陳 強(qiáng),趙慶鎖,李 濤
(1.通訊所,北京;2.新華通訊社,北京,100803;3.成都科脈通信技術(shù)有限公司,成都,610031)
產(chǎn)業(yè)觀察
全球Ka波段寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀和發(fā)展(二)
陳 強(qiáng)1,趙慶鎖2,李 濤3
(1.通訊所,北京;2.新華通訊社,北京,100803;3.成都科脈通信技術(shù)有限公司,成都,610031)
本文簡要回顧了全球衛(wèi)星通信從C/Ku波段到Ka波段,從話音、廣播電視到互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軌跡;對目前Ka波段HTS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、地面系統(tǒng)情況以及采用的新技術(shù)進(jìn)行了概述;并列出了目前全球Ka波段在軌HTS衛(wèi)星、建造的HTS衛(wèi)星的容量、運(yùn)營公司、使用的地面系統(tǒng)等;并介紹了美國Ka波段寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的發(fā)展情況。
Ka頻段;HTS衛(wèi)星;關(guān)口站;在線小站用戶
(接上期)
不同于C/Ku頻段衛(wèi)星的開放運(yùn)營模式,Ka頻段HTS衛(wèi)星由于具有精確覆蓋、星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),是采用開放式運(yùn)營還是采用封閉式運(yùn)營模式,需要根據(jù)衛(wèi)星容量、衛(wèi)星覆蓋、細(xì)分市場、運(yùn)營商對衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈、對地面互聯(lián)網(wǎng)接入商的控制力,以及是否在特定市場具有完善的市場營銷渠道、售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等因素綜合考慮。在運(yùn)營覆蓋美國東西海岸人口密集區(qū)域、超過100Gb/s容量的EchoStar 17衛(wèi)星時(shí),美國休斯公司采取了封閉式運(yùn)營方式。見圖6,封閉式運(yùn)營方式由一個(gè)衛(wèi)星運(yùn)營企業(yè)負(fù)責(zé)衛(wèi)星操作、建設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),再直接或通過多個(gè)零售合作伙伴向最終用戶提供衛(wèi)星寬帶服務(wù)。在這樣的模式中,衛(wèi)星運(yùn)營商通過各種服務(wù)套餐計(jì)劃向零售合作伙伴和最終用戶出售“Mb/s”,以最大限度地提高投資回報(bào)。這個(gè)模式不接受衛(wèi)星通信服務(wù)提供商僅購買衛(wèi)星物理帶寬來建設(shè)、經(jīng)營自己的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。
圖6 封閉式商業(yè)模型
為了能使封閉式系統(tǒng)盈利,衛(wèi)星服務(wù)提供商必須進(jìn)行巨大的投資,包括衛(wèi)星和地面系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營。寬帶服務(wù)供應(yīng)商還需要有一個(gè)完整的業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)(BSS)來運(yùn)營業(yè)務(wù),功能包括訂單處理、小站安裝調(diào)度、小站服務(wù)激活、計(jì)費(fèi)、客戶關(guān)系管理(CRM)、幫助熱線等業(yè)務(wù)。更重要的是,服務(wù)提供商必須投入巨資來發(fā)展完整的業(yè)務(wù)分銷渠道,以將寬帶衛(wèi)星服務(wù)帶給最終用戶。這樣的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施是不容易搭建的,可行的解決方案是將BSS系統(tǒng)外包,并將Mb/s資源整體出售給已經(jīng)存在的分銷渠道,比如,美國休斯公司Ka頻段業(yè)務(wù)在北美最大的分銷商就是DirecTV,Dish等衛(wèi)星直播電視運(yùn)營商。
