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​前沿 | 高通量卫星新技术(上)

2021-03-23 / 阅读次数:85

  文 | 任佳熙 郭威

  转 | 卫星与网络

  前言

  面对世界形势所发生的深刻复杂变化,以习近平总书记为核心的党中央经过深邃思考和统筹谋划,于2020年11月3日发布《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》,明确“要把科技自立自强作为国家发展的战略支撑”,“要坚持总体国家安全观,加强国家安全体系和能力建设”。由火箭、卫星、导弹、空间飞船以及深空探测器制造和发射构成的航天产业不仅是推动科技进步和促进经济发展的重要力量,也成为大国博弈的战略高地和全面维护国家安全的战略基石,其中卫星作为重要的空间基础设施是服务于国防建设和经济建设的战略资源。加快加强卫星产业发展既是打好核心技术攻坚战,实施前瞻性、战略性重大科技项目的优先领域,也是加强国防和军队现代化建设,全面加强网络安全保障体系和能力建设的重要依托。

  高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)凭借超越传统通信卫星的高吞吐量和逐渐成熟的运营服务模式,成为未来卫星产业发展的重要趋势,拥有广阔的商业化前景。随着制造技术更加成熟,发射成本日益低廉,应用场景不断丰富,高通量卫星经过近些年的密集发射阶段,在卫星数量、通信容量、市场需求和运营收入等方面都实现了快速增长,迈入了产业化阶段。

  当前,在数字经济的风口下,不仅国际通信卫星公司(IntelSat)、环球卫星公司(SES)等老牌卫星通信运营商相继推出GEO高通量卫星计划,空间探索技术公司(SpaceX)、一网公司(OneWeb)等新兴科技公司也在加速布局LEO/MEO高通量卫星星座。与此同时,随着中国发展和改革委员会将卫星互联网规定为“新基建”信息基础设施,2020年成为中国卫星互联网建设元年,在国家大力实施“新基建”的政策支持下,在资本市场的持续关注下,中国的高通量卫星产业必将在“十四五”期间进入放量增长阶段,迎来历史性的发展机遇和万亿级的市场规模。

  相比于传统通信卫星,高通量卫星虽然使用相同的频率资源,但通过多点波束、频率复用和高波束增益等关键技术有效提升了通信容量和传输速率,大幅降低了单位带宽的租用成本。随着第五代移动通信(5G)从标准走向应用,人类正在迈入智能物联网时代,高通量卫星所具备的广覆盖、大带宽和高速率,不仅能够提供回传服务、射频延伸等服务,实现与地面蜂窝通信的互补互通,而且可以突破无线连接对地面网络的依赖,通过竞争来促进地面网络更好地发展。展望未来,基于5G的地面网络和基于卫星的天基网络将共同组成天地一体化网络,进一步提高网络弹性,为用户提供任意时间、任意地点的融合性接入服务。

  在3GPP R16 TR 22.822中,已经明确了针对卫星接入的12个应用案例,充分表明了卫星通信在未来天地一体化通信网路中的重要地位。高通量卫星是未来卫星通信发展的重要方向,关注和研究高通量卫星发展趋势和新兴技术具有重要意义。本文将首先简要回顾国内高通量卫星的发展历程,认识我国高通量卫星的实际状况,然后重点介绍高通量卫星系列(IntelSat EpicNG),了解国外先进的高通量卫星通信平台,最后分析传统卫星通信存在的相关问题,提出高通量卫星支持的卫星通信解决方案。

  一、中国高通量卫星发展历程回顾

  从1970年发射“东方红一号”,历经50年的发展,中国已经形成完整的卫星产业链,其中第一颗通信卫星“东方红二号”于1984年发射,1997年发射的“东方红三号”开启了中国卫星通信的商用时代,在2016年、2020年和2021年发射的“天通一号”01、02、03星,标志着中国进入移动通信卫星俱乐部。高通量卫星问世以来,中国紧随Intelsat、SES、Eutelsat等世界主要通信卫星运营商的脚步,经历收购运营和自主研制两个阶段,高通量卫星领域取得快速发展。

