Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析

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1. 序言

自从1945年Clarke提出卫星通信的想法后，卫星通信已经走过了60多年的发展历程。最近二十年Ka频段多点波束卫星通信系统发展迅猛，但其发展道路也充满了曲折。本文通过研究梳理Ka频段多点波束卫星通信系统发展历程，就未来发展趋势进行分析预测，希望对我国相关领域的发展提供借鉴。

2. 卫星通信发展概述

如果以1945年Clarke提出卫星通信的设想作为卫星通信的开端，20年后1965年第一颗商业通信卫星Early Bird成功发射；约20年之后在1984年第一个商用

Ka频段多点波束卫星通信系统发展趋势分析

+ 郑晓天 李集林 刘海客 于雪晖 林墨

航天恒星科技有限公司

VSAT系统在沃尔玛成功投入使用；再过20年到2004年DVB-S2标准正式推出。回顾卫星通信发展历史，每隔20年卫星通信必然会发生重大变革。

1957年前苏联发射了人类第一颗人造卫星Sputnik I。虽然Sputnik I只能发射信标信号，但它证明通过卫星进行通信是可行的。随后Echo I和Echo II采用无源反射的方式进行了卫星通信实验。紧接着分别在1962年和1963年Telstar I 和Telstar II发射成功，上述卫星都携带了一个带宽50MHz的C频段转发器，采用太阳能电池和蓄电池供电，进行了跨大西洋电视直播和电话通信演示。在1965年之前，美苏发射了大量的的通信卫星进行实验，但都集中于中低轨道。直到1965年

关键词：Ka频段 星座 静止轨道 Anik F2

摘要：Ka频段多点波束卫星通信系统有星座组网、全球覆盖、星上交换等实现方式；也有静止轨道、区域覆盖、透明转发等实现方式。前一种方式波束覆盖灵活可调，通信质量高，技术复杂，容量受限；后一种方式技术简单可靠，容量大，波束覆盖相对固定。本文通过对Ka频段多点波束卫星通信系统发展的梳理，以及射频技术和数据通信技术发展对卫星通信发展影响的分析，指出就将来一段时间而言，后一种方式是Ka频段多点波束卫星通信系统发展的主流。

4月16日，第一颗投入商业运行的静止轨道通信卫星INTELSAT I 也称作Early Bird发射升空。该卫星由Hughes公司负责制造，由Intelsat负责运营。Early Bird携带两个25MHz带宽的C频段转发器，能够提供480路语音信道[2, 3]。从此以后到80年代中期，静止轨道卫星容量越来越大，能够提供上万路的的话音和几十套电视节目，但其基本工作模式和技术没有本质变化。1985年Hughes公司为Wal-Mart建设了世界上第一个商用VSAT系统，这是卫星通信系统一次重大的变革，被《财富》杂志评为20世纪最具有意义的20个战略决策之一[4]。VSAT系统不仅仅是通信频段的变化和终端天线的小型化，更重要的是实现了基于卫星的双向交互式通信，实现了卫星通信的一次飞跃。随后几十年基于静止轨道卫星的VSAT发展迅猛，但是其固有的大延时制约了其在当时条件下的发展。所以后来移动通信卫星利用其轨道高度低，延迟小，信号损耗小和全球覆盖的优势，迅速得到了发展。而当时光纤通信技术存在诸多缺陷，在这种背景下铱星和GlobarStar 基于全球覆盖的卫星通信网看起来前途光明。但在其通信网络建成之后，地面光纤性能大幅度提升，即使跨海光缆的性价比也远远优于LEO卫星通信。因此铱星正式运营没多久就破产，被美国军方收购。1993年美国NASA先进通信技术卫星（ACTS）发射升空[1]，此后十年是Ka频段多点波束

卫星发展的高潮，各种卫星通信方案相继提出。3. Ka频段星座组网全球覆盖卫星通信系统

在Ka频段多点波束卫星理论进行了20多年研究，并通过ACTS行了大量试验之后，人们迫不及待将其进行商业化推广应用。在上世界末和20世纪初，在全球范围内规划了大量的宽带卫星通信系统，包括LEO、MEO和GEO卫星，如图 1所示[2]：

Astrolink[3, 4]– 该卫星系统包括9个GEO Ka 频段卫星。其上行频率为28.35-28.8GHz和29.25-30.0GHz。下行频率为19.7-20.2GHz。该系统的目标是提供基于卫星网络的高速多媒体通信。Astrolink采用星上处理（Onboard Processing OBP）以提升系统的效率，并采用星上交换（Onboard Switch OBS）提升系统的灵活性。该系统能够向端站提供从16kb/s到9.6Mb/s的数据传输速率。并且端站采用90cm碟形天线就能够支持384kb/s的上行数据速率。

