Ka寬帶衛(wèi)星通信
——我國(guó)應(yīng)急通信發(fā)展的新方向

· 文|中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司 沈永言

Ka寬帶衛(wèi)星通信
——我國(guó)應(yīng)急通信發(fā)展的新方向

· 文|中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司 沈永言

衛(wèi)星通信是應(yīng)急通信的重要支撐，Ka寬帶衛(wèi)星通信是衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。國(guó)際上，衛(wèi)星應(yīng)急通信已經(jīng)進(jìn)入Ka階段。相比于C、Ku頻段，Ka衛(wèi)星應(yīng)急通信的容量更大、終端更小、性價(jià)比更高、市場(chǎng)門(mén)檻更低、網(wǎng)絡(luò)使用更加靈活。中星16號(hào)和中星18號(hào)Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)將把我國(guó)衛(wèi)星應(yīng)急通信帶入新的階段。

Ka寬帶衛(wèi)星通信 應(yīng)急通信

一、前言

應(yīng)急通信得到全社會(huì)的廣泛關(guān)注，是我們國(guó)家進(jìn)步和發(fā)展的一個(gè)重要體現(xiàn)。應(yīng)急通信主要應(yīng)用于抗災(zāi)減災(zāi)、突發(fā)事件、重大活動(dòng)、新聞采集、國(guó)防軍事等各個(gè)方面，終端有車(chē)載、船載、機(jī)載、便攜單機(jī)等各種形式。不管如何應(yīng)用，其目的都是為了經(jīng)濟(jì)、生命損失的最小化，社會(huì)效益的最大化。

應(yīng)急通信的基本特點(diǎn)是通信時(shí)間、地點(diǎn)具有隨機(jī)性、緊急性，通信服務(wù)保障要具有靈活性、可靠性。與地面通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星通信在覆蓋區(qū)域、傳輸能力、應(yīng)用種類(lèi)、建設(shè)速度、容災(zāi)性能、操作搬移等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而成為應(yīng)急通信的主要支撐方式，這在近年來(lái)全球各地重大災(zāi)難救援過(guò)程中已得到了充分的驗(yàn)證。

應(yīng)急通信系統(tǒng)是信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和特定應(yīng)用形式。由于用戶數(shù)量、使用頻次、應(yīng)用種類(lèi)、高清視頻等因素的共同推動(dòng)，信息網(wǎng)絡(luò)在不斷向?qū)拵Щ较虬l(fā)展，如光纖寬帶（OTN、EPON、GPON）、移動(dòng)寬帶（3G、LTE、4G）等。同樣，衛(wèi)星通信以及衛(wèi)星應(yīng)急通信也要向Ka頻段高通量衛(wèi)星（HTS）方向發(fā)展。這不僅是為了適應(yīng)通信需求變化的需要，也是為了擺脫衛(wèi)星通信自身日趨嚴(yán)重的C/Ku頻段軌位和頻率資源困境的需要。

二、Ka寬帶衛(wèi)星通信的基本特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)急應(yīng)用展望

1．基本特點(diǎn)

（1）高頻段

相對(duì)于C、Ku等傳統(tǒng)頻段，Ka可用頻率資源最為豐富，高達(dá)3.5GHz，因而為衛(wèi)星通信的寬帶化提供可觀的拓展空間。

（2）抗干擾

除了頻率資源豐富之外，頻段高的第二個(gè)好處是遠(yuǎn)離一般地面通信系統(tǒng)所在的頻率范圍，具有天然的高抗干擾性能。

（3）雨衰大

與頻率資源豐富、抗干擾性能好相對(duì)應(yīng)的不利因素是Ka頻段雨衰相對(duì)較大。然而，自動(dòng)功率控制、自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步已使雨衰問(wèn)題得到有效克服。

