低軌星座地面通信應(yīng)用系統(tǒng)初步設(shè)計*

王 毅，李新華，王新榮

（中國空間技術(shù)研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引 言

為滿足廣大用戶衛(wèi)星寬帶接入的通信需求，高通量（HTS）系統(tǒng)因具有容量大、用戶終端小的優(yōu)勢在近幾年發(fā)展迅猛，低軌星座相對于高軌通信星座而言，不僅具有高通量系統(tǒng)的優(yōu)勢，而且具有更低的傳輸時延、更好的全球覆蓋性（包括南北兩極），可以更好地克服南山效應(yīng)，終端可能更小，成本可能更低廉，速率可能更高。因此，20世紀(jì)80年代末，美洲、歐洲等發(fā)達(dá)國家就開始發(fā)展低軌通信星座，我國以“天通一號”、“中星16”等為代表的同步軌道移動和寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)，為滿足企業(yè)用戶、家庭/個人用戶的移動通信、小型化終端高速傳輸通信等提供了有效手段，極大提升了我國寬帶大容量通信服務(wù)的能力。

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，全球互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的不斷延伸，衛(wèi)星通信傳輸保障“走出去”的需求迫切，低軌星座地面通信應(yīng)用系統(tǒng)的研制和發(fā)展正好成為通信保障“走出去”的有力武器，同時低軌星座帶來的地面5G移動通信和高通量寬帶接入通信高速發(fā)展，突出了對海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及當(dāng)前萬物互聯(lián)背景下地面移動難以到達(dá)地域的覆蓋優(yōu)勢，尤其我國“鴻雁”星座的升空讓手機(jī)信號無死角，讓全球永不失聯(lián)，人們就可以隨時隨地使用由衛(wèi)星提供的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)了[1］。

本文提出天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的地面通信應(yīng)用系統(tǒng)的初步設(shè)計方案，主要從系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)中心、信關(guān)站系統(tǒng)、終端系統(tǒng)以及系統(tǒng)安全性、可靠性等方面進(jìn)行設(shè)計，可為用戶提供更快、更穩(wěn)定、更安全的全球互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

1 概 述

低軌星座計劃主要基于寬帶互聯(lián)網(wǎng)需求，采用Ku、Ka高頻段實(shí)現(xiàn)高速率，通過成倍甚至10倍以上的衛(wèi)星數(shù)量和配置星間鏈路盡可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋。低軌接入網(wǎng)主要采用星座部署、空間組網(wǎng)的方式，提供全球無縫覆蓋的移動、寬帶通信服務(wù)。

星座構(gòu)型采用近極軌道，拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定，南北極在內(nèi)全球覆蓋，組網(wǎng)方式采用星間鏈路、星間路由，可不依賴地面站提供實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)能力。規(guī)模考慮12個軌道面，軌道高度800～1 100 km，重大工程實(shí)施考慮部署120個節(jié)點(diǎn)，首期部署60個綜合節(jié)點(diǎn)，以星上處理模式為主，后續(xù)可擴(kuò)展到240個節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力的平滑過渡[2］。

信關(guān)站以國內(nèi)部站為主，可根據(jù)國外業(yè)務(wù)拓展，在境外拓展部署信關(guān)站。各類型終端主要包括固定用戶終端（如企業(yè)用戶、家庭/個人用戶終端等）和移動用戶終端（如動中通、移動手機(jī)終端等）。提出的低軌星座地面通信應(yīng)用系統(tǒng)初步解決方案主要包括系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信關(guān)站、終端站、數(shù)據(jù)運(yùn)營中心及系統(tǒng)安全性、可靠性等[3-4］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求

（1）覆蓋能力

具備地球表面（海拔20 km以內(nèi)區(qū)域）的覆蓋能力；

實(shí)際覆蓋區(qū)域由頻率協(xié)調(diào)情況和地面站部署確定。

（2）移動通信

終端星地雙模，具備同時接入衛(wèi)星和地面ATC（輔助組件）能力，直連移動核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)4G/5G網(wǎng)絡(luò)接入，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)化[5-6］。

