欧洲GEO卫星星簇宽带通信系统——SkyLANkyLAN

解放军理工大学通信工程学院 苟 亮

总参信息化部驻7144厂军代室 左 鹏

中国空间技术研究院西安分院 蒋丽凤

一、引言

卫星星簇是一个老的概念，在上世纪70年代末期和80年代初期，它引起了空间产业界的很大的关注。在那个时期，空间产业界担心随着空间通信能力需求的逐步增加，GEO轨道将达到饱和；重要的轨道位置变得越来越拥挤，协作问题也越来越尖锐。为应对这种情况，主要考虑两种技术：一是大GEO空间平台；二是使用卫星星簇系统。在那个时候，由于发射工具的限制，大平台设计遇到多次发射和在轨组装等难以解决的困难。而由“常规尺寸”卫星组成，通过微波或光星际链路实现互连互通的卫星星簇最优选择。星簇的概念消除了大平台的缺点，允许空间段的模块化增长，以满足需求的发展变化。此外，它还减少了系统所需的初始投资。

然而，随着发射工具能力的逐步提高，建造和发射非常大的平台成为可能，人们对卫星星簇的兴趣逐渐消退。最近，战略卫星轨道位置的紧缺和最大程度利用可用频谱的必要性，使放置多颗卫星在相同的轨道上的想法又开始引起重视，通过星际链路ISL连接的、互相合作的星簇概念，重新成为关注的焦点。

二、SkyLAN概念

SkyLAN系统实际上就是一个由多颗GEO卫星组成的空间网络。它以标准化的星间通信接口为基础，将通常由单颗通信卫星实现的功能分布到多颗不同的、更小的、处于同一轨道的卫星上。因此，SkyLAN是一个通过ISL交换信息，执行综合、集成功能的卫星星簇。SkyLAN概念的实现需要两个基本条件：

⊙ 簇：它将一个大卫星的功能分离或分布到由多颗小卫星组成的星簇中；

⊙ ISL：星簇中的卫星通过ISL互连来执行综合任务。

图1 SkyLAN概念图解

意大利的阿尔卡特宇航公司（Alcatel Space）、西班牙的GMV公司、瑞士的康特拉弗斯公司、卢森堡的SESAstra公司和加拿大的Telesat公司聚集了许多著名的航天业务和航天工程方面的专家，对SkyLAN进行了研究。研究的目标就是为三种不同任务评估SkyLAN 概念在技术和财政上可行性，这三种任务是：移动卫星服务（MSS）任务，固定卫星服务FSS（FSS）任务和广播卫星服务（BSS）任务。选择这三种任务进行研究是因为它们均需要庞大的轨道资源，而现有的平台并不能满足其巨大的需求。

MSS任务为全欧洲提供S波段的S-DMB（卫星数字多媒体广播系统）服务，它是为实现广播和多播服务而在3G移动网络基础上增加的系统。欧洲上空极高功率的卫星，能让移动网络操作者通过前向链路给移动用户手持终端传输丰富的多媒体信息。卫星广播覆盖范围大的特点和它本身所具有的广播特性，使其对这种S-DMB服务具有很强的适应能力和很高的性价比。但是，S-DMB系统卫星天线口径和功率消耗都很大，功耗超过14kW，这么大的系统在现有平台上很难实现。

FSS任务系统在全欧洲提供Ka波段多媒体宽带业务服务。从带宽和电路数量上来说，只有大容量卫星能达到高性价比的要求，以保证卫星系统从经济上来说是可行的。该系统的宽带有效载荷具有复杂的多波束天线，数百个接收、路由和发送通道，另外，为了再生和转发数字信号，还需要很大的、功能很强的星上处理器。因此，也只有很重的高功率卫星能实现这些功能。

BSS任务在全欧洲提供Ku波段的语音电视广播服务。尽管现在对卫星电视广播服务的需求不大，但随着小广播公司直接接入卫星需求的增加和特定地区的语音广播服务需求通常是基于语音和文化的特性，这种情况有望在几年内改变。而且，未来卫星都希望占据热点轨道位置，如19.2°E或13°E，并使用分配的所有Ku波段频谱，以接入大量的用户，也只有大的高功率卫星能提供这种服务。

在以上三种情况下，大卫星面临技术可行性的限制，接下来自然就考虑到基于SkyLAN概念的卫星星簇了。卫星星簇显然是一种更加灵活的方法，到目前为止，ESA已经对数个功能分布原理和在数个小卫星上进行资源分配方法进行了评估。评估结果显示，对于FSS任务，最好的方式是各卫星具有相同的覆盖范围和容量，ISL保证每颗卫星覆盖范围的全球连接。对于BSS任务，卫星星簇的形成需要两个步骤，第一是分离星上处理功能并将其放在一颗专用卫星上，第二步将覆盖范围和容量分布到各弯管式卫星上。ISL将处理卫星和各弯管式卫星连接起来并扩展各弯管式卫星覆盖区域。SkyLAN概念对MSS任务的吸引力很小，ISL不会给MSS任务系统带来任何好处，这种任务的星簇需要的是小卫星之间的协同定位，而不星间连接。因此，该任务不适合SkyLAN概念，所以不予考虑。

