衛(wèi)星地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型

Stuart Daughtridge/文，沈永言/譯

衛(wèi)星地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型

Stuart Daughtridge/文，沈永言/譯

過去五十年來，衛(wèi)星地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相對變化不大：由于傳輸技術(shù)的限制，天線和信號處理一直形影不離，地面系統(tǒng)依賴特殊硬件、專用接口和模擬處理是常態(tài)。然而，近些年來，傳統(tǒng)衛(wèi)星地面系統(tǒng)已經(jīng)受到了行業(yè)發(fā)展趨勢的挑戰(zhàn)，被迫作出變化，以保持競爭力。這些趨勢包括“IP承載一切（Everything over IP）”和虛擬化、HTS以及它對帶寬容量和定價的影響、技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)融合。

1 IP和虛擬化

虛擬化是包括衛(wèi)星在內(nèi)的所有行業(yè)的一個總體趨勢。地面體系結(jié)構(gòu)的虛擬化以及硬件產(chǎn)品向固件和軟件應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，使得地面基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)變得簡單和經(jīng)濟有效，業(yè)務(wù)提供更加動態(tài)。隨著轉(zhuǎn)型的發(fā)生，地面運營商也從更好的系統(tǒng)互操作性、更可擴展的運營能力中收益。這些能力具體表現(xiàn)在需求滿足、本地靈活性、成本控制和性能提升等方面。

技術(shù)在虛擬化過程中舉足輕重，其真正的價值是能力或其支撐的服務(wù)。例如，Kratos推出了一套名為SpectralNet的數(shù)字中頻產(chǎn)品，它通過在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字射頻信號，從而擺脫了射頻傳輸?shù)木嚯x限制。在這個過程中，頻率和定時信息得以保存，射頻信號在遠(yuǎn)端被完整恢復(fù)，如圖1所示。

圖1 SpectralNet系統(tǒng)工作原理

SpectralNet的功能為地面站系統(tǒng)打開了新的局面，它的技術(shù)價值展現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方面。例如，遇到雨天等妨礙Ka/Ku波段衛(wèi)星通信的場合，運營商可用別的方式在高頻段衛(wèi)星提供有保證的服務(wù)。對于站點眾多、信號重復(fù)處理并不經(jīng)濟可行，而需要依賴一個大型、昂貴天線和放大器的情況，運營商可以使用兩套小巧、低廉的地理分散天線，將數(shù)字射頻信號傳送中心來處理。數(shù)字中頻基地多樣化系統(tǒng)還有另外一個好處，就是站點之間切換迅速，不會造成客戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失。

另外一個案例就是借助現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施將中心站的服務(wù)擴展到新地方。如果只是提供新的、臨時性或季節(jié)性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來滿足經(jīng)常變化的用戶需求，那么，利用VSAT技術(shù)擴展衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可能就昂貴、難行。有了SpectralNet數(shù)字中頻這類功能，用戶就可以利用他們現(xiàn)有的信號處理設(shè)備（如中心站、TT&C調(diào)制器、加解密設(shè)備等），只要能夠連接IP網(wǎng)絡(luò)，它們就能就地提供這些新的服務(wù)。這個功能為地面段體系結(jié)構(gòu)帶來顯著的提升，如降低了投資和運營成本，使擴大服務(wù)區(qū)域以及在新的地方提供臨時性或季節(jié)性服務(wù)變得經(jīng)濟可行。當(dāng)新的地方業(yè)務(wù)機會開始增長時，運營商可以轉(zhuǎn)到一個永久性的中心，重新利用他們的SpectralNet系統(tǒng)，來將他們的業(yè)務(wù)擴展到其他有業(yè)務(wù)潛力的地方。所有這些事情只需在現(xiàn)有中心設(shè)置適當(dāng)?shù)木€卡，兩個SpectralNet單元和一條IP網(wǎng)絡(luò)鏈路。

有了SpectralNet之類系統(tǒng)，如今衛(wèi)星以及相關(guān)射頻通信網(wǎng)絡(luò)就可以跟上電信等行業(yè)的發(fā)展節(jié)奏，后者已經(jīng)通過中心化處理和虛擬硬資產(chǎn)來虛擬化它們的基礎(chǔ)設(shè)施。

