Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析.pdf

1、020View本期视点1. 序言自 从 1945年 Clarke提 出 卫 星 通 信 的 想 法 后 ， 卫 星通 信 已 经 走 过 了 60多 年 的 发 展 历 程 。 最 近 二 十 年 Ka频段 多 点 波 束 卫 星 通 信 系 统 发 展 迅 猛 ， 但 其 发 展 道 路 也 充满 了 曲 折 。 本 文 通 过 研 究 梳 理 Ka频 段 多 点 波 束 卫 星 通信 系 统 发 展 历 程 ， 就 未 来 发 展 趋 势 进 行 分 析 预 测 ， 希 望对 我 国 相 关 领 域 的 发 展 提 供 借 鉴 。2. 卫星通信发展概述如 果 以 1945年 Clarke提

2、 出 卫 星 通 信 的 设 想 作 为卫 星 通 信 的 开 端 ， 20年 后 1965年 第 一 颗 商 业 通 信 卫 星Early Bird成 功 发 射 ； 约 20年 之 后 在 1984年 第 一 个 商 用Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析+ 郑晓天 李集林 刘海客 于雪晖 林墨航天恒星科技有限公司 VSAT系 统 在 沃 尔 玛 成 功 投 入 使 用 ； 再 过 20年 到 2004年 DVB-S2标 准 正 式 推 出 。 回 顾 卫 星 通 信 发 展 历 史 ， 每隔 20年 卫 星 通 信 必 然 会 发 生 重 大 变 革 。1957年 前 苏 联 发 射

3、 了 人 类 第 一 颗 人 造 卫 星 Sputnik I。 虽 然 Sputnik I只 能 发 射 信 标 信 号 ， 但 它 证 明 通 过 卫星 进 行 通 信 是 可 行 的 。 随 后 Echo I和 Echo II采 用 无 源反 射 的 方 式 进 行 了 卫 星 通 信 实 验 。 紧 接 着 分 别 在 1962年 和 1963年 Telstar I 和 Telstar II发 射 成 功 ， 上 述 卫 星都 携 带 了 一 个 带 宽 50M Hz的 C频 段 转 发 器 ， 采 用 太 阳能 电 池 和 蓄 电 池 供 电 ， 进 行 了 跨 大 西 洋 电 视 直

4、 播 和 电话 通 信 演 示 。 在 1965年 之 前 ， 美 苏 发 射 了 大 量 的 的 通信 卫 星 进 行 实 验 ， 但 都 集 中 于 中 低 轨 道 。 直 到 1965年关 键 词 ： Ka频 段 星 座 静 止 轨 道 Anik F2 摘 要 ： Ka频 段 多 点 波 束 卫 星 通 信 系 统 有 星 座 组 网 、 全 球 覆 盖 、 星 上 交 换 等 实 现 方式 ； 也 有 静 止 轨 道 、 区 域 覆 盖 、 透 明 转 发 等 实 现 方 式 。 前 一 种 方 式 波 束 覆 盖 灵 活 可调 ， 通 信 质 量 高 ， 技 术 复 杂 ， 容 量

5、受 限 ； 后 一 种 方 式 技 术 简 单 可 靠 ， 容 量 大 ， 波 束 覆盖 相 对 固 定 。 本 文 通 过 对 Ka频 段 多 点 波 束 卫 星 通 信 系 统 发 展 的 梳 理 ， 以 及 射 频 技 术 和数 据 通 信 技 术 发 展 对 卫 星 通 信 发 展 影 响 的 分 析 ， 指 出 就 将 来 一 段 时 间 而 言 ， 后 一 种 方式 是 Ka频 段 多 点 波 束 卫 星 通 信 系 统 发 展 的 主 流 。021Satellite& Network4月 16日 ， 第 一 颗 投 入 商 业 运 行 的 静 止 轨 道 通 信 卫 星INTEL

