文 | 高鑫 門吉卓 劉曉濱 姚力北京航天控制儀器研究所

一、引言

國際通信衛(wèi)星組織在1965年成功發(fā)射晨鳥號通信衛(wèi)星（Intelsat－1），提供國際通信服務，標志著衛(wèi)星通信進入商業(yè)應用領(lǐng)域。到上世紀末，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的承載業(yè)務發(fā)生了顯著變化，從語音、低速率數(shù)據(jù)業(yè)務轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俾实膶拵Щヂ?lián)網(wǎng)接入業(yè)務和寬帶移動多媒體業(yè)務，進入到了寬帶化發(fā)展階段，可滿足低人口密度地區(qū)、復雜地貌地帶、遠海、空中等陸地網(wǎng)絡無法覆蓋區(qū)域的互聯(lián)網(wǎng)接入需求。

隨著傳輸速率的進一步提高、多媒體業(yè)務不斷增多以及網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模不斷擴大，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)大規(guī)模推廣應用已受限于衛(wèi)星的通信容量（簡稱通量）[1]。為了解決通信衛(wèi)星通量不足的問題，國外航天研究機構(gòu)通過借鑒陸地無線蜂窩通信頻率復用的相關(guān)原理，結(jié)合多點波束技術(shù)，在相同可用頻譜資源的條件下，將通量提升數(shù)倍，將衛(wèi)星通信帶入到高通量發(fā)展階段。

二、高通量衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.高通量通信衛(wèi)星概述

高通量通信衛(wèi)星（High Throughput Satellite，HTS）概念首先由美國北方天空研究所（NSR）在2008年提出：采用頻率復用和多點波束技術(shù)，在同樣頻譜資源的條件下，整顆衛(wèi)星的通信容量是傳統(tǒng)支持固定通信衛(wèi)星的數(shù)倍[2]。業(yè)界普遍認為，高通量通信衛(wèi)星屬于寬帶通信衛(wèi)星，用戶鏈路頻段不局限于Ka頻段，其通信容量應大于10Gbit/s。

從高通量通信衛(wèi)星的發(fā)展歷程看，可將其分為兩個階段：第一階段（2005-2010年），單星通量10～100Gbit/s；第二階段（2011-2019年），單星通量100～300Gbit/s，通量大于10Gbit/s的高通量通信衛(wèi)星（包括非靜止軌道的星座）。

在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務與多媒體業(yè)務的應用進一步普及之時，衛(wèi)星通信有向?qū)拵Щ?、高通量方向邁進的客觀需求，帶動多點波束技術(shù)應用范圍的持續(xù)擴大，從L頻段或S頻段的移動通信衛(wèi)星擴大至C頻段、Ku頻段、Ka頻段通信衛(wèi)星。多點波束的優(yōu)勢在于通過減小天線波束的孔徑角，帶來星載天線單元增益提高的優(yōu)勢，實現(xiàn)不同波束之間頻率的復用，以提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通量。同時，高通量通信衛(wèi)星在相同覆蓋區(qū)域內(nèi)可代替數(shù)顆傳統(tǒng)通信衛(wèi)星來承擔通信任務，節(jié)約地球靜止軌道（GEO）的軌道資源和頻率資源。

2.高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為空間段、地面段和用戶段，為星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。饋電鏈路工作頻段為Ka頻段，用戶鏈路由應用場景來決定頻段，可為C頻段、Ku頻段、Ka頻段?？臻g段為一顆GEO高通量通信衛(wèi)星；地面段包括主控站、網(wǎng)絡控制中心（NCC）、若干個關(guān)口站，其中關(guān)口站將陸地寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務、移動寬帶多媒體業(yè)務接入至高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)對衛(wèi)星寬帶多媒體業(yè)務的支持；用戶段包括便攜式VSAT地球站、固定地球站、車載VSAT地球站，如圖1所示。

圖1 高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的每個關(guān)口站采取主用與備用相結(jié)合的方式。主用關(guān)口站與備用關(guān)口站相距幾百千米，通過陸地專線鏈接，實現(xiàn)空間分集接收，均可接收和處理業(yè)務流量。主用關(guān)口站受雨衰影響較大時，系統(tǒng)自動切換到備用關(guān)口站，通過冗余和分集手段，抵抗雨衰的影響。當用戶鏈路為Ka頻段時，采用自適應調(diào)制編碼（ACM）和自動載波功率控制機制（ACPC），對雨衰進行補償。

