李若可，李新華，李集林，張?jiān)平?/p>

（中國(guó)空間技術(shù)研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引言

目前，個(gè)人上網(wǎng)、企業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、基站回傳、飛機(jī)通信、航海通信、軍事通信等都對(duì)高通量衛(wèi)星提出了重大需求，應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛，通過(guò)高通量衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新，將驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)應(yīng)用不斷發(fā)展。

高通量衛(wèi)星按軌道可劃分為地球同步靜止軌道（GEO）和非靜止軌道（NGSO）兩種類型衛(wèi)星。當(dāng)前在軌應(yīng)用的高通量衛(wèi)星以GEO-HTS為主，但NGSO-HTS星座項(xiàng)目的實(shí)施將對(duì)GEOHTS的增長(zhǎng)產(chǎn)生一定程度影響。自2004年全球首顆高通量衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，截止到2018年底，全球共發(fā)射73顆載有高通量載荷的衛(wèi)星（含16顆中軌道的O3b衛(wèi)星）。

截至2018年底已發(fā)射的部分高通量衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)如表1所示?；仡櫢咄啃l(wèi)星的發(fā)展歷程，可將其劃分為4個(gè)階段：

（1）起步階段（2004～2009年），共發(fā)射衛(wèi)星13顆，單顆高通量衛(wèi)星的容量不超過(guò)50Gb/s。

（2）平穩(wěn)發(fā)展階段（2010～2016年），共發(fā)射衛(wèi)星38顆，單顆高通量衛(wèi)星的容量最高達(dá)200Gb/s。

（3）迅猛發(fā)展階段（2017～2018年），共發(fā)射衛(wèi)星22顆，單顆高通量衛(wèi)星的容量在100-300Gb/s。

（4）跨越發(fā)展階段（2019年以后），單顆通信衛(wèi)星的容量將達(dá)到1Tb/s。

表1 截至2018底已發(fā)射的部分高通量衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)表

目前，GEO-HTS通常采用Ka頻段作為其信關(guān)站通信鏈路，可用的頻譜只有2GHz，系統(tǒng)容量可達(dá)300GHz。預(yù)計(jì)到2020年，下一代GEO-HTS系統(tǒng)容量將達(dá)到1Tb/s，信關(guān)站通信鏈路需要向Q/V、太赫茲以及激光等頻段發(fā)展，獲得更大的工作帶寬資源，進(jìn)一步提高衛(wèi)星通信容量。目前來(lái)看，Q/V頻段（40/60GHz）可用信關(guān)站通信鏈路的帶寬達(dá)到5GHz，且Q/V頻段設(shè)備近期內(nèi)將成熟并可投入使用，可改善對(duì)Ka頻段的嚴(yán)重依賴[1]。采用Q/V頻段作為關(guān)口站鏈路的使用頻率，可將Ka頻段完全分配給用戶鏈路使用，這樣用戶鏈路可得到更多的帶寬資源；此外，由于Q/V頻段帶寬更寬，單個(gè)關(guān)口站可管理更多的用戶波束，這也是有效減少地面關(guān)口站數(shù)量、控制系統(tǒng)成本的重要手段之一。

1 Q/V頻段HTS發(fā)展現(xiàn)狀

Q/V頻段作為毫米波頻段（30-300GHz）中最適合開(kāi)展衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的頻段，該頻段的通信載荷已開(kāi)始逐步進(jìn)入商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)。結(jié)合國(guó)際主要宇航公司開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有產(chǎn)品以及毫米波傳播“衰減峰”，饋電鏈路（信關(guān)站-衛(wèi)星）上行通常選擇47.2-50.2GHz和50.4-51.4GHz；下行通常選擇37.5-39.5GHz和40.5-42.5GHz[1]。