與封閉式模式相比,是如圖7所示的開放式模式,即衛(wèi)星運(yùn)營商將衛(wèi)星帶寬出售給各個(gè)服務(wù)提供商(“MHz”),由各服務(wù)提供商建設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、開發(fā)自己的BSS,然后將Mb/s服務(wù)計(jì)劃通過分銷渠道或直接銷售到最終用戶。這種模型對衛(wèi)星運(yùn)營商很有吸引力,因?yàn)樗鼫p少了相關(guān)的巨大投資和市場風(fēng)險(xiǎn),從而將自身重點(diǎn)放在其擅長和核心任務(wù)——發(fā)射和運(yùn)營衛(wèi)星。
圖7 開放式商業(yè)模型
目前,采用封閉式系統(tǒng)模式的Ka頻段HTS運(yùn)營商僅有美國休斯公司和美國衛(wèi)訊公司,他們在北美取到了巨大的成功。但是,這兩個(gè)廠商在Ka頻段地面系統(tǒng)占有雙寡頭壟斷地位,對Ka頻段產(chǎn)業(yè)鏈的控制力是其他廠商無法比擬的。另外,北美市場單一性、透明性和高消費(fèi)者群體的存在以及金融資本的發(fā)達(dá)、衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈的完善,也為開放式系統(tǒng)在北美的成功運(yùn)用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相比之下,北美之外的國家和地區(qū)均缺乏這樣的市場條件去運(yùn)用封閉式系統(tǒng)運(yùn)營模式。今后一段時(shí)期,相信開放式系統(tǒng)運(yùn)營模式將在全球各地蓬勃發(fā)展,由衛(wèi)星運(yùn)營商發(fā)射帶有Ka頻段HTS載荷的衛(wèi)星,然后按MHz為單位提供給服務(wù)提供商。
這種商業(yè)模式有多個(gè)具體做法,虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(VNO)就是其中一種。VNO一詞來源于地面移動蜂窩網(wǎng)的實(shí)踐,之所以說這個(gè)運(yùn)營商是“虛擬”的,是因?yàn)槠涫褂玫男l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不是自己投資的,好處是不需要花費(fèi)巨資去投資設(shè)備和系統(tǒng)就可以開展運(yùn)營服務(wù),而對構(gòu)建設(shè)施的衛(wèi)星運(yùn)營商來講,他們會因租賃設(shè)備和系統(tǒng)、提供基礎(chǔ)設(shè)施而收益。
6.1 寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入
討論HTS衛(wèi)星的應(yīng)用要從互聯(lián)網(wǎng)接入開始,因?yàn)檫@是當(dāng)今衛(wèi)星行業(yè)增長最快的應(yīng)用,也是維系衛(wèi)星工業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵應(yīng)用。對于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù),服務(wù)提供商要針對不同的應(yīng)用市場制定系列服務(wù)套餐計(jì)劃。
在提供衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)時(shí),最重要的是在流量高峰期間,地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要有能力對衛(wèi)星帶寬進(jìn)行有效的管理和分配,以使得所有在線用戶均獲得平等、公正的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。此外,地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要用到一些手段,如以最大帶寬限制的形式確保衛(wèi)星容量不被某個(gè)用戶壟斷使用,影響其他用戶的互聯(lián)網(wǎng)訪問體驗(yàn)。
