搜索
高吞吐量卫星（HTS）和休斯JUPITERKa系统Version1摘要自从休斯发明VSAT（甚小口径天线终端，VerySmallApertureTerminal），并在1984年为沃尔玛（Wal-Mart）连锁商店组建全球第一个商用卫星通信网络，卫星通信已成为今天主流电信基础架构中不可分割的组成部分。全球第一台卫星终端设备重好几公斤，仅支持9.6kbps的数据传输速率，工作在功率受限、总容量低于1Gbps的卫星底下；而现代卫星的容量超过100Gbps，能提供速率达10Mbps或更高的高速互联网服务。作为全球最大Ka频段系统运营商，休斯与大家一起探讨新一代高吞吐量卫星系统的架构和功能，与大家分享Ka卫星应用的经验。休斯设计的JUPITERKa频段卫星通信系统已被广泛应用于各个市场领域，包括企业和政府。休斯JUPITER系统的技术先进性体现在：空中接口–JUPITER系统支持增强版DVB-S2和更高阶调制，载波效率更高，系统吞吐量更大地面关口站结构-高密度关口站架构，每19英寸机柜容量超过1Gbps；每个关口站均为完整独立性设计，包含所有相关的无线和IP处理单位；JUPITER关口站是“无人值守”设计高性能卫星小站-新一代VSAT采用性能强大的芯片，支持高数据吞吐量，能同时挂接更多的应用设备。增值功能–高性价比的虚拟网络运营商（VNO，Virtualnetworkoperator）功能分享使用点波束系统；服务质量保证（QoS）功能区分视频等不同业务的服务等级；卓越的网络支撑系统（OSS，operationalsupportsystem)）有效管理数量众多的小站。1.商用卫星通信的发展：从电话到电视，再到数据在1963年，休斯先后研制了3颗地球同步轨道卫星，分别取名为Syncom-1、Syncom-2、Syncom-3（Syncom：Synchronouscommunicationsatellite)。这是人类首次触及地球同步轨道卫星，只不过当时这些卫星都被美国航空航天局（NASA）用于军方使用。1963年8月23日，美国总统肯尼迪通过Syncom-2卫星与尼日利亚总理进行双向通话，这是历史上首次通过卫星进行政府首脑之间的通话。1965年4月，正当冷战和太空竞赛升级的时候，由休斯制造的EarlyBird（“晨鸟”，后取名叫Intelsat1）地球同步轨道卫星被发射，标志着商业卫星通信的开始。除了被应用于北美和欧洲之间的电话和传真通信，EarlyBird卫星促进了卫星电视广播的更大规模应用。在1965年12月EarlyBird被用来电视直播海上回收Gemini6飞船的全过程。在其后的20年，传输电视节目是通信卫星的主要应用，一直到1985年由休斯工程师发明VSAT。山姆·沃尔顿决定采用休斯的VSAT来连接他的乡村商店和物品配送中心，这被“财富”杂志评为20世纪最重要的商业决策之一，因为与其竞争对手相比，“它（VSAT）给了沃尔玛（Wal-Mart）巨大的信息沟通优势”。沃尔玛（Wal-Mart）的VSAT应用标志着卫星网络通信的开始。最初的卫星设计主要是围绕电视广播，所以要求卫星能覆盖尽可能大的面积，换句话说，卫星设计的关注点是覆盖范围，而不是通信容量。直到今天许多在运转的卫星仍追求大面积覆盖，星上的单个视频发射（广播）能被许多地方接收，如下图1所示。图1为追求大覆盖范围为设计的卫星覆盖图示例第一颗卫星工作在C频段（4-6GHz），随着时间的推移，出现了更高频率的Ku频段（10-14GHz）卫星。直到过去10年Ku卫星仍占全球卫星通信的主导地位。受高清电视、高速互联网接入等应用需求的推动，许多地区对卫星带宽的需求量超过Ku频段的限制，从而推动使用更高的频段-Ka频段（18-30GHz）。对覆盖范围的追求影响了卫星的容量，如果用于数据通信，先前的卫星一般只支持几个Gbps的容量。举例来说，如果一颗卫星有24个C波段转发器（每转发器36MHz）和24个Ku波段转发器（每转发器36MHz）的载荷，总共48个转发器其总容量为1.7GHz。