电子质量
2020年第12期(总第405期)
基金项目：江苏省研究生科研实践创新计划项目(KYCX20_0814,KYCX20_0815,KYCX19_0950)资助课题
作者简介：王子宁(1997-)，男，南京邮电大学硕士研究生，主要研究方向为无线通信、智能信号处理。E-mail：毫米波高通量卫星通信系统： 机遇，应用及挑战Millimeter Wave High Throughput Satellite Communication Systems:Opportunities,Applications
and Challenges
王子宁1，赵柏1，郭雨晴1，孔槐聪1，黄硕2(1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003;2.上海航天电子通讯设备研究所，上海201109)
Wang Zi-ning 1,Zhao Bai 1,Guo Yu-qing 1,Kong Huai-cong 1,Huang Shuo 2(1.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecom-munication
s,Jiangsu Nanjing 210003;2.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute,Shanghai 201109)
摘要：高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)是指相同带宽条件下，数据吞吐量达到传统通信卫星数倍甚至几十倍的通信卫星。由于它能提供数百吉比特(Gbps)甚至太比特(Tbps)量级的容量，被认为是通信卫星领域发展速度最快、关注程度最高、潜力最大的一类卫星系统。近年来，利用毫米波频段来提升高通量卫星通信系统的频谱效率和传输速率已经成为一个新的研究热点，受到了世界各国学术界和工业界的广泛关注。该文首先探讨了毫米波高通量卫星在下一代无线通信中的机遇， 然后介绍了高通量卫星系统的研究现状，分析了毫米波高通量卫星通信的关键技术和应用场景，最后指出下一步工作面临的挑战。关键词：高通量卫星通信系统；毫米波；关键技术；应用场景；未来挑战中图分类号：TN927 文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2020)12-0146-08
Abstract:High throughput satellite (HTS)refers to the communication satellite whose data throughput reaches several times or even dozens of times compared to traditional one under the same bandwidth.Because it can provide hundreds of Gbps or even Tbps capacity,it is considered to be the
fastest developing,most concerned and most potential satellite system in the field of communication satellites.In recent years,using millimeter wave technology to increase the spectral efficiency and transmission rate of HTS communication systems has become a new research topic,which has attracted extensive attention from academia and industry all over the world.This paper first discusses the opportunities of millimeter wave HTS in the next generation wireless com-munication,then introduces the current research of HTS and analyzes the key technologies and application scenarios of millimeter wave HTS,finally points out the challenges faced by the next step in the future.
