全球Ka波段寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀和發(fā)展（一）

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）

全球Ka波段寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀和發(fā)展（一）

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H TS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；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；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

1 衛(wèi)星通信的發(fā)展

1963年，美國休斯先后研制了3顆地球同步軌道衛(wèi)星，分別取名為Syncom-1，Syncom-2，Syncom-3，這是人類首次發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星。1965年4月，由休斯制造的Early Bird（“晨鳥”）地球同步軌道衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著全球商業(yè)衛(wèi)星通信的開始。

1985年，美國休斯公司的工程師們研發(fā)出VSAT系統(tǒng)，并為沃爾瑪（Wal-Mart）連鎖商店組建全球第一個(gè)商用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，山姆?沃爾頓決定采用休斯公司的VSAT來連接他的鄉(xiāng)村商店和物品配送中心，這個(gè)決定被美國《財(cái)富》雜志評為20世紀(jì)人類最重要的商業(yè)決策之一。衛(wèi)星通信正逐漸成為全球電信基礎(chǔ)架構(gòu)中不可分割的組成部分。

直到20世紀(jì)末，通信衛(wèi)星的設(shè)計(jì)主要是圍繞廣播電視業(yè)務(wù)進(jìn)行，所以要求衛(wèi)星覆蓋盡可能大的地面面積，換句話說，衛(wèi)星設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)是覆蓋范圍，而不是通信容量。衛(wèi)星通信開始的10年，衛(wèi)星工作在C頻段（4-6GHz），隨著時(shí)間的推移，80年代出現(xiàn)了更高頻率的Ku頻段（10-14GHz）衛(wèi)星。直到過去10年，Ku衛(wèi)星仍占全球衛(wèi)星通信的主導(dǎo)地位。

受高清電視、高速互聯(lián)網(wǎng)接入等需求的推動(dòng)，許多地區(qū)對衛(wèi)星帶寬的需求量超過K u頻段所能夠提供的極限，促使衛(wèi)星工業(yè)使用更高的Ka頻段（18-30GHz），也使全球衛(wèi)星通信進(jìn)入了應(yīng)用高吞吐量（HTS）衛(wèi)星的新技術(shù)階段。

新一代高吞吐量衛(wèi)星（HTS）衛(wèi)星的設(shè)計(jì)不僅使用了更高頻的Ka波段，而且采用多點(diǎn)波束結(jié)構(gòu)，通過重復(fù)使用有限的頻率資源獲得更大的通信容量。如圖1所示，HTS衛(wèi)星采用類似于地面蜂窩網(wǎng)的技術(shù)，各個(gè)點(diǎn)波束采用不同頻率和極化的組合而彼此獨(dú)立工作。

圖1 Ka頻段HTS衛(wèi)星的波束設(shè)計(jì)

一個(gè)例子是采用休斯公司Juip ter高吞吐技術(shù)的EchoStar 17號(hào)衛(wèi)星，它有60個(gè)點(diǎn)波束。EchoStar 17衛(wèi)星與Spacew ay 3合起來形成了對美國國土的優(yōu)化覆蓋（如圖2所示）。另一個(gè)例子是歐洲衛(wèi)星公司的KASAT寬帶衛(wèi)星，其波束設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 波束覆蓋示意圖

圖3 波束覆蓋示意圖

一顆采用60個(gè)點(diǎn)波束的HTS衛(wèi)星，如果每一個(gè)點(diǎn)波束為出向500MH z和回傳500MHz的容量（典型的Ka頻段分配），則此顆衛(wèi)星將擁有60GHz的容量。因此通過頻率復(fù)用，HTS能夠獲得比常規(guī)衛(wèi)星多得多的帶寬。采用點(diǎn)波束覆蓋，衛(wèi)星下行EIRP和上行G/T值比常規(guī)的成形波束高出許多，HTS衛(wèi)星的bit/Hz比可以達(dá)到2～3，而Ku波段衛(wèi)星的bit/Hz值僅僅在1～1.6之間，這樣，一顆HTS衛(wèi)星的傳輸總?cè)萘靠梢暂p易地突破100Gb/s。

一顆衛(wèi)星，不管是按最大化容量或是按最大化覆蓋設(shè)計(jì)，其星體設(shè)計(jì)、建造、發(fā)射的成本大致相同，所以H TS衛(wèi)星的每比特（bit）費(fèi)用要遠(yuǎn)低于廣闊覆蓋設(shè)計(jì)的衛(wèi)星。