6、SAT I 也 称 作 Early Bird发 射 升 空 。 该 卫 星 由Hughes公 司 负 责 制 造 ， 由 Intelsat负 责 运 营 。 Early Bird携 带 两 个 25M Hz带 宽 的 C频 段 转 发 器 ， 能 够 提供 480路 语 音 信 道 2, 3。 从 此 以 后 到 80年 代 中 期 ，静 止 轨 道 卫 星 容 量 越 来 越 大 ， 能 够 提 供 上 万 路 的 的 话音 和 几 十 套 电 视 节 目 ， 但 其 基 本 工 作 模 式 和 技 术 没 有本 质 变 化 。 1985年 Hughes公 司 为 Wal-M art建 设

7、了世 界 上 第 一 个 商 用 VSAT系 统 ， 这 是 卫 星 通 信 系 统 一次 重 大 的 变 革 ， 被 财 富 杂 志 评 为 20世 纪 最 具 有 意义 的 20个 战 略 决 策 之 一 4。 VSAT系 统 不 仅 仅 是 通信 频 段 的 变 化 和 终 端 天 线 的 小 型 化 ， 更 重 要 的 是 实 现了 基 于 卫 星 的 双 向 交 互 式 通 信 ， 实 现 了 卫 星 通 信 的 一次 飞 跃 。 随 后 几 十 年 基 于 静 止 轨 道 卫 星 的 VSAT发 展迅 猛 ， 但 是 其 固 有 的 大 延 时 制 约 了 其 在 当 时 条 件

8、下 的发 展 。 所 以 后 来 移 动 通 信 卫 星 利 用 其 轨 道 高 度 低 ， 延迟 小 ， 信 号 损 耗 小 和 全 球 覆 盖 的 优 势 ， 迅 速 得 到 了 发展 。 而 当 时 光 纤 通 信 技 术 存 在 诸 多 缺 陷 ， 在 这 种 背 景下 铱 星 和 GlobarStar 基 于 全 球 覆 盖 的 卫 星 通 信 网 看起 来 前 途 光 明 。 但 在 其 通 信 网 络 建 成 之 后 ， 地 面 光 纤性 能 大 幅 度 提 升 ， 即 使 跨 海 光 缆 的 性 价 比 也 远 远 优 于LEO卫 星 通 信 。 因 此 铱 星 正 式 运 营

9、 没 多 久 就 破 产 ， 被美 国 军 方 收 购 。 1993年 美 国 NASA先 进 通 信 技 术 卫 星（ ACTS） 发 射 升 空1， 此 后 十 年 是 Ka频 段 多 点 波 束卫 星 发 展 的 高 潮 ， 各 种 卫 星 通 信 方 案 相 继 提 出 。3. Ka频段星座组网全球覆盖卫星通信系统在 Ka频 段 多 点 波 束 卫 星 理 论 进 行 了 20多 年 研 究 ，并 通 过 ACTS行 了 大 量 试 验 之 后 ， 人 们 迫 不 及 待 将 其 进行 商 业 化 推 广 应 用 。 在 上 世 界 末 和 20世 纪 初 ， 在 全 球范 围 内 规

10、 划 了 大 量 的 宽 带 卫 星 通 信 系 统 ， 包 括 LEO、M EO和 GEO卫 星 ， 如 图 1所 示2：Astrolink3, 4 该 卫 星 系 统 包 括 9个 GEO Ka频 段 卫 星 。 其 上 行 频 率 为 28.35-28.8GHz和 29.25-30.0GHz。 下 行 频 率 为 19.7-20.2GHz。 该 系 统 的 目 标是 提 供 基 于 卫 星 网 络 的 高 速 多 媒 体 通 信 。 Astrolink采用 星 上 处 理 （ Onboard Processing OBP） 以 提 升 系 统的 效 率 ， 并 采 用 星 上 交 换 （