Key words:high throughput satellite communication systems;millimeter wave;key technologies;application scenarios;future challenges CLC number:TN927
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2020)12-0146-08
0引言
随着第5代移动通信系统(The Fifth Generation Mobile Communication System,5G)已经开启商业化大规模部署，越来越多的研究机构及相关人员开始对第6代移动通
信系统(The Sixth Generation Mobile Communication System,6G)进行研究。6G 是继5G 之后的下一代移动通信系统，其目标是满足10年后(2030年~)的信息社会需求[1]。在未来社会，随着科学技术的进步，人类活动空间将进一
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步扩大，活动区域将更普遍的到达高空、外太空、远洋、深海。同时，大量通信节点，尤其是物联节点将遍布更广阔的区域。设备之间的通信将会变得更加普遍，通信接入的地理空间也将被极大的扩展，这要求6G需构建一张能够实现万物互联和全球覆盖的"大网"，而卫星通信的无线通信本质和用途多样性，决定其是实现6G无处不互联愿景的关键技术。
卫星通信是利用卫星作为空间中继站，从而为海、陆、空、移动用户之间，以及地面网与移动网用户之间提供链接的一种通信方式。如图1所示，与传统的地面无线系统相比，卫星通信系统能够提供无缝的连接并具有通信容量大、覆盖范围广、不受地理条件限制等优势，在广播、导航、救灾，军事等各个领域得到了广泛的应用[2-7]。根据国际电联和互联网信息，到目前为止全球在轨卫星超过了2000颗，全球进入国际频率登记表资料总数为1573份，其中静止轨道网络资料1147份，非静止轨道网络资料426份，静止轨道资料以平均每年270份的速度增长，非静止轨道以平均每年70份的速度增长，可见近年来全球卫星通信系统发展的迅猛态势。高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)是指在使用相
同带宽频率资源的条件下，数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至几十倍的通信卫星，单颗卫星的通信容量能够达到数百吉比特(Gbps)甚至太比特(Tbps)量级。高通量卫星能大幅地降低每比特成本，并且可以经济、便利地实现各种新的应用，已成为卫星通信行业真正改变游戏规则的技术[8]。自从2004年首颗高通量卫星发射以来，HTS系统部署逐年增加，并且成为通信卫星领域发展最快、关注程度最高、潜力最大的一类卫星系统。考虑到6G时代的网络需要达到无盲区覆盖，不仅在人口密集的城市实现互联互通，而且在沙漠、戈壁、海底等人迹罕至的地方也要为各种用户提供泛在接入，因此6G网络将会利用高通量卫星建立轨道卫星通信星座(天基)，整合海洋互联网通信各种载荷平台(海基)与陆地移动通信(陆基)相互协作融合，形成覆盖全球范围的高精度和高可靠性网络，满足各类用户随时随地的链接需求。
图1卫星通信系统及其应用
在未来社会，基于大数据的智能化信息处理和全息通信将成为6G必然支持的应用，这不仅需要超高的覆盖率，对系统容量和网络峰值速率也有极高的要求，对现有的卫星通信系统将是一个巨大的挑战[9]。目前的宽带卫星通信系统主要工作在Ku或者Ka频段，不仅系统的容量无法满足6G的需求，而且与地面无线系统之间的相互干扰也日趋严重。在这种情况下，工作在毫米波频段的高通量卫星通信系统成为近年来的一个研究热点问题。毫米波频段位于10GHz至300GHz之间，具有丰富的频谱资源，利用毫米波作为信号载波，可以大幅度地提升系统容量和传输速率[10]。但毫米波信号载频高，相应的
路径损耗大，覆盖面积小，很难达到无缝覆盖的要求。然而高通量卫星技术可有效弥补毫米波的缺点，高通量卫星采用大量的窄点波束，可使得毫米波信号获取较大的波束赋形增益，扩大覆盖范围。同时，由于毫米波波长较短，卫星系统可在给定天线阵列尺寸的情况下配置更多天线，获取较高的波束赋形增益以提升功率效率。毫米波与高通量卫星两项技术的结合能够取长补短，毫米波高通量卫星将具有更高的频谱效率和更致密的网络容量。在满足无缝覆盖的基础上，可提供高达Tbps级别的峰值速率，能够充分满足6G海量连接、可靠性和吞吐量的需求，有着深远的应用价值。 鉴于毫米波高通量卫星通信系统在极大提升通信容量的同时，能有效地降低每比特的传输成本，从而有效克服卫星通信系统费用昂贵的缺陷，近几年来受到了世界各国学术界和工业界的广泛关注。本文接下来将首先介绍高通量卫星系统的研究现状，接着分析毫米波高通量卫星通信的关键技术和应用场景，最后指出下一步工作面临的挑战。
