衛(wèi)星通信系統(tǒng)匯總

任 政，陳 霽

從1964年美國(guó)成立國(guó)際衛(wèi)星通信組織（Intelsat），并于次年發(fā)射第一顆商用通信衛(wèi)星（“Early Bird”）以來，衛(wèi)星通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星通信作為地面通信的一種補(bǔ)充通信方式取得巨大的成功，衛(wèi)星通信已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分。

1 VSAT 技術(shù)時(shí)代

在衛(wèi)星通信技術(shù)早期，甚小孔徑終端（VSAT）解決了天線尺寸和成本對(duì)衛(wèi)星通信發(fā)展的限制，這也決定了天線系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一個(gè)大型中心站與大量小口徑天線終端共同構(gòu)成的一個(gè)星型網(wǎng)，通過中心站天線的高G/T 值來彌補(bǔ)小站天線因口徑小所導(dǎo)致的鏈路余量不足的弱點(diǎn)。早期基于VSAT 的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是通信頻段集中于L、S、C 波段的窄帶通信系統(tǒng)。

隨著技術(shù)進(jìn)步和人民生活水平提高，對(duì)寬帶衛(wèi)星通信的需求應(yīng)運(yùn)而生。由于L、S、C 的頻段帶寬資源有限和日趨緊張，國(guó)外于上世紀(jì)八九十年代就開始了對(duì)Ka 頻段寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的研究。2005年，美國(guó)Wild Blue 通信公司成功發(fā)射世界第一顆Ka頻段寬帶通信衛(wèi)星并試點(diǎn)應(yīng)用，此后各國(guó)的Ka 頻段寬帶通信衛(wèi)星開始向著系統(tǒng)容量更大、用戶終端更小、業(yè)務(wù)速率更大的高通量方向發(fā)展。

2 多波束天線技術(shù)時(shí)代

由于VSAT 天線系統(tǒng)的靈活性不足，并且無法利用頻率復(fù)用技術(shù)來提高頻譜效率，衛(wèi)星通信天線的發(fā)展已經(jīng)轉(zhuǎn)向多波束天線。多波束天線（Multiple Beam Antenna）從2000年開始迅速發(fā)展，由于它能夠?qū)崿F(xiàn)高增益的點(diǎn)波束覆蓋，又能在廣域覆蓋范圍中實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，從而在衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

多波束天線與數(shù)字波束成形不同，它使用大量的點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)廣域范圍覆蓋，可用帶寬被分為很多個(gè)子波段，從而在大量空間獨(dú)立的點(diǎn)波束之間可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)子波段的復(fù)用，這與地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)相似，顯著地增加了頻譜利用率和衛(wèi)星通信容量。多波束天線技術(shù)提高了轉(zhuǎn)發(fā)器的功率使用效率和頻譜資源利用率，是發(fā)展大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)和增強(qiáng)衛(wèi)星通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)，高通量通信衛(wèi)星時(shí)代隨之而來。

3 窄帶衛(wèi)星通信VS 寬帶衛(wèi)星通信VS 高通量衛(wèi)星通信

從早期的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本的衛(wèi)星通信，到Ka 寬帶衛(wèi)星通信以Ka 頻段、大容量、提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入為標(biāo)志，開辟了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入的新業(yè)務(wù)，再到今日以多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用（可以在任何頻段復(fù)用，目前大多采用Ka 頻段）和高波束增益為標(biāo)志的高通量通信衛(wèi)星（HTS，High Throughput Satellite），通信容量通過分配頻譜和頻率的服用次數(shù)得到大幅度擴(kuò)大，開啟了衛(wèi)星通信新紀(jì)元。

高通量衛(wèi)星（HTS）已成為寬帶衛(wèi)星通信的主流，高通量通信衛(wèi)星在使用相同頻率資源的條件下，大幅提升了容量并降低了單位帶寬成本，單顆容量可達(dá)幾十Gb/s 到上百Gb/s，通信容量比傳統(tǒng)通信衛(wèi)星高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

