高通量卫星通信发展现状与应用探索

文 | 高鑫 门吉卓 刘晓滨 姚力北京航天控制仪器研究所

一、引言

国际通信卫星组织在1965年成功发射晨鸟号通信卫星（Intelsat－1），提供国际通信服务，标志着卫星通信进入商业应用领域。到上世纪末，卫星通信系统的承载业务发生了显著变化，从语音、低速率数据业务转变为高速率的宽带互联网接入业务和宽带移动多媒体业务，进入到了宽带化发展阶段，可满足低人口密度地区、复杂地貌地带、远海、空中等陆地网络无法覆盖区域的互联网接入需求。

随着传输速率的进一步提高、多媒体业务不断增多以及网络节点规模不断扩大，宽带卫星通信系统大规模推广应用已受限于卫星的通信容量（简称通量）[1]。为了解决通信卫星通量不足的问题，国外航天研究机构通过借鉴陆地无线蜂窝通信频率复用的相关原理，结合多点波束技术，在相同可用频谱资源的条件下，将通量提升数倍，将卫星通信带入到高通量发展阶段。

二、高通量卫星通信技术发展现状

1.高通量通信卫星概述

高通量通信卫星（High Throughput Satellite，HTS）概念首先由美国北方天空研究所（NSR）在2008年提出：采用频率复用和多点波束技术，在同样频谱资源的条件下，整颗卫星的通信容量是传统支持固定通信卫星的数倍[2]。业界普遍认为，高通量通信卫星属于宽带通信卫星，用户链路频段不局限于Ka频段，其通信容量应大于10Gbit/s。

从高通量通信卫星的发展历程看，可将其分为两个阶段：第一阶段（2005-2010年），单星通量10～100Gbit/s；第二阶段（2011-2019年），单星通量100～300Gbit/s，通量大于10Gbit/s的高通量通信卫星（包括非静止轨道的星座）。

在互联网业务与多媒体业务的应用进一步普及之时，卫星通信有向宽带化、高通量方向迈进的客观需求，带动多点波束技术应用范围的持续扩大，从L频段或S频段的移动通信卫星扩大至C频段、Ku频段、Ka频段通信卫星。多点波束的优势在于通过减小天线波束的孔径角，带来星载天线单元增益提高的优势，实现不同波束之间频率的复用，以提高卫星通信系统的通量。同时，高通量通信卫星在相同覆盖区域内可代替数颗传统通信卫星来承担通信任务，节约地球静止轨道（GEO）的轨道资源和频率资源。

2.高通量卫星通信系统结构

高通量卫星通信系统分为空间段、地面段和用户段，为星型网络结构。馈电链路工作频段为Ka频段，用户链路由应用场景来决定频段，可为C频段、Ku频段、Ka频段。空间段为一颗GEO高通量通信卫星；地面段包括主控站、网络控制中心（NCC）、若干个关口站，其中关口站将陆地宽带互联网业务、移动宽带多媒体业务接入至高通量卫星通信系统，以实现对卫星宽带多媒体业务的支持；用户段包括便携式VSAT地球站、固定地球站、车载VSAT地球站，如图1所示。

图1 高通量卫星通信系统结构

高通量卫星通信系统的每个关口站采取主用与备用相结合的方式。主用关口站与备用关口站相距几百千米，通过陆地专线链接，实现空间分集接收，均可接收和处理业务流量。主用关口站受雨衰影响较大时，系统自动切换到备用关口站，通过冗余和分集手段，抵抗雨衰的影响。当用户链路为Ka频段时，采用自适应调制编码（ACM）和自动载波功率控制机制（ACPC），对雨衰进行补偿。

3.国内外主要高通量通信卫星

世界第一颗高通量通信卫星IPSTAR－1于2005年8月发射入轨，同年10月开通运营，用户链路工作频段为Ku，包括84个用户点波束，整星通信容量可达40Gbit/s，开启了高通量卫星通信的时代。此后，国际移动卫星公司（Inmarsat）、国际通信卫星公司（Intelsat）、欧洲卫星公司（SES）、欧洲通信卫星公司（Eutelsat）、卫讯公司（ViaSat）、休斯公司（Hughes）等世界主要卫星通信运营商均订购了高通量通信卫星[2-7]，具体信息如表1所示。

近年来，一些国家陆续发射了覆盖本国范围的高通量通信卫星，例如加拿大Telstar－19V于2018年7月发射入轨，印度GSAT－29和GSAT－11分别于2018年11月和12月发射入轨，印尼Nusantara Satu卫星于2019年2月发射入轨。同时，高通量通信卫星也正向超高通量卫星（VHTS）方向迈进，ViaSat公司在建的ViaSat－3通量达1Tbit/s，Hughes公司Jupiter－3通量达500Gbit/s，Eutelsat公司在建的Konnect VHTS卫星通量达500Gbit/s。

