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​前沿 | 高通量衛星新技術(上)

2021-03-23 / 閱讀次數:362

  文 | 任佳熙 郭威

  轉 | 衛星與網絡

  前言

  面對世界形勢所發生的深刻復雜變化,以習近平總書記為核心的黨中央經過深邃思考和統籌謀劃,于2020年11月3日發布《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》,明確“要把科技自立自強作為國家發展的戰略支撐”,“要堅持總體國家安全觀,加強國家安全體系和能力建設”。由火箭、衛星、導彈、空間飛船以及深空探測器制造和發射構成的航天產業不僅是推動科技進步和促進經濟發展的重要力量,也成為大國博弈的戰略高地和全面維護國家安全的戰略基石,其中衛星作為重要的空間基礎設施是服務于國防建設和經濟建設的戰略資源。加快加強衛星產業發展既是打好核心技術攻堅戰,實施前瞻性、戰略性重大科技項目的優先領域,也是加強國防和軍隊現代化建設,全面加強網絡安全保障體系和能力建設的重要依托。

  高通量衛星(High Throughput Satellite,HTS)憑借超越傳統通信衛星的高吞吐量和逐漸成熟的運營服務模式,成為未來衛星產業發展的重要趨勢,擁有廣闊的商業化前景。隨著制造技術更加成熟,發射成本日益低廉,應用場景不斷豐富,高通量衛星經過近些年的密集發射階段,在衛星數量、通信容量、市場需求和運營收入等方面都實現了快速增長,邁入了產業化階段。

  當前,在數字經濟的風口下,不僅國際通信衛星公司(IntelSat)、環球衛星公司(SES)等老牌衛星通信運營商相繼推出GEO高通量衛星計劃,空間探索技術公司(SpaceX)、一網公司(OneWeb)等新興科技公司也在加速布局LEO/MEO高通量衛星星座。與此同時,隨著中國發展和改革委員會將衛星互聯網規定為“新基建”信息基礎設施,2020年成為中國衛星互聯網建設元年,在國家大力實施“新基建”的政策支持下,在資本市場的持續關注下,中國的高通量衛星產業必將在“十四五”期間進入放量增長階段,迎來歷史性的發展機遇和萬億級的市場規模。

  相比于傳統通信衛星,高通量衛星雖然使用相同的頻率資源,但通過多點波束、頻率復用和高波束增益等關鍵技術有效提升了通信容量和傳輸速率,大幅降低了單位帶寬的租用成本。隨著第五代移動通信(5G)從標準走向應用,人類正在邁入智能物聯網時代,高通量衛星所具備的廣覆蓋、大帶寬和高速率,不僅能夠提供回傳服務、射頻延伸等服務,實現與地面蜂窩通信的互補互通,而且可以突破無線連接對地面網絡的依賴,通過競爭來促進地面網絡更好地發展。展望未來,基于5G的地面網絡和基于衛星的天基網絡將共同組成天地一體化網絡,進一步提高網絡彈性,為用戶提供任意時間、任意地點的融合性接入服務。

  在3GPP R16 TR 22.822中,已經明確了針對衛星接入的12個應用案例,充分表明了衛星通信在未來天地一體化通信網路中的重要地位。高通量衛星是未來衛星通信發展的重要方向,關注和研究高通量衛星發展趨勢和新興技術具有重要意義。本文將首先簡要回顧國內高通量衛星的發展歷程,認識我國高通量衛星的實際狀況,然后重點介紹高通量衛星系列(IntelSat EpicNG),了解國外先進的高通量衛星通信平臺,最后分析傳統衛星通信存在的相關問題,提出高通量衛星支持的衛星通信解決方案。

  一、中國高通量衛星發展歷程回顧

  從1970年發射“東方紅一號”,歷經50年的發展,中國已經形成完整的衛星產業鏈,其中第一顆通信衛星“東方紅二號”于1984年發射,1997年發射的“東方紅三號”開啟了中國衛星通信的商用時代,在2016年、2020年和2021年發射的“天通一號”01、02、03星,標志著中國進入移動通信衛星俱樂部。高通量衛星問世以來,中國緊隨Intelsat、SES、Eutelsat等世界主要通信衛星運營商的腳步,經歷收購運營和自主研制兩個階段,高通量衛星領域取得快速發展。