11、 Onboard Switch OBS） 提升 系 统 的 灵 活 性 。 该 系 统 能 够 向 端 站 提 供 从 16kb/s到9.6M b/s的 数 据 传 输 速 率 。 并 且 端 站 采 用 90cm碟 形 天线 就 能 够 支 持 384kb/s的 上 行 数 据 速 率 。Cyberstar4, 5- Cyberstar卫 星 星 座 包 含 3颗 Ka频 段 GEO卫 星 。 该 卫 星 系 统 旨 在 向 网 络 服 务 提 供 商（ Internet Service Providers ISPs） 、 大 中 小 商 业 组织 和 多 媒 体 服 务 提 供 商 提 供

12、 IP多 信 道 广 播 广 播 通 信 服务 。 Cyberstar网 络 的 容 量 为 9.6Gbps。 该 卫 星 系 统 的网 络 将 采 用 基 于 帧 中 继 和 ATM 的 通 信 网 络 架 构 。Spaceway6-该 系 统 包 含 16颗 GEO卫 星 和 20颗M EO卫 星 。 该 卫 星 的 Ka系 统 能 够 提 供 高 速 数 据 传 输 、Internet接 入 和 宽 带 多 媒 体 信 息 服 务 。 Spaceway卫 星架 构 基 于 传 统 的 弯 管 转 发 。 当 使 用 0.66m口 径 天 线 的终 端 时 ， 该 系 统 能 提 供 高

13、性 能 QoS（ BER10-10） ，并 保 证 从 16kbps到 6M bps的 上 行 传 输 数 据 速 率 。Spaceway卫 星 网 络 兼 容 ATM 协 议 ， ISDN， 帧 中 继 和X.25等 地 面 网 络 标 准 。SkyBridge7-SkyBridge星 座 包 含 80颗 圆 轨 道LEO卫 星 ， 轨 道 高 度 1469Km， 轨 道 倾 角 53 。 该 系 统旨 在 提 供 先 进 信 息 服 务 （ 例 如 ： 交 互 式 多 媒 体 服 务 ） ，图 1 下一代卫星通信系统2022本期视点信 息 速 率 从 16kbps到 60M bps。 Sk

14、yBridge卫 星 基 于 弯管 转 发 架 构 。 不 同 于 其 它 卫 星 ， SkyBridge工 作 于 Ku频 段 ， 上 行 工 作 频 率 为 12.75-14.5GHz， 下 行 工 作 频 率为 10.7-12.75GHz。 该 系 统 选 择 Ku频 段 的 原 因 在 于 其Ka相 关 技 术 还 不 成 熟 。 SkyBridge信 关 站 与 地 面 网 络 的接 口 为 ATM 交 换 机 ， 该 系 统 预 计 能 满 足 两 千 万 用 户 同时 使 用 。Teledesic8 该 系 统 包 含 288颗 卫 星 ， 所 有 卫星 平 均 分 布 于 12

15、条 轨 道 ， 每 条 轨 道 由 24可 卫 星 组 成 。Teledesic卫 星 系 统 工 作 于 Ka频 段 ， 上 行 频 率 28.6-29.1GHz， 下 行 频 率 为 18.8-19.3GHz。 每 条 轨 道 间 相邻 卫 星 的 星 间 链 路 （ Intersatellite Links ISLs） 工 作于 60GHz频 段 。 Teledesic采 用 了 OBP和 OBS技 术 ， 旨在 提 供 “ 空 中 Internet” 。 它 能 够 提 供 高 质 量 和 话 音 、数 据 和 多 媒 体 信 息 服 务 。 QoS设 计 性 能 为 BER10-10

16、。 上 行 链 路 采 用 M F-TDM A接 入 方 式 ， 下 行 采 用异 步 TDM A（ ATDM A） 多 址 接 入 。 该 系 统 设 计 容量 为 10Gbps， 用 户 上 行 速 率 为 2M bps， 下 行 速 率 为64M bps。iSky（ KaStar）9-iSky曾 叫 做 KaStar， 旨 在 向北 美 地 区 提 供 宽 带 数 据 和 Internet服 务 。 其 Ka系 统 服务 包 括 ： 高 速 双 向 Internet接 入 ， 卫 星 广 播 电 视 服 务（ Direct Broadcast Service DBS） 和 未 来 个 人