卫星之间的通信链路具有多种拓扑：星型、网状、环形和总线型。双环结构是FSS星簇的最好选择。在双环拓扑中，ISL是双向的，数据流能在正反两个方向上传输。这种拓扑的主要优势是对故障具有更好的健壮性。星簇内所有卫星配置相同，具有相同的软硬件。双环拓扑相对网状和星型拓扑，ISL的数量减少了，在路由上具有更高的灵活性，并且不需要中断服务就可以添加新的卫星到星簇中。其缺点是，需要很大的ISL载荷，且在每颗交叉卫星（crossed satellite）中需要本地路由，以使数据流能在环中循环流动。具有处理卫星（hub卫星）的星型拓扑更适合于BSS任务。星型拓扑的选择是由处理卫星的中心角色所决定的，其主要缺点是在hub卫星中，ISL终端数目巨大。

整个星簇的轨道布置受备用卫星和SkyLAN定义的影响。在相同轨道窗口通过偏心率和倾角分离实现的协同定位被证明对ISL的操作是不利的。在白天，卫星彼此不断旋转，为了保持连续地ISL连接，要求在每颗卫星上布置数个ISL终端，并需要扩展扫描能力和进行复杂的切换。ESA已经评估了轨道布置和位置保持的数个场景，但是没有一个对SkyLAN概念提出挑战和质疑。

三、针对FSS任务的SkyLAN系统

FSS任务是一个遍布欧洲（从爱尔兰到乌克兰）的、面向消费者和商业市场的宽带多媒体任务。弯管式转发器在用户终端和网关之间提供服务（Internet接入），再生转发器用于实现P2P通信（终端到终端的对等通信）。通信信号遵从欧洲的DVB-S和DVB-RCS标准。

图2 四色频率复用的用户覆盖

该任务对欧洲的覆盖由64个相邻的用户单元和5个不相交的网管单元组成，频率使用四色复用方案。

用户终端以单极化方式工作，双极化方式分配给网关。系统在两个方向上提供256个带宽为56.25MHz的转发器：从网关站到用户终端的前向链路和从用户终端到网关的反向链路。这256个转发器中的32个用于传输点对点流量。整个系统的可用带宽达到14.4GHz。

该任务需要一个非常大的有效载荷：120个行波管放大器（TWTA）和8副直径为1.6m的天线。有效载荷的质量和功率预算分别达到1.3吨和12kW。如此大的有效载荷的安装需要一个庞大的平台，而现有大平台的生产能力是非常有限的。

针对FSS任务的SkyLAN由4颗卫星组成，每颗卫星处理1/4的覆盖范围、16个用户单元和2个网关单元，使用1/4的分配带宽，也就是125MHz（叫作色）和64个转发器。网关通过Internet骨干网连接，并在终端和网关之间提供全连通性。在每颗卫星处理的从用户终端之间的网状信息流达到总的信息流的25%。这种网状流需要ISL为整个欧洲覆盖范围内的终端提供全连通服务。使用双环拓扑的星间通信带来了灵活性和健壮性。由于光ISL技术相对容易，因此被选择用来提供高速数字连接，以及用来与数字星上处理器OBP（On Board Processing）连接。当然，EHF频段的微波技术也可以使用。

图3 FSS SkyLAN结构

因此，这样分离后载荷就变得相对简单：28个TWTA，2副1.6m直径的天线和2个ISL终端。质量和功率预算分别为380kg和3.2kW，并可以安装在小型平台（如阿尔卡特宇航公司的SPACEBUS3000-b1）上。整颗卫星的发射质量约为2.8吨。

如果从经济上考虑，多颗相同的以双环结构连接的星簇对FSS任务也很有吸引力。从覆盖和频率分配上来说，对设计稍微进行改动，就可能建造一个能够完成其自身任务也能完成另一颗卫星任务的卫星。以这种方式，可以建造一个由6颗卫星构成的星簇，包括4颗活动卫星，1颗在轨备份卫星和1颗在地面储存的卫星。这种构造比1颗大卫星加上其在轨备份具有更好的可靠性和灵活性。相同的卫星在生产和操作上也具有更好的经济性。但是，在星簇情况下发射的整个系统的质量（2.8吨的6倍）肯定比2颗大卫星质量（6.4吨的2倍）要大30%。星簇的优点是提高了灵活性和对市场发展的适应性，减小了初始投资，分散和减小了投资风险。