4 市場(chǎng)主流衛(wèi)星通信系統(tǒng)一覽

衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和通信容量的需求促進(jìn)了衛(wèi)星通信從窄帶走向?qū)拵?，又走向如今的高通量時(shí)代，衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為連接底層衛(wèi)星天線和上層通信應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，也在不斷的發(fā)展演進(jìn)，結(jié)合自己2016年和2017年兩次參加中國(guó)衛(wèi)星應(yīng)用大會(huì)以及平常的關(guān)注，將當(dāng)前市場(chǎng)上主流的衛(wèi)星通信系統(tǒng)整理如下，個(gè)別系統(tǒng)資料不足，還需進(jìn)一步完善。

4.1 Comtech 的Heights 系統(tǒng)

2017年5月，Comtech EF Data 公布了Heights 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)接入（H-DNA）技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)。通過H-DNA，Heights 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提高了衛(wèi)星終端用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

Comtech 為Heights 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的返回鏈路設(shè)計(jì)了H-DNA。它為用戶、服務(wù)提供商和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商帶來了很多新的好處。新的波形、增強(qiáng)帶寬管理算法和多級(jí)別服務(wù)質(zhì)量（QoS）的應(yīng)用使得該返回鏈路接入方案能夠自動(dòng)響應(yīng)實(shí)時(shí)流量需求，根據(jù)客戶的服務(wù)水平協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)策略提供最佳的解決方案。

H-DNA 提供亞秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間來改變用戶需求和鏈接條件，而且不會(huì)帶來通常與其他返回鏈路接入技術(shù)相關(guān)聯(lián)的過度抖動(dòng)和延遲。另外，H-DNA 還采用了VersaFEC-2高性能低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）波形、自適應(yīng)編碼和調(diào)制、動(dòng)態(tài)功率控制、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議優(yōu)化、較低的幀開銷、多級(jí)QoS 和WAN 優(yōu)化，與同類的其他解決方案相比，它提供了最多的每赫茲用戶IP 數(shù)據(jù)。

H-DNA 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)范圍的需求分配容量，并確保隨著需求的變化，為網(wǎng)絡(luò)中的用戶和站點(diǎn)即時(shí)提供帶寬，還可以按照用戶需求和服務(wù)協(xié)議級(jí)別，為用戶分配所有可用帶寬，以確保隨時(shí)使用所有容量。

4.2 Comtech 的ViperSat 系統(tǒng)

Viper sat 系 統(tǒng) 主 站 由570L、564L/562L 以 及VMS、VCS、VNO 服務(wù)器等組成，遠(yuǎn)端站由570L、564L/562L 組成，帶有網(wǎng)口，可以直接傳輸IP 數(shù)據(jù)。

Vipersat 的網(wǎng)管系統(tǒng)由VMS 服務(wù)器（1 ∶1熱備份）、VMS客戶端、VCS 服務(wù)器和VNO 服務(wù)器。其出境TDM 載波，入境S-TDMA（自適應(yīng)TDMA）載波，其中TDM 載波為64kb/s，S-TDMA載波為128kb/s。網(wǎng)絡(luò)為星狀網(wǎng)。

Vipersat 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸采用的是dSCPC（動(dòng)態(tài)SCPC）載波，modem570L 會(huì)自動(dòng)檢測(cè)（根據(jù)QoS、協(xié)議等）網(wǎng)口收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求向主站發(fā)送業(yè)務(wù)申請(qǐng)。主站收到業(yè)務(wù)申請(qǐng)后會(huì)通過TDM 載波發(fā)送配置參數(shù)，調(diào)整遠(yuǎn)端站（主-遠(yuǎn)端通信或者（遠(yuǎn)端-遠(yuǎn)端）的參數(shù)，建立2M 甚至以上的SCPC 通信連接。當(dāng)通信結(jié)束后，modem570L 檢測(cè)到網(wǎng)口沒有收到類似數(shù)據(jù)時(shí)，向主站發(fā)送申請(qǐng)，主站通過TDM 下發(fā)配置參數(shù)，斷掉SCPC 鏈路，遠(yuǎn)端站改為發(fā)S-TDMA 載波。