系統(tǒng)容量50000路雙向基本通信；

通信速率：

話音業(yè)務(wù)2.4～8 kb/s，支持高質(zhì)量話音；

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)0.002 4～1.4 Mb/s（視終端類型）；

國土不落地通信，最大時延優(yōu)于400 ms；

最小支持到手機(jī)終端，可支持個人用戶。

（3）寬帶通信

系統(tǒng)容量優(yōu)于1 Tb/s，優(yōu)于40個全球連通的熱點(diǎn)區(qū)域/用戶覆蓋能力；

通信速率：

單區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不低于上行7 Mb/s，下行36 Mb/s；

典型通信速率：25～50 Mb/s，峰值速率可達(dá)400 Mb/s；

國土不落地通信，最大時延優(yōu)于400 ms；

可為領(lǐng)導(dǎo)人出訪、戰(zhàn)略裝備通信保障、兩極通信服務(wù)提供專網(wǎng)通信。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)國家天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程總體架構(gòu)設(shè)計要求，針對其中低軌接入網(wǎng)地面應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要包括GEO骨干節(jié)點(diǎn)、低軌星座接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)運(yùn)營中心（BOSS）、信關(guān)站系統(tǒng)、終端系統(tǒng)等幾大部分[7］。

GEO骨干節(jié)點(diǎn)由地球同步軌道若干（如6個）通信衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)而成，如高通量（HTS）衛(wèi)星，可與低軌星座接入網(wǎng)形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

低軌星座接入網(wǎng)主要采用星座部署、空間組網(wǎng)的方式，規(guī)?？紤]12個軌道面，軌道高度800～1 100 km，重大工程實(shí)施考慮部署120個節(jié)點(diǎn)，首期部署60個綜合節(jié)點(diǎn)，以星上處理模式為主，后續(xù)可擴(kuò)展到240個節(jié)點(diǎn)。星座構(gòu)型采用近極軌道，拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定，南北極在內(nèi)全球覆蓋，組網(wǎng)方式采用星間鏈路、星間路由，可不依賴地面站提供全球無縫覆蓋的移動和寬帶通信服務(wù)等。

圖1 低軌接入網(wǎng)地面應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

低軌接入網(wǎng)配置同軌道面星間鏈路和異軌道面星間鏈路，同軌道面采用激光星間鏈路，異軌道面采用Ka頻段星間鏈路。用戶鏈路主要以L、Ka頻段為主，L頻段面向用戶提供移動通信服務(wù)，Ka頻段為重點(diǎn)用戶提供寬帶通信和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

數(shù)據(jù)運(yùn)營中心（BOSS）、信關(guān)站系統(tǒng)和終端系統(tǒng)是組成天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程地基節(jié)點(diǎn)的核心部分，完成衛(wèi)星地面通信以及數(shù)據(jù)管理、移動性管理、終端管理和系統(tǒng)運(yùn)營等核心能力的建設(shè)。

下面重點(diǎn)闡述地基節(jié)點(diǎn)幾大部分的系統(tǒng)設(shè)計和功能、性能介紹等。

2.3 地基節(jié)點(diǎn)設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)運(yùn)營中心

數(shù)據(jù)運(yùn)營中心主要負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的管理和運(yùn)營，包括業(yè)務(wù)支持（BSS）和運(yùn)營支持（OSS）、綜合監(jiān)控管理（MMS）以及網(wǎng)管（NMS）[8］。

（1）基本功能模塊

OSS集成網(wǎng)管平臺，統(tǒng)一整合所有子系統(tǒng)（天線設(shè)備、基帶設(shè)備、交換路由設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、機(jī)房監(jiān)控設(shè)備等）。作為整個網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一出口，提供故障告警、性能展示、統(tǒng)計報表、網(wǎng)絡(luò)配置等功能。