假设一个36MHz转发器支持70Mbps的数据吞吐量，那么1.7GHz带宽仅支持略超过3Gbps的数据传输速率。图Spaceway3（左）和EchoStar17卫星（右）近些年陆续发射的新一代高吞吐量卫星（HTS）卫星采用多点波束结构，通过重复使用有限的频率资源而具备更大的通信容量。如图2所示，HTS卫星采用类似于地面蜂窝网的技术，各个点波束采用不同频率和极化的组合而彼此独立工作。事实上这些技术早已被用于不少卫星的设计，不同是现在的波束更小，波束数量更多，频率复用的程度更高。拿休斯Spaceway3卫星举例（下面有更多描述），通过24倍的频率复用，原先500MHz的频谱最后支持12GHz的通信容量。图2频率复用另一个例子是采用Juipter高吞吐技术的EchoStar17卫星，它有60个点波束。EchoStar17卫星与Spaceway3合起来形成对整个北美的优化覆盖（如下图）。图3EchoStar17与Spaceway3对北美的优化覆盖点波束之间的频率复用使得卫星拥有更多的容量。举个例子，一颗采用60个点波束（或用户波束）的HTS，如果每一个点波束为出向500MHz和回传500MHz的容量（典型的Ka频段分配），则此颗卫星拥有60GHz的容量。通过频率复用，HTS能够获得比常规卫星多得多的带宽GHz数，在这个例子是超过30倍的容量。一颗卫星，不管是按最大化容量或最大化覆盖设计，其星体设计、建造、发射的成本是大致相同的，所以HTS卫星的每比特（bit）费用要远低于为优化覆盖而设计的卫星。2.HTS卫星采用Ka和Ku频段现在许多新的高吞吐量卫星采用Ka频率。其中一个简单原因是安排给其它频段的卫星轨道位置已快被用完，今天已很难从国际电信联盟（ITU）申请得到商业Ku频段的轨道位置。而Ka的轨道位置还很多，当前只有少数Ka轨道被使用，运营商较容易从ITU获得Ka轨道。相对于Ku频段，Ka频段拥有更宽的频谱，一颗典型的Ku卫星可能使用750MHz频谱，而Ka卫星仅其地面关口站的馈电波束就可能使用1500MHz或更宽的频谱。如今Ka技术已经达到一定的成熟度，卫星网络的性能、可靠性和可用性都能与Ku网络相媲美。Ka关口站的射频传输设备（RFT）有支持750瓦输出功率的行波管（Travellingwavetubes，TWT）功率放大器，卫星终端的Ka射频部件采用最先进的砷化镓（Galliumarsenide，GaA）单片微波集成电路（monolithicmicrowaveintegratedcircuits，MMIC），工作稳定/可靠、性价比高。虽然HTS卫星通常指Ka频段，小波束、频率复用的理念也可以被应用到Ku频段。例如Intelsat29E（或叫EPIC）卫星虽然使用Ku轨道位置和Ku频率，但也是采用点波束架构。根据Intelsat公布的信息，第一颗EPIC卫星有以下特点：多点波束，波束宽度为2度（或更小）点波束容量为160Mbps宽波束容量为40Mbps总通信容量为25–60Gbps通过采用2度波束宽度（Ka点波束通常采用0.4到0.8度）和频率复用，Intelsat的EPIC卫星能够覆盖与传统卫星相比拟的大区域，但同时又有较高的通信容量。3.不同的架构数据通信可以采用不同的卫星架构，根据具体情况每种架构均有其优点和缺点。使用传统35-56MHz转发器的宽波束如图4所示，传统卫星主要关注卫星的覆盖，其转发器波束可以覆盖一片很大的区域。此架构为“环回”设计，即卫星接收、转发信号的区域为同一个覆盖区域。这种方式允许任何两个卫星站之间单跳发送/接收，可以开展网状通信。图4“环回”式架构小点波束设计HTS卫星的波束大小需要权衡卫星的容量与覆盖。小波束可以做到较高的容量，因为小波束会有较好的链路特性，从而有更高的频谱效率和通信容量。大波束在赢得大覆盖的同时，由于其辐射能量要分摊到大区域，频谱效率相对来说低。