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從運營角度探討GEO 衛(wèi)星演進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

2024-09-06 00:00:00馮建元李杰龐立新郭樺
無線電通信技術(shù) 2024年3期
關(guān)鍵詞:衛(wèi)星通信

摘 要:在衛(wèi)星通信逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)化運營的背景下,針對近年來低軌星座對同步靜止軌道(Geostationary Orbit,GEO)衛(wèi)星運營帶來的挑戰(zhàn),提出了提高GEO 衛(wèi)星資源利用效率和降低通信成本的運營思路。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合衛(wèi)星通信未來發(fā)展面對的時空變化的業(yè)務(wù)、高價值移動載體、天地協(xié)同泛在互聯(lián)三類重要應(yīng)用場景,根據(jù)各場景特點分析了GEO 衛(wèi)星提高服務(wù)性價比的關(guān)鍵技術(shù),包括衛(wèi)星靈活載荷技術(shù)和衛(wèi)星與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù),指出了這些技術(shù)的架構(gòu)和功能要點,以及技術(shù)實施后對衛(wèi)星資源利用的重要影響。

關(guān)鍵詞:全靈活衛(wèi)星;星地融合;衛(wèi)星通信;靜止軌道衛(wèi)星;衛(wèi)星運營

中圖分類號:TN91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):

文章編號:1003-3114(2024)03-0422-05

0 引言

從技術(shù)變革和運營角度來說,衛(wèi)星通信領(lǐng)域近十年最大的變化有兩點:一是高通量通信衛(wèi)星技術(shù)趨于成熟[1],并成為國際上主流的新造通信衛(wèi)星;二是低軌衛(wèi)星及其星座的再次興起,并進(jìn)入大規(guī)模星座落地實施階段[2]。前者改變了通信衛(wèi)星運營商的運營模式,從通信衛(wèi)星運營商演變?yōu)樾l(wèi)星通信運營商,經(jīng)營模式由出租出售轉(zhuǎn)發(fā)器物理頻譜帶寬,轉(zhuǎn)變?yōu)槔米越ǖ男l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)向終端用戶提供約定速率或時長的通信和數(shù)據(jù)傳輸流量包服務(wù),衛(wèi)星運營商完成了向網(wǎng)絡(luò)化運營衛(wèi)星的轉(zhuǎn)變。后者則在同步靜止軌道(Geostationary Orbit,GEO)衛(wèi)星單星組網(wǎng)模式外,增加了多星多軌構(gòu)建衛(wèi)星通信網(wǎng)的形態(tài),構(gòu)建了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的概念,使得多軌道衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)、星地融合通信走進(jìn)了衛(wèi)星通信研究視野;同時,從商業(yè)運營上講,低軌星座提出了面向個人消費者服務(wù)的運營模式,這也將原本衛(wèi)星通信面向商業(yè)(To B)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃匣ヂ?lián)網(wǎng)特點的面向個人(To C)模式,潛在目標(biāo)市場立即擴(kuò)大上萬倍。這兩項重大變化,改變了通信衛(wèi)星研制、應(yīng)用和運營的技術(shù)、規(guī)模和模式。

與高通量GEO 衛(wèi)星體制成熟、技術(shù)和資源門檻較高不同,低軌衛(wèi)星星座由于技術(shù)可塑空間大、技術(shù)創(chuàng)新角度較多,同時衛(wèi)星軌道、頻率等網(wǎng)絡(luò)資料有較多可申報的資源,近年來已成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域新入局制造商、運營商的首選項。目前,全球有超300 個低軌衛(wèi)星星座提出了建設(shè)計劃,其中一部分已經(jīng)開始建設(shè),具有代表性的星座是SpaceX 公司的Starlink[3]和Eutelsat 公司的OneWeb 星座。截至2024 年3 月,Starlink 累計發(fā)射5 504 顆衛(wèi)星,在軌可操作5 442 顆;截至2023 年5 月,OneWeb 在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到634 顆。其他星座計劃如中國星網(wǎng)、亞馬遜Kuiper、Lynk Global 也在加速推進(jìn)星座建設(shè)[2,4]。

商用低軌星座并非新鮮事物,其誕生與發(fā)展可以追溯至20 世紀(jì)90 年代銥星系統(tǒng),但銥星系統(tǒng)由于運營成本過高,于2000 年破產(chǎn),后因美國國防用途注資得以起死回生。此后,十幾年間低軌星座一直較為沉寂,僅有少量用于窄帶物聯(lián)網(wǎng)用途的星座系統(tǒng)存活運營。近年來低軌星座的再次興起,主要歸于以下幾點原因:

① 一箭多星、火箭回收等技術(shù)創(chuàng)新,極大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本和行業(yè)進(jìn)入門檻,發(fā)射小衛(wèi)星具備了經(jīng)濟(jì)可行性。

② 零器件工藝進(jìn)步使采用工業(yè)級器件制造衛(wèi)星成為可能。此外,衛(wèi)星制造商通過采用流水線生產(chǎn)進(jìn)一步降低了衛(wèi)星制造成本、縮短了研制周期。

③ 集成電路技術(shù)進(jìn)步在保證衛(wèi)星性能指標(biāo)能力基礎(chǔ)上,使衛(wèi)星小型化、模塊化、商業(yè)化,同時使用戶終端也變得更小、更便宜。

④ Q/ V、W 等新頻段技術(shù)研發(fā)使得更多的衛(wèi)星頻軌網(wǎng)絡(luò)資料可被用于低軌星座。

低軌星座大量投入應(yīng)用,對GEO 衛(wèi)星的通信運營帶來了一定挑戰(zhàn):① 低軌星座可以實現(xiàn)全球覆蓋。GEO 衛(wèi)星由于定點在赤道上空,當(dāng)用戶終端位于高緯度地區(qū)時,用戶終端對星時天線仰角過低造成無法通信,一般GEO 衛(wèi)星有效覆蓋區(qū)域為南北緯70°以內(nèi)地區(qū),對南北兩極地區(qū)無法覆蓋;而近年來由于氣候變化,北極航道逐漸具備通航能力,國際航運市場對北極通信覆蓋需求越來越大,一些客戶可能由于潛在的北極通信需求而選擇低軌衛(wèi)星。② 低軌星座可實現(xiàn)高容量和低時延。低軌星座由于在軌衛(wèi)星數(shù)量龐大,可以提供的通信容量總供給較大;同時由于衛(wèi)星距離地面較近,無線電信號傳播時延較低。③ 低軌衛(wèi)星終端可以做得更小,且更容易降低成本。由于空間傳播損耗的降低,低軌星座用戶終端不需要維持較大的天線口徑以保證較大的天線等效全向輻射功率和接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)(G/ T值),同時低傳播損耗留出了簡配天線終端的空間,必要時可以把終端成本降低。低軌星座這三方面優(yōu)勢會對GEO 衛(wèi)星應(yīng)用造成較大影響[5]。

面對低軌星座帶來的挑戰(zhàn),GEO 衛(wèi)星要加強其本身的優(yōu)勢,并對不足之處加以彌補。GEO 衛(wèi)星最主要的優(yōu)勢是性價比高,因此提升性價比是GEO 衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要方向。具體而言,就是提升衛(wèi)星資源利用率,降低通信成本。

1 面向重要應(yīng)用場景的變革思路

高性價比是GEO 衛(wèi)星相對于低軌星座天然的優(yōu)勢[5]:① 從組網(wǎng)角度來說,GEO 衛(wèi)星單星即可成網(wǎng),因而實現(xiàn)全球覆蓋所需衛(wèi)星數(shù)量少,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期短、投入低;而低軌星座往往需要發(fā)射大量衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋,雖然單星造價便宜,但總體成本高昂。② GEO 衛(wèi)星壽命較長,目前一般衛(wèi)星壽命在15 年以上,而低軌衛(wèi)星壽命普遍在3 ~5 年,短壽命意味著低軌星座的衛(wèi)星更換周期頻繁,造成了對網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)性投入。③ 從資源分配上講,GEO 衛(wèi)星對地靜止,衛(wèi)星資源可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求進(jìn)行重分配,需求大的地方多放資源,需求少的地方少放資源;但低軌衛(wèi)星由于繞地球旋轉(zhuǎn),衛(wèi)星會均勻地飛過軌道的每一個位置,即使在需求度極低的無人地區(qū),低軌衛(wèi)星資源也不得不分布在那里;因此,低軌衛(wèi)星的資源無法做到不浪費,經(jīng)估算,以目前的組網(wǎng)架構(gòu),低軌星座大約70% 以上的覆蓋屬于低效覆蓋。

自寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)充分發(fā)展以來,衛(wèi)星通信市場最大的增長點由廣播電視業(yè)務(wù)變?yōu)橐苿虞d體的通信服務(wù),包括船舶、飛機、車輛甚至個人終端的上網(wǎng)服務(wù)。因此,GEO 衛(wèi)星提高服務(wù)性價比應(yīng)面向移動載體衛(wèi)星通信服務(wù)進(jìn)行針對性設(shè)計。這種衛(wèi)星通信服務(wù)的場景具有幾個特點:一是業(yè)務(wù)具有時空變化特征;二是高價值單體用戶需要資源傾斜;三是需要與陸地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同實現(xiàn)泛在連接,以提升用戶在服務(wù)連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性和速率等方面的體驗。

針對業(yè)務(wù)具有時空變化特征的應(yīng)用場景,包括飛機、船舶、汽車等移動載體,這些用戶的業(yè)務(wù)特點是在移動狀態(tài)下,隨著時間和空間的變化,業(yè)務(wù)強度和分布呈現(xiàn)變化的態(tài)勢。一個典型例子是漁船用戶業(yè)務(wù):我國近海漁船大部分集中于東南沿海衛(wèi)星波束中,每年在休漁季時,這些波束在網(wǎng)船只數(shù)量與周邊波束基本相近,都為往來商船;但到每年8、9 月,沿海開漁,這些波束在網(wǎng)船只會迅猛增漲1 ~2 個數(shù)量級,衛(wèi)星波束內(nèi)資源隨即由供需平衡變?yōu)楣┎粦?yīng)求,如圖1 所示。面對這種一年內(nèi)忙閑季節(jié)變化造成通信資源需求量巨大差異的情況,如果GEO 衛(wèi)星資源可以在忙時調(diào)集補充、閑時又可調(diào)走,則可以實現(xiàn)衛(wèi)星資源的最大利用。

針對高價值移動載體(用戶平均收入高的移動載體)的應(yīng)用場景,例如民航飛機、大型郵輪,其移動路線非常有特點,雖然航線計劃一年內(nèi)會變化數(shù)次,但航線一旦確定,移動軌跡根據(jù)計劃航線來定,具有高度規(guī)律性。根據(jù)這個特點,GEO 衛(wèi)星可重點在該航線區(qū)域分布衛(wèi)星資源,如根據(jù)飛機和郵輪的航線,多個波束按照移動軌跡聚合成一個波束等。這樣可以減少用戶波束切換帶來的速率降低問題,從而避免其他用戶跟高價值用戶在同一波束內(nèi)爭搶資源導(dǎo)致業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量無法達(dá)到高價值用戶的要求,在提高資源利用率的同時更好保障用戶體驗。

針對天地協(xié)同泛在連接的應(yīng)用場景,是GEO 衛(wèi)星通信重點發(fā)展方向。單純衛(wèi)星用戶數(shù)量有限,與地面?zhèn)€人用戶動輒數(shù)十億級的規(guī)模差異顯著,GEO衛(wèi)星發(fā)展必然要進(jìn)入個人消費者應(yīng)用的場景,與陸地網(wǎng)絡(luò)融合。對于在陸地網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋與不覆蓋區(qū)域中穿梭的車輛、船舶,其乘客有4G/5G 網(wǎng)絡(luò)切換到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的需求。這個過程如果能實現(xiàn)統(tǒng)一認(rèn)證和計費、平滑無感切換,用戶可以享受陸地蜂窩+衛(wèi)星的廣域連續(xù)服務(wù),真正實現(xiàn)泛在接入、協(xié)同通信;GEO 衛(wèi)星運營商則納入了地面數(shù)以億計的用戶規(guī)模。

2 賦能應(yīng)用的GEO 衛(wèi)星下一代關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)GEO 衛(wèi)星變革,以實現(xiàn)在上述場景中給用戶帶來更好體驗、更低成本的通信服務(wù),基于運營角度考慮,下述關(guān)鍵技術(shù)將是GEO 衛(wèi)星重點發(fā)展的技術(shù)。

2. 1 全靈活衛(wèi)星技術(shù)

靈活衛(wèi)星又稱軟件定義衛(wèi)星,軟件定義衛(wèi)星借鑒軟件定義網(wǎng)絡(luò)的概念,將“硬件通用而通過軟件調(diào)整”的思路移植到衛(wèi)星制造上[6]。具體而言,全靈活衛(wèi)星通過使用數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)器、數(shù)字波束賦形(Digital Beam Forming,DBF)等靈活載荷技術(shù)將實現(xiàn)衛(wèi)星“全靈活”,衛(wèi)星波束的數(shù)量、大小、指向、形狀、頻率、極化和功率可實時在軌重配置。全靈活衛(wèi)星可以使衛(wèi)星的帶寬、頻率、功率等資源得到充分利用,從而有效降低衛(wèi)星系統(tǒng)運營成本。