（4）點(diǎn)波束

為了滿足日益增長(zhǎng)的通信帶寬需求，Ka寬帶衛(wèi)星幾乎清一色地采用點(diǎn)波束、頻率復(fù)用來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)傳輸能力。通常，其頻率重復(fù)利用次數(shù)在20次以上，這成為衛(wèi)星通信容量的主要來(lái)源，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)區(qū)域波束與Ka點(diǎn)波束的區(qū)別

（5）需切換

點(diǎn)波束的應(yīng)用必然帶來(lái)了機(jī)載“動(dòng)中通”等應(yīng)用時(shí)的越區(qū)切換問(wèn)題，對(duì)此，終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)必須有所應(yīng)對(duì)。

（6）小終端

Ka高頻段信號(hào)內(nèi)在的高增益使得用戶終端得到進(jìn)一步縮小，從而加強(qiáng)了實(shí)際應(yīng)用的便利性和普遍性。

（7）大容量

豐富的頻率資源以及點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)的綜合運(yùn)用，使得Ka寬帶衛(wèi)星通信的系統(tǒng)容量得到數(shù)十倍甚至百倍以上的提高，與此同時(shí)，衛(wèi)星系統(tǒng)造價(jià)并未有顯著變化。在VSAT網(wǎng)絡(luò)方面，其傳輸速度已接近4G水平，這使得整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力得到大大提高。

（8）星狀網(wǎng)

在透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下，點(diǎn)波束的應(yīng)用內(nèi)生性地決定了Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)星網(wǎng)一體化設(shè)計(jì)要求和星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（9）多關(guān)口

饋電鏈路頻率的復(fù)用、用戶的本地化接入、地面關(guān)口站的信息處理能力等因素，要求Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)要設(shè)置多個(gè)地域分布的關(guān)口站。不同關(guān)口站之間通過(guò)地面光纖網(wǎng)絡(luò)相互連接，以形成一個(gè)完整的信息網(wǎng)絡(luò)。

（10）應(yīng)用廣

Ka寬帶衛(wèi)星通信的星狀結(jié)構(gòu)特別適合提供寬帶接入直接到戶（DTH）、基站中繼、IP中繼、內(nèi)容分發(fā)、新聞采集、應(yīng)急通信，以及機(jī)載、船載和車(chē)載類(lèi)“動(dòng)中通”等商對(duì)客（B2C）型應(yīng)用。由于關(guān)口站之間的互聯(lián)互通，它同樣可以提供其他網(wǎng)狀型應(yīng)用。

（11）模式多

Ka寬帶衛(wèi)星通信的星網(wǎng)要一體化設(shè)計(jì)導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式的多樣化。根據(jù)美國(guó)iDirect公司的觀點(diǎn)，Ka寬帶衛(wèi)星通信的價(jià)值鏈由衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)、電信港設(shè)施、關(guān)口站設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)、服務(wù)提供、終端用戶等環(huán)節(jié)組成。這些環(huán)節(jié)的不同組合大致形成了垂直一體化運(yùn)營(yíng)、分銷(xiāo)批發(fā)運(yùn)營(yíng)、虛擬運(yùn)營(yíng)、獨(dú)立運(yùn)營(yíng)等模式。

2．發(fā)展現(xiàn)狀

（1）總體情況

到目前為止，Ka寬帶衛(wèi)星通信已經(jīng)發(fā)展了兩代系統(tǒng)。第一代以加拿大電信衛(wèi)星公司（Telesat）的Anik-F2、泰國(guó)衛(wèi)星通信公司（Thaicom）的IPstar、美國(guó)衛(wèi)訊公司（ViaSat）的WildBlue-1、美國(guó)休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司（Hughes）的Spaceway-3等為代表，系統(tǒng)容量基本在10Gbit/s左右；第二代以歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）的Ka-Sat、ViaSat的ViaSat-1、Hughes的Jupiter-1等為代表，系統(tǒng)容量100Gbit/s左右，可支持200萬(wàn)～300萬(wàn)用戶。