1高通量卫星通信的研究现状
高通量卫星按轨道可划分为地球同步静止轨道(Geo Stationary Orbit,GEO)卫星和非地球同步轨道(Non-Geo Stationary Orbit,NGSO)卫星两种类型[11]。GEO-HTS运行在高轨道上，具有系统容量大和覆盖范围广的特点，在宽带接入服务方面有很大的优势，被广泛应用于各个领域，是当前在轨卫星的主要类型。而NGSO-HTS运行在中轨道(Medium Earth Orbit,MEO)和低轨道(Low Earth Orbit,LEO)上，
其传输延时短，路径损耗小，从而对时间需求更为敏感的服务具备更大吸引力。同时，NGSO-HTS通过组成星座，有望提供大容量、低延迟、全球(或近乎全球)覆盖的服务，具有很好的应用前景。但由于资金规模和发射能力的限制，NGSO-HTS星座仍处于计划当中[12]
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1.1地球同步静止轨道高通量卫星
最早出现的高通量卫星通信系统主要采用地球同步静止轨道。目前已经商用的系统中，卫讯-2(Viasat-2)卫星通信系统工作在Ka频段，能够提供超过300Gbps 的系统总容量，可在40多个信关站之间自动切换流量。继Viasat-2卫星之后，波音卫星系统公司正在开发具有更大系统容量的Viasat-3系统，其将由3颗ViaSat-3卫星组成，每颗ViaSat-3卫星预计提供1Tbps以上容量，能够动态地进行容量分配，提供超大容量的全球服务覆盖的宽带连接，以支持高速、高质量的互联网和视频服务[13]。
以列的Spacecom公司是阿莫斯系列卫星(Afro-Mediterranean Orbital System,AMOS)的运营商，该公司投资新建的AMOS-17卫星(如图2所示)通过广域波束和高通量点波束组合技术实现最大化频谱效率，是具有先进技术水平的多频段高吞吐量卫星。AMOS-17卫星已于2019年8月发射，预计将提供Ka，Ku与C频段服务。
图2AMOS-17卫星示意图
Inmarsat的Global Xpress(GX)网络将由4颗工作在Ka频段的Inmasrsat-5卫星组成。如图3所示，每颗Inmasrsat-5卫星的有效载荷可支持89个小型Ka频段波数，拥有6个可完全控制的波束指向重点区域。该系统的信关站由6个GX卫星接入站组成，支持信关站之间的自由切换，以消除雨衰对馈线链路的影响。GX允许的下载速度超过60Mbps，延迟大约为600ms[14]。
图3Inmarsat GX波束覆盖示意图1.2非地球同步轨道高通量卫星
与地球同步静止轨道卫星通信系统相比，中低轨道卫星通信系统由于单颗卫星部署成本较低，卫星数量庞大，系统容量较高，对于全球覆盖具有巨大优势。当今，建造巨型低轨通信星座是NGSO-HTS主要发展趋势。
另外三十亿人(Other3billion,O3b)卫星属于MEO 星座，在轨卫星将多达20颗，主要提供Ka频段宽带中继连接(特别是非洲和拉丁美洲)。O3b未设置星际链路而是使用9个信关站，其单颗卫星容量达19Gbps，允许语音的单向延迟为179ms，数据服务的单向延迟为140ms，支持超过500Mbps的用户数据，适用于海事应用[15]。
LeoSat星座预计将由78~108颗运行在LEO轨道的Ka频段卫星组成(到2022年)。星座中的每颗卫星都拥有10根Ka频段可控天线，每根天线提供高达1.6Gbps 的速率；两根高性能可操纵天线，每根天线支持高达5.2 Gbps的速率。该星座建立了一个空间激光骨干网，采用激光星间链路，不必通过多个地面站
转发数据，即可实现Gbps量级的数据传输服务。
一网(OneWeb)是目前正在兴建的全球覆盖地轨卫星星座(如图4所示)，该系统由920颗LEO卫星组成(720颗在轨，200颗备用)，使用Ka和Ku频段。OneWeb单颗卫星的容量不少于5Gbps，整个星座容量可达5Tbps，将为用户提供高速率(高达50Mbps)和低延迟(低于50ms)的服务。为降低卫星及星座设计难度和加强对所传输信息的管控，OneWeb星座不配备星间链路，而是通过在全球部署55~75个信关站实现星座信息的流通以及卫星网络与地面网络的互联互通[16]。
图4"一网"在轨示意图
SpaceX Starlink卫星系统由两个子星座组成。第一个LEO星座包括4425颗卫星(到2024年)，在Ku和Ka 频段运行，为全世界的住宅，商业，机构，政府和专业用户提供广泛的宽带通信服务。第二个LEO星座计划将部署7518颗采用V频段的卫星，整个星座的数据吞吐量将达到100Tbps[17]
