● 文 ｜ 中國衛(wèi)通集團有限公司　王麗君

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高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計因素分析

● 文 ｜ 中國衛(wèi)通集團有限公司王麗君

高通量衛(wèi)星利用多點波束頻率復(fù)用等方式，大幅提高衛(wèi)星傳輸容量的同時，顯著降低了單位帶寬的成本。高通量衛(wèi)星從21世紀初誕生到現(xiàn)在，迅猛的發(fā)展態(tài)勢已經(jīng)令世人矚目。

高通量衛(wèi)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(fù)用實現(xiàn)，高通量衛(wèi)星的頻率復(fù)用像是將地面的蜂窩設(shè)計搬上衛(wèi)星，通過復(fù)用，可以實現(xiàn)頻率倍增，每顆衛(wèi)星得到了常規(guī)衛(wèi)星數(shù)倍或數(shù)十倍的可用頻率資源，大大降低單位帶寬的成本。高通量衛(wèi)星在寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、基站回傳、航空船載娛樂等方面都得到了廣泛應(yīng)用。

一、高通量衛(wèi)星系統(tǒng)概況

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

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

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

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

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

有的高通量衛(wèi)星設(shè)計成專用星，如Ka-sat、Jupiter-1等；有的則搭載在傳統(tǒng)衛(wèi)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(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計在不斷推陳出新。

二、高通量衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計因素分析

1.市場因素

“市場需求推動產(chǎn)品革新，產(chǎn)品革新帶動市場需求”的理論同樣適用于衛(wèi)星通信市場。寬帶、移動、空地一體、全球化是通信發(fā)展的大趨勢，衛(wèi)星通信作為無線通信領(lǐng)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(wèi)星的設(shè)計與市場需求密不可分。

O3b系統(tǒng)彌補市場需求空缺是O3b業(yè)務(wù)快速開展的前提。O3b系統(tǒng)具有可移動點波束設(shè)計、低延時特性、目標(biāo)市場主要針對數(shù)據(jù)中繼和基站回傳業(yè)務(wù)，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(xiàn)有昂貴的洲際光纜和傳統(tǒng)衛(wèi)星中繼比有價格上的競爭優(yōu)勢。

國際移動衛(wèi)星公司（Inmarsat）是全球最大的移動衛(wèi)星服務(wù)（MSS）運營商，也是唯一一家提供高通量衛(wèi)星服務(wù)的MSS運營商。多年來，Inmarsat在船舶安全和通信服務(wù)方面具有壟斷地位，然而隨著近年來船舶和航空領(lǐng)域的寬帶化通信需求，Inmarsat的第四代BGAN系統(tǒng)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(shè)計了第五代Inmarsat GX衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括4顆同步軌道Ka衛(wèi)星，Inmarsat因此實現(xiàn)了從低頻窄帶L頻段到高頻寬帶Ka頻段通信的業(yè)務(wù)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(shè)計制造了ViaSat-1，Hughes設(shè)計制造了Jupiter-1；在看到北美市場的個人寬帶業(yè)務(wù)需求還有更廣闊的天地時，ViaSat和Hughes又分別設(shè)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(xiàn)，Intelsat 33E、Eutelsat 172B、SES-14、Telesat 19V等衛(wèi)星根據(jù)市場需求設(shè)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(wèi)星項目。

中國衛(wèi)通集團有限公司作為中國通信衛(wèi)星運營的國家隊，順應(yīng)市場需求，在政府的支持下已經(jīng)啟動了Ka寬帶衛(wèi)星項目，該衛(wèi)星將于2017年一季度發(fā)射，主要服務(wù)區(qū)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(biāo)就是為澳大利亞提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，為澳大利亞全國提供普遍寬帶服務(wù)并消除“數(shù)字鴻溝”。2012年開始，NBN與美國勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）和ViaSat分別簽訂了2 顆高通量衛(wèi)星NBN-1A和NBN-1B以及地面配套設(shè)備協(xié)議，NBN-1A已于2015年10月1日發(fā)射成功，NBN-1B計劃2016年發(fā)射，容量可達90Gbit/s。

RSCC是俄羅斯國有衛(wèi)星運營商，該公司于2015年7月成功發(fā)射了Express-AM6/AM5衛(wèi)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(wèi)星已于2015年發(fā)射，該衛(wèi)星也攜帶部分Ka點波束高通量容量，RSCC的高通量衛(wèi)星主要用于開展俄羅斯的寬帶業(yè)務(wù)。