  (一)收購運營階段

  成立于1991年的泰國信衛星大眾有限公司(Shin Satellite PLC.,SSA)于2005年發射IPSTAR-1,于2006年投入使用,預期壽命16年。該衛星由美國勞拉空間通信公司(Loral Space&Communications,Inc.)設計制造,重量為6505kg,功率為14.4kw,總帶寬容量為45Gbps,約為20顆傳統衛星的帶寬容量,相當于1000個36MHz轉發器的容量,是第一顆組合使用Ka和Ku波段以及IP技術的通信衛星,可以為亞洲20個國家和地區的1000萬互聯網和語音用戶提供服務。2001年成立的協同通信集團(Synertone)于2013年收購IPSTAR-1在中國(包括港澳)的帶寬資源進行運營,并改名為“協同一號”衛星,這是中國第一顆使用Ku波段點波束的高通量衛星。

  “協同一號”衛星解決方案

  “協同一號”衛星軌道位置位于119.5oE,共有84個Ku波段點波束,3個Ku波段成形波束和7個Ku波段廣播波束,18個Ka波段饋電波束,衛星平臺為星狀拓撲結構,其中中國地區通信容量約為20Gbps,包括22個Ku波段雙向點波束覆蓋中國中東部地區,2個附加波束,1個雙向成形波束覆蓋中國西部地區,1個Ku波段單向廣播波束重疊覆蓋中東部地區,在北京、上海和廣州建有3個關口站,關口站使用Ka波段,端站使用Ku波段。

  “協同一號”覆蓋情況

  (二)自主研制階段

  中國高通量衛星的發展離不開政策的大力支持和企業的積極參與。政策方面,2015年出臺的《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015-2025年)》和2016年出臺的《2016中國的航天》提出的“衛星通信以商業化模式為主,保障公益性發展需求”帶動了高通量衛星快速發展,促進了衛星制造發射向商業化模式轉變。

  企業方面不僅有中國航天科技集團與北京中交通信科技公司進行強強聯合組建運營公司,而且在2016年7月亞太衛星、中交通信、國新(深圳)等聯合發起成立亞太衛星寬帶通信(深圳)有限公司(亞太星通),打造集衛星通信系統的建設和運營、網絡系統連接和服務于一體的衛星通信巨頭。此外,新研股份、華訊方舟、星空年代等民營企業也都提出了自己的高通量衛星計劃,瞄準我國及一帶一路沿線國家龐大市場,積極參與高通量衛星系統建設,為高通量衛星產業注入新活力。

  高通量衛星的用途很廣

  第一顆由中國自主研制的Ka波段高通量衛星于2015年9月發射升空進行測試,隨后我國自主研制的首顆Ka波段的高通量衛星“實踐十三號”(中星16號)于2017年4月由長征三號乙運載火箭發射升空,該衛星是東方紅3B平臺全配置首發星,實現了100%的平臺產品國產化率,在技術上實現了首次運用Ka波段、首次運用全電力推動、首次在高軌道運用激光通信,設計壽命為15年,由中國航天科技集團公司五院研制,在完成技術試驗驗證后,將交由中國衛通集團運營。

  中星16號不僅代表著全新的衛星通信技術,而且引發傳統通信衛星運營模式的變革。中國衛通將改變傳統通信衛星封閉式的商業模式,通過直接向用戶提供轉發器資源與監測等服務進行開放式運營,中國衛通將主要負責地面關口站以及運營支撐系統的建設,面向用戶通過批發、代理、虛擬運營等多種商業模式提供直接服務,打造全新的衛星通信商業生態。

  中星16號概況

  雖然中國已經能夠自主研制發射高通量衛星,但核心技術和平臺性能仍與歐美有較大差距。2019年發射的中星18號由于工作異常,不具備正常通信服務能力,說明我國自主研制高通量衛星的穩定性需要提升。2020年7月亞太星通發射“亞太6D”(深圳星),衛星容量達50Gbps,其帶寬是中星16號的2.5倍,但仍與西方高通量衛星100Gbps左右的通信容量相差數倍。