17、 通 信系 统 （ Personal Communications Systems PCS） 。iSky系 统 初 期 由 2颗 GEO卫 星 组 成 ， 上 行 频 率 为 19.2-20.0GHz， 下 行 频 率 为 29.0-30.0GHz。 终 端 上 行 速 率为 1.5-5M bps， 下 行 速 率 为 40M bps.从 上 述 分 析 可 以 看 出 ， 这 些 系 统 多 为 中 低 轨 道 Ka频 段 卫 星 星 座 。 相 比 于 GEO和 GSO卫 星 ， 中 低 轨 卫 星的 优 势 是 明 显 的 ， 这 种 优 势 主 要 是 由 于 其 更 低 的 轨 道

18、高度 ， 主 要 包 括 ：更 短 的 信 号 时 延 -由 于 中 低 轨 道 卫 星 轨 道 高 度 更低 ， 信 号 往 返 时 间 （ Round Trip Time RTT） 更 短 ，因 此 用 户 会 获 得 更 好 的 的 话 音 体 验 。更 小 的 链 路 衰 减 -轨 道 高 度 低 的 另 外 一 个 好 处 是 ，信 号 在 自 由 空 间 中 的 损 耗 会 更 小 ， 因 此 用 户 甚 至 可 以 直接 使 用 手 持 设 备 进 行 通 信 或 获 得 热 点 服 务 。但 同 时 更 低 的 轨 道 高 度 同 时 特 给 LEO和 M EO卫 星带 来 了

19、 很 大 不 利 因 素 ， 主 要 包 括 ：星 座 组 网 -为 了 保 证 卫 星 服 务 覆 盖 范 围 ， LEO和M EO卫 星 必 须 进 行 星 座 组 网 。 如 图 1所 示 ， 每 个 星 座少 则 十 几 颗 卫 星 多 则 几 十 上 百 颗 卫 星 ， 整 个 系 统 的 成 本是 非 常 昂 贵 的 。ISLs链 路 与 卫 星 切 换 -LEO和 M EO卫 星 的 轨 道 周期 很 短 ， 为 了 保 证 提 供 持 续 不 断 地 服 务 ， 必 须 保 证 卫 星之 间 的 链 路 通 信 。 而 要 合 理 的 规 划 卫 星 星 座 中 每 颗 卫 星

20、合 理 的 通 信 范 围 和 可 靠 地 ISLs， 必 须 采 用 非 常 复 杂 的 技术 ， 这 将 导 致 昂 贵 的 费 用 和 低 可 靠 性 。终 端 天 线 -由 于 LEO和 M EO卫 星 相 对 地 面 固 定 位置 一 直 在 运 动 ， 所 以 终 端 必 须 采 用 全 向 天 线 或 者 带 有 跟踪 装 置 的 定 向 天 线 。 全 向 天 线 没 有 增 益 ， 因 此 会 限 制 终端 数 据 速 率 。 如 果 采 用 带 有 跟 踪 装 置 的 天 线 ， 会 带 来 重图 2 Anik F2点波束覆盖区域11023Satellite& Networ

21、k量 增 加 、 供 电 增 加 、 设 备 复 杂 度 等 一 系 列 问 题 。卫 星 寿 命 低 -轨 道 高 度 低 带 来 的 另 一 个 问 题 是 卫 星寿 命 短 ， LEO和 M EO卫 星 寿 命 一 般 在 58年 ， 而 且 每个 轨 道 面 都 必 须 有 备 份 卫 星 。 因 此 ， 为 了 保 证 卫 星 组 网必 须 定 期 发 射 卫 星 。全 球 覆 盖 -卫 星 通 信 的 一 个 优 点 就 是 通 信 费 用 与 距离 无 关 ， 于 是 很 多 厂 家 将 其 发 挥 到 极 致 ， 卫 星 网 络 要 覆盖 全 球 。 而 对 于 卫 星 星 座