OSS服務(wù)開通、服務(wù)保障、資源管理子系統(tǒng)，承接CRM中的訂單管理，完成端到端的開通功能，以及對全專業(yè)網(wǎng)絡(luò)資源和信息服務(wù)資源的有效管理。

CRM客戶管理系統(tǒng)，提供客戶管理、產(chǎn)品管理、資源管理、代理商管理、服務(wù)開通流程管理、故障處理流程等功能。

計費(fèi)賬務(wù)系統(tǒng)，提供賬務(wù)計費(fèi)、綜合結(jié)算、信控管理、營收管理等功能。

網(wǎng)上營業(yè)廳，業(yè)務(wù)功能包括：信息展現(xiàn)、業(yè)務(wù)查詢、業(yè)務(wù)辦理、交費(fèi)充值、業(yè)務(wù)受理、產(chǎn)品銷售、網(wǎng)上客服、網(wǎng)上營業(yè)廳服務(wù)、客戶資料管理、客戶評價管理、客戶服務(wù)管理、訂單管理、渠道管理、銷售管理、業(yè)務(wù)資料管理、權(quán)限管理、接口管理、統(tǒng)計分析等。

業(yè)務(wù)運(yùn)營支撐系統(tǒng)采用英文界面（法文等多語言國際化）顯示，且使用方便及功能清晰。

（2）性能參數(shù)

①自助服務(wù)登錄時限：5 s。

②自助繳費(fèi)受理的系統(tǒng)處理時限：5 s。

③開戶業(yè)務(wù)受理的系統(tǒng)處理時限（從用戶終端指令輸入完畢到顯示交易成功所花費(fèi)的時間）：5 s。

④繳費(fèi)開機(jī)的系統(tǒng)處理時限：10 s。

⑤日報查詢響應(yīng)的時限：10 s。

⑥賬單查詢的處理時限：5 s。

⑦計費(fèi)總體處理效率（預(yù)處理、剔重、批價、詳單管理）不低于：1000 條/秒。

⑧設(shè)備性能穩(wěn)定，可支持7×24 h工作，設(shè)備可用率達(dá)到99.99%，平臺的平均無故障率達(dá)到99.9%。根據(jù)設(shè)計容量，滿負(fù)載情況下，CPU的使用率須小于80%；

⑨服務(wù)器可分布式部署，支持備份冗余，保證服務(wù)質(zhì)量。且平臺應(yīng)支持負(fù)載均衡，系統(tǒng)切換時間小于60 s。平臺在切換過程中應(yīng)保證已經(jīng)處理過的業(yè)務(wù)正常運(yùn)行和計費(fèi)；

⑩系統(tǒng)處理能力滿足所有業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶發(fā)展規(guī)模的需求，并考慮全部系統(tǒng)的開銷及應(yīng)用切換時性能余量。系統(tǒng)設(shè)計時至少考慮30%的性能冗余。

?內(nèi)存容量的配置考慮到主機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的內(nèi)存利用率不大于70%，保證系統(tǒng)在業(yè)務(wù)高峰時仍具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

（3）系統(tǒng)組成

①軟件設(shè)計架構(gòu)

軟件整體架構(gòu)包括電子渠道門戶、客戶關(guān)系管理、計費(fèi)賬務(wù)、服務(wù)開通、服務(wù)保障、資源管理、綜合網(wǎng)管、AAA認(rèn)證、統(tǒng)一接口平臺等幾個子系統(tǒng)。具體如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)運(yùn)營中心軟件設(shè)計架構(gòu)

②數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

為了提高設(shè)備系統(tǒng)可靠性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有冗余備份功能，如服務(wù)器等采用1:1雙機(jī)熱備架構(gòu)；為了提高系統(tǒng)安全性，配置了防火墻、防病毒服務(wù)器及加解密等設(shè)備，對系統(tǒng)進(jìn)行入侵檢測、防病毒、權(quán)限管理，有效保證通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。具體布局見圖3所示。