  (一)收购运营阶段

  成立于1991年的泰国信卫星大众有限公司(Shin Satellite PLC.,SSA)于2005年发射IPSTAR-1,于2006年投入使用,预期寿命16年。该卫星由美国劳拉空间通信公司(Loral Space&Communications,Inc.)设计制造,重量为6505kg,功率为14.4kw,总带宽容量为45Gbps,约为20颗传统卫星的带宽容量,相当于1000个36MHz转发器的容量,是第一颗组合使用Ka和Ku波段以及IP技术的通信卫星,可以为亚洲20个国家和地区的1000万互联网和语音用户提供服务。2001年成立的协同通信集团(Synertone)于2013年收购IPSTAR-1在中国(包括港澳)的带宽资源进行运营,并改名为“协同一号”卫星,这是中国第一颗使用Ku波段点波束的高通量卫星。

  “协同一号”卫星解决方案

  “协同一号”卫星轨道位置位于119.5oE,共有84个Ku波段点波束,3个Ku波段成形波束和7个Ku波段广播波束,18个Ka波段馈电波束,卫星平台为星状拓扑结构,其中中国地区通信容量约为20Gbps,包括22个Ku波段双向点波束覆盖中国中东部地区,2个附加波束,1个双向成形波束覆盖中国西部地区,1个Ku波段单向广播波束重叠覆盖中东部地区,在北京、上海和广州建有3个关口站,关口站使用Ka波段,端站使用Ku波段。

  “协同一号”覆盖情况

  (二)自主研制阶段

  中国高通量卫星的发展离不开政策的大力支持和企业的积极参与。政策方面,2015年出台的《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)》和2016年出台的《2016中国的航天》提出的“卫星通信以商业化模式为主,保障公益性发展需求”带动了高通量卫星快速发展,促进了卫星制造发射向商业化模式转变。

  企业方面不仅有中国航天科技集团与北京中交通信科技公司进行强强联合组建运营公司,而且在2016年7月亚太卫星、中交通信、国新(深圳)等联合发起成立亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司(亚太星通),打造集卫星通信系统的建设和运营、网络系统连接和服务于一体的卫星通信巨头。此外,新研股份、华讯方舟、星空年代等民营企业也都提出了自己的高通量卫星计划,瞄准我国及一带一路沿线国家庞大市场,积极参与高通量卫星系统建设,为高通量卫星产业注入新活力。

  高通量卫星的用途很广

  第一颗由中国自主研制的Ka波段高通量卫星于2015年9月发射升空进行测试,随后我国自主研制的首颗Ka波段的高通量卫星“实践十三号”(中星16号)于2017年4月由长征三号乙运载火箭发射升空,该卫星是东方红3B平台全配置首发星,实现了100%的平台产品国产化率,在技术上实现了首次运用Ka波段、首次运用全电力推动、首次在高轨道运用激光通信,设计寿命为15年,由中国航天科技集团公司五院研制,在完成技术试验验证后,将交由中国卫通集团运营。

  中星16号不仅代表着全新的卫星通信技术,而且引发传统通信卫星运营模式的变革。中国卫通将改变传统通信卫星封闭式的商业模式,通过直接向用户提供转发器资源与监测等服务进行开放式运营,中国卫通将主要负责地面关口站以及运营支撑系统的建设,面向用户通过批发、代理、虚拟运营等多种商业模式提供直接服务,打造全新的卫星通信商业生态。

  中星16号概况

  虽然中国已经能够自主研制发射高通量卫星,但核心技术和平台性能仍与欧美有较大差距。2019年发射的中星18号由于工作异常,不具备正常通信服务能力,说明我国自主研制高通量卫星的稳定性需要提升。2020年7月亚太星通发射“亚太6D”(深圳星),卫星容量达50Gbps,其带宽是中星16号的2.5倍,但仍与西方高通量卫星100Gbps左右的通信容量相差数倍。