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2毫米波高通量卫星通信系统的关键技术
卫星通信固有的长时延，强信号衰减，频谱资源缺乏等问题，都将严重限制高通量卫星的通信性能。
而毫米波高通量卫星通信系统能够克服这几个关键问题，拥有更高的频谱效率和系统容量，提供Tbps级的峰值速率以及超低的交互时延，得益于几个关键技术：毫米波通信技术，多波束和跳波束技术，自适应编码调制技术，恒模正交频分复用技术以及时延容忍网络等。
2.1频率选择
选择工作频率是毫米波高通量卫星系统设计首先要考虑的问题。自1957年第一颗人造卫星发射以来，卫星通信迅猛发展，其所使用的频段也经历了从低频段向高频段扩展的过程。近年来，随着人们对更高吞吐量需求的增长以及NGSO星座的出现，传统卫星系统所使用的C频段，Ka频段和Ku频段愈加拥挤。而未来高通量卫星旨在实现每秒1TB的数据传输速率，现有的频谱资源已无法有效满足该需求，并且随着5G商用的落地，卫星系统与地面通信系统之间对频谱资源的争夺也愈演愈烈，频谱协调也日益困难。因此，向更高的频谱进行探索是卫星通信发展的必然趋势。
毫米波频段主要位于30-300GHz之间，波长范围为1-10nm，其频谱范围宽，拥有丰富的频谱资源，方向性好，干扰少，非常适合高速率、大容量的卫星通信。其中Q/V频段(33-75GHz)和W频段(75-110GHz)作为毫米波频段中最适合卫星通信业务的频段，其载荷研究早已开始。DAVID[18]和WAVE[19]进行了有关毫米波用于卫星通信的初步可行性研究。意大利航天局(Italian Space Agency,ASI)主要研究W频段的利用。欧洲航天局(Euro pean Space Agency,ESA)所支持的Aldo Parab
oni有效载荷于2015年发射，该有效载荷致力于通过在轨测试来检测Q/V频段上的信号传播。2016年5月，Eutelsat公司进行了极高频通信测试，评估Q/V频段链路的稳定性。当前卫星通信的毫米波带宽分配如表1所示。
表1卫星通信系统的毫米波频率分配
2.2跳波束技术
高通量卫星的技术核心是多波束技术和频率复用技术。多波束天线技术采用大量的窄点波束，以高增益来覆盖较大的地面区域，同时又能根据需要调整波束形状。而且由于不同波束之间是空间分集的，可以积极采用频率复用，提高频谱利用率，进而提高系统容量[20]。传统的多波束卫星将带宽和功率均匀分配给每个点波束，但在实际情况中，地面用户的地理位置分布以及业务需求是各不相同的，导致卫星分配资源和用户所需资源的不匹配，造成卫星系统实际的资源利用率不高，通信容量严重降低。基于以上考虑，研究人员提出在高通量卫星上采用跳波束技术来减轻同频干扰和功率资源没有得到高效利用的问题[21]。
如图5所示，卫星跳波束技术可在空间、时间、频率和功率四个维度上进行资源分配，具有优越的灵活性、资源利用效率以及适应地面业务动态变化的能力。它把不同的时隙分配给不同的波束，而不是进行带宽分配，故在每一个时隙中，整个可用带宽被分配给每个波束。在全频带跳频方式工作时，时间
窗口周期性地应用于波束选择系统，通过最优选择每个波束的持续时间以满足用户传输带宽和延迟要求，将点波束从既定的覆盖布局优化为实时指向期望区域，从而实现接收、发射覆盖区和波束位置可动态调整的需求。由于卫星跳波束技术能够有效适应地面用户和通信的不均匀分布，提高资源利用率，在未来毫米波高通量卫星中具有巨大的应用价值。
图5跳波束卫星系统
2.3自适应编码调制技术
由于毫米波频段对大气层中的云、雾、雨、水汽和尘埃非常敏感，尤其是降雨通常会导致通信链路的中断。根据所有可用的雨衰预测模型，如ITU-R P.838模型，可以估计出毫米波与较低频带相比有较大的雨衰[22]。在这种情况下，需要采用有效的办法，来缓解毫米波高通量卫星可能遇到的强雨衰。自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation,ACM)是一项已被纳入DVB-S2X 空中接口标准的技术，用于解决较高频段的雨衰[23-25]。它
旨在根据传播信道条件改变编码或调制方案来补偿衰
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落。在实际应用中，ACM通常根据链路信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)估计来改变传输特性从而适应传播信道条件和给定链路的服务要求。但由于卫星链路中固有的往返延迟以及雨衰的时间变化，链路SNR估计在使用时可能不再准确。链路SNR的高估将导致帧丢失，而低估将导致效率下降。故在实践中加入了ACM余量，以适应可能的链路变化，从而减少帧丢失。现有技术集中于使用预定的余量，但是当实际的雨衰曲线与假定的模式不同时，这种方法会导致性能不佳。因此，研究能够在实际降雨事件动态得出的自适应余量的方法是十分重要的。
