惠騰飛，張 劍，劉明洋

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高通量通信衛(wèi)星是在使用相同頻率資源的條件下，通信容量比常規(guī)通信衛(wèi)星高數(shù)倍甚至數(shù)十倍的通信衛(wèi)星，其主要特點(diǎn)是采用了頻率復(fù)用、多點(diǎn)波束等先進(jìn)技術(shù)。從2004年首顆HTS衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，GEO軌道HTS衛(wèi)星呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)歐洲咨詢(xún)公司預(yù)測(cè)，2017—2025年間，全球預(yù)計(jì)有96顆GEO HTS衛(wèi)星發(fā)射，平均每年11顆左右，較上一個(gè)十年的年均有3顆大幅增長(zhǎng)。

2017年4月12日，我國(guó)首顆高通量通信衛(wèi)星(HTS)實(shí)踐13號(hào)發(fā)射升空。該衛(wèi)星采用了Ka頻段，通信總?cè)萘砍^(guò)20 Gbps，標(biāo)志我國(guó)衛(wèi)星通信進(jìn)入高通量時(shí)代，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的空白。

2020年7月9日20點(diǎn)11分，我國(guó)目前通信容量最大、波束最多、輸出功率最大、設(shè)計(jì)程度最復(fù)雜的民商用通信衛(wèi)星亞太6D衛(wèi)星成功發(fā)射。該衛(wèi)星是我國(guó)首個(gè)Ku頻段“高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)”的首發(fā)星，通信總?cè)萘砍^(guò)50 Gbps，標(biāo)志著我國(guó)高通量通信衛(wèi)星研制能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，更大容量以及更高靈活性成為了HTS系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)，新一代的HTS系統(tǒng)即將進(jìn)入到“Tbps”時(shí)代。本文針對(duì)新一代HTS系統(tǒng)的發(fā)展，從衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)角度開(kāi)展研究工作[1]。

1 HTS系統(tǒng)概述

典型HTS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，采用星型組網(wǎng)雙跳通信模式，主要包括從信關(guān)站到用戶(hù)端的前向鏈路以及由用戶(hù)端到信關(guān)站的返向鏈路。

前向鏈路由兩部分組成，分別是信關(guān)站到衛(wèi)星的饋電上行鏈路以及由衛(wèi)星到用戶(hù)端的用戶(hù)下行鏈路。返向鏈路由兩部分組成，分別是用戶(hù)端到衛(wèi)星的用戶(hù)上行鏈路以及衛(wèi)星到信關(guān)站的饋電下行鏈路。信關(guān)站以簇為單位實(shí)現(xiàn)波束簇內(nèi)通信。

圖1 HTS系統(tǒng)典型架構(gòu)示意圖

從功能上劃分，HTS系統(tǒng)主要由空間段、地面段以及用戶(hù)段組成。

空間段主要是指承載HTS載荷的大容量通信衛(wèi)星，包括GEO衛(wèi)星以及MEO和LEO等各種軌道的衛(wèi)星資源。

地面段主要包括運(yùn)營(yíng)中心和信關(guān)站。運(yùn)營(yíng)中心是地面系統(tǒng)管理、控制、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)交換的核心，具有業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)支撐功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能、數(shù)據(jù)中心功能、與地面Internet 網(wǎng)以及3/4G等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的交換路由功能。信關(guān)站為所在饋電波束對(duì)應(yīng)的用戶(hù)波束提供接入服務(wù)，完成饋電鏈路信號(hào)收發(fā)、基帶處理和與運(yùn)營(yíng)中心的數(shù)據(jù)交換。

用戶(hù)段為固定、車(chē)載、船載以及機(jī)載等各類(lèi)應(yīng)用終端。

高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的空間段衛(wèi)星資源、地面段網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)采用天地一體化設(shè)計(jì)，用戶(hù)無(wú)需建設(shè)主站，僅需購(gòu)買(mǎi)終端站就可使用寬帶衛(wèi)星服務(wù)，終端站通過(guò)衛(wèi)星的用戶(hù)波束接入所屬信關(guān)站，為用戶(hù)節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資。系統(tǒng)除支持固定終端外，還支持機(jī)載、車(chē)載和船載等移動(dòng)終端的動(dòng)中通應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)跨波束自動(dòng)無(wú)縫切換。天地一體化的通信平臺(tái)直接面向用戶(hù)，提供數(shù)據(jù)、視頻、語(yǔ)音等服務(wù)，可支持多種應(yīng)用[2]。