2013年7月發(fā)射的Alphasat是衛(wèi)星行業(yè)開(kāi)發(fā)Q/V頻段使用的重要一步，該星是曾經(jīng)建造的最大的通信衛(wèi)星。Alphasat搭載了由Thales Alenia Space為意大利航天局（ASI）制造的首個(gè)Q/V頻段通信載荷（Technology Demonstration Payload，TDP5），上行頻率48GHz，下行頻率38GHz，采用了2次變頻、10W固放方案，包含3個(gè)點(diǎn)波束、2個(gè)可切換的轉(zhuǎn)發(fā)器通道[1]。該有效載荷用于測(cè)試Q/V頻段內(nèi)站點(diǎn)之間寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能，以評(píng)估在可能對(duì)信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響的大氣條件下的性能。

2016年3月，Eutelsat成為第一個(gè)在其Eutelsat 65 West A衛(wèi)星上測(cè)試Q/V波段通信的商業(yè)運(yùn)營(yíng)商之一。與勞拉空間系統(tǒng)（SSL）合作，Eutelsat確認(rèn)已經(jīng)使用實(shí)驗(yàn)有效載荷在EHF中成功地進(jìn)行了傳輸。利用該有效載荷來(lái)分析40-50GHz的Q/V頻段的潛在性能，并測(cè)定這是否是促進(jìn)Terabit衛(wèi)星寬帶計(jì)劃的關(guān)鍵。

2018年4月，歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）宣布訂購(gòu)下一代VHTS衛(wèi)星系統(tǒng)——“KONNECT VHTS”（甚高通量衛(wèi)星），以支持其歐洲固定帶寬和機(jī)載通信業(yè)務(wù)的發(fā)展?！癊utelsat KONNECTVHTS”衛(wèi)星質(zhì)量6，300千克，由泰雷茲·阿萊尼亞宇航公司（TAS）基于“Spacebus-Neo”平臺(tái)建造，安裝有Ka波段甚高通量有效載荷，饋電鏈路使用Q/V頻段，傳輸速率500Gb/s。該衛(wèi)星將于2021年投入運(yùn)營(yíng)，將是迄今在軌安裝有最強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理器的衛(wèi)星，具有靈活配置帶寬容量、優(yōu)化的頻譜使用和漸進(jìn)地面網(wǎng)絡(luò)部署能力。

圖1 測(cè)試中的Eutelsat 65 West A衛(wèi)星

2018年11月印度空間研究組織（ISRO）成功的GSAT-29衛(wèi)星配備有Ka和Ku頻段的HTS通信轉(zhuǎn)發(fā)器。GSAT-29上還有測(cè)試用的Q/V頻段載荷，用于高頻段的技術(shù)驗(yàn)證。

2 空間分集抗雨衰技術(shù)

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，同時(shí)盡量降低高通量地面系統(tǒng)投資，饋電鏈路的可用度通常在99.9%以上。表2以北京、成都和喀什三個(gè)站點(diǎn)為例，假設(shè)衛(wèi)星軌道位置125°E，使用ITU模型計(jì)算出饋電鏈路上行的衰減量@50GHz。從表2中可以看出，若北京、成都信關(guān)站饋電鏈路可用度達(dá)到99.9%@50GHz，雨率值將在29dB以上，雨天鏈路總衰減可達(dá)40dB，采用傳統(tǒng)的自動(dòng)上行增益控制（AUPC）和ACM（自適應(yīng)編碼調(diào)制），無(wú)法完全補(bǔ)償雨天鏈路的衰減量。

表2 典型城市雨天饋電鏈路上行衰減，可用度99.9%@50GHz，衛(wèi)星軌位125°E

為了解決Q/V頻段饋電鏈路雨率過(guò)大的問(wèn)題，可行的解決方案有三個(gè)：

（1）Single Site Diversity，即1+1備份模式。

（2）N+P diversity，即N+P備份模式。

（3）N-active，即N-active模式。

2.1 1+1備份模式

圖2（a） 1+1備份工作模式（主站晴天）

圖2（b） 1+1備份工作模式（主站雨天）

1+1備份模式是指每個(gè)主用信關(guān)站均配備一個(gè)備用站，備用站可只配置天線和射頻鏈路，兩者之間使用光纖網(wǎng)絡(luò)相連。主用站和備用站之間，相隔足夠遠(yuǎn)，以降低其降雨相關(guān)性。當(dāng)主用站因降雨量過(guò)大導(dǎo)致鏈路中斷時(shí)，天線和射頻鏈路切換到備用站，基帶設(shè)備仍然使用主用站的，如圖2（a）、（b）所示。