Ka寬帶衛(wèi)星通信市場(chǎng)發(fā)展最好的當(dāng)屬北美和歐洲。到2012年底，Hughes共擁有65.9萬(wàn)用戶。2013年3月底，ViaSat Exede12擁有51.2萬(wàn)用戶。Eutelsat和SES分別擁有10多萬(wàn)戶。全球最大的衛(wèi)星直播電視公司——DirecTV已經(jīng)大量采用Ka寬帶衛(wèi)星用于本地化、高清電視直播。此外，國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）、國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司（Inmarsat）都在加緊建設(shè)各自的Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

目前，在軌全Ka寬帶衛(wèi)星有20余顆，到2016年全球Ka頻段商用通信衛(wèi)星將達(dá)50顆左右。歐洲咨詢公司預(yù)測(cè)，2018年，Ka頻段需求將占總需求的14％。北方天空研究公司（NSR）預(yù)測(cè)，到2021年，全球HTS的總需求容量達(dá)750Gbit/s，寬帶接入用戶總數(shù)將達(dá)到810萬(wàn)。

（2）相關(guān)應(yīng)用

·機(jī)載通信

在Ka寬帶衛(wèi)星通信各種類(lèi)應(yīng)急通信應(yīng)用中，機(jī)載通信最引人注目。機(jī)載衛(wèi)星通信始于2008年。最初，美航采用的是Ku頻段。到目前為止，美國(guó)三分之二的民航飛機(jī)提供了此項(xiàng)服務(wù)。2013年6月，ViaSat公司開(kāi)始與LiveTV合作，基于ViaSat-1 Ka寬帶衛(wèi)星，向美國(guó)捷藍(lán)航空170架飛機(jī)和大陸航空公司200多架飛機(jī)提供寬帶服務(wù)。預(yù)計(jì)，此服務(wù)每個(gè)乘客的下載速度可達(dá)12Mbit/s或更高，此項(xiàng)工程將于2015年完成。此外，ViaSat也在與美國(guó)波音公司合作，在波音商用飛機(jī)上預(yù)裝Ka寬帶衛(wèi)星通信機(jī)載終端；與以色列航空合作，基于歐洲Ka-Sat Ka衛(wèi)星，在歐洲和中東地區(qū)提供航空寬帶服務(wù)。2012年12月，Inmarsat與Gogo開(kāi)始合作，共同提供GX Ka頻段航空寬帶服務(wù)。2013年1月，Eutelsat與LiveTV合作，向歐洲商業(yè)航空公司的乘客提供Ka寬帶服務(wù)—“Eutelsat Air Access”，每架飛機(jī)的連接速度可達(dá)100Mbit/s。

·船載通信

與C、Ku頻段相比，Ka具有更高的增益和G/T值，終端天線更小，因而有利于加裝天線罩，以有效避免海上風(fēng)暴和鹽霧等惡劣環(huán)境對(duì)衛(wèi)星天線的不良影響。2015年中期，Inmarsat-5 Global Xpress Ka寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行后，海事衛(wèi)星船載通信應(yīng)用將從L頻段向Ka遷移。憑借50Mbit/s的下行速度和5Mbit/s的上行速度， Inmarsat不僅將可以向船員提供寬帶上網(wǎng)、在線購(gòu)物、遠(yuǎn)程醫(yī)療等服務(wù)，還可以進(jìn)行視頻監(jiān)控，這將成為全球海事寬帶衛(wèi)星通信的新標(biāo)準(zhǔn)。

