全球Ka波段宽带卫星业务的现状和发展（二）

陈 强，赵庆锁，李 涛

（1.通讯所，北京；2.新华通讯社，北京，100803；3.成都科脉通信技术有限公司，成都，610031）

产业观察

全球Ka波段宽带卫星业务的现状和发展（二）

陈 强1，赵庆锁2，李 涛3

（1.通讯所，北京；2.新华通讯社，北京，100803；3.成都科脉通信技术有限公司，成都，610031）

本文简要回顾了全球卫星通信从C/Ku波段到Ka波段，从话音、广播电视到互联网应用的轨迹；对目前Ka波段HTS卫星网络的架构、地面系统情况以及采用的新技术进行了概述；并列出了目前全球Ka波段在轨HTS卫星、建造的HTS卫星的容量、运营公司、使用的地面系统等；并介绍了美国Ka波段宽带卫星业务的发展情况。

Ka频段；HTS卫星；关口站；在线小站用户

（接上期）

5 Ka频段HTS卫星的应用模式

不同于C/Ku频段卫星的开放运营模式，Ka频段HTS卫星由于具有精确覆盖、星状网结构的特点，是采用开放式运营还是采用封闭式运营模式，需要根据卫星容量、卫星覆盖、细分市场、运营商对卫星产业链、对地面互联网接入商的控制力，以及是否在特定市场具有完善的市场营销渠道、售后服务网络等因素综合考虑。在运营覆盖美国东西海岸人口密集区域、超过100Gb/s容量的EchoStar 17卫星时，美国休斯公司采取了封闭式运营方式。见图6，封闭式运营方式由一个卫星运营企业负责卫星操作、建设地面网络系统，再直接或通过多个零售合作伙伴向最终用户提供卫星宽带服务。在这样的模式中，卫星运营商通过各种服务套餐计划向零售合作伙伴和最终用户出售“Mb/s”，以最大限度地提高投资回报。这个模式不接受卫星通信服务提供商仅购买卫星物理带宽来建设、经营自己的宽带卫星通信网络。

图6 封闭式商业模型

为了能使封闭式系统盈利，卫星服务提供商必须进行巨大的投资，包括卫星和地面系统的建设和运营。宽带服务供应商还需要有一个完整的业务支持系统（BSS）来运营业务，功能包括订单处理、小站安装调度、小站服务激活、计费、客户关系管理（CRM）、帮助热线等业务。更重要的是，服务提供商必须投入巨资来发展完整的业务分销渠道，以将宽带卫星服务带给最终用户。这样的业务基础设施是不容易搭建的，可行的解决方案是将BSS系统外包，并将Mb/s资源整体出售给已经存在的分销渠道，比如，美国休斯公司Ka频段业务在北美最大的分销商就是DirecTV，Dish等卫星直播电视运营商。

与封闭式模式相比，是如图7所示的开放式模式，即卫星运营商将卫星带宽出售给各个服务提供商（“MHz”），由各服务提供商建设地面网络系统、开发自己的BSS，然后将Mb/s服务计划通过分销渠道或直接销售到最终用户。这种模型对卫星运营商很有吸引力，因为它减少了相关的巨大投资和市场风险，从而将自身重点放在其擅长和核心任务——发射和运营卫星。

图7 开放式商业模型

目前，采用封闭式系统模式的Ka频段HTS运营商仅有美国休斯公司和美国卫讯公司，他们在北美取到了巨大的成功。但是，这两个厂商在Ka频段地面系统占有双寡头垄断地位，对Ka频段产业链的控制力是其他厂商无法比拟的。另外，北美市场单一性、透明性和高消费者群体的存在以及金融资本的发达、卫星产业链的完善，也为开放式系统在北美的成功运用提供了坚实基础。相比之下，北美之外的国家和地区均缺乏这样的市场条件去运用封闭式系统运营模式。今后一段时期，相信开放式系统运营模式将在全球各地蓬勃发展，由卫星运营商发射带有Ka频段HTS载荷的卫星，然后按MHz为单位提供给服务提供商。