  中星16号使用的东方红3B平台属于中型卫星平台,虽然使用全电力推动,其载荷功率远小于欧美大型卫星平台,亚太6D使用的东方红四号增强型平台载荷功率为13.5kW,而国外主流高通量卫星平台已达到20kW。2019年发射升空的“实践二十号”卫星,首次采用东方红五号卫星公用平台,可提供有效载荷功率22kW,达到世界主流水平。

  此外,随着GEO轨道资源接近饱和,LEO/MEO成为未来布局高通量卫星的方向,长期以来我国在研制发射GEO卫星积累了相对丰富的经验,而对于LEO/MEO卫星的研制发射、应用开发和运营服务方面需要进一步加强。

  亚太6D概况

  二、高通量卫星系列(Intelsat EpicNG)

  美国作为当今世界头号科技强国,一直引领通信卫星的发展浪潮,早在1958年就发射第一颗实验通信卫星“斯科尔号”(SCORE),之后由美国主导的Intelsat在1965年发射了第一颗实用通信卫星Intelsat-1。美国ViaSat在2011年发射高通量卫星ViaSat-1,通信容量达到140Gbps,2017年发射的ViaSat-2通信容量达到300Gbps,是当前世界上容量最大的高通量卫星,计划于2022年发射的ViaSat-3是包括三颗特高通量卫星的星座有望实现1000Gbps的通信容量。实际上,不仅是通信容量,美国在通信卫星的各技术领域都处于世界领先水平,了解美国主流卫星通信运营商的高通量卫星平台对于认识高通量卫星技术趋势和加快我国高通量卫星发展具有重要意义。

  国际通信卫星公司(Intelsat)的前身国际通信卫星组织(International Telecommunications Satellite Organization,ITSO)是由美国于1964年发起成立的国际性通信卫星组织,并从最初的11个成员国发展到1973年的149个成员国。为了适应市场化竞争的需要,该组织于2000年11月通过了成立Intelsat公司的私有化决议,并于2001年7月发布《ITSO/Intelsat公共服务协定》完成了由政府间组织到私有化公司的历史变革。

  虽然Intelsat长期背负着巨额债务,并于2020年5月提交破产保护申请进行重新整顿,然而该公司依旧拥有可持续的客户群、稳定的运营收入、大量的订单,此外一旦公司能够顺利参与FCC为推进5G网络建设的加速清理C波段计划,并成功收到C波段拍卖产生的数十亿美元收益,Intelsat依旧拥有可期待的未来。Intelsat作为全球第二大卫星运营商,建立了第一个商业化的全球卫星通信系统,并且在高通量卫星领域已经完成全球布局,本文将重点介绍Intelsat EpicNG高通量卫星系列的运营方式,与“传统”卫星的主要差异,以及其新特性给客户带来的益处。

  经济全球化使电信供应商、海事、航空以及政府部门对于数据传输和卫星带宽的需求不断增长,现实需求和传统卫星服务能力间的差距呼唤着卫星通信技术的革新,正是基于这种背景,Intelsat设计开发了EpicNG卫星平台,旨在为日益多元化的客户群体提供更高的吞吐量和通信效率,同时为现存网络和新建网络提供企业级的下一代通信能力。2016年初IS-29e卫星作为EpicNG系列的第一颗卫星发射升空,宣布Intelsat加入高通量卫星阵营。根据Intelsat射频运营中心主任Ruben Marentes介绍,IS-29e技术创新主要体现在三个方面:多点波束(Multi-spot Beam),模数转换(Analog to Digital converters,ADC)以及数字负载(Digital Payload)。