Vipersat 系統(tǒng)中使用的570L 采用的調(diào)制編碼與糾錯(cuò)方式是DVB-S 體制，其調(diào)制方式為：B/SK/ QPSK/8PSK16QAM 等調(diào)制方式，前向糾錯(cuò)編碼方式為TPC、viterb、RS 和TCM 碼。

4.3 STE 的iDirect 系統(tǒng)

iDi rect 系統(tǒng)主站為插卡式設(shè)備，主要由電源板、調(diào)制板、解調(diào)板、IP 加速板、服務(wù)器板、協(xié)議處理器板等板卡組成，主站各種板卡均為1 ∶1熱備份。網(wǎng)口多，小站不是插卡式的，是標(biāo)準(zhǔn)的1U 或2U 設(shè)備。

iDirect 的網(wǎng)管系統(tǒng)由主站板卡：NMS 服務(wù)器（1 ∶1 熱備份）、協(xié)議處理器（1 ∶1 熱備份），和NMS 客戶端組成。其出境TDM 載波，入境D-TDMA（確定性TDMA）載波，其中TDM載波為大載波，一般為4M 或4M 以上，D-TDMA 載波為小載波，384kb/s-2Mb/s，星狀網(wǎng)。

iDi rect 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸采用的是MF-TDMA（多頻TDMA）載波，10個(gè)（假設(shè)）遠(yuǎn)端站公用一個(gè)TDMA 載波，當(dāng)有10 0個(gè)站的時(shí)候，將有10個(gè)TDMA 載波被使用。它可以使用TDMA 載波回傳，也可以使用iSCPC 載波回傳。其iSCPC 載波為一個(gè)載波只有一個(gè)時(shí)隙的SCPC，但是接收頻率不變，還是接收主站的TDM 載波。

iDi rect 的主站設(shè)備采用的調(diào)制編碼與糾錯(cuò)方式是DVB-S2體制，其調(diào)制方式為：QPSK/8PSK/ 16APSK，前向糾錯(cuò)編碼方式為L(zhǎng)DPC。具有ACM（自適應(yīng)編碼和調(diào)制）特色。

4.4 中電科54 所的Latice 系統(tǒng)

Latice 的系統(tǒng)體系架構(gòu)：一是衛(wèi)星資源劃分為網(wǎng)絡(luò)段進(jìn)行管理。支持多星、多關(guān)口站、多波束/單波束。二是兩級(jí)網(wǎng)管。支持Hub 分網(wǎng)管和集中網(wǎng)管。三是良好的可擴(kuò)展性。支持按需增配網(wǎng)絡(luò)段及設(shè)備，按需擴(kuò)建信關(guān)站。四是完善的冗余設(shè)計(jì)。Latice系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸采用的多樣靈活的反向回傳體質(zhì)，支持MFTDMA、dSCPC、SCPC 三種回傳體制。HRC dSCPC 回傳技術(shù)具有多維統(tǒng)計(jì)復(fù)用能力，具有非常靈活的調(diào)整能力，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求及信道條件以1秒為周期調(diào)整載波速率、功率、MODCOD，具有良好的統(tǒng)計(jì)復(fù)用能力，可以提供很高的可用度；非常適合固定速率業(yè)務(wù)，局部雨衰時(shí)可以利用帶寬余量選用MODCOD，保持信息速率不變，一個(gè)公用帶寬余量可在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共享，被各個(gè)終端統(tǒng)計(jì)復(fù)用；針對(duì)不同的帶寬需求及共享等級(jí)可以選用不同體制；支持在NMS 遠(yuǎn)程切換終端的工作模式。

Lat ice 系統(tǒng)用戶站支持固定站、便捷站、靜中通車載站、動(dòng)中通車載站和船載站，并配備不同的天線。

Latice 系統(tǒng)支持DVB-S2 及S2X 標(biāo)準(zhǔn)。支持7種業(yè)務(wù)類型：實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)1、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)2、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)3、關(guān)鍵數(shù)據(jù)1、關(guān)鍵數(shù)據(jù)2、關(guān)鍵數(shù)據(jù)3和盡力而為業(yè)務(wù)。采用四級(jí)整形架構(gòu)分配帶寬。融合TCP 加速、數(shù)據(jù)報(bào)文壓縮、HTTP 預(yù)取和業(yè)務(wù)加密的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，支持TCP 加速和載荷壓縮。