EchoStar17卫星采用0.5度左右（或略大，直径约300公里）的小用户波束，所有用户波束连接到关口站，出向、入向信道采用不同的频率。如图5所示，在点波束架构下，小站只能接收关口站发送的信号，而不能接收其它小站。这种架构设计最大限度地提高容量，关口站的位置可以远离用户波束，馈电波束可以利用用户波束的频谱。图5点波束卫星架构在下图6，关口站利用馈电波束发送前向信息给所有的用户波束。馈电波束由一个或多个子信道组成，每个子信道对应于一个特定的用户波束。卫星将馈电波束中的所有出向业务进行拆分，再发送至相应的用户波束。回传信道也做类似配置。图6小波束系统中的前向信道结构在这种架构中，关口站的能力受制于馈电波束频谱的容量，而不是所服务的用户波束数量。需要注意的是此结构不支持单跳、点到点、或网状通信，小站之间无法接收对方发送的信号。“再生式“系统在上面提到的例子中，卫星的工作方式类似于一个“弯曲管”，即卫星仅仅充当中继器，将接收的任何信号直接发回给地球。另一个方式称为“再生式”，即卫星解调接收的信号，重新调制后再发回地球。图7说明了这两个方式的差异。图7弯曲管载荷-再生式载荷休斯Spaceway3Ka频段卫星能够给需要的区域提供高通信容量，部分原因是星体上使用了先进的相控阵天线，此天线帮助进行功率的动态调配（如图8所示）。这有别于使用固定方向天线的传统卫星，它们无法根据不同区域通信需求的变化而调整卫星功率分配。休斯Spaceway3卫星具有很强的应用适应能力，例如：可以调整波束大小和形状可以调整对不同区域的容量分配当应用需求变化时动态调整每波束的容量分配图8Spaceway3通信架构点波束和频率复用，这些如今许多HTS卫星所使用的技术，在休斯Spaceway3卫星上早就被采用。4.越大不一定越好当今工业水平能制造容量超过100Gbps的卫星，这并不意味着每一个运营商都应该部署这样大容量的卫星。目前全球50多个活跃的Ka卫星项目（无论已在轨或计划发射），大部分卫星都采用部分载荷为Ka频段的方式。这些卫星的主要业务（尤其是广播）是采用传统的36/54MHzKu和C频段，当需要时，卫星运营商可以逐步加载、使用星体上的Ka载荷。一个很好的例子是在2013年发射的Hispasat亚马孙3号卫星。亚马孙3号卫星有以下载荷：33个Ku转发器19个C转发器9个Ka点波束假设每个Ka点波束容量是500MHz，则该卫星具有9GHz的Ka数据通信能力。一般的服务提供商可能比较喜欢部分Ka载荷卫星、或小容量的纯Ka卫星，因为：小地域覆盖-目标覆盖区域可能仅是一个中等大小的国家预期填充率较缓慢-发展中国家的填充率可能比北美或欧洲慢，立即部署大载荷不具备经济性方面的好处。在这些地域，扩大覆盖应该比提高容量更有意义低成本-在卫星上安装部分载荷的开支远低于发射一颗纯Ka卫星所以我们认为，卫星容量不一定越大越好。事实上，只有当填充率很高、或总容量能被迅速消耗，卫星才是“越大越好”。市场需求多种多样，较小的容量可以使运营商用较小投资先进入市场。5.封闭式、或开放式运营方式运营高吞吐量卫星有不同的商业模式。对为北美提供了超过100Gbps容量的EchoStar17卫星，休斯采取了封闭式运营方式。见图10，封闭式运营方式由一个实体运营卫星、构建地面系统，再直接、或通过一个或多个零售合作伙伴向最终用户提供服务。在这样的“Mbps”模型中，卫星运营商通过各种服务计划出售Mbps，最大限度地提高投资回报率。而一个（或多个）服务提供商仅购买卫星物理带宽来经营其自己的卫星通信服务，这样操作的可能性不大。图10封闭式商业模型（“Mbps”模型）为了能使一个封闭式系统创造利润，服务提供商必须做出重大的投资，包括卫星和地面系统。服务供应商需要有一个完整的业务支持系统（BSS，BusinessSupportSystem）来运行服务业务，包括订单处理、安装调度、客户激活、计费、客户关系管理（CRM）、帮助台等业务。此外，也许更重要的是，服务