高吞吐量卫星(HTS)和休斯Jupiter-Ka系统-Dec-4-2013

高吞吐量卫星（HTS）和休斯JUPITERKa系统Version1摘要自从休斯发明VSAT（甚小口径天线终端，VerySmallApertureTerminal），并在1984年为沃尔玛（Wal-Mart）连锁商店组建全球第一个商用卫星通信网络，卫星通信已成为今天主流电信基础架构中不可分割的组成部分。全球第一台卫星终端设备重好几公斤，仅支持9.6kbps的数据传输速率，工作在功率受限、总容量低于1Gbps的卫星底下；而现代卫星的容量超过100Gbps，能提供速率达10Mbps或更高的高速互联网服务。作为全球最大Ka频段系统运营商，休斯与大家一起探讨新一代高吞吐量卫星系统的架构和功能，与大家分享Ka卫星应用的经验。休斯设计的JUPITERKa频段卫星通信系统已被广泛应用于各个市场领域，包括企业和政府。休斯JUPITER系统的技术先进性体现在：空中接口–JUPITER系统支持增强版DVB-S2和更高阶调制，载波效率更高，系统吞吐量更大地面关口站结构-高密度关口站架构，每19英寸机柜容量超过1Gbps；每个关口站均为完整独立性设计，包含所有相关的无线和IP处理单位；JUPITER关口站是“无人值守”设计高性能卫星小站-新一代VSAT采用性能强大的芯片，支持高数据吞吐量，能同时挂接更多的应用设备。增值功能–高性价比的虚拟网络运营商（VNO，Virtualnetworkoperator）功能分享使用点波束系统；服务质量保证（QoS）功能区分视频等不同业务的服务等级；卓越的网络支撑系统（OSS，operationalsupportsystem)）有效管理数量众多的小站。1.商用卫星通信的发展：从电话到电视，再到数据在1963年，休斯先后研制了3颗地球同步轨道卫星，分别取名为Syncom-1、Syncom-2、Syncom-3（Syncom：Synchronouscommunicationsatellite)。这是人类首次触及地球同步轨道卫星，只不过当时这些卫星都被美国航空航天局（NASA）用于军方使用。1963年8月23日，美国总统肯尼迪通过Syncom-2卫星与尼日利亚总理进行双向通话，这是历史上首次通过卫星进行政府首脑之间的通话。1965年4月，正当冷战和太空竞赛升级的时候，由休斯制造的EarlyBird（“晨鸟”，后取名叫Intelsat1）地球同步轨道卫星被发射，标志着商业卫星通信的开始。除了被应用于北美和欧洲之间的电话和传真通信，EarlyBird卫星促进了卫星电视广播的更大规模应用。在1965年12月EarlyBird被用来电视直播海上回收Gemini6飞船的全过程。在其后的20年，传输电视节目是通信卫星的主要应用，一直到1985年由休斯工程师发明VSAT。山姆·沃尔顿决定采用休斯的VSAT来连接他的乡村商店和物品配送中心，这被“财富”杂志评为20世纪最重要的商业决策之一，因为与其竞争对手相比，“它（VSAT）给了沃尔玛（Wal-Mart）巨大的信息沟通优势”。沃尔玛（Wal-Mart）的VSAT应用标志着卫星网络通信的开始。最初的卫星设计主要是围绕电视广播，所以要求卫星能覆盖尽可能大的面积，换句话说，卫星设计的关注点是覆盖范围，而不是通信容量。直到今天许多在运转的卫星仍追求大面积覆盖，星上的单个视频发射（广播）能被许多地方接收，如下图1所示。图1为追求大覆盖范围为设计的卫星覆盖图示例第一颗卫星工作在C频段（4-6GHz），随着时间的推移，出现了更高频率的Ku频段（10-14GHz）卫星。直到过去10年Ku卫星仍占全球卫星通信的主导地位。受高清电视、高速互联网接入等应用需求的推动，许多地区对卫星带宽的需求量超过Ku频段的限制，从而推动使用更高的频段-Ka频段（18-30GHz）。对覆盖范围的追求影响了卫星的容量，如果用于数据通信，先前的卫星一般只支持几个Gbps的容量。