3.國內(nèi)外主要高通量通信衛(wèi)星

世界第一顆高通量通信衛(wèi)星IPSTAR－1于2005年8月發(fā)射入軌，同年10月開通運營，用戶鏈路工作頻段為Ku，包括84個用戶點波束，整星通信容量可達40Gbit/s，開啟了高通量衛(wèi)星通信的時代。此后，國際移動衛(wèi)星公司（Inmarsat）、國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）、歐洲衛(wèi)星公司（SES）、歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）、衛(wèi)訊公司（ViaSat）、休斯公司（Hughes）等世界主要衛(wèi)星通信運營商均訂購了高通量通信衛(wèi)星[2-7]，具體信息如表1所示。

近年來，一些國家陸續(xù)發(fā)射了覆蓋本國范圍的高通量通信衛(wèi)星，例如加拿大Telstar－19V于2018年7月發(fā)射入軌，印度GSAT－29和GSAT－11分別于2018年11月和12月發(fā)射入軌，印尼Nusantara Satu衛(wèi)星于2019年2月發(fā)射入軌。同時，高通量通信衛(wèi)星也正向超高通量衛(wèi)星（VHTS）方向邁進，ViaSat公司在建的ViaSat－3通量達1Tbit/s，Hughes公司Jupiter－3通量達500Gbit/s，Eutelsat公司在建的Konnect VHTS衛(wèi)星通量達500Gbit/s。

我國首顆高通量通信衛(wèi)星中星十六號于2017年4月12日發(fā)射，定點于110.5°E地球靜止軌道，提供26個Ka頻段用戶波束，覆蓋中國中部、中西部、東部、南部、拉薩地區(qū)及中國近海地區(qū)，可應用于遠程教育、醫(yī)療、互聯(lián)網(wǎng)接入、機載和船舶通信、應急通信等領(lǐng)域。中星十六號整星通量達20Gbit/s，大于我國所有在軌通信衛(wèi)星的容量之和，但僅達到高通量通信衛(wèi)星第一階段的發(fā)展水平。第二顆高通量通信衛(wèi)星中星十八號于2019年發(fā)射失敗。亞太6D衛(wèi)星于2020年7月9日成功發(fā)射，最終定點于134°E地球靜止軌道，為Ku/Ka頻段高通量通信衛(wèi)星，通量達50Gbit/s，包括90個用戶波束，單波束通量達1Gbit/s以上,覆蓋亞太地區(qū)絕大部分陸地和海洋地區(qū)，包括7個在建關(guān)口站。亞太6D是我國目前通信容量最大、輸出功率最大、設(shè)計程度最復雜的民商用通信衛(wèi)星，可滿足海事通信、航空機載通信、陸地車載通信、應急固定衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等多種應用需求。后續(xù)還將陸續(xù)發(fā)射多顆高通量通信衛(wèi)星，實現(xiàn)對中國全境、周邊國家以及“一帶一路”等區(qū)域的覆蓋。

表1 國外主要GEO高通量通信衛(wèi)星參數(shù)

衛(wèi)星平臺是高通量通信衛(wèi)星的重要支撐技術(shù)。東方紅五號衛(wèi)星平臺的成功研制使我國邁入世界衛(wèi)星通信領(lǐng)域的先進行列。東方紅五號衛(wèi)星平臺整星發(fā)射質(zhì)量達8000kg，有效載荷承載質(zhì)量達1500kg，有效載荷功率達18kW，采用先進綜合電子系統(tǒng)與大推力、多模式電推進系統(tǒng)，使我國具備研制100～1000Gbit/s超高通量通信衛(wèi)星的能力，可滿足未來20年的大容量衛(wèi)星應用需求。

三、高通量衛(wèi)星通信應用分析

1.商業(yè)應用優(yōu)勢

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)成本極高，涉及衛(wèi)星制造、火箭發(fā)射、控制站、關(guān)口站、發(fā)射保險等方面費用，這導致單位帶寬使用費用是陸地互聯(lián)網(wǎng)的幾百倍。為扭轉(zhuǎn)衛(wèi)星通信在與陸地寬帶網(wǎng)絡競爭中處于明顯劣勢的不利局面，激發(fā)衛(wèi)星通信商業(yè)應用的新動能，降低用戶資費和終端價格已成為擺在衛(wèi)星通信運營商面前亟需解決的問題。

高通量通信衛(wèi)星制造費用稍高于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星，但火箭發(fā)射、發(fā)射保險、關(guān)口站、控制站、衛(wèi)星維護的費用與傳統(tǒng)衛(wèi)星持平，單位帶寬的使用資費大幅下降，僅僅是陸地網(wǎng)絡的幾倍，具備與陸地網(wǎng)絡競爭的可能性。