根據(jù)相隔距離D（km）的主備站相關(guān)系數(shù)ρ的計(jì)算公式[2]：

可知當(dāng)主備站間的距離大于100km時(shí)，兩者可認(rèn)為空間不相關(guān)。

2.2 N+P備份模式

N+P備份模式是指N個(gè)信關(guān)站同時(shí)工作，當(dāng)N個(gè)信關(guān)站中的P個(gè)因降雨量過(guò)大導(dǎo)致鏈路中斷時(shí)，鏈路切換到備用站，備用站數(shù)量最多為P個(gè)。當(dāng)P=N時(shí)，該模式等同于1+1備份。

圖3（a） N+P工作模式（晴天）

圖3（b） N+P工作模式（晴天）

從圖3（a）、（b）中可以看出，N+P配置下，當(dāng)P=1時(shí)，也就是在只有一個(gè)備份站的系統(tǒng)中，如果兩個(gè)信關(guān)站同時(shí)中斷，那么只有一個(gè)信關(guān)站下的用戶中斷可以在備份站的支持下繼續(xù)工作。這種方案充分利用了不同信關(guān)站降雨的統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)性。根據(jù)前面主備站相關(guān)系數(shù)ρ的計(jì)算公式，通過(guò)加大信關(guān)站之間的距離，可以大大降低兩個(gè)信關(guān)站同時(shí)經(jīng)歷大雨衰的概率。在保證饋電鏈路可用度的要求下，備用站的數(shù)量，取決于對(duì)可靠性的要求和網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。在下一章，將會(huì)詳細(xì)討論相關(guān)內(nèi)容。在星上有效載荷復(fù)雜度方面，從邏輯上來(lái)說(shuō)與1+1模式幾乎相同，唯一不同是備用站可以連接到多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器上。

2.3 N-active模式

該種方案需要使用智能信關(guān)站分集方案（Smart Gateway diversity scheme）。智能信關(guān)站分集方案是指：使用若干地面信關(guān)站，彼此之間通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)連接，形成可靈活路由饋電鏈路信息的網(wǎng)絡(luò)，其可以通過(guò)分集技術(shù)對(duì)抗信關(guān)站與衛(wèi)星之間的鏈路衰減[3]。

該種方案可以通過(guò)時(shí)域或頻域多路來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是頻分多路還是時(shí)分多路，都需要調(diào)整星上有效載荷，使用頻分或時(shí)分轉(zhuǎn)發(fā)策略。

（1）頻分多路：這種多路方式如圖4（a）所示，需要使用多載波前向鏈路（上行鏈路）。頻分多路方案目的是將饋電鏈路波束上的數(shù)據(jù)流量分布到多個(gè)信關(guān)站上，以此來(lái)降低整個(gè)饋電波束中斷的風(fēng)險(xiǎn)。問(wèn)題在于，如果要使用地面所有信關(guān)站的話，星上有效載荷和地面信關(guān)站處理載波的數(shù)量帶來(lái)的復(fù)雜度是個(gè)亟待解決的問(wèn)題。對(duì)于地面段來(lái)說(shuō)，處理更多的載波帶來(lái)的復(fù)雜度有限，但是星上載荷的復(fù)雜度隨著可用信關(guān)站的數(shù)量增多而有所增大。這將導(dǎo)致衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量增加，轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量又是限制有效載荷的約束參數(shù)。除此之外，信關(guān)站的數(shù)量增加將導(dǎo)致載波帶寬的減少以及相關(guān)損耗的增加（保護(hù)帶寬，對(duì)有效載荷噪聲的敏感度等）。當(dāng)多個(gè)信關(guān)站同時(shí)為一個(gè)用戶終端提供服務(wù)時(shí)，需要信道數(shù)量增加，星上有效載荷數(shù)量增加。