·車(chē)載通信

一直以來(lái)，汽車(chē)是各種“動(dòng)中通”和“靜中通”衛(wèi)星通信應(yīng)用中的最普通平臺(tái)。然而，今天車(chē)載平臺(tái)已擴(kuò)展到火車(chē)，甚至高鐵。例如，以色列Orbit公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可運(yùn)行于Ka頻段，能夠有效應(yīng)對(duì)鐵路電磁干擾、鐵磁影響等特殊環(huán)境的高鐵“動(dòng)中通”天線——RailTRxTM2-500，以迎接高鐵Ka寬帶衛(wèi)星通信時(shí)代的到來(lái)。除了具備常規(guī)“動(dòng)中通”天線所必須的自動(dòng)跟蹤功能外，RailTRxTM2-500還充分考慮了火車(chē)通過(guò)涵洞或車(chē)站時(shí)由于信號(hào)遮擋所引發(fā)的瞬時(shí)重新捕捉。

·基站中繼

衛(wèi)星基站中繼不僅是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商組網(wǎng)的基本需要，更是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信的必要保障。伴隨著全球移動(dòng)通信從2G、3G向LTE、4G的整體遷移，從2013年開(kāi)始，全球衛(wèi)星基站中繼技術(shù)模式已開(kāi)始從運(yùn)行于C、Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的老解決方案——SCPC和TDMA，向基于Ka的HTS、O3b衛(wèi)星等下一代解決方案升級(jí)。例如，IPstar、Hughes、O3b、Intelsat、Inmarsat等衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商都在積極開(kāi)拓LTE、4G基站中繼市場(chǎng)。

·新聞采集

新聞采集是應(yīng)急通信中應(yīng)用最多的種類(lèi)之一。2012年3月，Eutelsat開(kāi)始基于Ka-Sat衛(wèi)星，為歐洲及地中海盆地各國(guó)廣播機(jī)構(gòu)推出一種名為NewsSpotter的新型Ka頻段新聞采集（SNG）服務(wù)。NewsSpotter有三種版本的用戶終端：①背包式小型終端，重量在5～10kg之間，需要手動(dòng)對(duì)星，天線口徑為60～70cm；②小型汽車(chē)緊湊型終端，可自動(dòng)對(duì)星，天線口徑為75～90cm；③安裝在耐用的車(chē)輛上的終端，可用于崎嶇不平的地區(qū)，天線口徑為75～120cm，如圖2所示。此后，英國(guó)BBC和BskyB公司、盧森堡RTL以及意大利RAI等廣播機(jī)構(gòu)已經(jīng)在歐洲測(cè)試了NewsSpotter傳輸系統(tǒng)，而丹麥TV2公司已將NewsSpotter集成到廣播基礎(chǔ)設(shè)施之中，以提升其新聞采集能力。

圖2 NewsSpotter用戶終端

2012年4月，ViaSat通過(guò)ViaSat-1衛(wèi)星，為美國(guó)各地廣播機(jī)構(gòu)推出Exede新聞采集。當(dāng)年11月，芝加哥WLS電視臺(tái)和休斯頓KTRT電視臺(tái)成功完成了Exede新聞采集應(yīng)用測(cè)試，該測(cè)試是通過(guò)帶有單個(gè)75cm Ka天線終端的SNG車(chē)完成。

Eutelsat和ViaSat采用的VSAT網(wǎng)絡(luò)都是ViaSat的SurfBeam2系統(tǒng)，其回傳速度可達(dá)20Mbit/s。它們同時(shí)展現(xiàn)了Ka寬帶衛(wèi)星通信在新聞采集方面所具有的小型、移動(dòng)、快速、簡(jiǎn)單、大容量、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用廣泛等多種優(yōu)勢(shì)。

3．應(yīng)急通信展望

Ka寬帶衛(wèi)星通信在機(jī)載、船載、車(chē)載、基站中繼、新聞采集等方面的應(yīng)用和發(fā)展，表明了衛(wèi)星應(yīng)急通信已經(jīng)進(jìn)入Ka時(shí)代。實(shí)際上，2014年7月1日，ViaSat和Eutelsat共同宣布，兩家公司將相互利用對(duì)方資源，提供機(jī)載、海事船載、緊急救援、石油天然氣及政府等服務(wù)。值得注意的是，這些都是商業(yè)級(jí)的應(yīng)用，可見(jiàn)困擾Ka頻段衛(wèi)星通信固有的雨衰以及由于點(diǎn)波束而產(chǎn)生的“動(dòng)中通”越區(qū)切換等問(wèn)題已經(jīng)得到有效的解決。