四、针对BSS任务的SkyLAN系统

BSS任务是一个面向整个欧洲消费者、工作在Ku波段的广播任务。弯管式转发器从广播站为用户终端提供直接的视频广播服务，再生转发器为从各种小型的、分散的广播站发来的上行信号提供视频多路复用。TV信号符合欧洲DVB-S标准。用户终端和发送站以双极化方式工作。

系统基于欧洲的语言区域划分进行覆盖。泛欧洲覆盖由10个Ku频段的“语言”波束和5个只接收Ka频段单元的邻近波束组成。

图4 三色频率复用的用户覆盖

各“语言”波束大致覆盖各不同的语言区域：伊比利亚半岛、德国、土耳其、法国、巴尔干半岛、斯堪的纳维亚半岛、意大利、东俄（East Russia）和西俄（East Russia）。频率采用三色复用方案，如图4所示。

系统提供134个带宽为33MHz的Ku波段转发器和5个带宽为72MHz的Ka波段转发器，其中多达25个转发器的信号能够进行星上处理，5个为Ka波段转发器信号，剩下的为134个之中的20个Ku波段转发器信号。星上处理为MPEG-2柔性多路复用。整个系统的可用带宽为4.78GHz，能容纳超过800路的数字电视信道。

该任务需要一个非常复杂的有效载荷：160个TWTA和4个直径超过3.5m的大反射天线。有效载荷的质量和功率预算分别超过1.7吨和17kW。现有平台无法安装这么大的有效载荷。因此，将其容量分布到多颗更小的卫星上是非常必要的。

BSS任务也是由4颗卫星组成的星簇，但是功能分布是不同的。3颗Rx/Tx卫星负责处理从广播站接收到的信号，并向用户抛物面天线发送ku波段信号。每颗Rx/Tx卫星负责一部分覆盖区域，有3到4个不相交的语言波束，并分配1/3的带宽，也就是说，1色有12或14个信道。这3颗卫星分别具有36，42和52个33MHz带宽的信道。

第4颗卫星提供25个信道的星上处理。星上处理为DVB-S解调和MPEG-2 TS（发送信号）的多路复用。第4颗星也负责Ka波段信道的接收，然后对其进行星上DVB处理。ISL以星型结构进行组织，处理卫星相当于一个hub。该拓扑在语言波束之间提供准全连接（quasi-full）服务：任意一个广播站能够广播一路信道的信号到任意一个语言波束覆盖区中。由于EHF射频技术容易实现，因此在ISL中选择它作为Ku波段信道的接入，光ISL使用光载波的模拟调制也能提供相同的服务。

Rx/Tx卫星的有效载荷与一个标准的Ku波段BSS有效载荷相似：72个TWTA，1或2个直径超过3.5m的大反射面天线。有效载荷包括一个能处理16路33MHz双向信道的ISL终端。其质量和功率预算分别为500kg和6.5kW，有效载荷安装在1个中等大小的平台上，如阿尔卡特宇航公司的SPACEBUS 4100-C1。相应的卫星发射质量为4.6吨，并需要8.7kW的太阳能帆板（EOL）。

处理卫星有不一样的载荷：没有高功率TWTA，有1个大的数字OBP，1副接收多波束Ka波段信号的天线和3个ISL终端。其质量和功率预算为400kg和1.5kW。其耗散实际上等于功率消耗；卫星在ISL上只发射很少的RF功率。相应的卫星为非典型的：2.6吨的发送质量和2.2kW的太阳能帆板。处理卫星能放置在离3颗RX/Tx卫星较远的轨道位置（例如，相离6度）。这种轨道放置通过减小扫描角度，减小了ISL天线或瞄准镜的复杂度。

星簇中的所有卫星都是不同的，执行不同的功能，互相之间是不可交换的，备份策略简单但却消耗很大，每颗卫星都要有备份。完全部署这个星簇需要8颗卫星。整个星簇的发射质量（32.8吨）大于两颗假定的大卫星。BSS系统星簇有一个主要优点：允许在设计和发射处理卫星之前，可以等待星上多路复用的按需开发。

五、结束语

通过短距离星间链路进行合作的SkyLAN GEO卫星网络概念相比于大卫星来说有非常吸引人的优势。星簇的使用更昂贵，但它具有灵活性和扩展性的优势，足以抵消其劣势。更重要的是，对新一代卫星服务来说，星簇是惟一可负担得起的方法。

SkyLAN最吸引人的特点是ISL。虽然ISL终端消耗有效载荷资源而没有为操作者增加或提供收益，但是ISL带来巨大的灵活性和可扩展性。通过减小质量和功率，ISL硬件将会非常便宜，并将能提供高质量的短距离通信连接。■

见www.dcw.org.cn