圖4（b） 頻分多路復(fù)用（雨天）

圖4（b） 頻分多路復(fù)用（雨天）

假設(shè)信關(guān)站個(gè)數(shù)為3，用戶波束為6，那么在N-active工作模式（頻分復(fù)用）下，每個(gè)信關(guān)站要為所有用戶提供載波。假設(shè)每個(gè)信關(guān)站可用載波數(shù)為9，其中6個(gè)用于晴天狀態(tài)下，為用戶波束提供服務(wù)，剩余3個(gè)載波預(yù)留用于接替中斷服務(wù)的信關(guān)站的載波。假設(shè)三個(gè)信關(guān)站中的一個(gè)，因降水或其他原因處于中斷狀態(tài)，那么其余兩個(gè)信關(guān)站使用預(yù)留的載波接替繼續(xù)提供服務(wù)，如圖4（b）所示。

圖5（a） 時(shí)分多路復(fù)用（晴天）

（2）時(shí)分多路：這種多路方式如圖5（a）所示。在此種多路方式下，在每個(gè)幀周期（frame period）內(nèi)，每個(gè)用戶端可被多個(gè)信關(guān)站同時(shí)提供服務(wù)，如圖6所示。在一個(gè)時(shí)隙（slot period）內(nèi)，一個(gè)用戶終端只被一個(gè)信關(guān)站提供服務(wù)。

與頻分多路類似，假設(shè)信關(guān)站的數(shù)量為3，用戶波束的數(shù)量為6，每個(gè)信關(guān)站的幀周期分為9個(gè)時(shí)隙。在晴天條件下，每個(gè)信關(guān)站正常工作，使用6個(gè)時(shí)隙為6個(gè)用戶波束提供服務(wù)。當(dāng)其中一個(gè)信關(guān)站，因雨衰等因素處于中斷狀態(tài)，那么其余兩個(gè)信關(guān)站調(diào)用剩下的時(shí)隙，接替中斷的信關(guān)站時(shí)隙繼續(xù)提供服務(wù)，如圖5（b）所示。

圖5（b） 時(shí)分多路復(fù)用（雨天）

系統(tǒng)通過(guò)路由任意上下行鏈路之間的時(shí)分多址突發(fā)幀（TDMA bursts）來(lái)實(shí)現(xiàn)。任何一對(duì)上下行鏈路之間的內(nèi)部互聯(lián)可通過(guò)星上高速微波開(kāi)關(guān)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。在衛(wèi)星上，在一個(gè)幀周期內(nèi)，流量矩陣將被存儲(chǔ)，它包含了上下行鏈路之間的連接關(guān)系。這個(gè)矩陣關(guān)系要定期更新。從星上有效載荷方面來(lái)看，這個(gè)方案除了微波開(kāi)關(guān)矩陣外，并沒(méi)有像頻分多路復(fù)用方案那樣需要增加轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量。然而，各個(gè)信關(guān)站TDM載波之間需要做到準(zhǔn)確的時(shí)間同步[4]。隨著一個(gè)用戶終端可以同時(shí)連接的信關(guān)站數(shù)量的增加，開(kāi)關(guān)矩陣的規(guī)模和開(kāi)關(guān)的數(shù)量也有所增加。所有的地球站都需要衛(wèi)星上開(kāi)關(guān)切換的時(shí)間信息。在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，用戶終端不需要與一個(gè)新的載波同步，而只需要同步一個(gè)新的時(shí)隙。