全靈活衛(wèi)星可調(diào)整波束,即在衛(wèi)星可視范圍內(nèi),形成任意數(shù)量波束,且波束的數(shù)量,每個波束的大小、指向、形狀、極化實時可調(diào),同時支持點波束、區(qū)域波束、全球波束、可動波束[7]。每個波束可按需配置/ 重配置,滿足不同區(qū)域、不同時間的業(yè)務(wù)特點,從而大幅度提升市場風(fēng)險應(yīng)對能力。

全靈活衛(wèi)星實現(xiàn)頻率可調(diào),“全載波”可任意連接至“全波束”以支持波束交換、子帶交換、頻率調(diào)整、增益調(diào)整、載波復(fù)制,滿足衛(wèi)星通信市場上用戶多變的業(yè)務(wù)需求,可調(diào)度空閑區(qū)域的頻率資源至熱點區(qū)域,大幅度提升頻率利用率,有效降低資源開銷。

全靈活衛(wèi)星實現(xiàn)整星有效功率調(diào)度。整星全部行波管放大器(TravelingWave Tube Amplifier,TWTA)的功率匯聚成“功率池”,通過有源電掃相控陣天線和密集排列的小型化TWTA,實現(xiàn)非信道化架構(gòu),功率可從功率池中自由分配給任意波束和子信道,全饋源作用于全波束,還可通過DBF 的權(quán)值計算精密控制功率分配。

通過上述全靈活衛(wèi)星技術(shù),衛(wèi)星資源有效利用率預(yù)計可由72. 9% 提升至92. 6% 。此外,全靈活衛(wèi)星還需通過小型化集中供電技術(shù)、TWTA 小型化輕量化技術(shù)、TWTA 高集成技術(shù)實現(xiàn)高集成小型化TWTA,以及利用超窄點波束實現(xiàn)更大的頻率復(fù)用。全靈活衛(wèi)星最終體現(xiàn)為以下幾點:① 高性價比,提供更便宜的單位通信容量;② 高出租率,資源的全靈活伴隨著更高的出租率;③ 強競爭力,靈活性滿足快速變化的未來市場和用戶需求;④ 高滿意度,全靈活衛(wèi)星提供靈活的高速、高穩(wěn)定服務(wù)。

2. 2 衛(wèi)星與蜂窩融合技術(shù)

下一代通信技術(shù)的發(fā)展方向是天地一體化[8],要求衛(wèi)星和蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng);同時,讓規(guī)模數(shù)以幾十億計的地面用戶實現(xiàn)廣域連續(xù)服務(wù),真正實現(xiàn)泛在接入、協(xié)同通信,是衛(wèi)星通信豐富使用場景、擴(kuò)大受眾的重要方式[9]。

天地協(xié)同融合的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備如下特點:從網(wǎng)絡(luò)角度看,融合網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)統(tǒng)一資源調(diào)度和優(yōu)化;從用戶角度看,全網(wǎng)統(tǒng)一身份無縫使用。運營商可以在衛(wèi)星網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)之間匹配資源,實現(xiàn)全鏈路性能最優(yōu);用戶可以在衛(wèi)星網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)無感切換,在廣域內(nèi)保障服務(wù)連續(xù)性,實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)一體化。