國際上Ka波段衛(wèi)星傳輸技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的成熟度，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性和可用性都能與K u波段網(wǎng)絡(luò)相媲美。Ka關(guān)口站的射頻傳輸設(shè)備（RFT）有支持750瓦輸出功率的行波管功率放大器，衛(wèi)星終端的Ka射頻部件采用最先進(jìn)的砷化鎵單片微波集成電路，工作穩(wěn)定/可靠、性價(jià)比高。為提高射頻部件的可靠性、降低其體積、重量、耗電量和成本，美國休斯公司甚至專門設(shè)計(jì)并委托美國芯片設(shè)計(jì)制造商生產(chǎn)高性能BUC用MMIC芯片組，并在其美國Shady Grove工廠組裝生產(chǎn)Ka波段射頻單元。

2 HTS衛(wèi)星的點(diǎn)波束設(shè)計(jì)及衛(wèi)星容量

設(shè)計(jì)HTS衛(wèi)星的波束大小需要權(quán)衡衛(wèi)星的容量與覆蓋。小波束可以做到較高的容量，因?yàn)樾〔ㄊ鴷?huì)有較好的鏈路特性，從而有更高的頻譜效率和通信容量舉例來說，EchoStar 17號(hào)衛(wèi)星采用0.5度左右（或略大，直徑約300公里）的小用戶波束。

當(dāng)今衛(wèi)星工業(yè)的技術(shù)水平有能力制造容量超過200Gb/s的HTS衛(wèi)星，但這并不意味著每一個(gè)運(yùn)營商都應(yīng)該部署這樣的大容量衛(wèi)星。目前全球50多個(gè)啟動(dòng)的Ka衛(wèi)星項(xiàng)目（無論已在軌或計(jì)劃發(fā)射），大部分衛(wèi)星都采用部分載荷為Ka頻段波束的方式。在2013年發(fā)射的H ispasat亞馬遜3號(hào)衛(wèi)星有以下載荷：33個(gè)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，19個(gè)C轉(zhuǎn)發(fā)器，9個(gè)Ka點(diǎn)波束。其每個(gè)Ka點(diǎn)波束容量是上下500MHz，則該衛(wèi)星具有9GHz、相當(dāng)于20Gb/s的Ka波段數(shù)據(jù)通信能力。

目前，歐洲、非洲、中東、拉丁美洲地區(qū)的HTS衛(wèi)星服務(wù)提供商傾向于選擇部分Ka載荷衛(wèi)星或小容量的全Ka波段衛(wèi)星，因?yàn)椋?/p>

⊙ 小地域覆蓋，目標(biāo)覆蓋區(qū)域可能僅是一個(gè)中等大小的國家和地區(qū)。

⊙ 預(yù)期填充率較緩慢，發(fā)展中國家的填充率可能比北美或歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)慢，立即部署大載荷的HTS衛(wèi)星不具備經(jīng)濟(jì)性方面的好處。

⊙ 低成本，在衛(wèi)星上安裝部分載荷的開支遠(yuǎn)低于發(fā)射一顆全Ka波段的HTS衛(wèi)星。

所以，衛(wèi)星容量不一定越大越好。事實(shí)上，只有市場預(yù)期衛(wèi)星的填充率很高或總?cè)萘磕鼙谎杆傧?，衛(wèi)星才是“越大越好”。衛(wèi)星通信市場需求多種多樣，較小的衛(wèi)星容量可以使寬帶衛(wèi)星運(yùn)營商運(yùn)用較小投資先期切入市場。

3 Ka波段寬帶地面系統(tǒng)的發(fā)展

從沃爾瑪應(yīng)用全球第一個(gè)VSAT網(wǎng)絡(luò)開始，VSAT技術(shù)在各方面都有了很大的進(jìn)步。圖4展示了兩個(gè)最引人注目的發(fā)展趨勢（傳輸性能的提高，促使成本的降低）。

圖4 VSAT設(shè)備的發(fā)展

上世紀(jì)80年代，一套VSAT終端成本超過1萬美元，數(shù)據(jù)傳輸能力為9.6～64kb/s。今天Ku或Ka頻段的VSAT小站成本少于1千美元，卻擁有10～20Mb/s的吞吐能力。但是，VSAT系統(tǒng)的基本架構(gòu)并沒有明顯改變，這種架構(gòu)為傳統(tǒng)的36MHz C/Ku衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，也同樣很好地應(yīng)用于采用點(diǎn)波束架構(gòu)的高吞吐量衛(wèi)星。