2.3.2 信關(guān)站系統(tǒng)

為了向衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域下的大中型企業(yè)用戶、小微型企業(yè)用戶或團(tuán)體組織和家庭用戶等提供低軌寬帶接入服務(wù)，設(shè)計了信關(guān)站系統(tǒng)[9］。

（1）主要功能及特點(diǎn)

①整個高通量地面通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心組成部分，負(fù)責(zé)衛(wèi)星通信鏈路的信號收發(fā)、基帶處理、帶寬資源優(yōu)化和設(shè)備監(jiān)控等，對所管轄用戶波束下的終端用戶進(jìn)行集中式管理。

②實(shí)現(xiàn)整個地面通信系統(tǒng)和地面骨干網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，是全網(wǎng)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)和地面通信數(shù)據(jù)的核心關(guān)口站，保證通信的安全性與可靠性。

③負(fù)責(zé)與運(yùn)營數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括用于計費(fèi)的業(yè)務(wù)流量信息、狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)測視頻等。

④完成高通量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入本地電信網(wǎng)絡(luò)。

圖3 數(shù)據(jù)運(yùn)營中心數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

（2）性能參數(shù)

①工作頻率

前向：上行27.5～29.5 GHz，下行19.2～20.2 GHz；

返向：上行29.5～30 GHz，下行17.7～18.7 GHz；

②通信標(biāo)準(zhǔn)及多址方式

前向：DVB-S2x，TDM；

返向：DVB-RCS，MF-TDMA/SCPC；

③系統(tǒng)傳輸速率

前向：1～500 Msps；

返向：0.128～12 Msps，步進(jìn)128 ksps；

④調(diào)制方式

前向：BPSK，Spread BPSK，QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，64APSK；

返向：BPSK， QPSK，8PSK，16QAM；

⑤滾降系數(shù)

前向：0.35，0.25，0.20， 0.15， 0.10，0.05；

返向：0.2；

⑥網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

星狀網(wǎng)；

⑦系統(tǒng)容量及規(guī)模

11Gbps/站，支持百萬級各類終端；

⑧系統(tǒng)可靠性和安全性

支持熱插拔、熱備份及用戶接入認(rèn)證，保證系統(tǒng)可靠性和網(wǎng)絡(luò)安全性。

（3）系統(tǒng)組成

信關(guān)站系統(tǒng)由天線射頻子系統(tǒng)、基帶網(wǎng)管子系統(tǒng)、交換路由子系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖4 信關(guān)站系統(tǒng)組成

天線射頻分系統(tǒng)主要完成上行信號的變頻、放大、發(fā)送，以及下行信號接收、放大、變頻等功能，并提供中頻輸入、輸出接口。

基帶處理分系統(tǒng)主要用于基帶數(shù)據(jù)（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、信令數(shù)據(jù)）的處理，包括IP數(shù)據(jù)的封裝和調(diào)制、已調(diào)信號的解調(diào)和解封裝、上下行信令處理等。

網(wǎng)管分系統(tǒng)負(fù)責(zé)將信關(guān)站天線接收到的數(shù)據(jù)在基帶設(shè)備轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)的流程控制，包括資源分配、調(diào)度和優(yōu)化，具備全網(wǎng)管理的能力，主要由網(wǎng)管軟件、服務(wù)器和計算機(jī)等組成。

交換路由分系統(tǒng)主要提供當(dāng)?shù)仉娦啪?、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商與Ka信關(guān)站分系統(tǒng)之間的接口，實(shí)現(xiàn)信關(guān)站與電信局和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間的數(shù)據(jù)交互，完成信關(guān)站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、提供外部IP接口、信關(guān)站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境優(yōu)化等工作。