除了雨衰之外，对流层闪烁是毫米波损耗的另一个来源。对于工作在Q/V频段和W频段的HTS而言，闪烁可以产生非常快的信号变化，这可能导致用于减轻传播损耗的技术不稳定。而ACM具有基于滞后的控制回路，能够有效避免由于闪烁而引起的传输方案的频繁变化。
2.4恒模正交频分复用技术
毫米波高通量卫星系统需要具有高增益和高功率附加效率的功率放大器。高频卫星通信首选的功率放
大器是属于C类的功率放大器，例如行波管放大器(Trave lling Wave Tube Amplifier,TWTA)或速调管，它们具有很高的饱和功率和非线性放大特性。这类放大器由于相应的输出回退，会导致毫米波高通量卫星可用功率的极大降低，而使用更多的线性放大器又会导致在硬件上比较昂贵。因此，人们提出了一种有效的解决方案：采用抗非线性失真的信号格式。
恒模正交频分复用(Constant-Envelope Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,CE-OFDM)在抗频率选择性线性失真的鲁棒性和灵活性方面将多载波调制的优点与抗非线性失真方面的恒模调制的优点结合起来，能够有效地对抗非线性失真[26]。CE-OFDM是通过对实值OFDM 信号施加非线性相位调制来实现的，即：在相位解调之前，在接收信号中采用频域均衡(Frequency-domain equalization,FDE)技术。其看起来像一个多载波正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号"打包"成一个单载波相位调制信号，具有双重单/多载波特性。
另一方面，毫米波振荡器通常具有更高的相位噪声[27-28]。由于非线性幅相特性，非线性TWTAs还可能增加相位噪声。在相干解调系统中，相位噪声将引入显著的相位抖动，会影响载波同步的效率，CE-OFDM由于其所需的非线性相位调制，具有良好的相位噪声恢复能力，能够有效应对相位噪声。虽然CE-OFDM在高频段卫星中能够提供较低的误码率，但其频谱效率非常低，通常只有常规OFDM的50%。为了解决这一问题，研究更加高效的信号格式，如双码流CE-OFDM是非常有必要的。
2.5时延容忍网络
卫星通信的缺陷是长时间延迟、数据包丢失，有时还会出现间歇性连接和链路中断。传输控制协议栈对这些缺陷不起作用，甚至专用解决方案，如性能增强代理(Performance Enhancing Proxies,PEPs)，也很难解决该问题并还可能产生与当前安全协议的兼容性问题。故人们提出一种有效的解决方案，时延容忍网络(Delay Tole-rance Network,DTN)[29]。
DTN架构是基于在其他较低层协议的传输之上引入一个覆盖层，通过覆盖层，DTN体系结构在中间节点上可提供长期信息存储，延迟和中断可以在发送方和目的地之间的路径上的每个DTN单跳上进行处理。DTN 将端到端路径划分为多个DTN跳，允许在卫星(或空间)链路上使用专门的协议。DTN体系结构不需要端到端连接，这非常适用于毫米波高通量卫星。但由于DTN密钥管理通常需要多次往返才能安全地交换或建立密钥，而在一般的DTN往返中，由于长时间的延迟和可能的中断，密钥很可能会交换或建立失败。因此，未来需要设计出合适有效的传输管理算法。
3典型应用场景
考虑到毫米波高通量卫星系统具有超大容量和超高速率以及未来6G网络海量连接，智慧连接等特点，基于现有卫星通信的应用和发展趋势，我们设想未来三种典型的应用场景，分别是广播电视和高清电视服务，多媒体内容分发和远程物联网。
3.1广播电视和高清电视服务
由于卫星本身就是一种广播传输手段，广播电视业务仍然是卫星通信的主要应用，如体育、新闻采集和其他赛事的超高清电视直播。近年来，随着对超高清电视(UHDTV)需求的不断增长，以及即将推出的标准超高视觉(SHV)，未来广播电视业务所需的比特率是现有电视标准的几倍到几十倍。然而，由于Ku和Ka频段的频率趋于饱和，不能够效地支持卫星电视广播市场所推动的高质量数字电视和高清电视频道数量的增加。在这样的框架下，毫米波频谱部分可为宽带卫星通信提供额外的带宽资源。毫米波高通量卫星可为广播电视服务提供超大的可用带宽，以指数形式增加高清电视和超高清电视的供应通道，同时通过对编码和调制参数的优化设置，
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