举例来说，如果一颗卫星有24个C波段转发器（每转发器36MHz）和24个Ku波段转发器（每转发器36MHz）的载荷，总共48个转发器其总容量为1.7GHz。假设一个36MHz转发器支持70Mbps的数据吞吐量，那么1.7GHz带宽仅支持略超过3Gbps的数据传输速率。图Spaceway3（左）和EchoStar17卫星（右）近些年陆续发射的新一代高吞吐量卫星（HTS）卫星采用多点波束结构，通过重复使用有限的频率资源而具备更大的通信容量。如图2所示，HTS卫星采用类似于地面蜂窝网的技术，各个点波束采用不同频率和极化的组合而彼此独立工作。事实上这些技术早已被用于不少卫星的设计，不同是现在的波束更小，波束数量更多，频率复用的程度更高。拿休斯Spaceway3卫星举例（下面有更多描述），通过24倍的频率复用，原先500MHz的频谱最后支持12GHz的通信容量。图2频率复用另一个例子是采用Juipter高吞吐技术的EchoStar17卫星，它有60个点波束。EchoStar17卫星与Spaceway3合起来形成对整个北美的优化覆盖（如下图）。图3EchoStar17与Spaceway3对北美的优化覆盖点波束之间的频率复用使得卫星拥有更多的容量。举个例子，一颗采用60个点波束（或用户波束）的HTS，如果每一个点波束为出向500MHz和回传500MHz的容量（典型的Ka频段分配），则此颗卫星拥有60GHz的容量。通过频率复用，HTS能够获得比常规卫星多得多的带宽GHz数，在这个例子是超过30倍的容量。一颗卫星，不管是按最大化容量或最大化覆盖设计，其星体设计、建造、发射的成本是大致相同的，所以HTS卫星的每比特（bit）费用要远低于为优化覆盖而设计的卫星。2.HTS卫星采用Ka和Ku频段现在许多新的高吞吐量卫星采用Ka频率。其中一个简单原因是安排给其它频段的卫星轨道位置已快被用完，今天已很难从国际电信联盟（ITU）申请得到商业Ku频段的轨道位置。而Ka的轨道位置还很多，当前只有少数Ka轨道被使用，运营商较容易从ITU获得Ka轨道。相对于Ku频段，Ka频段拥有更宽的频谱，一颗典型的Ku卫星可能使用750MHz频谱，而Ka卫星仅其地面关口站的馈电波束就可能使用1500MHz或更宽的频谱。如今Ka技术已经达到一定的成熟度，卫星网络的性能、可靠性和可用性都能与Ku网络相媲美。Ka关口站的射频传输设备（RFT）有支持750瓦输出功率的行波管（Travellingwavetubes，TWT）功率放大器，卫星终端的Ka射频部件采用最先进的砷化镓（Galliumarsenide，GaA）单片微波集成电路（monolithicmicrowaveintegratedcircuits，MMIC），工作稳定/可靠、性价比高。虽然HTS卫星通常指Ka频段，小波束、频率复用的理念也可以被应用到Ku频段。例如Intelsat29E（或叫EPIC）卫星虽然使用Ku轨道位置和Ku频率，但也是采用点波束架构。根据Intelsat公布的信息，第一颗EPIC卫星有以下特点：多点波束，波束宽度为2度（或更小）点波束容量为160Mbps宽波束容量为40Mbps总通信容量为25–60Gbps通过采用2度波束宽度（Ka点波束通常采用0.4到0.8度）和频率复用，Intelsat的EPIC卫星能够覆盖与传统卫星相比拟的大区域，但同时又有较高的通信容量。3.不同的架构数据通信可以采用不同的卫星架构，根据具体情况每种架构均有其优点和缺点。使用传统35-56MHz转发器的宽波束如图4所示，传统卫星主要关注卫星的覆盖，其转发器波束可以覆盖一片很大的区域。此架构为“环回”设计，即卫星接收、转发信号的区域为同一个覆盖区域。这种方式允许任何两个卫星站之间单跳发送/接收，可以开展网状通信。图4“环回”式架构小点波束设计HTS卫星的波束大小需要权衡卫星的容量与覆盖。小波束可以做到较高的容量，因为小波束会有较好的链路特性，从而有更高的频谱效率和通信容量。大波束在赢得大覆盖的同时，由于其辐射能量要分摊到大区域，频谱效率相对来说低。