與傳統(tǒng)衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)相比，Ka寬帶衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：①容量大：可以傳送標(biāo)清、甚至高清視頻，在必要時(shí)，可以同時(shí)傳輸多路視頻，從而有效提高應(yīng)急通信的質(zhì)量和水平；②終端小：更容易裝備、攜帶和使用；③性價(jià)比高：可以大幅降低應(yīng)急通信系統(tǒng)的運(yùn)行成本和行業(yè)進(jìn)入門(mén)檻；④無(wú)需單獨(dú)建網(wǎng)：Ka寬帶衛(wèi)星通信是星網(wǎng)一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)急單位或部門(mén)無(wú)需單獨(dú)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，就可以直接使用。

就整個(gè)衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式來(lái)講，并沒(méi)有因?yàn)镵a寬帶衛(wèi)星通信的引用而發(fā)生根本的改變。衛(wèi)星應(yīng)急通信能否順利向Ka升級(jí)，很大程度上取決于各種適用終端天線的供應(yīng)。目前，有很多Ku、Ka頻段平板陣列終端天線廠商，比較知名的有Row44、Panasonic、Gogo、ViaSat等。Ka寬帶衛(wèi)星通信的小終端以及新一代平板陣列天線的低輪廓特征，使得它們更容易裝備于飛機(jī)、汽車(chē)、輪船、火車(chē)等移動(dòng)平臺(tái)之上。新的Ku、Ka雙頻段集成式饋源網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)一副天線跟蹤Ku或Ka頻段衛(wèi)星，這就為衛(wèi)星應(yīng)急通信從Ku向Ka平滑過(guò)渡，以及兩種網(wǎng)絡(luò)的相互備份、融合應(yīng)用創(chuàng)造了十分有利的條件。

三、我國(guó)自主Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)情況

我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中星16號(hào) Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在緊鑼密鼓地建設(shè)之中。該系統(tǒng)具有26個(gè)用戶波束、3個(gè)饋電波束，在北京、成都和喀什三地設(shè)置了三個(gè)關(guān)口站，衛(wèi)星將于2016年底發(fā)射。中星16號(hào)Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。與目前國(guó)際先進(jìn)的衛(wèi)星相比，中星16號(hào) Ka寬帶衛(wèi)星的系統(tǒng)容量、區(qū)域覆蓋等還相對(duì)有限，隨后建設(shè)的中星18號(hào)Ka寬帶衛(wèi)星將對(duì)此進(jìn)行全面的補(bǔ)充和完善。屆時(shí)，除了我國(guó)陸地、北海、東海、南海都可以全部覆蓋之外，還有幾個(gè)海洋移動(dòng)波束可以用于機(jī)動(dòng)應(yīng)用。這將為我國(guó)應(yīng)急通信提供大范圍、全時(shí)空的系統(tǒng)保障。同時(shí)，作為Ka寬帶衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)商，中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司將有能力從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、系統(tǒng)集成、人員保障等各個(gè)方面，為我國(guó)衛(wèi)星應(yīng)急通信事業(yè)提供更為全面、可靠的服務(wù)。

圖3 中星16號(hào)Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

四、結(jié)語(yǔ)

市場(chǎng)環(huán)境變化和通信技術(shù)發(fā)展決定了衛(wèi)星應(yīng)急通信必然向Ka寬帶衛(wèi)星通信方向演進(jìn)。從全球來(lái)看，Ka寬帶衛(wèi)星應(yīng)急通信已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。中星16號(hào)和中星18號(hào)Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)將為我國(guó)衛(wèi)星應(yīng)急通信和整體應(yīng)急通信提供更為強(qiáng)大的支撐。