22、 来 说 ， 无 论 其 是 否 愿 意 覆 盖 全球 ， 它 都 必 须 覆 盖 全 球 。 如 果 卫 星 通 信 网 络 向 连 入 当 地电 信 网 络 ， 就 必 须 与 当 地 电 信 运 营 商 和 政 府 进 行 沟 通 ，并 且 建 设 关 口 站 作 为 接 入 接 口 。 如 果 要 真 正 实 现 全 球 互通 互 联 ， 那 就 要 与 全 球 各 个 国 家 政 府 和 电 信 运 营 商 进 行合 作 ， 这 个 难 度 可 想 而 知 。 如 果 某 一 地 区 不 允 许 卫 星 网络 信 号 落 地 ， 那 么 卫 星 知 识 覆 盖 了 这 一 地 区 ，

23、 而 不 能 提供 服 务 。 对 于 卫 星 运 营 商 来 说 ， 单 位 用 户 的 成 本 就 会 增加 ， 其 地 面 网 络 的 竞 争 力 将 大 打 折 扣 。 由 于 卫 星 星 座 大多 由 跨 国 公 司 运 营 ， 通 信 安 全 无 法 得 到 保 障 。 很 多 新 兴国 家 既 想 发 展 本 国 卫 星 通 信 产 业 ， 又 不 希 望 采 用 国 外 企业 提 供 的 卫 星 服 务 。 因 此 覆 盖 本 国 区 域 的 Ka频 段 GEO卫 星 成 为 不 二 选 择 ， 尤 其 是 区 域 覆 盖 的 Ka频 段 GSO卫星 能 够 解 决 上 述 一

24、 系 列 问 题 。从 上 述 分 析 可 以 看 出 ， LEO， M EO和 GEO卫 星星 座 技 术 难 度 大 、 建 造 成 本 高 。 2003年 Lockheed-M artin 终 止 了 Astrolink卫 星 项 目 研 究 10。Cyberstar、 Spaceway、 SkyBridge、 Teledesic和iSKy等 卫 星 项 目 相 继 终 止 或 者 大 幅 度 缩 减 项 目 规 模 。4.Ka频段静止轨道区域覆盖卫星通信系统就 在 Ka频 段 星 座 组 网 全 球 覆 盖 卫 星 系 统 相 继 终 止时 ， 2004年 Anik F2卫 星 成 功

25、 发 射 升 空 。 该 卫 星 属 于Telesat公 司 ， 主 要 向 加 拿 大 及 美 国 提 供 卫 星 宽 带 接 入服 务 。 Anik F2采 用 BSS-702平 台 ， 采 用 透 明 转 发 ， 搭载 38个 Ka频 段 转 发 器 ， 卫 星 容 量 2Gbps。随 后 2005年 IPSTAR发 射 成 功 ， 采 用 LS-1300S平台 ， 透 明 转 发 ， 搭 载 10个 Ka频 段 转 发 器 ， 87个 Ku频 段转 发 器 ， 卫 星 容 量 为 45Gbps。随 后 2007年 Spaceway-3发 射 升 空 ， 采 用 BSS-702平 台 ，

26、 搭 载 72个 Ka频 段 转 发 器 ， 卫 星 容 量 为10Gbit/s。 该 卫 星 采 用 了 先 进 的 星 上 转 发 技 术 和 移 动点 波 束 技 术 ， 但 卫 星 容 量 也 受 到 限 制 ， 在 实 际 运 营 过程 中 大 多 是 情 况 下 点 波 束 并 不 需 要 经 常 移 动 。 接 下 来几 年 WINDS、 Ka-Sat、 Yahsat Y1A、 ViaSat-1、Arabsat-5C、 Yahsat Y1B、 Jupiter-1、 HYLAS 图 3 IPSTAR 覆盖中国区域024本期视点2、 Astra 2E等 卫 星 相 继 发 射 成 功