高吞吐量衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星對有一些關(guān)鍵性的區(qū)別，包括：超過100MHz的高容量波束；每關(guān)口站支持多達(dá)10～20個(gè)點(diǎn)波束，擁有超過5Gb/s的通信容量；單個(gè)遠(yuǎn)端站的傳輸能力；克服雨衰對Ka頻段影響的能力。

高吞吐量衛(wèi)星的出現(xiàn)對地面VSAT系統(tǒng)有了更高要求。應(yīng)用于Ka波段HTS衛(wèi)星的地面通信系統(tǒng)應(yīng)該支持空間段和關(guān)口站資源的高效利用，同時(shí)擁有高性能、高性價(jià)比的應(yīng)用小站終端。

3.1 DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展

DVB-S2/ACM（自適應(yīng)編碼和調(diào)制）為現(xiàn)在主流VSAT系統(tǒng)所采用，但是DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)初為36MH z和54MH z轉(zhuǎn)發(fā)器解決覆蓋應(yīng)用而設(shè)計(jì)，最高才支持45Ms/s，16 APSK調(diào)制的技術(shù)體制。新一代高吞吐量衛(wèi)星的每個(gè)波束都為大容量，只有采用DVB-S2擴(kuò)展載波才能實(shí)現(xiàn)更高的容量、更好的鏈路性能。比如，美國休斯公司的JUPITER系統(tǒng)已經(jīng)對其DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多項(xiàng)擴(kuò)展，其出向載波可以支持支持最高達(dá)200Ms/s的符號(hào)率、32A PSK或者更高的調(diào)制方式，這樣一個(gè)出向載波最高可以支持近1Gb/s的信息速率。

3.2 高效率、高可靠性的關(guān)口站

VSAT應(yīng)用需求的提升對主站/關(guān)口站的容量有了更高的要求，這與上面所提及的信道容量相關(guān)，但最后還要體現(xiàn)在設(shè)備硬件的支持能力上。使用一個(gè)傳統(tǒng)36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器，VSAT主站容量要到80～100Mb/s，大多數(shù)VSAT系統(tǒng)其主站設(shè)備需要占用一個(gè)或一個(gè)半機(jī)柜。但使用多點(diǎn)波束結(jié)構(gòu)的高吞吐量衛(wèi)星，地面關(guān)口站需要支持1～10Gb/s的容量?？紤]建設(shè)一個(gè)5Gb/s的關(guān)口站，若采用一個(gè)半機(jī)架僅支持100Mb/s吞吐量的傳統(tǒng)VSAT系統(tǒng)，則總共需要多達(dá)25個(gè)設(shè)備機(jī)柜，還不包括流量管理設(shè)備（Packet Shaper）、路由器、交換機(jī)和其他應(yīng)用終端。關(guān)口站體積龐大，耗電量高，對空調(diào)要求也高，這些都意味著高昂的建設(shè)和運(yùn)營費(fèi)用。

3.3 高性能小站終端

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)美國家庭互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)增長到5.7臺(tái)，連接設(shè)備數(shù)量的增多，視頻流量的增加，遠(yuǎn)端衛(wèi)星小站需要面對更大的工作壓力，要求地面通信系統(tǒng)的用戶端衛(wèi)星終端支持很高的傳輸容量和強(qiáng)大的處理能力。現(xiàn)在，美國休斯公司的衛(wèi)星終端支持高達(dá)100Mb/s的IP包吞吐量，足可以滿足高端企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)的使用要求。

3.4 Ka頻段雨衰的挑戰(zhàn)

雨衰是Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)。對于關(guān)口站和數(shù)以萬計(jì)的小站用戶，整個(gè)系統(tǒng)如何克服雨衰對上下行鏈路傳輸可用度的影響，是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題。

一般而言，Ka頻段HTS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的出向信道需要采取以下技術(shù)來抵消雨衰影響：關(guān)口站上行功率控制；衛(wèi)星的自動(dòng)電平控制（ALC）；關(guān)口站射頻系統(tǒng)備份；出向載波的自適應(yīng)編碼和調(diào)制；使用大口徑天線以獲得較大EIRP。

入向信道消除雨衰能力包括：遠(yuǎn)端小站的上行功率控制；入向信道的自適應(yīng)編碼；動(dòng)態(tài)使用不同符號(hào)率的入向信道。

與人們想象的相反，Ka頻段HTS衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)在高雨區(qū)得到了廣泛的成功部署，如在美國的佛羅里達(dá)州，美國休斯公司Ka波段寬帶網(wǎng)絡(luò)的可用度可以達(dá)到99.7%。