  中星16號使用的東方紅3B平臺屬于中型衛星平臺,雖然使用全電力推動,其載荷功率遠小于歐美大型衛星平臺,亞太6D使用的東方紅四號增強型平臺載荷功率為13.5kW,而國外主流高通量衛星平臺已達到20kW。2019年發射升空的“實踐二十號”衛星,首次采用東方紅五號衛星公用平臺,可提供有效載荷功率22kW,達到世界主流水平。

  此外,隨著GEO軌道資源接近飽和,LEO/MEO成為未來布局高通量衛星的方向,長期以來我國在研制發射GEO衛星積累了相對豐富的經驗,而對于LEO/MEO衛星的研制發射、應用開發和運營服務方面需要進一步加強。

  亞太6D概況

  二、高通量衛星系列(Intelsat EpicNG)

  美國作為當今世界頭號科技強國,一直引領通信衛星的發展浪潮,早在1958年就發射第一顆實驗通信衛星“斯科爾號”(SCORE),之后由美國主導的Intelsat在1965年發射了第一顆實用通信衛星Intelsat-1。美國ViaSat在2011年發射高通量衛星ViaSat-1,通信容量達到140Gbps,2017年發射的ViaSat-2通信容量達到300Gbps,是當前世界上容量最大的高通量衛星,計劃于2022年發射的ViaSat-3是包括三顆特高通量衛星的星座有望實現1000Gbps的通信容量。實際上,不僅是通信容量,美國在通信衛星的各技術領域都處于世界領先水平,了解美國主流衛星通信運營商的高通量衛星平臺對于認識高通量衛星技術趨勢和加快我國高通量衛星發展具有重要意義。

  國際通信衛星公司(Intelsat)的前身國際通信衛星組織(International Telecommunications Satellite Organization,ITSO)是由美國于1964年發起成立的國際性通信衛星組織,并從最初的11個成員國發展到1973年的149個成員國。為了適應市場化競爭的需要,該組織于2000年11月通過了成立Intelsat公司的私有化決議,并于2001年7月發布《ITSO/Intelsat公共服務協定》完成了由政府間組織到私有化公司的歷史變革。

  雖然Intelsat長期背負著巨額債務,并于2020年5月提交破產保護申請進行重新整頓,然而該公司依舊擁有可持續的客戶群、穩定的運營收入、大量的訂單,此外一旦公司能夠順利參與FCC為推進5G網絡建設的加速清理C波段計劃,并成功收到C波段拍賣產生的數十億美元收益,Intelsat依舊擁有可期待的未來。Intelsat作為全球第二大衛星運營商,建立了第一個商業化的全球衛星通信系統,并且在高通量衛星領域已經完成全球布局,本文將重點介紹Intelsat EpicNG高通量衛星系列的運營方式,與“傳統”衛星的主要差異,以及其新特性給客戶帶來的益處。

  經濟全球化使電信供應商、海事、航空以及政府部門對于數據傳輸和衛星帶寬的需求不斷增長,現實需求和傳統衛星服務能力間的差距呼喚著衛星通信技術的革新,正是基于這種背景,Intelsat設計開發了EpicNG衛星平臺,旨在為日益多元化的客戶群體提供更高的吞吐量和通信效率,同時為現存網絡和新建網絡提供企業級的下一代通信能力。2016年初IS-29e衛星作為EpicNG系列的第一顆衛星發射升空,宣布Intelsat加入高通量衛星陣營。根據Intelsat射頻運營中心主任Ruben Marentes介紹,IS-29e技術創新主要體現在三個方面:多點波束(Multi-spot Beam),模數轉換(Analog to Digital converters,ADC)以及數字負載(Digital Payload)。