4.5 NDSatcom 的SkyWan 系統(tǒng)

SKYWAN 5G 是德國(guó)諾達(dá)衛(wèi)星通信系統(tǒng)有限公司（ND SatCom）為適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)需求并面向未來發(fā)展而研發(fā)的最新一代的VSAT 衛(wèi)星通信系統(tǒng)。SKYWAN 5G 設(shè)計(jì)獨(dú)特，其所有IDU室內(nèi)單元的硬件都完全相同，均為內(nèi)置有MF-TDMA 調(diào)制解調(diào)器和DVB 接收機(jī)的衛(wèi)星IP 路由器，能夠輕松組建包括星狀網(wǎng)、多星狀網(wǎng)、全網(wǎng)狀網(wǎng)和混合狀網(wǎng)在內(nèi)的等各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。SKYWAN 5G 網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)站點(diǎn)都既可以用作中心站，也可以用作遠(yuǎn)端站，既可以組建集業(yè)務(wù)匯聚（Hub）、網(wǎng)絡(luò)控制（Master）和網(wǎng)絡(luò)管理（NMS）于一體的單中心站網(wǎng)，也可以組建可靠性、可用性、安全性和抗毀性更高的多中心站網(wǎng)。SKYWAN 5G 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能因時(shí)而化，可按需分解成為幾個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)，或者合并成為一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)。SKYWAN 5G 站點(diǎn)支持IDU 室內(nèi)單元級(jí)聯(lián)，可同時(shí)接收更多信道。另外作為選項(xiàng)，還可在SKYWAN 5G 網(wǎng)絡(luò)中為出境業(yè)務(wù)量較重的站點(diǎn)增配DVB。該DVB 的配置與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的信令無關(guān)，所以 在同一SKYWAN 5G 網(wǎng)絡(luò)中的DVB 載波可以按需進(jìn)行調(diào)整，而DVB 關(guān) 口站的自動(dòng)登錄功能則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的操作和運(yùn)行。

SkySwitch 系統(tǒng)自稱是衛(wèi)星行業(yè)業(yè)第一個(gè)也是唯一具有第三層路由包交換功能的VSAT 網(wǎng)絡(luò)。上世紀(jì)90年代，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在全世界飛速發(fā)展，這使VSAT 工業(yè)面臨挑戰(zhàn)。既要提供高速率的業(yè)務(wù)，還要降低帶寬的租金，這不是上世紀(jì)老舊的TDMA 技術(shù)能支持的，因此具有包交換PSMA 功能的VSAT 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)就顯得非常必要。

圖1 SatPath的SkySwitch系統(tǒng)

IP 數(shù)據(jù)包交換成為數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)模式。數(shù)據(jù)包交換將所有的傳輸數(shù)據(jù)，不管它們的內(nèi)容，類型，或格式，全部組合成比特?cái)?shù)據(jù)流可變的數(shù)據(jù)包。無向連接（connectionless）包交換，又稱數(shù)據(jù)報(bào)（datagram）交換，是能獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源走到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包帶著完整的目標(biāo)地址和路由信息，每個(gè)包都單獨(dú)傳送。SkySwitch?的無向連接通信比起定向連接（connection-oriented）通信，它的優(yōu)勢(shì)在于報(bào)頭很少，它也可以進(jìn)行組播和廣播操作。當(dāng)同樣的數(shù)據(jù)需要被傳送到多個(gè)接收點(diǎn)時(shí)，可以節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)資源。與此相反，傳統(tǒng)的VSAT 平臺(tái)都是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的定向連接通信，例如：SCPC 或時(shí)分的TDMA 系統(tǒng)。在定向連接網(wǎng)絡(luò)里，首先要建立一個(gè)邏輯或物理上的數(shù)據(jù)信道或連接才能夠進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)交換。建立定向連接信道需要增加報(bào)頭來按照它們的多址方式傳輸，這就需要占用較多帶寬，其結(jié)果是增加了運(yùn)營(yíng)的成本，提高傳輸延時(shí)，并降低了業(yè)務(wù)通信的資量。

