高吞吐量卫星(HTS)和休斯Jupiter Ka系统_Dec 4 2013

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1、 高吞吐量卫星（ HTS）和休斯 JUPITER Ka系统 Version 1 摘要 自从休斯发明 VSAT（ 甚小口径天线终端， Very Small Aperture Terminal），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 9.6 kbps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 10 Mbps或更

2、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 JUPITER Ka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

3、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 ， Virtual network operator）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， operational support system)） 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

4、地球同步轨道卫星，分别取名为 Syncom-1、Syncom-2、 Syncom-3（ Syncom： Synchronous communication satellite)。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 Early Bird（“晨鸟” ，后取名叫 Intelsat 1） 地球 同步 轨道卫星

5、 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 ， Early Bird卫星 促进了 卫星电视广播的更大规模应用。 在 1965年 12月 Early Bird被用来 电视直播 海上 回收 Gemini 6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 （ Wa

6、l-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

7、）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

8、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 Spaceway 3（左）和 EchoStar 17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

9、 Spaceway 3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 EchoStar 17卫星 ，它 有 60个点波束 。 EchoStar 17卫星 与 Spaceway 3合起来 形成对整个北美的优化覆盖（如下图） 。 图 3 EchoStar 17与 Spaceway 3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

10、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

11、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

12、 行波管 （ Travelling wave tubes， 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（ Gallium arsenide，GaA）单片微波集成电路（ monolithic microwave integrated circuits， 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Intelsat 29E（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，

13、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

14、 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。 EchoStar 17卫星采用 0.5度左右 （ 或略 大 ， 直径约 300公里）的小 用户

15、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

16、 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 Spaceway 3 Ka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