EchoStar17卫星采用0.5度左右（或略大，直径约300公里）的小用户波束，所有用户波束连接到关口站，出向、入向信道采用不同的频率。如图5所示，在点波束架构下，小站只能接收关口站发送的信号，而不能接收其它小站。这种架构设计最大限度地提高容量，关口站的位置可以远离用户波束，馈电波束可以利用用户波束的频谱。图5点波束卫星架构在下图6，关口站利用馈电波束发送前向信息给所有的用户波束。馈电波束由一个或多个子信道组成，每个子信道对应于一个特定的用户波束。卫星将馈电波束中的所有出向业务进行拆分，再发送至相应的用户波束。回传信道也做类似配置。图6小波束系统中的前向信道结构在这种架构中，关口站的能力受制于馈电波束频谱的容量，而不是所服务的用户波束数量。需要注意的是此结构不支持单跳、点到点、或网状通信，小站之间无法接收对方发送的信号。“再生式“系统在上面提到的例子中，卫星的工作方式类似于一个“弯曲管”，即卫星仅仅充当中继器，将接收的任何信号直接发回给地球。另一个方式称为“再生式”，即卫星解调接收的信号，重新调制后再发回地球。图7说明了这两个方式的差异。图7弯曲管载荷-再生式载荷休斯Spaceway3Ka频段卫星能够给需要的区域提供高通信容量，部分原因是星体上使用了先进的相控阵天线，此天线帮助进行功率的动态调配（如图8所示）。这有别于使用固定方向天线的传统卫星，它们无法根据不同区域通信需求的变化而调整卫星功率分配。休斯Spaceway3卫星具有很强的应用适应能力，例如：可以调整波束大小和形状可以调整对不同区域的容量分配当应用需求变化时动态调整每波束的容量分配图8Spaceway3通信架构点波束和频率复用，这些如今许多HTS卫星所使用的技术，在休斯Spaceway3卫星上早就被采用。4.越大不一定越好当今工业水平能制造容量超过100Gbps的卫星，这并不意味着每一个运营商都应该部署这样大容量的卫星。目前全球50多个活跃的Ka卫星项目（无论已在轨或计划发射），大部分卫星都采用部分载荷为Ka频段的方式。这些卫星的主要业务（尤其是广播）是采用传统的36/54MHzKu和C频段，当需要时，卫星运营商可以逐步加载、使用星体上的Ka载荷。一个很好的例子是在2013年发射的Hispasat亚马孙3号卫星。亚马孙3号卫星有以下载荷：33个Ku转发器19个C转发器9个Ka点波束假设每个Ka点波束容量是500MHz，则该卫星具有9GHz的Ka数据通信能力。一般的服务提供商可能比较喜欢部分Ka载荷卫星、或小容量的纯Ka卫星，因为：小地域覆盖-目标覆盖区域可能仅是一个中等大小的国家预期填充率较缓慢-发展中国家的填充率可能比北美或欧洲慢，立即部署大载荷不具备经济性方面的好处。在这些地域，扩大覆盖应该比提高容量更有意义低成本-在卫星上安装部分载荷的开支远低于发射一颗纯Ka卫星所以我们认为，卫星容量不一定越大越好。事实上，只有当填充率很高、或总容量能被迅速消耗，卫星才是“越大越好”。市场需求多种多样，较小的容量可以使运营商用较小投资先进入市场。5.封闭式、或开放式运营方式运营高吞吐量卫星有不同的商业模式。对为北美提供了超过100Gbps容量的EchoStar17卫星，休斯采取了封闭式运营方式。见图10，封闭式运营方式由一个实体运营卫星、构建地面系统，再直接、或通过一个或多个零售合作伙伴向最终用户提供服务。在这样的“Mbps”模型中，卫星运营商通过各种服务计划出售Mbps，最大限度地提高投资回报率。而一个（或多个）服务提供商仅购买卫星物理带宽来经营其自己的卫星通信服务，这样操作的可能性不大。图10封闭式商业模型（“Mbps”模型）为了能使一个封闭式系统创造利润，服务提供商必须做出重大的投资，包括卫星和地面系统。服务供应商需要有一个完整的业务支持系统（BSS，BusinessSupportSystem）来运行服务业务，包括订单处理、安装调度、客户激活、计费、客户关系管理（CRM）、帮助台等业务。此外，也许更重要的是，服务