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

Visiona是巴西國有衛(wèi)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(wèi)星，該衛(wèi)星為巴西的“靜止戰(zhàn)略和國防通信衛(wèi)星”項目，X頻段轉(zhuǎn)發(fā)器作為國防用途，50個Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器服務(wù)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(tǒng)通信衛(wèi)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(fù)用率高、吞吐量大，更適合做寬帶接入業(yè)務(wù)。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(zhàn)略考慮或其他原因。

一些公司選擇Ka作為高通量衛(wèi)星的工作頻段，是因為其軌位已經(jīng)有多年運行的Ku頻段業(yè)務(wù)，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(yīng)。例如，Eutelsat的Ka-sat選擇在9°（E）工作，與熱鳥衛(wèi)星共軌，不僅可以提高軌位的效率，還可以通過原有的衛(wèi)星直播到戶（DTH）業(yè)務(wù)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(wèi)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(tǒng)選擇以Ku頻段為主的高通量設(shè)計，因為Intelsat的Ku軌位資源豐富，衛(wèi)星間的業(yè)務(wù)調(diào)整容易。其次還要考慮業(yè)務(wù)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(yè)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(qū)的衛(wèi)星，東南亞降雨量大，Ku頻段比Ka頻段更有優(yōu)勢。

（2）雨衰問題

雨衰問題應(yīng)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(qū)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(qū)，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(qū)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(shù)上主要采取加大天線口徑和自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）技術(shù)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(wèi)星開展業(yè)務(wù)，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(qū)域以及對可用度要求低的業(yè)務(wù)或非實時業(yè)務(wù)，比如個人寬帶接入、數(shù)字影院、節(jié)目交換等業(yè)務(wù)。

4.覆蓋與速率因素

衛(wèi)星的波束覆蓋主要取決于運營商目標(biāo)市場定位，在載荷能力一定的情況下，每個點波束大，衛(wèi)星整體覆蓋范圍大；相反，每個點波束小，衛(wèi)星整體覆蓋范圍小。覆蓋大小哪個更好沒有唯一標(biāo)準，需根據(jù)業(yè)務(wù)需求而定。

例如，將衛(wèi)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(qū)，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(qū)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(wèi)星的波束與覆蓋設(shè)計不同，主要原因是2顆衛(wèi)星的市場定位不同：ViaSat-1目標(biāo)市場就是個人寬帶接入業(yè)務(wù)，覆蓋了美國人口密集的區(qū)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(wù)速率，提高每個點波束的吞吐量；Epic 29E的目標(biāo)市場是政府和企業(yè)用戶及航空娛樂業(yè)務(wù)，覆蓋范圍大，每個點波束的覆蓋面積大，更方便多種業(yè)務(wù)的靈活應(yīng)用，大大降低了風(fēng)險，在一個大點波束范圍內(nèi)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(jīng)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(wèi)星星座進行比較，O3b的點波束少，每顆衛(wèi)星12個可移動點波束（10個用戶波束、2個關(guān)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(wèi)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(biāo)客戶是高速中繼和基站回傳業(yè)務(wù)，Inmarsat GX的目標(biāo)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(wèi)星的容量分配直接影響高通量衛(wèi)星容量的利用率，從而影響高通量衛(wèi)星的收益。設(shè)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(diào)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(wèi)星項目中普遍存在。如Ka-sat在西歐的點波束已經(jīng)飽和，但在其他區(qū)域的點波束卻比較空閑，所以Eutelsat一直在調(diào)整市場策略；IPStar在澳大利亞波束飽和不能發(fā)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(wèi)星不僅彌補現(xiàn)有衛(wèi)星波束冷熱不均的問題，而且將之前沒覆蓋的美國中部區(qū)域完全覆蓋。

O3b的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計，利用了靈活的可移動點波束，用戶需求在哪里衛(wèi)星天線就可以指向哪里，O3b目前已經(jīng)發(fā)射12顆衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)量也可以根據(jù)需要繼續(xù)增加到20顆，波束覆蓋可以根據(jù)需求調(diào)整，避免了因為固定波束設(shè)計帶來的冷熱不均，影響衛(wèi)星吞吐量的利用率。