这种商业模式有多个具体做法，虚拟网络运营商（VNO）就是其中一种。VNO一词来源于地面移动蜂窝网的实践，之所以说这个运营商是“虚拟”的，是因为其使用的卫星网络设施不是自己投资的，好处是不需要花费巨资去投资设备和系统就可以开展运营服务，而对构建设施的卫星运营商来讲，他们会因租赁设备和系统、提供基础设施而收益。

6 Ka频段HTS卫星的应用

6.1 宽带互联网接入

讨论HTS卫星的应用要从互联网接入开始，因为这是当今卫星行业增长最快的应用，也是维系卫星工业生存发展的关键应用。对于卫星互联网接入业务，服务提供商要针对不同的应用市场制定系列服务套餐计划。

在提供卫星宽带互联网接入服务时，最重要的是在流量高峰期间，地面网络系统要有能力对卫星带宽进行有效的管理和分配，以使得所有在线用户均获得平等、公正的互联网接入服务。此外，地面网络系统需要用到一些手段，如以最大带宽限制的形式确保卫星容量不被某个用户垄断使用，影响其他用户的互联网访问体验。

鉴于HTS卫星通信经济性方面的优势，服务提供商能够提供与地面4G/LTE服务抗衡的包月服务资费，美国AT&T在2013年6月向公众提供每月10GB的服务计划，价格为每月120美元。相比之下，同等带宽配额的HughesNet GEN4服务每月仅为40美元。

6.2 远程教育

全球许多国家都在投资改造电信基础设施，给所有的学校，即使是在最小的社区和村庄，提供高速上网的服务。对于地面通信（如DSL或电缆）不发达或不足的地方，宽带卫星通信是一种理想的解决方案。由于每个学校都会有许多电脑设备一起工作，因此需要大量的带宽，HTS卫星是解决教育行业互联网接入需求的最佳方案。

6.3 基站回传

3G，4G移动蜂窝网对中继电路的带宽要求很高，4G/LTE基站的中继电路带宽通常要求下行100Mb/s/上行50Mb/s的信息速率。在市区和主要交通要道开展3G，4G/LTE业务时，地面回传采用光纤手段。若要对边远地区进行覆盖3G，4G/LTE覆盖，因为蜂窝基站的距离较远，使用地面通信手段的成本过高，这时候卫星回传手段就显出技术优势。移动运营商要将3G，4G/LTE服务延伸到偏远地区，HTS卫星系统大有用武之地。

6.4 政府和企业通信线路备份

对于政府和企业，卫星通信最有意义的应用是做地面线路的备份。如图8所示，地面和卫星相结合，互为备份，确保任何情况下企业的数据都能正常传输。此外，卫星电路可以根据要求灵活调整带宽分配。

6.5 动中通

移动互联网的应用持续增长，无论是在空中、陆地或海洋。HTS卫星系统可以很经济地提供大容量带宽，但HTS卫星系统的移动终端需要在多波束间移动，要进行频繁的波束切换。因此，地面通信系统必须具有多普勒效应补偿、快速出向载波锁定、自动波束切换等功能，以全面支持车载、铁路、船载、机载动中通应用。一般而言，一个系统“动中通”特性需有：

（1）DVB-S2/ACM和自适应入向选择功能：当移动小站在切换点波束时，其接收的关口站出向载波参数以及小站的TDMA突发能持续得到优化。

（2）TDMA扩频：为了克服因使用小口径天线而带来的邻星干扰，系统支持对TDMA载波的2倍、4倍、8倍等频谱扩展，以降低载波的功率谱密度。

图9 TDMA载波扩频工作示意图

（3）多普勒效应补偿：此功能可以解决高速运动（车辆、高铁、飞机）带来的频率偏差、时钟偏差，保证运动小站的通信质量。

图10 多普勒效应补偿示意图

（4）出向信道飞轮和快速捕获：移动中的卫星小站会频繁遇到遮挡（比如车载动中通的树、桥、火车隧道等），影响小站对出向信道的接收。当发生这种情况时，系统的“飞轮”技术帮助失锁小站保持时钟状态30秒；如果出向信号在30秒钟内被重新捕获，小站马上恢复通信。