2 HTS系統(tǒng)發(fā)展歷程

結(jié)合業(yè)內(nèi)相關(guān)研究成果，按照能力和發(fā)展時(shí)期，HTS衛(wèi)星的發(fā)展歷程大致可劃分為四代。

第一代HTS衛(wèi)星采用寬波束，系統(tǒng)吞吐量在1～3 Gbit/s之間，以IPSTAR衛(wèi)星和Anik-F2衛(wèi)星為代表，數(shù)據(jù)下載速率低于256 kbit/s，只能滿(mǎn)足基本的應(yīng)用需求，例如文件共享、網(wǎng)頁(yè)瀏覽以及電子郵件。

第二代HTS衛(wèi)星開(kāi)始使用寬點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)，吞吐量在5～10 Gbit/s，主要出現(xiàn)在2006—2007年前后，以WildBlue-1衛(wèi)星和Spaceway-3衛(wèi)星為代表，主要使用Ka頻段，數(shù)據(jù)下載速率達(dá)到256 kbit/s～5 Mbit/s，能夠滿(mǎn)足類(lèi)似VoIP、短視頻和音頻流媒體等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

第三代HTS衛(wèi)星大量使用窄點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)(小于100個(gè))，吞吐量在100 Gbit/s左右，主要出現(xiàn)在2010年以后，以KA-SAT衛(wèi)星和ViaSat-1衛(wèi)星為代表，主要使用Ka頻段，數(shù)據(jù)下載速率達(dá)到12～50 Mbit/s，能夠滿(mǎn)足高速網(wǎng)頁(yè)瀏覽、高清電影和VoIP電話(huà)等應(yīng)用。

第四代HTS衛(wèi)星采用更窄的點(diǎn)波束，吞吐量超過(guò)300 Gbit/s，最高可達(dá)1 Tbit/s，目前大部分處于在研狀態(tài)，以ViaSat-2衛(wèi)星和ViaSat-3衛(wèi)星為代表。此外，新一代的HTS衛(wèi)星也逐漸開(kāi)始向更高靈活性的方向發(fā)展，從系統(tǒng)的角度高效地滿(mǎn)足有效的、局部的、特定的需求，除滿(mǎn)足數(shù)據(jù)速率更高的衛(wèi)星寬帶接入業(yè)務(wù)以外，還支持更廣區(qū)域范圍內(nèi)的海事和航空移動(dòng)業(yè)務(wù)。

另外，隨著低軌星座通信技術(shù)的發(fā)展，以中軌以及低軌系統(tǒng)構(gòu)建的HTS系統(tǒng)也成為了國(guó)際研究及系統(tǒng)建設(shè)的熱點(diǎn)[3-4]，圖2為HTS系統(tǒng)發(fā)展歷程示意圖。

圖2 HTS系統(tǒng)發(fā)展歷程示意圖

3 新一代HTS載荷關(guān)鍵技術(shù)研究

新一代高吞吐量衛(wèi)星(HTS)衛(wèi)星載荷主要特點(diǎn)是使用了更高頻的通信頻率且采用更加密集的多波束結(jié)構(gòu)，單個(gè)波束覆蓋范圍越來(lái)越小，單星的波束個(gè)數(shù)越來(lái)越多，通過(guò)重復(fù)使用有限的頻率資源獲得單星下更大的系統(tǒng)通信容量，另外，結(jié)合通信業(yè)務(wù)的靈活變化及經(jīng)濟(jì)綜合性考慮采用了更加靈活的載荷技術(shù)。新一代HTS載荷相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)主要包括超大規(guī)模高性能多波束天線(xiàn)技術(shù)、跳波束通信技術(shù)、靈活載荷技術(shù)、數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)、波束預(yù)編碼技術(shù)以及基于微波光子的星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)等，下面將詳細(xì)介紹。

3.1 超大規(guī)模高性能多波束天線(xiàn)技術(shù)

