卫星地面系统体系结构的转型

Stuart Daughtridge/文，沈永言/译

卫星地面系统体系结构的转型

Stuart Daughtridge/文，沈永言/译

过去五十年来，卫星地面系统体系结构相对变化不大：由于传输技术的限制，天线和信号处理一直形影不离，地面系统依赖特殊硬件、专用接口和模拟处理是常态。然而，近些年来，传统卫星地面系统已经受到了行业发展趋势的挑战，被迫作出变化，以保持竞争力。这些趋势包括“IP承载一切（Everything over IP）”和虚拟化、HTS以及它对带宽容量和定价的影响、技术进步和产业融合。

1 IP和虚拟化

虚拟化是包括卫星在内的所有行业的一个总体趋势。地面体系结构的虚拟化以及硬件产品向固件和软件应用的转变，使得地面基础设施结构变得简单和经济有效，业务提供更加动态。随着转型的发生，地面运营商也从更好的系统互操作性、更可扩展的运营能力中收益。这些能力具体表现在需求满足、本地灵活性、成本控制和性能提升等方面。

技术在虚拟化过程中举足轻重，其真正的价值是能力或其支撑的服务。例如，Kratos推出了一套名为SpectralNet的数字中频产品，它通过在IP网络上传输数字射频信号，从而摆脱了射频传输的距离限制。在这个过程中，频率和定时信息得以保存，射频信号在远端被完整恢复，如图1所示。

图1 SpectralNet系统工作原理

SpectralNet的功能为地面站系统打开了新的局面，它的技术价值展现在体系结构和应用方面。例如，遇到雨天等妨碍Ka/Ku波段卫星通信的场合，运营商可用别的方式在高频段卫星提供有保证的服务。对于站点众多、信号重复处理并不经济可行，而需要依赖一个大型、昂贵天线和放大器的情况，运营商可以使用两套小巧、低廉的地理分散天线，将数字射频信号传送中心来处理。数字中频基地多样化系统还有另外一个好处，就是站点之间切换迅速，不会造成客户业务数据丢失。

另外一个案例就是借助现有网络设施将中心站的服务扩展到新地方。如果只是提供新的、临时性或季节性的网络服务来满足经常变化的用户需求，那么，利用VSAT技术扩展卫星网络可能就昂贵、难行。有了SpectralNet数字中频这类功能，用户就可以利用他们现有的信号处理设备（如中心站、TT&C调制器、加解密设备等），只要能够连接IP网络，它们就能就地提供这些新的服务。这个功能为地面段体系结构带来显著的提升，如降低了投资和运营成本，使扩大服务区域以及在新的地方提供临时性或季节性服务变得经济可行。当新的地方业务机会开始增长时，运营商可以转到一个永久性的中心，重新利用他们的SpectralNet系统，来将他们的业务扩展到其他有业务潜力的地方。所有这些事情只需在现有中心设置适当的线卡，两个SpectralNet单元和一条IP网络链路。

有了SpectralNet之类系统，如今卫星以及相关射频通信网络就可以跟上电信等行业的发展节奏，后者已经通过中心化处理和虚拟硬资产来虚拟化它们的基础设施。

2 高通量卫星

根据Euroconsult的研究，未来十年，全球将有100以上的HTS载荷和卫星要发射。在未来3～5年或许更短时间里，卫星产业的方方面面都要发生变化。HTS极大地增加了系统容量，其容量价格也会开始急剧下降。较低的带宽成本将促成新业务，扩大新应用。运营商销售、开展和管理这些信息业务的方式也将同样改变，如图2所示。

图2 点波束HTS的独特业务监测方式和传感器管理挑战

卫星产业将有能力进入新的市场和服务领域，而不是像以前那样由于经济原因被排除在外。许多新市场将要求地面技术更加能动和灵活，这样就要求解决方案更加软件化而非硬件化，以支持新的应用，移动市场就是一个生动的案例。十年前，对于卫星通信来讲，除了Inmarsat老的L波段和一些非常细分的专业领域，移动市场基本是不存在的。十年来，天线、放大器方面的技术进步，以及互联网的增长和联网需求，为卫星产业创造了一个重要的、激动人心的新市场。

3 HTS信号检测和干扰

HTS的独特挑战与生俱来。例如，今天针对少数波束的信号检测方式不可能经济有效扩展到具有70个以上波束的HTS之中。HTS对干扰的影响已通过多种形态显现，其中之一便是小HTS波束难以拥塞整合网络，这导致了故意干扰的减少。这对于军队和一些广播用户来讲是值得称赞的事情，其原因是绝大多数的干扰都是不经意发生的。但是，HTS高功率波束如此之多，卫星如此之近，它们指向大量带有小型、低成本天线和高灵敏度接收机的VSAT，需要实时改变波束的移动应用日渐增长，所有这些都会通过系统误配置、天线误安装以及设备失效等方式增加干扰的可能性。