我国首颗高通量通信卫星中星十六号于2017年4月12日发射，定点于110.5°E地球静止轨道，提供26个Ka频段用户波束，覆盖中国中部、中西部、东部、南部、拉萨地区及中国近海地区，可应用于远程教育、医疗、互联网接入、机载和船舶通信、应急通信等领域。中星十六号整星通量达20Gbit/s，大于我国所有在轨通信卫星的容量之和，但仅达到高通量通信卫星第一阶段的发展水平。第二颗高通量通信卫星中星十八号于2019年发射失败。亚太6D卫星于2020年7月9日成功发射，最终定点于134°E地球静止轨道，为Ku/Ka频段高通量通信卫星，通量达50Gbit/s，包括90个用户波束，单波束通量达1Gbit/s以上,覆盖亚太地区绝大部分陆地和海洋地区，包括7个在建关口站。亚太6D是我国目前通信容量最大、输出功率最大、设计程度最复杂的民商用通信卫星，可满足海事通信、航空机载通信、陆地车载通信、应急固定卫星宽带互联网接入等多种应用需求。后续还将陆续发射多颗高通量通信卫星，实现对中国全境、周边国家以及“一带一路”等区域的覆盖。

表1 国外主要GEO高通量通信卫星参数

卫星平台是高通量通信卫星的重要支撑技术。东方红五号卫星平台的成功研制使我国迈入世界卫星通信领域的先进行列。东方红五号卫星平台整星发射质量达8000kg，有效载荷承载质量达1500kg，有效载荷功率达18kW，采用先进综合电子系统与大推力、多模式电推进系统，使我国具备研制100～1000Gbit/s超高通量通信卫星的能力，可满足未来20年的大容量卫星应用需求。

三、高通量卫星通信应用分析

1.商业应用优势

由于卫星通信系统的建设成本极高，涉及卫星制造、火箭发射、控制站、关口站、发射保险等方面费用，这导致单位带宽使用费用是陆地互联网的几百倍。为扭转卫星通信在与陆地宽带网络竞争中处于明显劣势的不利局面，激发卫星通信商业应用的新动能，降低用户资费和终端价格已成为摆在卫星通信运营商面前亟需解决的问题。

高通量通信卫星制造费用稍高于传统通信卫星，但火箭发射、发射保险、关口站、控制站、卫星维护的费用与传统卫星持平，单位带宽的使用资费大幅下降，仅仅是陆地网络的几倍，具备与陆地网络竞争的可能性。

多点波束技术还可解决覆盖区域内增益较低的问题。单个点波束在地球上覆盖区域近似为圆形，在覆盖区域内提供较高的EIRP和G/T值。与区域波束覆盖的卫星终端相比，在支持相同传输速率条件下，Ka频段卫星终端在点波束覆盖区域的天线口径可缩小50%以上，可降低天线单元的成本价格，有利于进一步向大众用户推广应用。高通量卫星通信系统是星网一体的网络系统，信令、帧、空中接口可统一化、规范化，基带处理单元可形成大批量化生产，进一步降低卫星终端的价格。

2.应用领域

（1）陆地宽带接入服务

卫星通信可作为偏远地区、低人口密度乡村、群岛、远离大陆岛屿等地区通信网络与互联网连接的骨干网络。由于这些地区的用户数量有限，架设光缆、甚至海底光缆的单位成本极高，远高于建设卫星通信远端站的成本。在高通量通信卫星时代，单位带宽的使用资费相对较低，使其在上述地区的应用具有非常大的优势，解决宽带互联网的接入问题。

ViaSat－1和ViaSat－2所有的关口站和远端站均采用SurfBeam通信体制，为北美陆地地区和夏威夷群岛、中北美及加勒比海地区提供宽带互联网接入服务，可提供下行50 Mbit/s、上行20 Mbit/s的速率。KA-SAT向欧洲及地中海至今未能铺设陆地光缆的地区提供数字电视、数据业务，同样采用SurfBeam通信体制，最高下行速率达10Mbit/s，在速度、价格等方面与陆地ADSL相当。Intelsat EpicNG卫星提供宽带互联网接入服务，在点波束覆盖范围内提供的下行速率可达160Mbit/s，宽波束覆盖范围内提供的下行速率为40Mbit/s。

（2）客机宽带通信服务

近年来，航空出行呈现大众化的趋势，旅客对在航程中告别“网络信息孤岛”颇为期待，为基于高通量卫星通信的机载应用带来了机遇。高通量通信卫星可进一步提高客机舱内WiFi的通信速率，满足旅客出行期间享受宽带多媒体业务的实际需求。目前，ViaSat公司、Inmarsat公司在该领域提供服务，并占据较高的市场份额。

ViaSat公司与Eutelsat公司、澳大利亚宽带网络公司（NBN）、中国卫通等多家公司签订协议，允许这些公司的高通量卫星通信系统进行漫游和接入服务，包括WildBlue－1、Anik－F2、ViaSat－1、ViaSat－ 2、KA-SAT、SkyMuster I/II、中星十六号等Ka频段高通量通信卫星，实现卫星通信波束对客机的全球无缝覆盖。