多點波束技術(shù)還可解決覆蓋區(qū)域內(nèi)增益較低的問題。單個點波束在地球上覆蓋區(qū)域近似為圓形，在覆蓋區(qū)域內(nèi)提供較高的EIRP和G/T值。與區(qū)域波束覆蓋的衛(wèi)星終端相比，在支持相同傳輸速率條件下，Ka頻段衛(wèi)星終端在點波束覆蓋區(qū)域的天線口徑可縮小50%以上，可降低天線單元的成本價格，有利于進一步向大眾用戶推廣應用。高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)是星網(wǎng)一體的網(wǎng)絡系統(tǒng)，信令、幀、空中接口可統(tǒng)一化、規(guī)范化，基帶處理單元可形成大批量化生產(chǎn)，進一步降低衛(wèi)星終端的價格。

2.應用領(lǐng)域

（1）陸地寬帶接入服務

衛(wèi)星通信可作為偏遠地區(qū)、低人口密度鄉(xiāng)村、群島、遠離大陸島嶼等地區(qū)通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)連接的骨干網(wǎng)絡。由于這些地區(qū)的用戶數(shù)量有限，架設(shè)光纜、甚至海底光纜的單位成本極高，遠高于建設(shè)衛(wèi)星通信遠端站的成本。在高通量通信衛(wèi)星時代，單位帶寬的使用資費相對較低，使其在上述地區(qū)的應用具有非常大的優(yōu)勢，解決寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入問題。

ViaSat－1和ViaSat－2所有的關(guān)口站和遠端站均采用SurfBeam通信體制，為北美陸地地區(qū)和夏威夷群島、中北美及加勒比海地區(qū)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務，可提供下行50 Mbit/s、上行20 Mbit/s的速率。KA-SAT向歐洲及地中海至今未能鋪設(shè)陸地光纜的地區(qū)提供數(shù)字電視、數(shù)據(jù)業(yè)務，同樣采用SurfBeam通信體制，最高下行速率達10Mbit/s，在速度、價格等方面與陸地ADSL相當。Intelsat EpicNG衛(wèi)星提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務，在點波束覆蓋范圍內(nèi)提供的下行速率可達160Mbit/s，寬波束覆蓋范圍內(nèi)提供的下行速率為40Mbit/s。

（2）客機寬帶通信服務

近年來，航空出行呈現(xiàn)大眾化的趨勢，旅客對在航程中告別“網(wǎng)絡信息孤島”頗為期待，為基于高通量衛(wèi)星通信的機載應用帶來了機遇。高通量通信衛(wèi)星可進一步提高客機艙內(nèi)WiFi的通信速率，滿足旅客出行期間享受寬帶多媒體業(yè)務的實際需求。目前，ViaSat公司、Inmarsat公司在該領(lǐng)域提供服務，并占據(jù)較高的市場份額。

ViaSat公司與Eutelsat公司、澳大利亞寬帶網(wǎng)絡公司（NBN）、中國衛(wèi)通等多家公司簽訂協(xié)議，允許這些公司的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行漫游和接入服務，包括WildBlue－1、Anik－F2、ViaSat－1、ViaSat－ 2、KA-SAT、SkyMuster I/II、中星十六號等Ka頻段高通量通信衛(wèi)星，實現(xiàn)衛(wèi)星通信波束對客機的全球無縫覆蓋。

Inmarsat公司在2017年開通了基于“全球快訊”（Global Xpress）系統(tǒng)運營機載寬帶服務GX for Aviation，可提供高速、全球無縫覆蓋的民航客機機載WiFi服務，旅客在機上可連接體驗與陸地網(wǎng)絡相媲美的寬帶服務品質(zhì)。目前，德國漢莎航空、新西蘭航空、新加坡航空等多家航空公司選用GX for Aviation服務。

2020年7月7日，中國首架高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)飛機—青島航空QW9771航班首航成功，機上適配了基于中星十六號衛(wèi)星的高速互聯(lián)系統(tǒng)，使旅客在萬米高空機艙內(nèi)實現(xiàn)百兆以上的速率聯(lián)網(wǎng)，可享受與地面WiFi同樣的上網(wǎng)體驗。

（3）海事領(lǐng)域?qū)拵ㄐ欧?/p>

進入21世紀以來，海洋戰(zhàn)略地位日漸凸顯，海上商業(yè)航運量逐年提升，油氣資源勘探、深?？茖W考察、遠海捕撈作業(yè)等社會經(jīng)濟活動顯著增多。海上作業(yè)平臺及過往船舶的工作人員迫切需要寬帶互聯(lián)網(wǎng)，以緩解其長期枯燥無味的海上生活，豐富其工作之余的精神文化生活。

目前，僅有Inmarsat公司的“全球快訊”系統(tǒng)可在南北緯70°之間全球任何位置提供無縫寬帶衛(wèi)星通信服務，不僅支持海上交通信息傳輸，為船舶安全航行保駕護航，還支持視頻會議、遠程維修、遠程醫(yī)療、海上電子商務、船舶物聯(lián)網(wǎng)信息回傳等寬帶業(yè)務[8]。