  (一)多點波束設計

  EpicNG通過衛星上標準的多陣列天線成形技術實現多點波束的信號覆蓋。這些點波束的帶寬范圍在62.5-500MHz之間,極化方向是通過調整波束饋源的指向來進行調節的,而頻率范圍則是由上行鏈路和下行鏈路的波束濾波器來進行隔離的。點波束更加聚焦和密集的好處是提高前向和反向增益,降低射頻信號的發射功率,從而實現終端天線的小型化。此外,通信業務的愈發不對稱性也在改變衛星通信的運營模式,近期所發現的客戶需求均呈現出4∶1或6∶1的比例,而更好的G/T和EIRP性能則意味著能夠以更高的效率推送更多的兆比特數據量,從而大大超出客戶預期,而非僅僅滿足基本需求。

  EpicNG通過衛星上標準的多陣列天線成形技術實現多點波束的信號覆蓋

  為了在固定的傳輸時隙內實現更高的吞吐量,必須對時隙內所分配的頻段進行高復用。頻率復用已經被衛星通信廣泛應用,EpicNG衛星系列通過半球性和區域性的覆蓋區域在C頻段實現了6倍的頻率復用,產生了4Gbps的吞吐量。

  EpicNG衛星系列通過半球性和區域性的覆蓋區域在C頻段實現了6倍的頻率復用,產生了4Gbps的吞吐量

  對比普通HTS使用的4色頻率復用方案和EpicNG運用的8色頻率復用方案,可以說明多點波束技術可以將頻率根據地理特征進行更高效的復用。根據衛星工程總監納特·喬納蘭的介紹:“小波束的使用意味著與傳統衛星相比,在可比較的地理范圍內能夠實現較低的噪聲溫度和較高的EIRP,這將明顯帶來更好的通信性能和更高的吞吐量?!盓picNG能夠達到25-60GBps的吞吐量,這是傳統衛星的10倍。

  普通HTS使用的4色頻率復用方案和EpicNG運用的8色頻率復用方案

  (二)信道化容量和數字負載

  為了使得多點波束載荷具有高度的靈活性,在各個點波束之間都能夠進行互連互通是十分必要的。為此,EpicNG衛星系列在上行鏈路和下行鏈路的路徑之間置入了透明數字交換矩陣,將通信容量進行了信道化處理,而經信道化處理之后的載荷即被稱作數字負載,如下圖所示。

  經信道化處理之后的載荷即被稱作數字負載

  首先,射頻頻譜信號經下變頻后在L頻段(1.4-1.9GHz)由信道化器接收,而每個點波束又都會被連接到數字負載輸入處的某一接收端口上(見下圖)。每個接收和發射端口(500MHz)都是由192個子信道組成的,而每個子信道的帶寬則為2.6MHz。多個離散的或相鄰的子信道可以被組合在一起,以滿足帶寬大于2.6MHz的業務傳輸需求。所有的輸入信號在經過信道化器的路由和增益控制后,數字負載就能夠以2.6MHz帶寬為單位,在任意波束之間進行交鏈,從而建立網狀的連接。

  射頻頻譜信號經下變頻后在L頻段(1.4-1.9GHz)由信道化器接收,而每個點波束又都會被連接到數字負載輸入處的某一接收端口上

  數字負載可以在波束之間建立四種不同類型的路由連接。其中,標準路由方式直接對一路或一組子信道進行路由和下行傳輸;而“扇出”(fan-out)路由方式則是將一路上行鏈路子信道復制到多路下行鏈路子信道上;相應的,多路上行鏈路子信道也可以合并到單路下行鏈路子信道上,創建“扇入”(fan-in)路由方式。最后,還可以通過對扇出路由和扇入路由方式進行組合,創建組合路由(order wire route)方式。

  數字負載可以在波束之間建立四種不同類型的路由連接

  EpicNG數字負載與傳統衛星之間的區別:


  (三)頻譜監測系統

  數字負載技術的運用對于頻譜監測分析和地面控制操作都產生了影響。將傳統的頻譜監測方法運用到EpicNG衛星系列面臨很大的困難,比如在IS-29e的所有45個Ku波段下行鏈路波束上安裝監測設備,以及對覆蓋墨西哥灣和大西洋地區的波束進行監測。為了能夠提供與傳統頻譜監測相同的服務能力,Intelsat通過創新性的頻譜監測方法克服了這些挑戰,在保證傳統監測服務的基礎上可以進一步為任何特定類型的應用程序提供關于特定服務、信道以及衛星監測點的更多詳細信息。