考慮系統(tǒng)可靠性和安全性，系統(tǒng)采用熱備份設(shè)計，如采用13 m主用天線和6 m備用天線進(jìn)行1:1備份，射頻、基帶等關(guān)鍵設(shè)備也均采用N:1備份設(shè)計；同時采用防火墻、VPN專用設(shè)備及加解密設(shè)備等保證系統(tǒng)通信安全。

2.3.3 終端站系統(tǒng)

為了滿足低軌寬帶接入各類用戶，如大中型企業(yè)、小微企業(yè)或團(tuán)體組織、家庭用戶以及政府國防等用戶的上網(wǎng)和移動通信需求，特設(shè)計了各種類型的通信終端，包括固定站（標(biāo)準(zhǔn)站和高級站）、車載站（靜中通、動中通和動車通信站）、機(jī)載站（無人機(jī)和有人基站）、便攜站、手持終端等站型。

（1）主要功能及特點(diǎn)

①接入信關(guān)站通信系統(tǒng)，進(jìn)行入網(wǎng)驗(yàn)證；

②服從信關(guān)站網(wǎng)管統(tǒng)一調(diào)度和資源分配；

③根據(jù)各類客戶用網(wǎng)需求進(jìn)行功能、性能定制化匹配設(shè)計；

④支持VoIP語音電話和視頻實(shí)時傳輸。

（2）性能參數(shù)

各性能參數(shù)與信關(guān)站系統(tǒng)匹配，滿足返向傳輸要求。

（3）系統(tǒng)基本組成

終端站基本組成如圖5所示，各站型均由天線、射頻（BUC、LNB或者Transceiver）、調(diào)制解調(diào)器、加解密設(shè)備（根據(jù)需要）以及各應(yīng)用終端（如視頻會議、VoIP電話等）。完成與信關(guān)站系統(tǒng)前、返向信號的接收、解調(diào)、解碼處理以及返向信號的調(diào)制、發(fā)射等工作流程。

圖5 終端站基本組成

（4）典型終端型譜

①固定終端站

速率：前向鏈路：可達(dá)60 Msps；回傳鏈路：4 Msps；

天線口徑：0.5 m，0.76 m，0.98 m；

功放大?。? W，4 W 等；

通信標(biāo)準(zhǔn)：前向鏈路: DVB-S2/S2x；回傳鏈路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA。

②便攜站

速率：前向鏈路:可達(dá)60 Msps；回傳鏈路：4 Msps；

天線口徑：0.5 m，0.76 m，0.98 m；

功放大?。? W，4 W 等；

通信標(biāo)準(zhǔn)：前向鏈路：DVB-S2/S2x；回傳鏈路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA;

控制模式：無線WiFi，手持終端操作。

③靜中通

速率：前向鏈路：可達(dá)60 Ms/s；回傳鏈路：4 Ms/s；

天線口徑：0.98 m，1.2 m；

功放大?。? W, 4 W 等；

通信標(biāo)準(zhǔn)：前向鏈路: DVB-S2/S2x；回傳鏈路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA。

④動中通

速率：前向鏈路: 10 Mb/s；回傳鏈路: 512 kb/s；

天線口徑：0.45 m，0.5 m，0.6 m；

功放大小：5 W, 10 W 等；

通信標(biāo)準(zhǔn)：前向鏈路: DVB-S2/S2x；回傳鏈路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA。

3 結(jié) 語

通過對用戶地面寬帶接入的需求分析，選用低軌星座接入網(wǎng)的地面應(yīng)用系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)中心、信關(guān)站和終端幾方面進(jìn)行系統(tǒng)軟、硬件配置設(shè)計，詳細(xì)闡述了各部分的功能特點(diǎn)、性能指標(biāo)以及系統(tǒng)組成，同時考慮了系統(tǒng)的可靠性和安全性設(shè)計，保證了通信業(yè)務(wù)的流暢不中斷和數(shù)據(jù)的通信安全。