27、 ， 而 ViaSat-2、Jupiter-2等 超 过 200Gbit/s容 量 的 卫 星 预 计 在 2016年发 生 升 空 。2004年 后 发 射 的 Ka频 段 多 点 波 束 卫 星 可 以 分 为两 类 ： 由 卫 星 运 营 商 负 责 运 营 ， 以 Jupiter-1等 为 代表 ， 投 资 回 报 巨 大 ； 另 一 类 为 相 关 国 家 ， 尤 其 是 中 东 、非 洲 和 拉 美 等 新 兴 国 家 ， 的 政 府 结 构 负 责 运 营 ， 以Arabsat-5C为 代 表 ， 用 来 改 善 国 内 通 信 条 件 。 而 这 些卫 星 无 一 例 外 都

28、是 覆 盖 某 一 区 域 的 静 止 轨 道 卫 星 ， 大 部分 都 采 用 了 透 明 转 发 方 式 。Ka频 段 静 止 轨 道 区 域 覆 盖 卫 星 系 统 的 最 大 缺 点 在与 通 信 距 离 远 ， 导 致 信 号 衰 减 大 ， 时 延 长 。 但 随 着 大 功率 射 频 技 术 的 的 发 展 ， 信 号 衰 减 得 到 了 影 响 逐 步 降 低 ，目 前 上 述 系 统 的 EIRP普 遍 在 6270dBW之 间 ， 地 面 终端 采 用 60cm天 线 就 能 实 现 卫 星 宽 带 接 入 。 随 着 数 据 通信 技 术 的 发 展 ， 绝 对 延 迟

29、对 用 户 体 验 的 影 响 在 逐 渐 减少 。 由 此 看 出 ， 采 用 Ka频 段 静 止 轨 道 区 域 覆 盖 透 明 转发 的 通 信 系 统 ， 具 有 星 上 简 单 可 靠 、 卫 星 容 量 大 、 投 资回 报 率 高 等 优 点 ， 所 以 具 有 上 述 特 点 的 Ka频 段 多 点 波束 卫 星 通 信 系 统 在 未 来 一 段 时 间 内 将 会 是 卫 星 通 信 发 展的 主 流 。参考文献1Coney TA. Advanced communication technology satellite (acts) very small aperture

30、terminal (vsat) network control performance. AIAA, 2011, 2Farserotu J, Prasad R. A survey of future broadband multimedia satellite systems, issues and trends. Communications M agazine, IEEE, 2000, 38: 128-1333EVANS JV. Satellite systems for personal communications. PROCEEDINGS OF THE IEEE, 1998, 86:

31、 1325-1341,Lockheed-M artin. Astrolink. http:/4S.Ohmori, Wakana H, Kawase S. M obile satellite communications. London: Artech House 19985Cyberstar http:/6Hughes spaceway http:/./spaceway7Skybridge http:/8Teledesic. http:/9Isky. http:/www.ka- or http:10Spaceandtech http:/www.SPACEandTECH .com11(ECC)

32、ECC, (CEPT) wtECoPaTA. Ecc report 152 the use of the frequency bands 27.5-30.0 ghz and 17.3-20.2 ghz by satellite networks. 2010, 作者简介郑 晓 天 男 博 士 研 究 生 目 前 研 究 领 域 为 Ka频 段 多 点 卫 星 通 信 系 统李 集 林 男 研 究 员 博 士 生 导 师 目 前 研 究 领 域 为 卫 星 通 信刘 海 客 男 博 士 研 究 生 目 前 研 究 领 域 为 卫 星 通 信余 雪 辉 男 博 士 研 究 生 目 前 研 究 领 域 为 卫 星 网 络林 墨 男 高 工 博 士 目 前 研 究 领 域 为 卫 星 通 信Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析作者： 郑晓天， 李集林， 刘海客， 于雪晖， 林墨作者单位： 航天恒星科技有限公司刊名： 卫星与网络英文刊名： Satellite & Network年，卷(期)： 2014(7)引用本文格式：郑晓天.李集林.刘海客.于雪晖.林墨 Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析期刊论文-卫星与网络 2014(7)