鑒于HTS衛(wèi)星通信經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢,服務(wù)提供商能夠提供與地面4G/LTE服務(wù)抗衡的包月服務(wù)資費(fèi),美國AT&T在2013年6月向公眾提供每月10GB的服務(wù)計(jì)劃,價(jià)格為每月120美元。相比之下,同等帶寬配額的HughesNet GEN4服務(wù)每月僅為40美元。
6.2 遠(yuǎn)程教育
全球許多國家都在投資改造電信基礎(chǔ)設(shè)施,給所有的學(xué)校,即使是在最小的社區(qū)和村莊,提供高速上網(wǎng)的服務(wù)。對于地面通信(如DSL或電纜)不發(fā)達(dá)或不足的地方,寬帶衛(wèi)星通信是一種理想的解決方案。由于每個(gè)學(xué)校都會有許多電腦設(shè)備一起工作,因此需要大量的帶寬,HTS衛(wèi)星是解決教育行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入需求的最佳方案。
6.3 基站回傳
3G,4G移動蜂窩網(wǎng)對中繼電路的帶寬要求很高,4G/LTE基站的中繼電路帶寬通常要求下行100Mb/s/上行50Mb/s的信息速率。在市區(qū)和主要交通要道開展3G,4G/LTE業(yè)務(wù)時(shí),地面回傳采用光纖手段。若要對邊遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行覆蓋3G,4G/LTE覆蓋,因?yàn)榉涓C基站的距離較遠(yuǎn),使用地面通信手段的成本過高,這時(shí)候衛(wèi)星回傳手段就顯出技術(shù)優(yōu)勢。移動運(yùn)營商要將3G,4G/LTE服務(wù)延伸到偏遠(yuǎn)地區(qū),HTS衛(wèi)星系統(tǒng)大有用武之地。
6.4 政府和企業(yè)通信線路備份
對于政府和企業(yè),衛(wèi)星通信最有意義的應(yīng)用是做地面線路的備份。如圖8所示,地面和衛(wèi)星相結(jié)合,互為備份,確保任何情況下企業(yè)的數(shù)據(jù)都能正常傳輸。此外,衛(wèi)星電路可以根據(jù)要求靈活調(diào)整帶寬分配。
6.5 動中通
移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用持續(xù)增長,無論是在空中、陸地或海洋。HTS衛(wèi)星系統(tǒng)可以很經(jīng)濟(jì)地提供大容量帶寬,但HTS衛(wèi)星系統(tǒng)的移動終端需要在多波束間移動,要進(jìn)行頻繁的波束切換。因此,地面通信系統(tǒng)必須具有多普勒效應(yīng)補(bǔ)償、快速出向載波鎖定、自動波束切換等功能,以全面支持車載、鐵路、船載、機(jī)載動中通應(yīng)用。一般而言,一個(gè)系統(tǒng)“動中通”特性需有:
(1)DVB-S2/ACM和自適應(yīng)入向選擇功能:當(dāng)移動小站在切換點(diǎn)波束時(shí),其接收的關(guān)口站出向載波參數(shù)以及小站的TDMA突發(fā)能持續(xù)得到優(yōu)化。
(2)TDMA擴(kuò)頻:為了克服因使用小口徑天線而帶來的鄰星干擾,系統(tǒng)支持對TDMA載波的2倍、4倍、8倍等頻譜擴(kuò)展,以降低載波的功率譜密度。
圖9 TDMA載波擴(kuò)頻工作示意圖
(3)多普勒效應(yīng)補(bǔ)償:此功能可以解決高速運(yùn)動(車輛、高鐵、飛機(jī))帶來的頻率偏差、時(shí)鐘偏差,保證運(yùn)動小站的通信質(zhì)量。
圖10 多普勒效應(yīng)補(bǔ)償示意圖
(4)出向信道飛輪和快速捕獲:移動中的衛(wèi)星小站會頻繁遇到遮擋(比如車載動中通的樹、橋、火車隧道等),影響小站對出向信道的接收。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí),系統(tǒng)的“飛輪”技術(shù)幫助失鎖小站保持時(shí)鐘狀態(tài)30秒;如果出向信號在30秒鐘內(nèi)被重新捕獲,小站馬上恢復(fù)通信。