2 高通量衛(wèi)星

根據(jù)Euroconsult的研究，未來十年，全球?qū)⒂?00以上的HTS載荷和衛(wèi)星要發(fā)射。在未來3～5年或許更短時間里，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的方方面面都要發(fā)生變化。HTS極大地增加了系統(tǒng)容量，其容量價格也會開始急劇下降。較低的帶寬成本將促成新業(yè)務(wù)，擴大新應(yīng)用。運營商銷售、開展和管理這些信息業(yè)務(wù)的方式也將同樣改變，如圖2所示。

圖2 點波束HTS的獨特業(yè)務(wù)監(jiān)測方式和傳感器管理挑戰(zhàn)

衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)將有能力進入新的市場和服務(wù)領(lǐng)域，而不是像以前那樣由于經(jīng)濟原因被排除在外。許多新市場將要求地面技術(shù)更加能動和靈活，這樣就要求解決方案更加軟件化而非硬件化，以支持新的應(yīng)用，移動市場就是一個生動的案例。十年前，對于衛(wèi)星通信來講，除了Inmarsat老的L波段和一些非常細(xì)分的專業(yè)領(lǐng)域，移動市場基本是不存在的。十年來，天線、放大器方面的技術(shù)進步，以及互聯(lián)網(wǎng)的增長和聯(lián)網(wǎng)需求，為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了一個重要的、激動人心的新市場。

3 HTS信號檢測和干擾

HTS的獨特挑戰(zhàn)與生俱來。例如，今天針對少數(shù)波束的信號檢測方式不可能經(jīng)濟有效擴展到具有70個以上波束的HTS之中。HTS對干擾的影響已通過多種形態(tài)顯現(xiàn)，其中之一便是小HTS波束難以擁塞整合網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致了故意干擾的減少。這對于軍隊和一些廣播用戶來講是值得稱贊的事情，其原因是絕大多數(shù)的干擾都是不經(jīng)意發(fā)生的。但是，HTS高功率波束如此之多，衛(wèi)星如此之近，它們指向大量帶有小型、低成本天線和高靈敏度接收機的VSAT，需要實時改變波束的移動應(yīng)用日漸增長，所有這些都會通過系統(tǒng)誤配置、天線誤安裝以及設(shè)備失效等方式增加干擾的可能性。

這些因素推動了傳感器系統(tǒng)的發(fā)展，其結(jié)果是部署和操作成本大幅降低。Kratos公司利用其Monics數(shù)載波監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)出Monics200。由于針對點波束監(jiān)測來設(shè)計，Monics 200為運營商提供了經(jīng)濟的、用途廣泛的基于信號處理器的射頻傳感器。它可以自動地判斷調(diào)制類型、符號率、Eb/No值，查明和分析干擾信號。Monics傳感器花樣多、功能強、價格低，因為它們是專門面向HTS點波束監(jiān)測這個特定需求設(shè)計的，如圖3所示。

圖3 Monics 200的應(yīng)用場景

此外，監(jiān)測系統(tǒng)正在被升級，以向運營商提供各種管理來自不同傳感器的數(shù)據(jù)以及傳感器本身的方法。先進的虛擬化和管理工具正在被用來向運營商提供快速識別、描述、校正問題的所需信息。一旦這些問題發(fā)生，運行團隊可以在無需增加人力的情況下，管理相當(dāng)大的帶寬，進行靈活的操作。Kratos已經(jīng)將Monics產(chǎn)品線擴展到Monics Enterprise，以提供先進的虛擬化、數(shù)據(jù)管理和傳感器管理等功能，如圖4所示。

圖4 Monics系統(tǒng)人機界面

4 HTS和VSAT技術(shù)

數(shù)據(jù)應(yīng)用的帶寬需求變化較大，而在數(shù)據(jù)應(yīng)用支持方面，VSAT TDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取得令人矚目的成就，它可以高效地利用帶寬。HTS只是加速了這一發(fā)展趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)使用量的增加、終端硬件和部署成本的持續(xù)下降，可以肯定地說，VSAT終端產(chǎn)生的干擾已經(jīng)大約占到所有偶然衛(wèi)星干擾量的40%。業(yè)界的普遍擔(dān)憂是，相對典型的偶然干擾事件，VSAT網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的干擾很難識別和控制。因為VSAT可能擁有上千個終端，識別一個或多個干擾源可以說相當(dāng)勞神。幸運的是，市場中已經(jīng)出現(xiàn)這樣的技術(shù)來快速和有效地發(fā)現(xiàn)和控制VSAT干擾。SatGuard就是這樣一款產(chǎn)品，它可以通過提取終端ID號來識別引起臨星干擾的終端。一家主導(dǎo)衛(wèi)星運營商報告說，SatGuard產(chǎn)品允許他們在不到10分鐘時間里，解決了持續(xù)2年以上的干擾事件。這個技術(shù)同樣可以用來識別和解決GSM產(chǎn)生的干擾，其速度和準(zhǔn)確性超過市場中的其他方法。