（5）IP状态稳定：卫星电路连接中断后（例如火车在隧道里），移动小站的IP会话能保持在30秒以上；一旦遮挡消失，用户无需重新建立IP会话。

6.6 服务质量保证

与地面网一样，基于卫星通信的个人互联网服务也是“尽力而为”的模式，即没有QoS（服务质量保证）或SLA（服务水平协）承诺。但卫星互联网服务采取公平访问制度（FAP），以防止带宽被少数用户过多使用，对大多数用户来说，其服务品质是一样的。但对于企业/政府客户，卫星通信系统必须有一整套的功能特性来保证应用所需要的服务质量和性能要求。这些基本功能保证应该有：

⊙ 承诺保障的带宽吞吐量。

⊙ 严格的时延和抖动指标。

⊙ 网络高可靠性。

⊙ 支持私网IP地址。

⊙ 支持VLAN Tagging。

⊙ 基于各种IP包头特征的业务优先级机制。

⊙ 支持各种路由协议，包括BGP。

⊙ 加密和有条件访问。

7 Ka频段HTS卫星的关口站技术的发展

应用点波束和频率复用技术以后，HTS卫星的容量以及为用户提供的平均带宽均有大幅增加；相应的，地面关口站的架构和能力也需要进行大幅提升。

7.1 关口站的馈电波束

要最大化使用小站覆盖区域的频率资源，其配套的关口站必须也要有相应的频谱分配。通常的Ka网络是4个用户点波束对应一个特定的关口站波束，这样的组合使用所分配的全部频谱。

假设一颗有48个用户点波束的Ka卫星，每波束带宽500MHz，全网采用4X频率复用模式。图11是关口站上行链路的可用频段，在每个极化（POL）方向4个250MHz频段形成1GHz带宽，这样关口站总共有2GHz的上行带宽。一个关口站支持4个500MHz的用户点波束，全网48个用户点波束共需要建设12个这样的关口站。

图11 关口站上行链路频率分配

7.2 地面关口站架构

一个卫星关口站设备主要有两部分：一部分是室内基带设备；另外一部分是天线和室外射频设备。

7.3 基带设备

基带设备包括调制和解调设备、系统时钟单元、中频分配电路、倒换开关、关口站服务器，与地面互联网之间的接口设备等。数据中心机房就适合于放置关口站室内基带设备。

关口站的调制器发射DVB-S2载波到每个点波束；解调器解调从每个小站发射的TDMA回传载波；时钟单元提供时钟信号给关口站的调制器和解调器，从而使全网小站与关口站保持时钟同步，每个小站都在最精确的时刻进行TDMA突发。

关口站配置有IP数据处理和Web加速功能服务器。IP处理功能给小站分配所需的卫星带宽，Web加速补偿因与地球同步轨道卫星之间的距离而导致的长传输时延，以提升用户的互联网浏览体验。

一个关口站中所有的电源分配单元、开关部件、数据和IF接口设备、调制器、解调器、时钟分配单元和服务器都是冗余配置，整个关口站不能因单点故障而引起服务中断。

7.4 关口站的高密度和高处理能力

Ka卫星的高容量也给关口站设备的体积和造价提出了挑战。部署高处理能力、高容量的地面关口站设备可以缩减占用机房面积、降低耗电，降低每用户成本。

为了解决以上问题，美国休斯公司与HP（惠普）公司合作，整合先进的数据中心技术和先进的卫星通信技术，形成一个面向未来的模块化、可扩展的关口站架构。此架构可以充分应用数据中心的虚拟化技术，支持网络规模的不断发展。数据中心的高密度特性使Ka关口站比Ku频段的主站设备体积上小了很多。

7.5 天线和射频设备

为充分保证Ka卫星馈电波束的EIRP，G/T性能，要尽量将中频和射频部件安装在关口站天线馈源舱（Antenna Hub）内。这样的安装方式减短波导、同轴电缆的连接长度，最大化地保证端到端射频信号指标，同时也方便对射频设备的维护操作。

Ka频段关口站射频设备的安装位置非常重要，重要原因是波导元件的插入损耗很大。30GHz频段的波导损耗为每米0.4dB，将高功率放大器（HPA）安装在靠近天线馈源口的位置，这样可以有效地解决波导插入损耗的问题，又提高了关口站的EIRP值，有助于优化整个Ka频段系统的性能。