圖6 時(shí)分多路模式簡(jiǎn)圖

2.4 三種模式比較

針對(duì)前面介紹的三種模式，從特點(diǎn)、對(duì)衛(wèi)星有效載荷互聯(lián)需求以及地面段投資成本三方面進(jìn)行了比較。從表3可以看出，1+1模式，系統(tǒng)可用度最高，但需要給每一個(gè)信關(guān)站配備一個(gè)備用站，無(wú)疑會(huì)使地面段建設(shè)費(fèi)用接近翻倍，投資成本最高。N-active模式，不需要備用信關(guān)站，地面段投資費(fèi)用最低，但其對(duì)星上有效載荷要求最高，無(wú)論是頻分多路還是時(shí)分多路模式，都需要有效載荷做出相應(yīng)修改。N+P模式無(wú)論是對(duì)有效載荷的復(fù)雜度需求還是地面段投資成本來(lái)說(shuō)都比較適中，后面重點(diǎn)對(duì)N+P模式進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

表3 三種模式的比較

3 N+P模式詳細(xì)分析

3.1 饋電鏈路可用度計(jì)算

假設(shè)N個(gè)信關(guān)站任意一個(gè)饋電鏈路雨衰Ai大于其失效門限Am的概率P（Ai＞Am）=pi，在N個(gè)信關(guān)站中，有k個(gè)信關(guān)站失效，其包含有（N|）=λ種可能的組合，該些組合可被認(rèn)為是以下方程的解：

式中，xi是二進(jìn)制變量，用來(lái)表示第i個(gè)信關(guān)站是否處于失效狀態(tài)，xi=1表示第i個(gè)信關(guān)站處于失效狀態(tài)，xi=0則表示第i個(gè)信關(guān)站正常工作。假設(shè)Xl記為方程（2）的第l個(gè)解，l=1，2，…，λ。因此有：

P（k gateways to outage） =P（set of k gateways in outages）×P（set of N -k available gateways）

上式服從泊松二項(xiàng)分布，它的概率分布函數(shù)描述了N個(gè)相互獨(dú)立的試驗(yàn)結(jié)果中成功的數(shù)量，這些相互獨(dú)立的試驗(yàn)成功的概率各不相同[7]。

N+P模式下，假設(shè)第i個(gè)信關(guān)站的失效概率為pi，失效信關(guān)站的數(shù)量k，k可寫為：Y=X1+X2+… +XN+…+XN+P，即N+P個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)變量Xk之和，且Pr{Xk=0}=1-pk，Pr{Xk=1}=pk。這些隨機(jī)變量之和Y的分布，可以由隨機(jī)變量Xk的線性卷積得到：

在N+P的配置下，每一個(gè)用戶波束內(nèi)的所有終端工作在N個(gè)信關(guān)站中的某一個(gè)下，有P個(gè)信關(guān)站作為備份。造成一個(gè)用戶終端服務(wù)中斷（由于饋電鏈路問(wèn)題）的原因，是其所屬的主用站失效，且P個(gè)備用站全部不可用（服務(wù)于其他用戶波束，或者因?yàn)閺?qiáng)雨衰）。

注：Pr{P+1 gateways to outage}是指P+1個(gè)信關(guān)站失效，其余信關(guān)站工作正常。

若N+P個(gè)信關(guān)站失效等概率，即p1=p2=…=pN+P=p，那么k個(gè)信關(guān)站同時(shí)失效的概率P（k gateways to outage）服從二項(xiàng)分布（伯努利分布）[5]。

將公式（5）帶入（4）中，可以得到：

N+P模式下可以達(dá)到的饋電鏈路可用度取決于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（主用站數(shù)量）和備用站數(shù)量。在用戶鏈路為理想情況（晴天）下，N+P系統(tǒng)可用度等于饋電鏈路的可用度。下面的3副仿真圖均為N+P系統(tǒng)饋電可用度與每個(gè)信關(guān)站饋電鏈路不可用度之間的關(guān)系圖，只是N和P的取值不同。

從圖7中可以看出，當(dāng)備用信關(guān)站數(shù)量為0時(shí)，系統(tǒng)饋電鏈路可用度等于每一個(gè)信關(guān)站饋電鏈路的可用度。但隨著備用站數(shù)量的增加，系統(tǒng)可用度迅速增加。當(dāng)N=30時(shí)，P分別取0、1、2，饋電鏈路可用度對(duì)應(yīng)為99%、99.9%、99.995%。