6.柔性設(shè)計

因為衛(wèi)星的載荷受衛(wèi)星總質(zhì)量、功率和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)空間的限制，衛(wèi)星的柔性設(shè)計和吞吐量往往存在矛盾。柔性設(shè)計必然會增加一些額外衛(wèi)星質(zhì)量開銷。例如Hughes的Spaceway-3是一顆載荷柔性設(shè)計很到位的衛(wèi)星，衛(wèi)星利用相控陣天線，可以實現(xiàn)波束大小、指向、功率的調(diào)整，波束間可以實現(xiàn)帶寬共享等設(shè)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(fā)射的IPstar（45Gbit/s）的吞吐量少得多。在Spaceway-3提供業(yè)務(wù)后，容量快速用盡，所有的柔性設(shè)計起不到太大作用。所以后來的ViaSat-1和Jupiter-1都沒有采用復(fù)雜的柔性載荷設(shè)計，把重點放在吞吐量的提升上，帶來了更大的經(jīng)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(shù)，因為衛(wèi)星要在天上工作十幾年，很多市場情況很難預(yù)測，為了避免市場風(fēng)險，提高衛(wèi)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(wèi)星中，搭載高通量載荷比發(fā)射專用高通量衛(wèi)星多。專用星由于吞吐量利用率高，所以投資回報率高，但經(jīng)營風(fēng)險大；搭載高通量載荷投資回報率相對低些，但經(jīng)營風(fēng)險也小。

目前四個典型的高通量專用衛(wèi)星系統(tǒng)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(tǒng)衛(wèi)星百分百出租都不能匹敵的。然而專用高通量衛(wèi)星市場并不是一帆風(fēng)順的，全球第一顆高通量專用星IPStar的銷售經(jīng)歷坎坷，從最開始的封閉經(jīng)營模式不得不放開將部分波束廉價轉(zhuǎn)手給其他商家。Ka-sat在最初的兩年收入情況比預(yù)期差很多，Eutelsat及時調(diào)整了市場策略，打開了銷售渠道才創(chuàng)造出良好的業(yè)績。

搭載部分高通量載荷可以降低市場風(fēng)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(shè)了Amazonas-4B高通量專用Ka衛(wèi)星。

8.運營模式與設(shè)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(fēng)險大，設(shè)備很難兼容。開放運營模式下收益低但風(fēng)險小，收入有保障，與傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)備兼容好，靈活性高。

采用封閉運營模式的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，大多數(shù)采用非對稱設(shè)計，也就是前向信道帶寬大而回傳信道帶寬小，此種設(shè)計主要服務(wù)對象是寬帶接入業(yè)務(wù)，例如ViaSat、Hughes、Ka-sat、Yahclick系統(tǒng)。封閉運營模式帶寬利用率高、吞吐量大，關(guān)口站復(fù)雜建設(shè)成本高，需要健全的用戶支撐服務(wù)體系（數(shù)萬或更多用戶的安裝、調(diào)試、計費、報修、咨詢客服等）。這種高通量衛(wèi)星很難實現(xiàn)系統(tǒng)間的兼容。

采用開放運營模式的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，多采用和傳統(tǒng)衛(wèi)星一樣的對稱設(shè)計，主要是銷售轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，業(yè)務(wù)管理類似于傳統(tǒng)衛(wèi)星，不需要強大的用戶支撐服務(wù)體系。此類模式與傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)備兼容，用戶不需要更換設(shè)備就可以轉(zhuǎn)網(wǎng)到這類高通量衛(wèi)星使用。采用此設(shè)計的高通量衛(wèi)星有Intelsat的Epic系統(tǒng)、SES公司的SES-12/14/15衛(wèi)星等。

三、結(jié)束語

總之，高通量衛(wèi)星是衛(wèi)星制造業(yè)和發(fā)射業(yè)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，充分凝聚了科技進步的精華。高通量衛(wèi)星的設(shè)計是一個系統(tǒng)的工程，沒有最完美，只有最適合，設(shè)計出適合市場需求的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，才能被市場認可與接受，才能創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟效益和社會效益。

泰國首都曼谷Pleiades衛(wèi)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(wèi)星融合影像圖，分辨率為0.5m。

空客防務(wù)與空間-地理信息供圖