低轨星座地面通信应用系统初步设计*

王 毅，李新华，王新荣

（中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司，北京 100086）

0 引 言

为满足广大用户卫星宽带接入的通信需求，高通量（HTS）系统因具有容量大、用户终端小的优势在近几年发展迅猛，低轨星座相对于高轨通信星座而言，不仅具有高通量系统的优势，而且具有更低的传输时延、更好的全球覆盖性（包括南北两极），可以更好地克服南山效应，终端可能更小，成本可能更低廉，速率可能更高。因此，20世纪80年代末，美洲、欧洲等发达国家就开始发展低轨通信星座，我国以“天通一号”、“中星16”等为代表的同步轨道移动和宽带卫星通信系统的建设，为满足企业用户、家庭/个人用户的移动通信、小型化终端高速传输通信等提供了有效手段，极大提升了我国宽带大容量通信服务的能力。

随着我国“一带一路”倡议的不断推进，全球互联网和物联网服务的不断延伸，卫星通信传输保障“走出去”的需求迫切，低轨星座地面通信应用系统的研制和发展正好成为通信保障“走出去”的有力武器，同时低轨星座带来的地面5G移动通信和高通量宽带接入通信高速发展，突出了对海上、偏远地区以及当前万物互联背景下地面移动难以到达地域的覆盖优势，尤其我国“鸿雁”星座的升空让手机信号无死角，让全球永不失联，人们就可以随时随地使用由卫星提供的互联网接入服务了[1］。

本文提出天地一体化信息网络中的地面通信应用系统的初步设计方案，主要从系统组网架构、数据中心、信关站系统、终端系统以及系统安全性、可靠性等方面进行设计，可为用户提供更快、更稳定、更安全的全球互联网接入服务。

1 概 述

低轨星座计划主要基于宽带互联网需求，采用Ku、Ka高频段实现高速率，通过成倍甚至10倍以上的卫星数量和配置星间链路尽可能实现连续覆盖。低轨接入网主要采用星座部署、空间组网的方式，提供全球无缝覆盖的移动、宽带通信服务。

星座构型采用近极轨道，拓扑相对稳定，南北极在内全球覆盖，组网方式采用星间链路、星间路由，可不依赖地面站提供实现全球服务能力。规模考虑12个轨道面，轨道高度800～1 100 km，重大工程实施考虑部署120个节点，首期部署60个综合节点，以星上处理模式为主，后续可扩展到240个节点，实现系统能力的平滑过渡[2］。

信关站以国内部站为主，可根据国外业务拓展，在境外拓展部署信关站。各类型终端主要包括固定用户终端（如企业用户、家庭/个人用户终端等）和移动用户终端（如动中通、移动手机终端等）。提出的低轨星座地面通信应用系统初步解决方案主要包括系统组网架构、网络拓扑、信关站、终端站、数据运营中心及系统安全性、可靠性等[3-4］。

2 系统设计

2.1 系统需求

（1）覆盖能力

具备地球表面（海拔20 km以内区域）的覆盖能力；

实际覆盖区域由频率协调情况和地面站部署确定。

（2）移动通信

终端星地双模，具备同时接入卫星和地面ATC（辅助组件）能力，直连移动核心网，实现4G/5G网络接入，对数据业务优化[5-6］。

系统容量50000路双向基本通信；

通信速率：

话音业务2.4～8 kb/s，支持高质量话音；

数据业务0.002 4～1.4 Mb/s（视终端类型）；

国土不落地通信，最大时延优于400 ms；

最小支持到手机终端，可支持个人用户。

（3）宽带通信

系统容量优于1 Tb/s，优于40个全球连通的热点区域/用户覆盖能力；

通信速率：

单区域数据业务不低于上行7 Mb/s，下行36 Mb/s；

典型通信速率：25～50 Mb/s，峰值速率可达400 Mb/s；

国土不落地通信，最大时延优于400 ms；

可为领导人出访、战略装备通信保障、两极通信服务提供专网通信。

2.2 系统网络架构

根据国家天地一体化信息网络重大工程总体架构设计要求，针对其中低轨接入网地面应用系统网络结构设计如图1所示，主要包括GEO骨干节点、低轨星座接入网、数据运营中心（BOSS）、信关站系统、终端系统等几大部分[7］。

GEO骨干节点由地球同步轨道若干（如6个）通信卫星节点联网而成，如高通量（HTS）卫星，可与低轨星座接入网形成优势互补。

低轨星座接入网主要采用星座部署、空间组网的方式，规模考虑12个轨道面，轨道高度800～1 100 km，重大工程实施考虑部署120个节点，首期部署60个综合节点，以星上处理模式为主，后续可扩展到240个节点。星座构型采用近极轨道，拓扑相对稳定，南北极在内全球覆盖，组网方式采用星间链路、星间路由，可不依赖地面站提供全球无缝覆盖的移动和宽带通信服务等。