目前,衛(wèi)星僅作為骨干回傳蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)的角色,這種方式下衛(wèi)星網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)互為黑盒,無法互調(diào)匹配資源,一張網(wǎng)資源緊缺會成為另一張網(wǎng)的瓶頸,網(wǎng)絡(luò)效率低;用戶在衛(wèi)星與蜂窩網(wǎng)間切換時,需要變換身份,也會導(dǎo)致服務(wù)中斷。ITU、Sat5G、3GPP 等組織以及各廠家、科研機構(gòu)都在研究星地融合方式,其中3GPP 的Release17、18 明確了非地面網(wǎng)絡(luò)(NonTerrestrial Network,NTN)一些終端場景的方式,即對5G NR(新空口)進(jìn)行多普勒補償、時延補償、時序優(yōu)化、移動性優(yōu)化等改良,以適應(yīng)衛(wèi)星信道特點[10-11],如圖2 所示(圖中網(wǎng)元為3GPP 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元)。但將5G 空口技術(shù)移植衛(wèi)星鏈路(尤其是GEO 衛(wèi)星鏈路)仍存在兩個問題:一是5G 多載波的波形技術(shù)峰均比高,容易造成星上功率放大器運行在低功率狀態(tài),從而造成衛(wèi)星功率資源浪費,這對GEO 衛(wèi)星運營商而言是無法接受的;二是當(dāng)前全球GEO 市場上,從運營商到用戶幾乎全部的設(shè)備都為DVB 體制,使用5G 體制意味著全部設(shè)備需要更換,衛(wèi)星設(shè)備與手機有很大區(qū)別,這對很多運營商和用戶來說,不易接受。

另外一種方式是進(jìn)行衛(wèi)星DVB 體制與5G 體制的異體制融合,如圖3 所示(圖中N6 為3GPP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接口),通過對DVB 協(xié)議進(jìn)行增強,以及DVB作為接入網(wǎng)協(xié)議與5G 核心網(wǎng)協(xié)議之間的映射和轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)衛(wèi)星接入網(wǎng)信令與5G 核心網(wǎng)互通,以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層面雙網(wǎng)互通。這種方式可以在保持現(xiàn)有衛(wèi)星市場現(xiàn)狀不做大改動情況下,將衛(wèi)星作為無線接入網(wǎng)的控制信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入5G 核心網(wǎng),從而實現(xiàn)衛(wèi)星和陸地蜂窩網(wǎng)在控制和業(yè)務(wù)層面的融合。

此外,學(xué)術(shù)界還在積極研究新的波形,以兼顧陸地蜂窩網(wǎng)高移動寬帶和衛(wèi)星大尺度傳輸?shù)囊蟆R虼?,未來以一種新的波形統(tǒng)一衛(wèi)星和陸地蜂窩網(wǎng)的體制仍然是潛在選項之一。

3 結(jié)束語

高通量通信衛(wèi)星技術(shù)成熟和低軌星座再次興起是近十年來衛(wèi)星通信市場發(fā)生的重要變化。前者改變了通信衛(wèi)星運營商的運營模式,后者則構(gòu)建了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的概念,多軌道衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)、星地融合通信走進(jìn)了衛(wèi)星通信研究視野。低軌星座由于全球覆蓋、大容量、小終端的優(yōu)勢,對GEO 衛(wèi)星通信帶來了一定挑戰(zhàn)。面對低軌星座帶來的挑戰(zhàn),GEO 衛(wèi)星需要提升性價比,即提升衛(wèi)星資源利用率、降低通信成本,特別是對業(yè)務(wù)具有時空變化特征的應(yīng)用、面向高價值移動載體的應(yīng)用、天地協(xié)同泛在連接的應(yīng)用三種典型場景要提供性價比高的服務(wù)。

GEO 衛(wèi)星變革的關(guān)鍵技術(shù)一是全靈活衛(wèi)星技術(shù),即實現(xiàn)衛(wèi)星的波束數(shù)量、大小、指向、形狀、頻率、極化和功率可實時在軌重配置,使衛(wèi)星的帶寬、頻率、功率等資源得到充分利用;二是衛(wèi)星與蜂窩融合技術(shù),通過3GPP NTN 為代表的5G NR 技術(shù)改進(jìn)方案移植到衛(wèi)星通信鏈路,實現(xiàn)衛(wèi)星與蜂窩網(wǎng)技術(shù)體制統(tǒng)一;三是通過衛(wèi)星DVB 體制與蜂窩網(wǎng)體制的協(xié)議映射和轉(zhuǎn)換,使得DVB 與蜂窩體制在控制面和業(yè)務(wù)面互通,實現(xiàn)衛(wèi)星與蜂窩的異體制融合;四是以新的體制兼顧衛(wèi)星鏈路大尺度傳輸與蜂窩高移動帶寬的需求。

當(dāng)前衛(wèi)星通信正處于又一個變化的風(fēng)口,衛(wèi)星研制和運營者應(yīng)以開放、發(fā)展和革新的角度看待此次變化的浪潮,它可能是將衛(wèi)星通信從一個小而美的領(lǐng)域延展到一個更廣闊消費市場的契機,這將為衛(wèi)星通信帶來深遠(yuǎn)的變革。

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