衛星產業已經經歷了從傳統的數億美元的大型衛星（>5000千克）的制造向數百萬美元的小衛星的制造的巨大轉變。在2016年，該行業共進行了126次發射，其中的55次（幾近44％）為立方體衛星（CubeSat）。此外，過去5年的衛星發射數量增加了53％，其主要原因在于低地球軌道衛星（LEO）當中的小衛星（<1200kg）^[1]。近年來，高地球軌道衛星訂單數量從原來的每年平均20~25個大幅下降到2016年的僅17個。由于近半數的在軌衛星用于商業通信（35％）或軍事通信（14％），而且80％以上的衛星服務用于消費用途（衛星電視，衛星廣播和衛星寬帶），采用Ka波段技術（由于該波段具有可用帶寬）的高速低延遲衛星通信市場逐步興起。目前，通信衛星的服役壽命通常為15年以上，在此期間可能發生數種需要對凈荷操作要求進行調整的情形，這包括瞬息萬變的商業和政治環境，以及新技術和新用途。因此，允許對頻率、覆蓋范圍和功率分配進行重新配置的靈活凈荷成為一種應對飛速發展的商業、政治及技術環境的解決方案。

針對5G規劃的多無線接入技術（Multi-RAT）將增大對帶寬的需求，該技術依賴WiGig、4G、100G以太網及衛星網絡等各種異構網絡實現其99%以上的帶寬有效性。高吞吐量衛星（HTS）在吞吐量方面幾乎為固定業務衛星（FSS）20倍，因此成為一種可大幅降低單位比特成本的理想回程替代方案。這進一步產生了對可實現靈活性的含固態功率放大器（SSPA）的高效發射機，高靈敏度接收機及可重新配置相控陣天線的需求。

靈活凈荷

雖然為了有效降低服役壽命長達15年的衛星的制造和部署所伴隨的風險，衛星通信行業普遍不愿意以新的尖端技術代替已得到驗證的極其成熟的設備，但是其也同時正在向在衛星制造、設計和發射上允許更大靈活性的技術的方向轉變。2010年發射的高適應性衛星（HYLAS-1）有助于證實靈活凈荷技術的可行性，該技術將凈荷設計難點從如何滿足對多址接入、連接性和速度的要求轉變為“透明”的凈荷技術^[3]。為了降低單位比特成本，需要實現以下三項功能：

·    靈活的覆蓋范圍
·    靈活的波束功率分配
·    靈活的波束頻譜分配

靈活的覆蓋范圍

相控陣天線等有源電子掃描陣列（AESA）已經在之前的X波段雷達^[4]以及最近的毫米波5G和WiGig應用中顯示出高度的實用性。由于高頻微波電路尺寸更小，因此在上行鏈路和下行鏈路中采用更高頻段（Ku和Ka）的轉發器這一趨勢還帶來縮減部件尺寸及提高集成度等益處。

雖然相控陣天線的成本和功耗高于無源電子掃描陣列（PESA）和機械掃描天線，但是其具有高度的重新配置能力。相控陣天線的輻射元件陣列與含有移相器的收發（T/R）模塊分別連接，從而可通過在目標方向上建設性或破壞性地添加相位的方式，實現高度適應性和定向性的光束。此外，天線元件僅在至少達到Ka波段時才能實現小型化，以允許制成可適用于專用集成電路（ASIC）的更加多功能的設計——隨著立方體衛星被越來越多地使用，這一點無論對于地面設備或是衛星，均是一種理想的選擇。

圖1：預定于2019年發射的歐洲通信衛星公司全Ku波段“量子”衛星（Eutelsat Quantum）通過將軟件定義平臺與相控陣天線相結合，預計可達到6~7Gbps的吞吐量，并且可在不移動衛星的前提下為移動目標提供衛星連接

來源：http://space.airbus.com/portfolio/telecommunications-satellites/flexible-payloads/

根據美國北方天空研究所（Northern Sky Research）的分析，到2026年，平板天線（FPA）的銷售額將達到91億美元。這些“智能”平板天線不僅限于相控陣天線，舉例而言，切換波束陣列（通常用于77GHz車載應用）及無源電子掃描陣列可在實現一定程度的波束適應性的同時，避免數百個收發模塊（每個模塊均具有移相器、功率放大器、低噪聲放大器等耗電器件）所帶來的巨大功耗。“新太空”（New Space）行業的各公司旨在通過低地球軌道和中地球軌道衛星網以滿足全球的高寬帶低延遲需求，因此將產生對具有高波束捷變性能的衛星和地面終端的需求。OneWeb便是其中的一家懷有遠大抱負的公司，其目標為初步組建由648顆衛星構成的低地球軌道衛星網，以覆蓋500多萬個地面終端^[5],[6]。以高地球軌道衛星制造能力聞名的波音公司正在考慮組建屬于其自己的低地球軌道衛星寬帶網^[8]。此外，SpaceX公司去年向美國聯邦通信委員會（FCC）提交了組建能實現全球互聯網覆蓋的4.425衛星網的申請[19]。從地球靜止軌道（高地球軌道衛星）的固定衛星服務（FSS）向低地球軌道衛星的高吞吐量移動衛星服務（MSS）的過渡需要高波束捷變性衛星之間能夠無縫切換。這一要求同樣適用于與地面終端的通信鏈路的完整性，這是因為隨著Ku波段在衛星下行鏈路中越來越普及，地面終端存在發生干擾的可能性。