这些因素推动了传感器系统的发展，其结果是部署和操作成本大幅降低。Kratos公司利用其Monics数载波监测系统技术开发出Monics200。由于针对点波束监测来设计，Monics 200为运营商提供了经济的、用途广泛的基于信号处理器的射频传感器。它可以自动地判断调制类型、符号率、Eb/No值，查明和分析干扰信号。Monics传感器花样多、功能强、价格低，因为它们是专门面向HTS点波束监测这个特定需求设计的，如图3所示。

图3 Monics 200的应用场景

此外，监测系统正在被升级，以向运营商提供各种管理来自不同传感器的数据以及传感器本身的方法。先进的虚拟化和管理工具正在被用来向运营商提供快速识别、描述、校正问题的所需信息。一旦这些问题发生，运行团队可以在无需增加人力的情况下，管理相当大的带宽，进行灵活的操作。Kratos已经将Monics产品线扩展到Monics Enterprise，以提供先进的虚拟化、数据管理和传感器管理等功能，如图4所示。

图4 Monics系统人机界面

4 HTS和VSAT技术

数据应用的带宽需求变化较大，而在数据应用支持方面，VSAT TDMA网络已经取得令人瞩目的成就，它可以高效地利用带宽。HTS只是加速了这一发展趋势。随着网络使用量的增加、终端硬件和部署成本的持续下降，可以肯定地说，VSAT终端产生的干扰已经大约占到所有偶然卫星干扰量的40%。业界的普遍担忧是，相对典型的偶然干扰事件，VSAT网络产生的干扰很难识别和控制。因为VSAT可能拥有上千个终端，识别一个或多个干扰源可以说相当劳神。幸运的是，市场中已经出现这样的技术来快速和有效地发现和控制VSAT干扰。SatGuard就是这样一款产品，它可以通过提取终端ID号来识别引起临星干扰的终端。一家主导卫星运营商报告说，SatGuard产品允许他们在不到10分钟时间里，解决了持续2年以上的干扰事件。这个技术同样可以用来识别和解决GSM产生的干扰，其速度和准确性超过市场中的其他方法。

5 赢得的竞争优势

这些年来，我们已经目击了随着HTS带宽容量的增加，带宽价格在持续下降。这样一来，市场变得更加具有竞争性，而运营商则需要培育用户基础，维护当期收入水平，发展业务。

通过技术提高运营效率以增强在目标市场的竞争优势才具有可持续性。电信/卫星服务提供商将需要提升他们的网络效率，而不只是关注带宽使用。因为带宽成本减少了，其他成本将显得更为重要，运营效率而不是网络设施的使用更为关键。这包括网络运营商发现转售、卖空他们网络的方式，如同多年来地面网络运营商所做的那样，在运营过程中不断追求效率。相对于过去，在未来，运营成本将是更关键的制胜因素。比如，在过去，带宽在总系统生命周期成本占80%很寻常。当这个比例下降到50%、40%，甚至20%的时候，其他成本（如网络运营成本），将会在总系统生命周期成本中从10%增加到50%，甚至更多。

6 融合

相对技术来讲，客户更加关注连接。这意味着服务提供商需要能够提供包含卫星和地面网络的解决方案，以最好的连接来满足客户需求。技术融合正在推动客户工程能力的实际演进，其中包括从射频到中频的转变，以及卫星与地面混合网络的兴起。

行业竞争程度的日益增强、运行成本对总网络成本的巨大影响，以及电信技术的相互融合，正在呼唤一种新的网络管理方式。Kratos NeuralStar SQM就是这类产品，它将网络管理带入端到端服务质量管理解决方案的阶段，其方式是将电信港设备管理和真正的企业级网络管理、射频信号管理与结合在一起，以将服务管理贯穿到整个网络。端到端服务管理加快了相应时间，整合了运营过程，让客户影响条件变得清晰可见，最终达到最大化收入、降低成本的目的。它给予运营商优化收入和利润的信息与工具，其基础是网络性能和客户服务水平约定（SLA）。NeuralStar SQM的无缝集成和有效管理天地网络的能力对未来发展至关重要。

7 结束语

引起卫星产业变革的是HTS，让卫星服务提供商克敌制胜的却是地面系统，带宽价格的下降将为行业打开新的市场空间。但是，只有采用新的地面系统技术，卫星产业才能成功进入这些新市场，并充分释放HTS的潜能。随着星上载荷的更加灵活化、软件化，地面系统需要更强大、更智能，以充分利用星上的这些灵活性和各种功能。

这是一个令人激动的卫星通信时代，我们正处于由多种技术和市场因素共同驱动的产业拐点上，它预示着未来几年将是自人类开始太空竞赛以来最为精彩的一段时间。

（注：本文译自《APSCC》2017年NEWSLETTER第1期中的“The Transformation of Satellite Ground System Architecture”一文，作者为Kratos-Integral Systems公司副总裁Stuart Daughtridge。）

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.013

TP927文献标示码：C

1672-7274（2017）03-0047-03