  EpicNG衛星系列的頻譜監測系統與傳統衛星有很大不同,通過數字負載技術可以獲取更準確、頻繁的測量數據,充分解決了為覆蓋大西洋區域的波束建設地面監測站的困難。EpicNG衛星系列的頻譜監測系統包括子信道功率遙測(Telemetry),頻譜監測系統(SMS)和用于上行鏈路頻譜監測的同步接收器監測系統(SRMS),以及針對下行頻譜的“扇出”測量監測系統(MFO)。

  EpicNG衛星系列的頻譜監測系統

  1、子信道功率遙測

  子信道功率遙測可以提供9216個上行和下行子信道功率測量值,以及48個上行和下行端口總功率測量值,可以與SRMS提供的各個載波功率測量值進行交叉參考。子信道功率監測值都來自ADC(模數轉換器)和DAC(數模轉換器)的監測點,全部接收它們大約需要9.6秒。頻譜監測系統通過對單個端口的子信道功率遙測值進行提取,從而將遙測數據與頻譜數據映射關聯起來。將頻譜分析儀設置為分辨率帶寬(RBW)2.6 MHz,可視帶寬(VBW)500 MHz,掃描時間9.6秒即可生成功率譜視圖,可以提供包括信道輸入退避(input back-off to the tube),下行EIRP,流量密度等信息。根據衛星工程總監納特·喬納蘭的介紹“子信道功率遙測數據量大約為傳統衛星的50倍?!?

  2、頻譜監測系統和同步接收器監測系統

  頻譜監測系統(SMS)依靠特殊的數字負載創建的同步動態“扇出”連接來實現頻譜監測功能。用于頻譜監測的“扇出”帶寬包括24個子信道,共相當于62.5 MHz。頻譜監測系統將在大約每分鐘內對數字負載的所有接收端口進行遍歷,并在每個“扇出”帶寬上停留大約200毫秒。該特殊數字負載是通過來自地面站的同步接收器監測系統(SRMS)的特定波束進行接收和處理的。對于IS-29e,SRMS部署于Intelsat位于Mountainside的電信關口站。隨著用于頻譜監測采樣的“扇出”62.5 MHz帶寬實現了下行連接,SRMS將對所有目標載波的所有波束和端口的上下行頻段進行重新校準,并為目標載波提供校準后的功率測量值。

  3、扇出監測

  數字負載技術還支持創建MFO(Monitor Fan-Out),充分利用基于RMS(Root Mean Square)數據的傳統監控器。這意味著可以通過數字負載將任何子信道或子信道組復制到Mountainside關口站網關波束中的保留帶寬,或任何有下行監測能力的其他站點,這可以使我們使用監測設備進行連續實時的監測,有助于解決突發的射頻干擾(RFI)問題,并標記信號峰值和極值。EpicNG的數字負載為每項服務準備了多個目標操作位置,可能是數字負載的輸入、輸出,甚至是HPA高功率放大器補償,可以使用其中一種或多種來處理RFI事件。子信道功率是基于射頻信號的精確測量值,可以為SMS/SRMS提供導頻參考和測量校準。SMS是覆蓋整個接收頻譜的動態“扇出”,積極主動而非應激被動地不斷對全部頻譜進行監測。

  “扇出”監測系統

  最后,EpicNG衛星系列還增加了原有衛星不支持的業務恢復和載波重置功能。例如,現在可以對單個連接和子信道進行增益控制,而在過去只能依靠更改轉發器飽和通量密度(SFD)的衰減設置,當多個客戶共用相同轉發器時會出現問題。如果客戶在遠端站點的頻段上遭受了射頻干擾,ROC(RF操作中心)人員通過命令數字負載進行載波重置,從而可以在上行鏈路不做任何更改的情況下遷移至遠離干擾的不同頻段。

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