  (一)多点波束设计

  EpicNG通过卫星上标准的多阵列天线成形技术实现多点波束的信号覆盖。这些点波束的带宽范围在62.5-500MHz之间,极化方向是通过调整波束馈源的指向来进行调节的,而频率范围则是由上行链路和下行链路的波束滤波器来进行隔离的。点波束更加聚焦和密集的好处是提高前向和反向增益,降低射频信号的发射功率,从而实现终端天线的小型化。此外,通信业务的愈发不对称性也在改变卫星通信的运营模式,近期所发现的客户需求均呈现出4∶1或6∶1的比例,而更好的G/T和EIRP性能则意味着能够以更高的效率推送更多的兆比特数据量,从而大大超出客户预期,而非仅仅满足基本需求。

  EpicNG通过卫星上标准的多阵列天线成形技术实现多点波束的信号覆盖

  为了在固定的传输时隙内实现更高的吞吐量,必须对时隙内所分配的频段进行高复用。频率复用已经被卫星通信广泛应用,EpicNG卫星系列通过半球性和区域性的覆盖区域在C频段实现了6倍的频率复用,产生了4Gbps的吞吐量。

  EpicNG卫星系列通过半球性和区域性的覆盖区域在C频段实现了6倍的频率复用,产生了4Gbps的吞吐量

  对比普通HTS使用的4色频率复用方案和EpicNG运用的8色频率复用方案,可以说明多点波束技术可以将频率根据地理特征进行更高效的复用。根据卫星工程总监纳特·乔纳兰的介绍:“小波束的使用意味着与传统卫星相比,在可比较的地理范围内能够实现较低的噪声温度和较高的EIRP,这将明显带来更好的通信性能和更高的吞吐量。”EpicNG能够达到25-60GBps的吞吐量,这是传统卫星的10倍。

  普通HTS使用的4色频率复用方案和EpicNG运用的8色频率复用方案

  (二)信道化容量和数字负载

  为了使得多点波束载荷具有高度的灵活性,在各个点波束之间都能够进行互连互通是十分必要的。为此,EpicNG卫星系列在上行链路和下行链路的路径之间置入了透明数字交换矩阵,将通信容量进行了信道化处理,而经信道化处理之后的载荷即被称作数字负载,如下图所示。

  经信道化处理之后的载荷即被称作数字负载

  首先,射频频谱信号经下变频后在L频段(1.4-1.9GHz)由信道化器接收,而每个点波束又都会被连接到数字负载输入处的某一接收端口上(见下图)。每个接收和发射端口(500MHz)都是由192个子信道组成的,而每个子信道的带宽则为2.6MHz。多个离散的或相邻的子信道可以被组合在一起,以满足带宽大于2.6MHz的业务传输需求。所有的输入信号在经过信道化器的路由和增益控制后,数字负载就能够以2.6MHz带宽为单位,在任意波束之间进行交链,从而建立网状的连接。

  射频频谱信号经下变频后在L频段(1.4-1.9GHz)由信道化器接收,而每个点波束又都会被连接到数字负载输入处的某一接收端口上

  数字负载可以在波束之间建立四种不同类型的路由连接。其中,标准路由方式直接对一路或一组子信道进行路由和下行传输;而“扇出”(fan-out)路由方式则是将一路上行链路子信道复制到多路下行链路子信道上;相应的,多路上行链路子信道也可以合并到单路下行链路子信道上,创建“扇入”(fan-in)路由方式。最后,还可以通过对扇出路由和扇入路由方式进行组合,创建组合路由(order wire route)方式。

  数字负载可以在波束之间建立四种不同类型的路由连接

  EpicNG数字负载与传统卫星之间的区别:


  (三)频谱监测系统

  数字负载技术的运用对于频谱监测分析和地面控制操作都产生了影响。将传统的频谱监测方法运用到EpicNG卫星系列面临很大的困难,比如在IS-29e的所有45个Ku波段下行链路波束上安装监测设备,以及对覆盖墨西哥湾和大西洋地区的波束进行监测。为了能够提供与传统频谱监测相同的服务能力,Intelsat通过创新性的频谱监测方法克服了这些挑战,在保证传统监测服务的基础上可以进一步为任何特定类型的应用程序提供关于特定服务、信道以及卫星监测点的更多详细信息。