(5)IP狀態(tài)穩(wěn)定:衛(wèi)星電路連接中斷后(例如火車在隧道里),移動小站的IP會話能保持在30秒以上;一旦遮擋消失,用戶無需重新建立IP會話。
6.6 服務(wù)質(zhì)量保證
與地面網(wǎng)一樣,基于衛(wèi)星通信的個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)也是“盡力而為”的模式,即沒有QoS(服務(wù)質(zhì)量保證)或SLA(服務(wù)水平協(xié))承諾。但衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)采取公平訪問制度(FAP),以防止帶寬被少數(shù)用戶過多使用,對大多數(shù)用戶來說,其服務(wù)品質(zhì)是一樣的。但對于企業(yè)/政府客戶,衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須有一整套的功能特性來保證應(yīng)用所需要的服務(wù)質(zhì)量和性能要求。這些基本功能保證應(yīng)該有:
⊙ 承諾保障的帶寬吞吐量。
⊙ 嚴(yán)格的時(shí)延和抖動指標(biāo)。
⊙ 網(wǎng)絡(luò)高可靠性。
⊙ 支持私網(wǎng)IP地址。
⊙ 支持VLAN Tagging。
⊙ 基于各種IP包頭特征的業(yè)務(wù)優(yōu)先級機(jī)制。
⊙ 支持各種路由協(xié)議,包括BGP。
⊙ 加密和有條件訪問。
應(yīng)用點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)以后,HTS衛(wèi)星的容量以及為用戶提供的平均帶寬均有大幅增加;相應(yīng)的,地面關(guān)口站的架構(gòu)和能力也需要進(jìn)行大幅提升。
7.1 關(guān)口站的饋電波束
要最大化使用小站覆蓋區(qū)域的頻率資源,其配套的關(guān)口站必須也要有相應(yīng)的頻譜分配。通常的Ka網(wǎng)絡(luò)是4個(gè)用戶點(diǎn)波束對應(yīng)一個(gè)特定的關(guān)口站波束,這樣的組合使用所分配的全部頻譜。
假設(shè)一顆有48個(gè)用戶點(diǎn)波束的Ka衛(wèi)星,每波束帶寬500MHz,全網(wǎng)采用4X頻率復(fù)用模式。圖11是關(guān)口站上行鏈路的可用頻段,在每個(gè)極化(POL)方向4個(gè)250MHz頻段形成1GHz帶寬,這樣關(guān)口站總共有2GHz的上行帶寬。一個(gè)關(guān)口站支持4個(gè)500MHz的用戶點(diǎn)波束,全網(wǎng)48個(gè)用戶點(diǎn)波束共需要建設(shè)12個(gè)這樣的關(guān)口站。
圖11 關(guān)口站上行鏈路頻率分配
7.2 地面關(guān)口站架構(gòu)
一個(gè)衛(wèi)星關(guān)口站設(shè)備主要有兩部分:一部分是室內(nèi)基帶設(shè)備;另外一部分是天線和室外射頻設(shè)備。
7.3 基帶設(shè)備
基帶設(shè)備包括調(diào)制和解調(diào)設(shè)備、系統(tǒng)時(shí)鐘單元、中頻分配電路、倒換開關(guān)、關(guān)口站服務(wù)器,與地面互聯(lián)網(wǎng)之間的接口設(shè)備等。數(shù)據(jù)中心機(jī)房就適合于放置關(guān)口站室內(nèi)基帶設(shè)備。
關(guān)口站的調(diào)制器發(fā)射DVB-S2載波到每個(gè)點(diǎn)波束;解調(diào)器解調(diào)從每個(gè)小站發(fā)射的TDMA回傳載波;時(shí)鐘單元提供時(shí)鐘信號給關(guān)口站的調(diào)制器和解調(diào)器,從而使全網(wǎng)小站與關(guān)口站保持時(shí)鐘同步,每個(gè)小站都在最精確的時(shí)刻進(jìn)行TDMA突發(fā)。
關(guān)口站配置有IP數(shù)據(jù)處理和Web加速功能服務(wù)器。IP處理功能給小站分配所需的衛(wèi)星帶寬,Web加速補(bǔ)償因與地球同步軌道衛(wèi)星之間的距離而導(dǎo)致的長傳輸時(shí)延,以提升用戶的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽體驗(yàn)。