Inmarsat公司在2017年开通了基于“全球快讯”（Global Xpress）系统运营机载宽带服务GX for Aviation，可提供高速、全球无缝覆盖的民航客机机载WiFi服务，旅客在机上可连接体验与陆地网络相媲美的宽带服务品质。目前，德国汉莎航空、新西兰航空、新加坡航空等多家航空公司选用GX for Aviation服务。

2020年7月7日，中国首架高速卫星互联网飞机—青岛航空QW9771航班首航成功，机上适配了基于中星十六号卫星的高速互联系统，使旅客在万米高空机舱内实现百兆以上的速率联网，可享受与地面WiFi同样的上网体验。

（3）海事领域宽带通信服务

进入21世纪以来，海洋战略地位日渐凸显，海上商业航运量逐年提升，油气资源勘探、深海科学考察、远海捕捞作业等社会经济活动显著增多。海上作业平台及过往船舶的工作人员迫切需要宽带互联网，以缓解其长期枯燥无味的海上生活，丰富其工作之余的精神文化生活。

目前，仅有Inmarsat公司的“全球快讯”系统可在南北纬70°之间全球任何位置提供无缝宽带卫星通信服务，不仅支持海上交通信息传输，为船舶安全航行保驾护航，还支持视频会议、远程维修、远程医疗、海上电子商务、船舶物联网信息回传等宽带业务[8]。

3.面向服务应用的探索

陆地移动通信即将进入5G时代，5G系统将转变为主要为人和机器提供信息和服务的一种方式[9]，支持极限移动宽带、海量机器通信、超高可靠的通信应用场景。在人类社会加速进入数据化和智能化的时代，为了将不断涌现的新型多媒体服务的应用范围扩展至陆地互联网无法覆盖的区域，高通量卫星通信系统支持5G服务场景成为可能。

在国内外电信基础设施完善地区，陆地移动通信网络覆盖范围广，未来仅有极少偏远乡村、近海岛屿无法实现5G系统的覆盖，可借助融合5G的高通量卫星通信系统发挥陆地移动通信网络的补充作用。在电信基础设施落后地区，高通量卫星通信系统将承担骨干网络的作用，实现5G系统的主要设计目标，把来自不同工业经济领域的需求映射到信息系统之上，例如农业、能源、金融、医疗、生产制造、媒体、交通、公共安全等领域的相关需求。未来的高通量卫星通信系统应具有面向人、机器提供大规模差异化接入服务的能力，构建泛在高效的空间信息网络，改变过去移动通信领域“天弱地强”的格局。

四、高通量卫星通信发展建议

目前已投入使用的高通量卫星通信系统大多数采用独立设计、建设、运行、维护的发展模式。卫星通信系统之间的界限清晰，支持的功能单一，星网与地网之间的通信体制不兼容，仅可通过关口站与各类陆地网络实现互联互通。考虑到未来的应用领域与应用需求，提出如下几项建议：

1）在通信协议方面，对宽带卫星通信协议作出适应性修改，兼容卫星移动通信领域的GMR-1和GMR-2，兼容陆地宽带通信协议，实现卫星固定通信与卫星移动通信在协议层面的融合，卫星通信网络与互联网的融合；预留与中低轨通信卫星的轨间通信接口，以作为天地一体化信息网络的骨干网[10]。

2）在数字载荷方面，采取软件定义无线电技术，控制在卫星通信频率范围内的各种调制技术和波形要求，在寿命期间具备全新的能力来改变有效载荷功能，可根据陆地业务需求动态调整波束容量、波束覆盖范围。

3）在安全性方面，增加通信链路安全防护能力，满足未来应用于有保密要求的政府用户和军用需求；在面临网络攻击、数据窃取的威胁和挑战时，有针对性采取抗干扰、防窃听、安全路由、安全切换、安全传输、安全接入和密钥管理等安全技术。

4）在终端地球站方面，实现多频段卫星通信融合的通信终端，具有小型化、通用化的特点；单独一个通信终端可支持卫星移动通信、卫星宽带媒体通信、陆地移动通信、导航定位等功能。

五、结论

在互联网技术的带动下，卫星通信进入了高通量的发展阶段。高通量卫星通信单位带宽的使用资费已大幅下降，在低人口密度乡村、群岛、远海岛屿等地区具备与陆地网络竞争的可能性，在海上、空中具备应用普及化的优势。这将激活卫星通信商业应用的潜力，扭转与陆地宽带网络竞争中处于明显劣势的不利局面，带动卫星通信技术的进一步发展。未来可借鉴5G通信标准，探索支持应对差异化服务，转变为人和机器提供信息和服务的一种方式，支持极限移动宽带、海量机器通信、超高可靠的通信应用场景。

高通量卫星通信系统目前存在封闭运行、系统之间的界限清晰、支持的功能单一、星网与地网之间的通信体制不兼容等问题。通信协议、数字载荷、安全性、终端地球站的不断发展，将为高通量卫星通信的发展注入新的活力。