图1 低轨接入网地面应用系统网络架构

低轨接入网配置同轨道面星间链路和异轨道面星间链路，同轨道面采用激光星间链路，异轨道面采用Ka频段星间链路。用户链路主要以L、Ka频段为主，L频段面向用户提供移动通信服务，Ka频段为重点用户提供宽带通信和互联网接入服务。

数据运营中心（BOSS）、信关站系统和终端系统是组成天地一体化信息网络重大工程地基节点的核心部分，完成卫星地面通信以及数据管理、移动性管理、终端管理和系统运营等核心能力的建设。

下面重点阐述地基节点几大部分的系统设计和功能、性能介绍等。

2.3 地基节点设计

2.3.1 数据运营中心

数据运营中心主要负责全系统的管理和运营，包括业务支持（BSS）和运营支持（OSS）、综合监控管理（MMS）以及网管（NMS）[8］。

（1）基本功能模块

OSS集成网管平台，统一整合所有子系统（天线设备、基带设备、交换路由设备、环境监控设备、机房监控设备等）。作为整个网络的统一出口，提供故障告警、性能展示、统计报表、网络配置等功能。

OSS服务开通、服务保障、资源管理子系统，承接CRM中的订单管理，完成端到端的开通功能，以及对全专业网络资源和信息服务资源的有效管理。

CRM客户管理系统，提供客户管理、产品管理、资源管理、代理商管理、服务开通流程管理、故障处理流程等功能。

计费账务系统，提供账务计费、综合结算、信控管理、营收管理等功能。

网上营业厅，业务功能包括：信息展现、业务查询、业务办理、交费充值、业务受理、产品销售、网上客服、网上营业厅服务、客户资料管理、客户评价管理、客户服务管理、订单管理、渠道管理、销售管理、业务资料管理、权限管理、接口管理、统计分析等。

业务运营支撑系统采用英文界面（法文等多语言国际化）显示，且使用方便及功能清晰。

（2）性能参数

①自助服务登录时限：5 s。

②自助缴费受理的系统处理时限：5 s。

③开户业务受理的系统处理时限（从用户终端指令输入完毕到显示交易成功所花费的时间）：5 s。

④缴费开机的系统处理时限：10 s。

⑤日报查询响应的时限：10 s。

⑥账单查询的处理时限：5 s。

⑦计费总体处理效率（预处理、剔重、批价、详单管理）不低于：1000 条/秒。

⑧设备性能稳定，可支持7×24 h工作，设备可用率达到99.99%，平台的平均无故障率达到99.9%。根据设计容量，满负载情况下，CPU的使用率须小于80%；

⑨服务器可分布式部署，支持备份冗余，保证服务质量。且平台应支持负载均衡，系统切换时间小于60 s。平台在切换过程中应保证已经处理过的业务正常运行和计费；

⑩系统处理能力满足所有业务应用和用户发展规模的需求，并考虑全部系统的开销及应用切换时性能余量。系统设计时至少考虑30%的性能冗余。

⑪内存容量的配置考虑到主机正常运行状态下的内存利用率不大于70%，保证系统在业务高峰时仍具有较强的抗冲击能力。

（3）系统组成

①软件设计架构

软件整体架构包括电子渠道门户、客户关系管理、计费账务、服务开通、服务保障、资源管理、综合网管、AAA认证、统一接口平台等几个子系统。具体如图2所示。

图2 数据运营中心软件设计架构

②数据库架构

为了提高设备系统可靠性，网络设备具有冗余备份功能，如服务器等采用1:1双机热备架构；为了提高系统安全性，配置了防火墙、防病毒服务器及加解密等设备，对系统进行入侵检测、防病毒、权限管理，有效保证通信系统数据安全。具体布局见图3所示。

2.3.2 信关站系统

为了向卫星波束覆盖区域下的大中型企业用户、小微型企业用户或团体组织和家庭用户等提供低轨宽带接入服务，设计了信关站系统[9］。

（1）主要功能及特点

①整个高通量地面通信系统的基础和核心组成部分，负责卫星通信链路的信号收发、基带处理、带宽资源优化和设备监控等，对所管辖用户波束下的终端用户进行集中式管理。

②实现整个地面通信系统和地面骨干网络的互联互通，是全网卫星通信数据和地面通信数据的核心关口站，保证通信的安全性与可靠性。

③负责与运营数据中心的数据交换，数据内容包括用于计费的业务流量信息、状态监控数据和监测视频等。

④完成高通量业务数据接入本地电信网络。

图3 数据运营中心数据库架构

（2）性能参数

①工作频率

前向：上行27.5～29.5 GHz，下行19.2～20.2 GHz；

返向：上行29.5～30 GHz，下行17.7～18.7 GHz；

②通信标准及多址方式

前向：DVB-S2x，TDM；

返向：DVB-RCS，MF-TDMA/SCPC；

③系统传输速率

前向：1～500 Msps；

返向：0.128～12 Msps，步进128 ksps；

④调制方式

前向：BPSK，Spread BPSK，QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，64APSK；