在認(rèn)識(shí)到當(dāng)今VSAT 平臺(tái)的缺陷后，SatPath 的工程師運(yùn)用無向連接數(shù)據(jù)包交換技術(shù)開發(fā)了SkySwitch?網(wǎng)絡(luò)。在SkySwitch?網(wǎng)絡(luò)里，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信不再需要預(yù)先建立的連接或鏈路，用戶數(shù)據(jù)包從一個(gè)結(jié)點(diǎn)向目的地傳輸是通過包交換載波來進(jìn)行的，這個(gè)載波中的數(shù)據(jù)包只有其目的站點(diǎn)才接收。在SkySwitch?網(wǎng)絡(luò)，沒有TDMA 連接通信所需要的多路復(fù)用幀報(bào)頭，每個(gè)SkySwitch?的智能終端內(nèi)置有路由器，它與網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器（NCS）一起工作，以最高效的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬使用方式為通信業(yè)務(wù)建立衛(wèi)星路由。在SkySwitch?網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的虛擬連接（virtual connection）是永久存在的，NCS 負(fù)責(zé)對(duì)每一個(gè)按需啟動(dòng)的鏈接提供瞬時(shí)的帶寬資源。業(yè)務(wù)路由在上衛(wèi)星之前則一定要先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)置確認(rèn)是合理有效。

Sk ySwi t ch?無連接通信的體制為MCPC/ PSMA（多信道單載波／包交換多址）技術(shù)。每個(gè)SkySwitch?站點(diǎn)發(fā)射一個(gè)MCPC/PSMA 載波，它可被包括主站在內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)目的站來接收，每個(gè)MCPC 多信道載波中每個(gè)信道都只能連接到單一的終點(diǎn)目的地。MCPC/PSMA 載波100%的帶寬用來傳輸IP 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，沒有多路復(fù)用的報(bào)頭。不論是高速、低速，或突發(fā)業(yè)務(wù)，MCPC/PSMA 載波都可在各種應(yīng)用和連接中以ABOD（自適應(yīng)帶寬按需分配）方式提供高質(zhì)量的傳輸服務(wù)。

4.6 G ilat 的SkyEdge I I 系統(tǒng)

吉萊特X-Architecture 架構(gòu)的SkyEdge 系統(tǒng)是用于衛(wèi)星通信的地面架構(gòu)平臺(tái)，支持固定和移動(dòng)衛(wèi)星通信應(yīng)用，支持VSAT 網(wǎng)絡(luò)同時(shí)配置若干傳統(tǒng)寬波束衛(wèi)星和/高吞吐量通信衛(wèi)星。

SkyEdge II 支持雙向QoS、TCP 及HTTP 加速和壓縮，以及DNS 緩存，提供最高級(jí)別的安全認(rèn)證，包括X.509終端認(rèn)證、無線鏈路加密，并使用用戶認(rèn)證確保基于HTTP 的網(wǎng)絡(luò)管理安全。

SkyEdge II 有完備的VSAT 產(chǎn)品組合應(yīng)用，包括從高速VSAT 服務(wù)寬頻應(yīng)用到超高性能的VSAT 服務(wù)蜂窩回傳及移動(dòng)應(yīng)用。通過使用SkyEdge 的TotalNMS 管理系統(tǒng)，虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠完全掌控他們調(diào)制器和解調(diào)器卡、數(shù)據(jù)協(xié)議服務(wù)器及終端，靈活定義管理自身的服務(wù)。VNO 同時(shí)能夠獲取詳細(xì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如VSAT 狀況、帶寬使用及RF 電平。

通過SkyEdge II 平臺(tái)可靈活支持傳統(tǒng)寬波束衛(wèi)星以及多點(diǎn)波束的高吞吐量通信衛(wèi)星，伴隨需求增長(zhǎng)，可以從任何衛(wèi)星、任何頻段選取容量。

圖2 X架構(gòu)適用于任何衛(wèi)星、任何頻段

5 結(jié)束語

本文綜合介紹了各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，闡述了衛(wèi)星通信作為地面通信的一種補(bǔ)充通信方式取得巨大的成功，衛(wèi)星通信已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分。