從圖8中可以看出，對(duì)于7+1或10+1模式來(lái)說(shuō)，當(dāng)每個(gè)信關(guān)站的可用度是99%時(shí)，用戶可用度分別為99.97%和99.96%（假設(shè)用戶鏈路為理想情況）。從圖9可以看出，在單個(gè)信關(guān)站可用度為99%的情況下，當(dāng)備份站數(shù)量P=3時(shí)，可以保證在主站數(shù)量N=45時(shí)，仍有99.996%的鏈路可用度；當(dāng)備份站數(shù)量P=2時(shí)，可以保證在N=45時(shí)，鏈路可用度仍大于99.96%。

圖7 N+P模式下，30+0，30+1，30+2系統(tǒng)可用度與信關(guān)站中斷概率關(guān)系圖

圖8 N+P模式下，7+1，10+1，7+2，10+2用戶可用度與信關(guān)站中斷概率關(guān)系圖

圖9 N+P模式下，25+2，25+3，35+2，35+3，45+2，45+3 系統(tǒng)可用度與 信關(guān)站中斷概率關(guān)系圖

3.2 信關(guān)站切換策略

N+P模式，當(dāng)N個(gè)主用信關(guān)站之一因?yàn)閲?yán)重雨衰而失效之前，需要及時(shí)切換到備用信關(guān)站，切換策略見(jiàn)圖10。

圖10 N+P信關(guān)站切換策略

（1）獲取：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制中心（NOCC）獲取所有信關(guān)站前向鏈路的信噪比（SNR），包括所有主用站和備份站。之所以選擇前向鏈路信噪比是因?yàn)橄啾扔诜迪蜴溌吩谟脩翩溌非缣斓那闆r下，前向鏈路信噪比更能反映信關(guān)站經(jīng)受的雨衰值的大小。

（2）排序：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制中心將所有主備站按信噪比降序排列。信噪比強(qiáng)度排在第m的主站，其相應(yīng)的信噪比記為μm，該信關(guān)站記為Gm；信噪比強(qiáng)度排在第k的備站，其相應(yīng)的信噪比記為k，該信關(guān)站記為k；由此定義可得：

定義 表示信關(guān)站 的雨衰，由此定義可得：A1≤A2≤……≤AN

（3）匹配：將當(dāng)前通信環(huán)境最好的備站1，與目前環(huán)境最差的主站GN匹配，并以此類推，直至將所有備站匹配完畢。例如對(duì)于25+3的配置來(lái)說(shuō)，匹配結(jié)果如表4所示。

表4 主備站匹配結(jié)果

（4）切換：當(dāng)主站的信噪比μN(yùn)＜γth（正在工作的信關(guān)站的噪聲信噪比低于門限值），且μ1＞γth（備用站的噪聲信噪比高于門限值）時(shí)，進(jìn)行切換，切換后，返回繼續(xù)比較μN(yùn)-1與門限值，重復(fù)切換過(guò)程，直至主用站信噪比高于門限，或沒(méi)有可用備站為止。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)分析了為使系統(tǒng)性能最優(yōu)門限γth的取值，并提出了一種新穎的切換-駐留的策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

Q和V頻段將塑造未來(lái)寬帶通信系統(tǒng)的藍(lán)圖，因?yàn)檫@些頻段將顯著提高下一代高吞吐量衛(wèi)星的性能。為了解決Q/V頻段高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的饋電鏈路雨衰過(guò)大的問(wèn)題，本文提出了1+1備份、N+P備份和N-active三種解決方案，并對(duì)它們進(jìn)行了比較，比較結(jié)果顯示N+P備份方案更切實(shí)可行。對(duì)于N+P備份方案，通過(guò)公式推導(dǎo)和仿真對(duì)饋電鏈路的可用度進(jìn)行了分析，當(dāng)N=30時(shí)，P分別取0、1、2，饋電鏈路可用度對(duì)應(yīng)為99%、99.9%、99.995%。在文章的最后，給出了N+P模式下信關(guān)站切換的策略和詳細(xì)流程。