高通量衛(wèi)星能夠大幅提升系統(tǒng)的通信容量，而高增益多點(diǎn)波束天線(xiàn)是高通量衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量的核心[5]。天線(xiàn)波束的增加是提高HTS系統(tǒng)容量最有效的方法之一，下一代HTS系統(tǒng)對(duì)波束寬度的需求進(jìn)一步縮小，由0.8°向0.5°甚至0.2°發(fā)展，圖3給出了ViaSat-3衛(wèi)星的密集波束覆蓋示意圖。

目前星載Ka頻段多波束一般采用反射面+饋源陣列形式。由于使用了反射面，因此能夠用較小的陣列饋源實(shí)現(xiàn)高增益多波束的要求，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。多口徑、多饋源、多波束天線(xiàn)是超大容量衛(wèi)星發(fā)展的主要載荷技術(shù)，多個(gè)饋源產(chǎn)生一個(gè)波束，波束總體覆蓋特性以及鄰近波束間的隔離指標(biāo)都能進(jìn)行較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，另外針對(duì)窄波束的高精度校準(zhǔn)技術(shù)也是超大規(guī)模高性能多波束天線(xiàn)技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。

圖3 ViaSat-3衛(wèi)星全球波束覆蓋示意圖[6]

3.2 面向HTS系統(tǒng)的跳波束通信技術(shù)

傳統(tǒng)的HTS通信系統(tǒng)中，各個(gè)波束的頻譜帶寬、覆蓋區(qū)域、射頻功率等參數(shù)一般為固定設(shè)計(jì)值。但是，由于各波束覆蓋區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)需求并不相同，且具有明顯的時(shí)變特性，這種固定的載荷設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致衛(wèi)星資源分配靈活性受限，從而造成衛(wèi)星實(shí)際使用性能下降。跳波束系統(tǒng)可以根據(jù)衛(wèi)星不同區(qū)域的不同業(yè)務(wù)需求量，合理分配波束資源，當(dāng)某一區(qū)域業(yè)務(wù)量大時(shí)可以增加時(shí)隙個(gè)數(shù)，當(dāng)業(yè)務(wù)量變小后又可以相應(yīng)減少該區(qū)域的時(shí)隙個(gè)數(shù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的資源使用效率，圖4為HTS系統(tǒng)跳波束原理及轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖。

(a) HTS系統(tǒng)跳波束原理圖

(b) HTS系統(tǒng)跳波束轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖

HTS系統(tǒng)跳波束是一種特殊的載荷設(shè)計(jì)方式。星載天線(xiàn)是全覆蓋的多波束天線(xiàn)，但轉(zhuǎn)發(fā)器資源在多個(gè)波束之間分時(shí)共用，本質(zhì)上是信號(hào)在不同波束之間跳變，但從用戶(hù)使用上看是一個(gè)跳波束系統(tǒng)。

HTS系統(tǒng)采用跳波束技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)如下：

1)提高了系統(tǒng)容量：?jiǎn)蝹€(gè)波束使用的帶寬提高，不需要四色復(fù)用。天線(xiàn)C/I得到了提高，相鄰波束影響降低，有利于使用頻譜效率更高的編碼調(diào)制方式；

2)提高了業(yè)務(wù)調(diào)配的靈活性：通過(guò)高效的資源管理使得信號(hào)在不同波束的駐留時(shí)間動(dòng)態(tài)分配，可以有效解決不同波束區(qū)域之間以及同一波束不同時(shí)間段的業(yè)務(wù)需求，從時(shí)間及空間維度優(yōu)化系統(tǒng)容量分配。

3.3 數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)處理技術(shù)

多波束通信衛(wèi)星主要采用彎管式有效載荷(透明轉(zhuǎn)發(fā))轉(zhuǎn)發(fā)器。在彎管式有效載荷中，衛(wèi)星不對(duì)用戶(hù)信號(hào)進(jìn)行再生處理，信號(hào)體制與轉(zhuǎn)發(fā)器無(wú)關(guān)，使用靈活；多波束衛(wèi)星一般采用微波開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)不同波束間信號(hào)的交鏈，在一定程度上提高了系統(tǒng)的連通性。然而，由于星上微波交換矩陣都是硬連接，其路由選擇方式是固定的，無(wú)法適應(yīng)業(yè)務(wù)量的變化及多波束間靈活組網(wǎng)[7]。