Cyberstar[4, 5]- Cyberstar卫星星座包含3颗Ka 频段GEO卫星。该卫星系统旨在向网络服务提供商（Internet Service Providers ISPs）、大中小商业组织和多媒体服务提供商提供IP多信道广播广播通信服务。Cyberstar网络的容量为9.6Gbps。该卫星系统的网络将采用基于帧中继和ATM的通信网络架构。

Spaceway[6]-该系统包含16颗GEO卫星和20颗MEO卫星。该卫星的Ka系统能够提供高速数据传输、Internet接入和宽带多媒体信息服务。Spaceway卫星架构基于传统的弯管转发。当使用0.66m口径天线的终端时，该系统能提供高性能QoS（BER<10-10），并保证从16kbps到6Mbps的上行传输数据速率。Spaceway卫星网络兼容ATM协议，ISDN，帧中继和X.25等地面网络标准。

SkyBridge[7]-SkyBridge星座包含80颗圆轨道LEO卫星，轨道高度1469Km，轨道倾角53°。该系统旨在提供先进信息服务（例如：交互式多媒体服务），

图 1 下一代卫星通信系统[2]

021Satellite

& Network

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2014

信息速率从16kbps到60Mbps。SkyBridge卫星基于弯

管转发架构。不同于其它卫星，SkyBridge工作于Ku

频段，上行工作频率为12.75-14.5GHz，下行工作频率

为10.7-12.75GHz。该系统选择Ku频段的原因在于其

Ka相关技术还不成熟。SkyBridge信关站与地面网络的

接口为ATM交换机，该系统预计能满足两千万用户同

时使用。

Teledesic[8]– 该系统包含288颗卫星，所有卫星平均分布于12条轨道，每条轨道由24可卫星组成。

Teledesic卫星系统工作于Ka频段，上行频率28.6-

29.1GHz，下行频率为18.8-19.3GHz。每条轨道间相邻卫星的星间链路（Intersatellite Links ISLs）工作于60GHz频段。Teledesic采用了OBP和OBS技术，旨在提供“空中Internet”。它能够提供高质量和话音、数据和多媒体信息服务。QoS设计性能为BER<10-10。上行链路采用MF-TDMA接入方式，下行采用异步TDMA（ATDMA）多址接入。该系统设计容量为10Gbps，用户上行速率为2Mbps，下行速率为64Mbps。

iSky（KaStar）[9]-iSky曾叫做KaStar，旨在向北美地区提供宽带数据和Internet服务。其Ka系统服务包括：高速双向Internet接入，卫星广播电视服务（Direct Broadcast Service DBS）和未来个人通信系统（Personal Communications Systems PCS）。iSky系统初期由2颗GEO卫星组成，上行频率为19.2-20.0GHz，下行频率为29.0-30.0GHz。终端上行速率为1.5-5Mbps，下行速率为40Mbps.

从上述分析可以看出，这些系统多为中低轨道Ka 频段卫星星座。相比于GEO和GSO卫星，中低轨卫星的优势是明显的，这种优势主要是由于其更低的轨道高度，主要包括：

更短的信号时延-由于中低轨道卫星轨道高度更低，信号往返时间（Round Trip Time RTT）更短，因此用户会获得更好的的话音体验。

更小的链路衰减-轨道高度低的另外一个好处是，信号在自由空间中的损耗会更小，因此用户甚至可以直接使用手持设备进行通信或获得热点服务。

但同时更低的轨道高度同时特给LEO和MEO卫星带来了很大不利因素，主要包括：

星座组网-为了保证卫星服务覆盖范围，LEO和MEO卫星必须进行星座组网。如图 1所示，每个星座少则十几颗卫星多则几十上百颗卫星，整个系统的成本是非常昂贵的。

ISLs链路与卫星切换-LEO和MEO卫星的轨道周期很短，为了保证提供持续不断地服务，必须保证卫星之间的链路通信。而要合理的规划卫星星座中每颗卫星合理的通信范围和可靠地ISLs，必须采用非常复杂的技术，这将导致昂贵的费用和低可靠性。

终端天线-由于LEO和MEO卫星相对地面固定位置一直在运动，所以终端必须采用全向天线或者带有跟踪装置的定向天线。全向天线没有增益，因此会限制终端数据速率。如果采用带有跟踪装置的天线，会带来重图 2 Anik F2点波束覆盖区域[11]