3.5 Ka頻段同頻干擾的挑戰(zhàn)

由于HTS衛(wèi)星采用點(diǎn)波束，頻率復(fù)用的方式增加容量，同頻干擾問題便成為困擾HTS衛(wèi)星系統(tǒng)正常運(yùn)營的主要因素，在數(shù)萬個(gè)小站對準(zhǔn)一個(gè)衛(wèi)星同頻工作時(shí)，必須有效控制每個(gè)小站的上行譜密度，否則，同頻上行干擾將成為HTS衛(wèi)星運(yùn)營商和所有用戶的噩夢。因此，采用系統(tǒng)和鏈路提供雨衰儲(chǔ)備余量而不是增加小站硬件配置的方式應(yīng)是Ka波段HTS衛(wèi)星克服雨衰問題的主要方向。

4 Ka頻段HTS衛(wèi)星的現(xiàn)狀

1995年，休斯公司啟動(dòng)Space Way寬帶衛(wèi)星計(jì)劃，對星上載荷、鏈路設(shè)計(jì)、和地面通信系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)。2000年，全球互聯(lián)網(wǎng)泡沫破滅，衛(wèi)星通信市場需求下降，休斯公司先后將設(shè)計(jì)建造的Spaceway1和Spaceway2號(hào)Ka波段寬帶衛(wèi)星交給D irecTV電視直播公司，用于高清電視的直播到戶業(yè)務(wù)。這兩顆衛(wèi)星于2005年4月和11月發(fā)射并投入運(yùn)營。

2005年，Anik F-2 satellite衛(wèi)星發(fā)射并投入運(yùn)行，共有45個(gè)點(diǎn)波束，6個(gè)關(guān)口站，分布在美國和加拿大部分區(qū)域，這個(gè)衛(wèi)星在美國稱為Wildblue衛(wèi)星。2005年8月，泰國衛(wèi)星的iPSTAR衛(wèi)星發(fā)射并投入運(yùn)行，該衛(wèi)星有84個(gè)點(diǎn)波束，7個(gè)廣播波束，3個(gè)成型波束，最大容量為45Gb/s。上述4顆HTS衛(wèi)星發(fā)射并投入運(yùn)行，標(biāo)志著全球衛(wèi)星通信行業(yè)進(jìn)入一個(gè)HTS衛(wèi)星主導(dǎo)的新時(shí)代。

2008年8月，休斯公司SpaceWay 3號(hào)衛(wèi)星發(fā)射，是全球第一顆采用星上再生中繼和星上交換系統(tǒng)的Ka波段HTS衛(wèi)星，覆蓋全美的500多個(gè)點(diǎn)波束可以提供13Gb/s的總?cè)萘?，現(xiàn)在其在線用戶達(dá)到33萬。

2011年，美國衛(wèi)訊公司的ViaSat-1號(hào)HTS衛(wèi)星發(fā)射并投入運(yùn)營，該衛(wèi)星總?cè)萘砍^120Gb/s，美國衛(wèi)訊公司使用該星在北美地區(qū)推出了品牌Exede的衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，與Wildlue衛(wèi)星一起，填補(bǔ)北美地區(qū)地面有線電纜公司寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)區(qū)域留下的空白市場，截止到2014年第一季度，ViaSat-1號(hào)上有40多萬的在線小站用戶。

2012年，美國休斯公司的Jupiter 1號(hào)衛(wèi)星發(fā)射并投入運(yùn)營，該衛(wèi)星的總?cè)萘砍^120Gb/s，休斯公司使用了其新一代的HTS衛(wèi)星通信系統(tǒng)和小站終端Jupiter系統(tǒng)，截止到2014年第二季度，Jupiter 1號(hào)上有60.5萬個(gè)在線衛(wèi)星小站用戶，現(xiàn)在仍然以每月2到3萬個(gè)的速度增長，加上休斯公司擁有的31萬個(gè)企業(yè)和政府VSAT用戶，美國休斯公司在北美運(yùn)營的在線衛(wèi)星小站達(dá)到120萬個(gè)以上。