5 贏得的競爭優(yōu)勢

這些年來，我們已經(jīng)目擊了隨著HTS帶寬容量的增加，帶寬價格在持續(xù)下降。這樣一來，市場變得更加具有競爭性，而運營商則需要培育用戶基礎(chǔ)，維護當(dāng)期收入水平，發(fā)展業(yè)務(wù)。

通過技術(shù)提高運營效率以增強在目標(biāo)市場的競爭優(yōu)勢才具有可持續(xù)性。電信/衛(wèi)星服務(wù)提供商將需要提升他們的網(wǎng)絡(luò)效率，而不只是關(guān)注帶寬使用。因為帶寬成本減少了，其他成本將顯得更為重要，運營效率而不是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的使用更為關(guān)鍵。這包括網(wǎng)絡(luò)運營商發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)售、賣空他們網(wǎng)絡(luò)的方式，如同多年來地面網(wǎng)絡(luò)運營商所做的那樣，在運營過程中不斷追求效率。相對于過去，在未來，運營成本將是更關(guān)鍵的制勝因素。比如，在過去，帶寬在總系統(tǒng)生命周期成本占80%很尋常。當(dāng)這個比例下降到50%、40%，甚至20%的時候，其他成本（如網(wǎng)絡(luò)運營成本），將會在總系統(tǒng)生命周期成本中從10%增加到50%，甚至更多。

6 融合

相對技術(shù)來講，客戶更加關(guān)注連接。這意味著服務(wù)提供商需要能夠提供包含衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的解決方案，以最好的連接來滿足客戶需求。技術(shù)融合正在推動客戶工程能力的實際演進，其中包括從射頻到中頻的轉(zhuǎn)變，以及衛(wèi)星與地面混合網(wǎng)絡(luò)的興起。

行業(yè)競爭程度的日益增強、運行成本對總網(wǎng)絡(luò)成本的巨大影響，以及電信技術(shù)的相互融合，正在呼喚一種新的網(wǎng)絡(luò)管理方式。Kratos NeuralStar SQM就是這類產(chǎn)品，它將網(wǎng)絡(luò)管理帶入端到端服務(wù)質(zhì)量管理解決方案的階段，其方式是將電信港設(shè)備管理和真正的企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)管理、射頻信號管理與結(jié)合在一起，以將服務(wù)管理貫穿到整個網(wǎng)絡(luò)。端到端服務(wù)管理加快了相應(yīng)時間，整合了運營過程，讓客戶影響條件變得清晰可見，最終達到最大化收入、降低成本的目的。它給予運營商優(yōu)化收入和利潤的信息與工具，其基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)性能和客戶服務(wù)水平約定（SLA）。NeuralStar SQM的無縫集成和有效管理天地網(wǎng)絡(luò)的能力對未來發(fā)展至關(guān)重要。

7 結(jié)束語

引起衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)變革的是HTS，讓衛(wèi)星服務(wù)提供商克敵制勝的卻是地面系統(tǒng)，帶寬價格的下降將為行業(yè)打開新的市場空間。但是，只有采用新的地面系統(tǒng)技術(shù)，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)才能成功進入這些新市場，并充分釋放HTS的潛能。隨著星上載荷的更加靈活化、軟件化，地面系統(tǒng)需要更強大、更智能，以充分利用星上的這些靈活性和各種功能。

這是一個令人激動的衛(wèi)星通信時代，我們正處于由多種技術(shù)和市場因素共同驅(qū)動的產(chǎn)業(yè)拐點上，它預(yù)示著未來幾年將是自人類開始太空競賽以來最為精彩的一段時間。

（注：本文譯自《APSCC》2017年NEWSLETTER第1期中的“The Transformation of Satellite Ground System Architecture”一文，作者為Kratos-Integral Systems公司副總裁Stuart Daughtridge。）

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.013

TP927文獻標(biāo)示碼：C

1672-7274（2017）03-0047-03