  EpicNG卫星系列的频谱监测系统与传统卫星有很大不同,通过数字负载技术可以获取更准确、频繁的测量数据,充分解决了为覆盖大西洋区域的波束建设地面监测站的困难。EpicNG卫星系列的频谱监测系统包括子信道功率遥测(Telemetry),频谱监测系统(SMS)和用于上行链路频谱监测的同步接收器监测系统(SRMS),以及针对下行频谱的“扇出”测量监测系统(MFO)。

  EpicNG卫星系列的频谱监测系统

  1、子信道功率遥测

  子信道功率遥测可以提供9216个上行和下行子信道功率测量值,以及48个上行和下行端口总功率测量值,可以与SRMS提供的各个载波功率测量值进行交叉参考。子信道功率监测值都来自ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)的监测点,全部接收它们大约需要9.6秒。频谱监测系统通过对单个端口的子信道功率遥测值进行提取,从而将遥测数据与频谱数据映射关联起来。将频谱分析仪设置为分辨率带宽(RBW)2.6 MHz,可视带宽(VBW)500 MHz,扫描时间9.6秒即可生成功率谱视图,可以提供包括信道输入退避(input back-off to the tube),下行EIRP,流量密度等信息。根据卫星工程总监纳特·乔纳兰的介绍“子信道功率遥测数据量大约为传统卫星的50倍。”

  2、频谱监测系统和同步接收器监测系统

  频谱监测系统(SMS)依靠特殊的数字负载创建的同步动态“扇出”连接来实现频谱监测功能。用于频谱监测的“扇出”带宽包括24个子信道,共相当于62.5 MHz。频谱监测系统将在大约每分钟内对数字负载的所有接收端口进行遍历,并在每个“扇出”带宽上停留大约200毫秒。该特殊数字负载是通过来自地面站的同步接收器监测系统(SRMS)的特定波束进行接收和处理的。对于IS-29e,SRMS部署于Intelsat位于Mountainside的电信关口站。随着用于频谱监测采样的“扇出”62.5 MHz带宽实现了下行连接,SRMS将对所有目标载波的所有波束和端口的上下行频段进行重新校准,并为目标载波提供校准后的功率测量值。

  3、扇出监测

  数字负载技术还支持创建MFO(Monitor Fan-Out),充分利用基于RMS(Root Mean Square)数据的传统监控器。这意味着可以通过数字负载将任何子信道或子信道组复制到Mountainside关口站网关波束中的保留带宽,或任何有下行监测能力的其他站点,这可以使我们使用监测设备进行连续实时的监测,有助于解决突发的射频干扰(RFI)问题,并标记信号峰值和极值。EpicNG的数字负载为每项服务准备了多个目标操作位置,可能是数字负载的输入、输出,甚至是HPA高功率放大器补偿,可以使用其中一种或多种来处理RFI事件。子信道功率是基于射频信号的精确测量值,可以为SMS/SRMS提供导频参考和测量校准。SMS是覆盖整个接收频谱的动态“扇出”,积极主动而非应激被动地不断对全部频谱进行监测。

  “扇出”监测系统

  最后,EpicNG卫星系列还增加了原有卫星不支持的业务恢复和载波重置功能。例如,现在可以对单个连接和子信道进行增益控制,而在过去只能依靠更改转发器饱和通量密度(SFD)的衰减设置,当多个客户共用相同转发器时会出现问题。如果客户在远端站点的频段上遭受了射频干扰,ROC(RF操作中心)人员通过命令数字负载进行载波重置,从而可以在上行链路不做任何更改的情况下迁移至远离干扰的不同频段。

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