根據(jù)在線用戶的發(fā)展速度，休斯公司的Jupiter 1衛(wèi)星容量將在2015年使用完畢，衛(wèi)訊公司的ViaSat-1衛(wèi)星容量也將在2016年達(dá)到使用容限。2016年，美國休斯公司和美國衛(wèi)訊公司將分別發(fā)射Jup iter 2和ViaSat-2號(hào)HTS衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星的總?cè)萘烤鶎⒊^150Gb/s，北美和全球的HTS衛(wèi)星應(yīng)用將達(dá)到一個(gè)新的高度。表1給出了過去10年和今后3年Ka頻段HTS衛(wèi)星的運(yùn)營、容量和使用地面系統(tǒng)廠家的情況。

表1 Ka頻段HTS衛(wèi)星的運(yùn)營、容量和使用地面系統(tǒng)廠家的情況

圖5 每年上線服務(wù)的VSAT數(shù)量（來源于Comsys）

采用HTS衛(wèi)星技術(shù)的下一代寬帶VSAT網(wǎng)絡(luò)給全球范圍帶來更經(jīng)濟(jì)、性能更好的寬帶服務(wù)。圖5展示過去25年在線服務(wù)VSAT數(shù)量的變化情況，可以看出，從2005年開始，高吞吐量衛(wèi)星的發(fā)射/應(yīng)用促進(jìn)了整個(gè)VSAT行業(yè)的顯著增長，并顯著改變著全球衛(wèi)星通信市場的格局。

在企業(yè)市場和家庭消費(fèi)者市場，美國休斯公司保持50%左右的市場份額，在企業(yè)市場和消費(fèi)者家庭市場，美國iDirect公司和美國V iaSat公司分別超越其他競爭對手，現(xiàn)在分別居于市場份額第二位

總之，受地面寬帶不覆蓋、或覆蓋不足區(qū)域?qū)Ω咚偕暇W(wǎng)需求的推動(dòng)，HTS衛(wèi)星正在給全球帶來高經(jīng)濟(jì)效益的寬帶連接和應(yīng)用。作為衛(wèi)星應(yīng)用的重要領(lǐng)域，衛(wèi)星VSAT行業(yè)將持續(xù)、健康成長為世界主流電信基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，而Ka波段的寬帶衛(wèi)星業(yè)務(wù)更是未來發(fā)展的重中之重。（未完待續(xù)）

BIRTV2014成功舉辦

近日，第二十三屆北京國際廣播電影電視展覽會(huì)（BIRTV 2014）在北京成功舉辦，其展出面積超過5萬平米，匯聚中外519家參展商，其中國際廠家約占45%，對廣電領(lǐng)域新技術(shù)和事業(yè)發(fā)展新成果進(jìn)行了集中展示。得益于我國廣播影視事業(yè)的不斷發(fā)展，并在全國廣電行業(yè)和眾多世界頂級廣播影視廠商的積極參與下，BIRTV目前已成長為世界影響力很大的廣播影視展覽會(huì)之一。

今年4月，BIRTV成功入選2014年“商務(wù)部引導(dǎo)支持展會(huì)”，同時(shí)獲得中央財(cái)政專項(xiàng)資金支持，大大地減輕了中小企業(yè)的參展成本，這既是對BIRTV展覽會(huì)的充分肯定，也為展覽會(huì)的發(fā)展起到了有力的促進(jìn)作用。今后，BIRTV展覽會(huì)將更加注重產(chǎn)業(yè)交流、品牌推廣和促進(jìn)合作，進(jìn)一步加強(qiáng)新技術(shù)新業(yè)務(wù)的展示推廣平臺(tái)、行業(yè)政策宣講解讀平臺(tái)和國際交流平臺(tái)的作用，面向?qū)I(yè)化、國際化、品牌化不斷發(fā)展。BIRTV愿與更多國內(nèi)外有識(shí)之士共同投身到我國廣播影視建設(shè)發(fā)展中來，共同推動(dòng)我國廣播影視業(yè)的繁榮發(fā)展，為建設(shè)社會(huì)主義文化強(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢作出新貢獻(xiàn)。

Global Ka Band Broadband Satellite Services Overview (1)

Chen Qiang1, Zhao Qingsuo2, Li Tao3
(1.Communication Institute, Beijing; 2.Xinhua News Agency,Beijing,100803; 3.Chengdu Kemai Telecomm unications 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 in construction, the capacity , the operators and the ground system. The Ka band broadband satellite business in USA is also introduced.

Ka band; HTS satellite; Gateway; Subscriber

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.09.008

TN 927

A

1672-7274（2014）09-0030-05