3.面向服務應用的探索

陸地移動通信即將進入5G時代，5G系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕獮槿撕蜋C器提供信息和服務的一種方式[9]，支持極限移動寬帶、海量機器通信、超高可靠的通信應用場景。在人類社會加速進入數(shù)據(jù)化和智能化的時代，為了將不斷涌現(xiàn)的新型多媒體服務的應用范圍擴展至陸地互聯(lián)網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域，高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持5G服務場景成為可能。

在國內(nèi)外電信基礎(chǔ)設(shè)施完善地區(qū)，陸地移動通信網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，未來僅有極少偏遠鄉(xiāng)村、近海島嶼無法實現(xiàn)5G系統(tǒng)的覆蓋，可借助融合5G的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)揮陸地移動通信網(wǎng)絡的補充作用。在電信基礎(chǔ)設(shè)施落后地區(qū)，高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)將承擔骨干網(wǎng)絡的作用，實現(xiàn)5G系統(tǒng)的主要設(shè)計目標，把來自不同工業(yè)經(jīng)濟領(lǐng)域的需求映射到信息系統(tǒng)之上，例如農(nóng)業(yè)、能源、金融、醫(yī)療、生產(chǎn)制造、媒體、交通、公共安全等領(lǐng)域的相關(guān)需求。未來的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)應具有面向人、機器提供大規(guī)模差異化接入服務的能力，構(gòu)建泛在高效的空間信息網(wǎng)絡，改變過去移動通信領(lǐng)域“天弱地強”的格局。

四、高通量衛(wèi)星通信發(fā)展建議

目前已投入使用的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)大多數(shù)采用獨立設(shè)計、建設(shè)、運行、維護的發(fā)展模式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的界限清晰，支持的功能單一，星網(wǎng)與地網(wǎng)之間的通信體制不兼容，僅可通過關(guān)口站與各類陸地網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通?？紤]到未來的應用領(lǐng)域與應用需求，提出如下幾項建議：

1）在通信協(xié)議方面，對寬帶衛(wèi)星通信協(xié)議作出適應性修改，兼容衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域的GMR-1和GMR-2，兼容陸地寬帶通信協(xié)議，實現(xiàn)衛(wèi)星固定通信與衛(wèi)星移動通信在協(xié)議層面的融合，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合；預留與中低軌通信衛(wèi)星的軌間通信接口，以作為天地一體化信息網(wǎng)絡的骨干網(wǎng)[10]。

2）在數(shù)字載荷方面，采取軟件定義無線電技術(shù)，控制在衛(wèi)星通信頻率范圍內(nèi)的各種調(diào)制技術(shù)和波形要求，在壽命期間具備全新的能力來改變有效載荷功能，可根據(jù)陸地業(yè)務需求動態(tài)調(diào)整波束容量、波束覆蓋范圍。

3）在安全性方面，增加通信鏈路安全防護能力，滿足未來應用于有保密要求的政府用戶和軍用需求；在面臨網(wǎng)絡攻擊、數(shù)據(jù)竊取的威脅和挑戰(zhàn)時，有針對性采取抗干擾、防竊聽、安全路由、安全切換、安全傳輸、安全接入和密鑰管理等安全技術(shù)。

4）在終端地球站方面，實現(xiàn)多頻段衛(wèi)星通信融合的通信終端，具有小型化、通用化的特點；單獨一個通信終端可支持衛(wèi)星移動通信、衛(wèi)星寬帶媒體通信、陸地移動通信、導航定位等功能。

五、結(jié)論

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的帶動下，衛(wèi)星通信進入了高通量的發(fā)展階段。高通量衛(wèi)星通信單位帶寬的使用資費已大幅下降，在低人口密度鄉(xiāng)村、群島、遠海島嶼等地區(qū)具備與陸地網(wǎng)絡競爭的可能性，在海上、空中具備應用普及化的優(yōu)勢。這將激活衛(wèi)星通信商業(yè)應用的潛力，扭轉(zhuǎn)與陸地寬帶網(wǎng)絡競爭中處于明顯劣勢的不利局面，帶動衛(wèi)星通信技術(shù)的進一步發(fā)展。未來可借鑒5G通信標準，探索支持應對差異化服務，轉(zhuǎn)變?yōu)槿撕蜋C器提供信息和服務的一種方式，支持極限移動寬帶、海量機器通信、超高可靠的通信應用場景。

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前存在封閉運行、系統(tǒng)之間的界限清晰、支持的功能單一、星網(wǎng)與地網(wǎng)之間的通信體制不兼容等問題。通信協(xié)議、數(shù)字載荷、安全性、終端地球站的不斷發(fā)展，將為高通量衛(wèi)星通信的發(fā)展注入新的活力。