为获得系统高可用度，RF系统须作冗余配置。相当数量的关口站部署在偏远地区，因此Ka频段关口站需要有一些特殊的功能，例如要能进行远程管理，要有全面的故障检测功能，要能自动检测故障并自动切换到冗余部件等。

图12 休斯Jupiter系统关口站射频系统排放设计图

为保持大载波调制后的信号整体性，上行链路的各个主要部件都要符合严格的幅度和相位响应指标要求。关口站的整个传输环节，包括中频（IF）和射频（RF）部分，都要保证250MHz带宽上的幅度、群时延和相位响应的性能均衡。要确保尽可能低的幅度和相位失真，在评估全路径性能指标时要考虑关键部件间的电路连接，例如：

⊙ 要对信号传输全程中的每个设备建模，并做性能分析。

⊙ 要明确所有部件的关键性能参数取值。

⊙ 部件间的接口要满足最低电压驻波比。

⊙ 同轴电缆和波导要支持最佳幅度平坦度和相位响应指标。

⊙ 斜率均衡器。

⊙ 对每单个器件、整个系统要做100%的性能验证。

7.6 Ka关口站的精确上行雨衰消除技术

与Ku频段相比，Ka频段信号更容易受降雨的影响。当关口站遭受恶劣天气时，关口站的上行功率控制单元分析接收到的信标变化，相应调整上行衰减器的设置，从而使卫星端接收的关口站上行信号通量密度维持不变。

Ka频段的大载波特性带来了新的问题，下雨时，上行功率控制单元检测信标值的减少量，计算针对整个上行链路所需要的增益调整值。由于Ka系统的上行频段很宽（约2GHz），为使卫星接收的上行通量密度维持恒定，在整个2GHz上行频段的不同频率部分所需要的增益调整幅度是不一样的。与简单、一视同仁的Ku频段上行功率调整方法相比，现在Ka频段精确控制技术能做到数十分之几dB的功率调整精度。

安达斯参加江苏总台播出分发平台一期建设项目开工仪式

近日，江苏省广播电视总台播出分发平台一期建设项目召开了开工仪式，参加仪式的总台领导有技术台长张建平、党委委员顾建国、电视技术部薛兵主任、电视技术管理部朱光荣主任、编排导播部朱闽主任、江苏教育频道副台长刘正海。安达斯作为此项目的主要设备提供商和系统集成商有幸参与了开工仪式。

该项目将建成面向全媒体的、可扩展的、以云架构为基础的、以流程驱动为主线的、适应媒体融合发展的内容服务平台，同时完成总控系统高清化升级，使之完全能够满足台内外高清信号的调度需求，建设基于IP的SDVN全媒体分发平台。安达斯中标其中第六包：四楼播控系统扩容及五楼播控系统改造集成；第七包：总控矩阵、收录矩阵；第八包：L-Band矩阵系统及系统集成；第九包：总控周边系统；第十包：IP总控传输分发平台及集成。其中“IP总控传输分发平台与集成”是国内首个IP总控传输分发平台，采用EVERTZ SDVN技术（软件定义的视频网络），充分适应未来媒体融合及电视台制播网络化的发展及4K，8K等超高清制播业务的开展。

仪式上总台领导表示：发展在全媒体融合的大环境下的IP技术，从传统的播出向基于融媒体的播出、分发平台发展，在项目实施中要对新技术进行深度挖掘，为将来的规范打下基础。安达斯和Evertz公司也会尽最大的努力为江苏台提供最好的服务，助其打造优势媒体。

Global Ka Band Broadband Satellite Services Overview (2)

Chen Qiang1, Zhao Qingsuo2, Li Tao3
(1.Communication Institute, Beijing; 2.Xinhua News Agency,Beijing,100803;3.Chengdu Kemai Telecommunications Technology Co., Ltd., Chengdu, 610031)

This article is retrospected the trajectory of global satellite telecommunication industry from C/Ku band to Ka band and from Voice/TV to Internet. The article is listed in HTS satellites which are in orbit and inconstruction, the capacity , the operators and the ground system. The Ka band broadband satellite business in USAis also introduced.

Ka band; HTS satellite; Gateway; Subscriber

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.011

TN927

：A

1672-7274（2014）10-0038-05