛行平臺上安裝面積約9m2、由1 028個天線單元組成的大規模天線陣列，可發射200個波束，每個波束對應一個小區，200個小區可同時在地面形成直徑約140 km的連續覆蓋范圍。該次實驗表明，HAPS系統覆蓋面積廣，尤其可以解決地面基站信號因受到建筑物、山丘等阻擋所產生的覆蓋盲點，因此是地面移動網絡的良好補充。HAPS指位于平流層的飛行平臺可以像基站一樣直接連接手機和物聯網終端，并與地面的電信網絡互聯互通，從而實現天地一體的立體組網[4]。

德國電信成功演示的HAPS項目中，天線安裝于可遠程 遙控的飛行平臺上，平臺位于離地約14 km的平流層，可在地面形成直徑約10 km的覆蓋小區，且在該小區范圍內手機可直接與平臺上的天線連接通信。而飛行平臺連接到地面核心網采用高頻段、大帶寬的無線回傳。

圖6 HAPS實驗場景

HAPS位于平流層，介于民航飛機飛行高度與衛星軌道高度之間，因此，HAPS兼具衛星和陸地通信系統的優勢，具有覆蓋面積廣、成本較低、傳輸延遲小、易配置等特點。

圖7 HAPS實施方案

4 結束語

相比常規C、Ku頻段的衛星網絡，Ka寬帶衛星將豐富的頻率資源與多點波束組合應用，單星容量提高數十倍至數百倍，整星吞吐量在100 Gb/s以上，甚至可以達到Tb/s級別。我國中星16首次應用Ka頻段多波束寬帶通信系統，總容量達20G以上，已經實現我國中東部及沿海區的覆蓋，作為我國第一顆高通量衛星為我國經濟社會發展、“網絡強國”的建設起到促進作用，同時應汲取國外先進的技術，突破限制發展的壁壘，為我國在天基互聯網的發展注入更強勁的活力。