一個(gè)關(guān)口站中所有的電源分配單元、開關(guān)部件、數(shù)據(jù)和IF接口設(shè)備、調(diào)制器、解調(diào)器、時(shí)鐘分配單元和服務(wù)器都是冗余配置,整個(gè)關(guān)口站不能因單點(diǎn)故障而引起服務(wù)中斷。
7.4 關(guān)口站的高密度和高處理能力
Ka衛(wèi)星的高容量也給關(guān)口站設(shè)備的體積和造價(jià)提出了挑戰(zhàn)。部署高處理能力、高容量的地面關(guān)口站設(shè)備可以縮減占用機(jī)房面積、降低耗電,降低每用戶成本。
為了解決以上問題,美國休斯公司與HP(惠普)公司合作,整合先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心技術(shù)和先進(jìn)的衛(wèi)星通信技術(shù),形成一個(gè)面向未來的模塊化、可擴(kuò)展的關(guān)口站架構(gòu)。此架構(gòu)可以充分應(yīng)用數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術(shù),支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷發(fā)展。數(shù)據(jù)中心的高密度特性使Ka關(guān)口站比Ku頻段的主站設(shè)備體積上小了很多。
7.5 天線和射頻設(shè)備
為充分保證Ka衛(wèi)星饋電波束的EIRP,G/T性能,要盡量將中頻和射頻部件安裝在關(guān)口站天線饋源艙(Antenna Hub)內(nèi)。這樣的安裝方式減短波導(dǎo)、同軸電纜的連接長度,最大化地保證端到端射頻信號指標(biāo),同時(shí)也方便對射頻設(shè)備的維護(hù)操作。
Ka頻段關(guān)口站射頻設(shè)備的安裝位置非常重要,重要原因是波導(dǎo)元件的插入損耗很大。30GHz頻段的波導(dǎo)損耗為每米0.4dB,將高功率放大器(HPA)安裝在靠近天線饋源口的位置,這樣可以有效地解決波導(dǎo)插入損耗的問題,又提高了關(guān)口站的EIRP值,有助于優(yōu)化整個(gè)Ka頻段系統(tǒng)的性能。
為獲得系統(tǒng)高可用度,RF系統(tǒng)須作冗余配置。相當(dāng)數(shù)量的關(guān)口站部署在偏遠(yuǎn)地區(qū),因此Ka頻段關(guān)口站需要有一些特殊的功能,例如要能進(jìn)行遠(yuǎn)程管理,要有全面的故障檢測功能,要能自動檢測故障并自動切換到冗余部件等。
圖12 休斯Jupiter系統(tǒng)關(guān)口站射頻系統(tǒng)排放設(shè)計(jì)圖
為保持大載波調(diào)制后的信號整體性,上行鏈路的各個(gè)主要部件都要符合嚴(yán)格的幅度和相位響應(yīng)指標(biāo)要求。關(guān)口站的整個(gè)傳輸環(huán)節(jié),包括中頻(IF)和射頻(RF)部分,都要保證250MHz帶寬上的幅度、群時(shí)延和相位響應(yīng)的性能均衡。要確保盡可能低的幅度和相位失真,在評估全路徑性能指標(biāo)時(shí)要考慮關(guān)鍵部件間的電路連接,例如:
⊙ 要對信號傳輸全程中的每個(gè)設(shè)備建模,并做性能分析。
⊙ 要明確所有部件的關(guān)鍵性能參數(shù)取值。
⊙ 部件間的接口要滿足最低電壓駐波比。
⊙ 同軸電纜和波導(dǎo)要支持最佳幅度平坦度和相位響應(yīng)指標(biāo)。
⊙ 斜率均衡器。
⊙ 對每單個(gè)器件、整個(gè)系統(tǒng)要做100%的性能驗(yàn)證。
7.6 Ka關(guān)口站的精確上行雨衰消除技術(shù)
與Ku頻段相比,Ka頻段信號更容易受降雨的影響。當(dāng)關(guān)口站遭受惡劣天氣時(shí),關(guān)口站的上行功率控制單元分析接收到的信標(biāo)變化,相應(yīng)調(diào)整上行衰減器的設(shè)置,從而使衛(wèi)星端接收的關(guān)口站上行信號通量密度維持不變。