返向：BPSK， QPSK，8PSK，16QAM；

⑤滚降系数

前向：0.35，0.25，0.20， 0.15， 0.10，0.05；

返向：0.2；

⑥网络拓扑

星状网；

⑦系统容量及规模

11Gbps/站，支持百万级各类终端；

⑧系统可靠性和安全性

支持热插拔、热备份及用户接入认证，保证系统可靠性和网络安全性。

（3）系统组成

信关站系统由天线射频子系统、基带网管子系统、交换路由子系统、设备监控子系统组成，如图4所示。

图4 信关站系统组成

天线射频分系统主要完成上行信号的变频、放大、发送，以及下行信号接收、放大、变频等功能，并提供中频输入、输出接口。

基带处理分系统主要用于基带数据（业务数据、信令数据）的处理，包括IP数据的封装和调制、已调信号的解调和解封装、上下行信令处理等。

网管分系统负责将信关站天线接收到的数据在基带设备转换为IP数据的流程控制，包括资源分配、调度和优化，具备全网管理的能力，主要由网管软件、服务器和计算机等组成。

交换路由分系统主要提供当地电信局、网络运营商与Ka信关站分系统之间的接口，实现信关站与电信局和网络运营商之间的数据交互，完成信关站内部网络数据的传输、提供外部IP接口、信关站网络环境优化等工作。

考虑系统可靠性和安全性，系统采用热备份设计，如采用13 m主用天线和6 m备用天线进行1:1备份，射频、基带等关键设备也均采用N:1备份设计；同时采用防火墙、VPN专用设备及加解密设备等保证系统通信安全。

2.3.3 终端站系统

为了满足低轨宽带接入各类用户，如大中型企业、小微企业或团体组织、家庭用户以及政府国防等用户的上网和移动通信需求，特设计了各种类型的通信终端，包括固定站（标准站和高级站）、车载站（静中通、动中通和动车通信站）、机载站（无人机和有人基站）、便携站、手持终端等站型。

（1）主要功能及特点

①接入信关站通信系统，进行入网验证；

②服从信关站网管统一调度和资源分配；

③根据各类客户用网需求进行功能、性能定制化匹配设计；

④支持VoIP语音电话和视频实时传输。

（2）性能参数

各性能参数与信关站系统匹配，满足返向传输要求。

（3）系统基本组成

终端站基本组成如图5所示，各站型均由天线、射频（BUC、LNB或者Transceiver）、调制解调器、加解密设备（根据需要）以及各应用终端（如视频会议、VoIP电话等）。完成与信关站系统前、返向信号的接收、解调、解码处理以及返向信号的调制、发射等工作流程。

图5 终端站基本组成

（4）典型终端型谱

①固定终端站

速率：前向链路：可达60 Msps；回传链路：4 Msps；

天线口径：0.5 m，0.76 m，0.98 m；

功放大小：2 W，4 W 等；

通信标准：前向链路: DVB-S2/S2x；回传链路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA。

②便携站

速率：前向链路:可达60 Msps；回传链路：4 Msps；

天线口径：0.5 m，0.76 m，0.98 m；

功放大小：2 W，4 W 等；

通信标准：前向链路：DVB-S2/S2x；回传链路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA;

控制模式：无线WiFi，手持终端操作。

③静中通

速率：前向链路：可达60 Ms/s；回传链路：4 Ms/s；

天线口径：0.98 m，1.2 m；

功放大小：2 W, 4 W 等；

通信标准：前向链路: DVB-S2/S2x；回传链路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA。

④动中通

速率：前向链路: 10 Mb/s；回传链路: 512 kb/s；

天线口径：0.45 m，0.5 m，0.6 m；

功放大小：5 W, 10 W 等；

通信标准：前向链路: DVB-S2/S2x；回传链路:DVB-RCS/RCS2；

多址方式：SCPC/TDM/MF-TDMA。

3 结 语

通过对用户地面宽带接入的需求分析，选用低轨星座接入网的地面应用系统，分别从系统架构、数据中心、信关站和终端几方面进行系统软、硬件配置设计，详细阐述了各部分的功能特点、性能指标以及系统组成，同时考虑了系统的可靠性和安全性设计，保证了通信业务的流畅不中断和数据的通信安全。