采用數(shù)字透明處理器(digital transparent processor，DTP)，提高了波束間交鏈的靈活性，從單一支持星狀網(wǎng)(以饋電站為中心，兩跳)，變成支持星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)(終端到終端直接通信，一跳)結(jié)合的系統(tǒng)，衛(wèi)星變成網(wǎng)絡(luò)交換的節(jié)點(diǎn)，降低對(duì)關(guān)口站的要求，支持點(diǎn)到點(diǎn)、廣播、組播等模式；另外，數(shù)字透明處理器可使得衛(wèi)星載荷的頻率，功率資源“池化”，資源利用率提高，資源靈活使用，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)模式的“靈活定制”。

圖5 數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

數(shù)字透明處理技術(shù)的主要發(fā)展方向是多端口、寬帶以及大容量處理。Intelsat后續(xù)規(guī)劃的新一代 HTS衛(wèi)星配置了全數(shù)字透明處理載荷(DTP)，帶寬和功率可靈活調(diào)配，容量達(dá)到70 Gbps。

3.4 基于微波光子的星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

微波光子技術(shù)是微波技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微波和光波之間的轉(zhuǎn)換。采用微波光子通信方式，既具備激光通信的寬帶寬技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又具有微波通信的寬覆蓋特性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合微波光子技術(shù)獨(dú)有的微波頻段的光域搬移及微波/光波混合方式，使得微波光子通信在帶寬、信息處理能力、工程實(shí)現(xiàn)難度、系統(tǒng)復(fù)雜度、電磁兼容性、體積、重量、功耗等方面都具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

圖6 采用微波光子技術(shù)的HTS衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器簡(jiǎn)化框圖[8]

微波光子交叉互聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)集成了光學(xué)微波本振信號(hào)產(chǎn)生與饋送、光域微波信號(hào)變頻、光交換等多項(xiàng)技術(shù)，在光域?qū)崿F(xiàn)了多路微波信號(hào)的處理與轉(zhuǎn)發(fā)。在該系統(tǒng)中，每個(gè)來(lái)自于上行鏈路天線(xiàn)波束的微波電信號(hào)都通過(guò)電光混頻器轉(zhuǎn)換到光載波上，與輸入光本振信號(hào)通過(guò)電光混頻器進(jìn)行電光混頻，下變頻后輸出中頻(IF)信號(hào)。在光域，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后進(jìn)入到由路由分配器和開(kāi)關(guān)組成的光交叉連接矩陣中。光-微波接收機(jī)將該光交叉連接矩陣輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻的電信號(hào)，以便后續(xù)電路能夠用傳統(tǒng)的微波技術(shù)進(jìn)行RF通道濾波。與微波轉(zhuǎn)發(fā)器相比，該類(lèi)型轉(zhuǎn)發(fā)器在保證系統(tǒng)功能和規(guī)模的前提下，可大大節(jié)省衛(wèi)星載荷的質(zhì)量，提高系統(tǒng)聯(lián)通性。相對(duì)射頻通道微波透明轉(zhuǎn)發(fā)而言，集成微波光子技術(shù)具有小尺寸、大寬帶、可調(diào)諧和低功耗等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)高通量衛(wèi)星載荷技術(shù)中極具應(yīng)用前景[9]。

3.5 靈活載荷技術(shù)

采用傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器的通信衛(wèi)星在入軌以后，其技術(shù)狀態(tài)基本上就是固定的，難以針對(duì)市場(chǎng)變化及時(shí)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此，產(chǎn)業(yè)界萌發(fā)了“靈活衛(wèi)星”的概念，即衛(wèi)星在軌服役期間，可以針對(duì)商業(yè)模式或市場(chǎng)需求變化動(dòng)態(tài)調(diào)整星上資源，持續(xù)提供衛(wèi)星通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的靈活性[10]。

目前，國(guó)際上對(duì)靈活有效載荷(flexible payload)的內(nèi)涵和概念尚未統(tǒng)一，有的學(xué)者稱(chēng)其為可重構(gòu)式載荷(reconfigurable payload)，前者主要從應(yīng)用的角度強(qiáng)調(diào)載荷服務(wù)能力上的靈活使用效果，后者則主要從載荷設(shè)備的角度強(qiáng)調(diào)在同一個(gè)物理實(shí)體上實(shí)現(xiàn)多種通信模式、通信體制的兼容性設(shè)計(jì)及在軌功能升級(jí)和更新。靈活有效載荷主要可以分為三種，分別是波束覆蓋的靈活性、頻譜在軌變換的靈活性以及功率動(dòng)態(tài)調(diào)配的靈活性等方面[11]。