Ka頻段的大載波特性帶來了新的問題,下雨時(shí),上行功率控制單元檢測信標(biāo)值的減少量,計(jì)算針對整個(gè)上行鏈路所需要的增益調(diào)整值。由于Ka系統(tǒng)的上行頻段很寬(約2GHz),為使衛(wèi)星接收的上行通量密度維持恒定,在整個(gè)2GHz上行頻段的不同頻率部分所需要的增益調(diào)整幅度是不一樣的。與簡單、一視同仁的Ku頻段上行功率調(diào)整方法相比,現(xiàn)在Ka頻段精確控制技術(shù)能做到數(shù)十分之幾dB的功率調(diào)整精度。
安達(dá)斯參加江蘇總臺播出分發(fā)平臺一期建設(shè)項(xiàng)目開工儀式
近日,江蘇省廣播電視總臺播出分發(fā)平臺一期建設(shè)項(xiàng)目召開了開工儀式,參加儀式的總臺領(lǐng)導(dǎo)有技術(shù)臺長張建平、黨委委員顧建國、電視技術(shù)部薛兵主任、電視技術(shù)管理部朱光榮主任、編排導(dǎo)播部朱閩主任、江蘇教育頻道副臺長劉正海。安達(dá)斯作為此項(xiàng)目的主要設(shè)備提供商和系統(tǒng)集成商有幸參與了開工儀式。
該項(xiàng)目將建成面向全媒體的、可擴(kuò)展的、以云架構(gòu)為基礎(chǔ)的、以流程驅(qū)動為主線的、適應(yīng)媒體融合發(fā)展的內(nèi)容服務(wù)平臺,同時(shí)完成總控系統(tǒng)高清化升級,使之完全能夠滿足臺內(nèi)外高清信號的調(diào)度需求,建設(shè)基于IP的SDVN全媒體分發(fā)平臺。安達(dá)斯中標(biāo)其中第六包:四樓播控系統(tǒng)擴(kuò)容及五樓播控系統(tǒng)改造集成;第七包:總控矩陣、收錄矩陣;第八包:L-Band矩陣系統(tǒng)及系統(tǒng)集成;第九包:總控周邊系統(tǒng);第十包:IP總控傳輸分發(fā)平臺及集成。其中“IP總控傳輸分發(fā)平臺與集成”是國內(nèi)首個(gè)IP總控傳輸分發(fā)平臺,采用EVERTZ SDVN技術(shù)(軟件定義的視頻網(wǎng)絡(luò)),充分適應(yīng)未來媒體融合及電視臺制播網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展及4K,8K等超高清制播業(yè)務(wù)的開展。
儀式上總臺領(lǐng)導(dǎo)表示:發(fā)展在全媒體融合的大環(huán)境下的IP技術(shù),從傳統(tǒng)的播出向基于融媒體的播出、分發(fā)平臺發(fā)展,在項(xiàng)目實(shí)施中要對新技術(shù)進(jìn)行深度挖掘,為將來的規(guī)范打下基礎(chǔ)。安達(dá)斯和Evertz公司也會盡最大的努力為江蘇臺提供最好的服務(wù),助其打造優(yōu)勢媒體。
Global Ka Band Broadband Satellite Services Overview (2)
Chen Qiang1, Zhao Qingsuo2, Li Tao3
(1.Communication Institute, Beijing; 2.Xinhua News Agency,Beijing,100803;3.Chengdu Kemai Telecommunications Technology Co., Ltd., Chengdu, 610031)
This article is retrospected the trajectory of global satellite telecommunication industry from C/Ku band to Ka band and from Voice/TV to Internet. The article is listed in HTS satellites which are in orbit and inconstruction, the capacity , the operators and the ground system. The Ka band broadband satellite business in USAis also introduced.
Ka band; HTS satellite; Gateway; Subscriber
10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.011
TN927
:A
1672-7274(2014)10-0038-05