1)靈活的波束覆蓋

在波束覆蓋方面，主要通過(guò)相控陣天線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)的靈活動(dòng)態(tài)變化。歐洲新一代Quantum衛(wèi)星具備靈活通信能力，其波束具備方位及形狀的高度靈活性，同時(shí)支持快速的波束跳變能力。另外，Quantum衛(wèi)星天線(xiàn)載荷利用其強(qiáng)大的波束賦形能力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的檢測(cè)及空域抑制作用。

圖7 歐洲量子衛(wèi)星波束靈活變化示意圖[12]

2)靈活的頻率使用

頻譜資源是通信衛(wèi)星系統(tǒng)中非常重要的資源之一，提高其使用效率及使用靈活性成為了國(guó)際通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。頻譜資源的調(diào)度主要包括跨星調(diào)度、跨波束調(diào)度以及同一波束內(nèi)調(diào)度，具體調(diào)度方式包括整段調(diào)度、子帶調(diào)度以及離散頻點(diǎn)調(diào)度。

目前頻率靈活可變主要采用數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進(jìn)行整個(gè)載荷的頻率鉸鏈關(guān)系的動(dòng)態(tài)管理和規(guī)劃。例如歐洲的新一代靈活衛(wèi)星Quantum衛(wèi)星采用了數(shù)字透明處理機(jī)制，具備端口帶寬、中心頻率以及子帶帶寬等靈活調(diào)度能力，這是其他衛(wèi)星所不具備的。

3)靈活的功率調(diào)整

載荷功率配置是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)之一，該參數(shù)決定衛(wèi)星鏈路能力，直接影響用戶(hù)端的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

多通道放大技術(shù)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功率調(diào)整的主要關(guān)鍵技術(shù)之一，其優(yōu)點(diǎn)是使用的行波管放大器具有高靈活性、低功耗和低飽和功率的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源調(diào)配。另外，星上功率可調(diào)放大器也是實(shí)現(xiàn)功率動(dòng)態(tài)變化主要方式之一。例如英國(guó)的高適應(yīng)性衛(wèi)星Hylas-1衛(wèi)星采用了多種先進(jìn)的載荷技術(shù)，包括由德國(guó)Tesat-Spacecom公司研制的在軌可調(diào)微波功率模塊[13]。

3.6 波束預(yù)編碼技術(shù)

HTS衛(wèi)星通信系統(tǒng)典型的特征是采用多波束技術(shù)實(shí)現(xiàn)覆蓋，國(guó)際上的研究表明，為了進(jìn)一步提升HTS系統(tǒng)的容量，需要采用頻率復(fù)用技術(shù)來(lái)不斷提高系統(tǒng)頻帶利用率。類(lèi)似地面蜂窩無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，采用全頻率復(fù)用方案能夠獲得最大的頻帶利用率，但同時(shí)使得系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾也最嚴(yán)重。采用地面MIMO的傳輸思想，HTS系統(tǒng)中的多波束和多用戶(hù)構(gòu)成的系統(tǒng)與可以看作分布式MIMO系統(tǒng)[14]。

目前關(guān)于HTS衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用MIMO技術(shù)的研究主要集中在前向鏈路MIMO技術(shù)中，其中新一代DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)給出了針對(duì)波束預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)框架，如圖8所示[15]。

圖8 HTS系統(tǒng)前向鏈路預(yù)編碼處理流程圖[16]

4 結(jié)論

高通量衛(wèi)星已成為國(guó)際民商用衛(wèi)星通信領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，向著大容量、密集波束、高頻段以及靈活使用等方向發(fā)展。本文在回顧HTS發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，對(duì)新一代HTS系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵載荷技術(shù)進(jìn)行了梳理及總結(jié)，重點(diǎn)聚焦在高軌GEO衛(wèi)星載荷技術(shù)上。但隨著中低軌高通量系統(tǒng)的發(fā)展，其在一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及載荷技術(shù)上呈現(xiàn)新的特征。