靈活帶寬和功率分配

與軟件定義無線電（SDR）平臺為Wi-Fi、4G、5G及WiGig的研發提供了靈活性一樣，軟件定義凈荷是邁向衛星靈活性的革命性一步。智能天線與含有模擬/數字轉換及數字信號處理（DSP）功能的軟件定義平臺共同提供了一種通用射頻前端，其中，不同的復雜軟件可在通用的硬件模塊上運行。這一趨勢不局限于商業無線領域，甚至也不局限于工業物聯網（IIoT）。例如，太空電信無線電系統（STRS）項目旨在為NASA的太空和地面SDR平臺定義一種開放式架構^[9]。其目標在于提供一個可從物理層中抽象出應用層的通用框架，以允許波形和服務在SDR平臺上被更為靈活地重復使用。應用程序高度依賴于硬件的高度定制化供應商專用設計成為一項越來越過時的技術趨勢。通過簡單的固件升級便可實現功能更新的這一能力可大幅延長衛星的使用壽命，其使得運營商再也不用拘泥于固定的覆蓋范圍和固定的帶寬。

傳統上，衛星所裝的若干轉發器具有不允許精細調節的固定帶寬。當客戶所需的帶寬超出其已購買的轉發器帶寬時，即使超出部分不夠一個帶寬段的寬度，其也只能再購買一個新的帶寬段，從而造成浪費。相反，數字凈荷可以模擬模擬轉發器的功能，并且既可不做任何修改地重復從地面站接收的信號，也可通過解調，解碼，轉換，編碼及調制“再生”上行鏈路信號。如此，通過對帶寬和功率分配進行精細劃分、控制及監測，可確立靈活的覆蓋范圍，從而實現更靈活的頻譜重復使用及降低此類昂貴“商品”的價格。特別地，針對再生凈荷，還通過單板處理器對解調數據實施錯誤檢測和糾正，從而使得該技術總體上比對應的透明轉發器具有更好的鏈路性能^[10]。數字透明處理器（DTP）可將每個輸入信道分成可變寬度子通道（寬度為數百kHz至數MHz），同時不對接收信號進行任何修改。

雖然透明和再生技術均具有靈活的信道化、頻率轉換及路由等主要功能，其也只是通往多波束衛星所用先進數字波束成形（DBF）和波束跳頻技術的一種過渡。采用帶智能天線的數字波束成形技術的優點在于，其可使得衛星能夠向高流量需求的波束分配更多的功率或帶寬，而且甚至能夠根據流量需求在預定的時間內對若干波束進行加強^[11]。數字凈荷技術還促進了凈荷測試的發展——波音公司最近獲得了一項關于內置測試的專利，其中，所有測試部件構建于被測系統之內，從而可實現使數字凈荷能夠回送特定信號，無需外部測試設備以及縮短交貨時間等優點^[12]。

高地球軌道衛星當中的高吞吐量衛星

目前，用于移動解決方案（用于飛機、船舶和車輛的連接）的高帶寬占用量視頻串流業務占衛星電信業務量的50%。鑒于高吞吐量衛星使得單位衛星轉發器轉發價格從2010年以來每年平均以2~3%的速度遞降，上述狀況必將在未來十年內發生變化^[13]。如圖2所示，根據美國北方天空研究所的分析，在2015年之前，固定業務衛星視頻需求將平穩發展，而高吞吐量衛星視頻需求預計將以約70億美元的銷售收入急劇上升。

全球衛星容量需求的歷史沿革及預測圖

圖2：全球衛星回程市場預計將從2012年至2021年拓展至原來的3倍（達23億），其中，高吞吐量衛星預計可在2020年前提供約1.34TBps的容量，并可能將在2025年前躍升至拍字節每秒（PBps）數量級范圍^[13]。

與傳統衛星技術相比，高吞吐量衛星一般具有如下兩項主要優勢：

· 采用頻率更高的Ka波段轉發器
· 通過點波束架構實現廣泛的頻率重復使用

與利用單一波束覆蓋盡可能多的用戶的方案不同，高吞吐量衛星利用多個小波束（點波束）實現大量的頻率重復使用——這一點可通過改變信號頻率和極化實現。自第一顆高吞吐量衛星在2004年被發射以來，該技術已經獲得了長足發展。例如，通信公司ViaSat迄今為止已發射了Anik-F2（2004年），WildBlue-1（2006年），ViaSat-1（2011年）和ViaSat-2（2017年）四顆衛星，其總吞吐量分別為2Gbps，7Gbps，130Gbps和300Gbps。此外，計劃在2019年或2020年發射的ViaSat-3將具有1000Gbps以上的吞吐量。根據ViaSat的說法，這種指數式增長是通過盡一切可能措施優化頻譜的重復使用以使得衛星獲得最大帶寬的方式實現的^[15]。這些措施當中的一種為增加地面網關的數目，其中，ViaSat-2的網關數為ViaSat-1的兩倍，而為了實現兆兆位（TB）每秒級的吞吐量，ViaSat-3進一步增加了數百個網關（比ViaSat-2多10倍）。此外，地面設備的技術進步還使得成本獲得了相應的縮減——ViaSat-1所使用的天線尺寸為7米，而ViaSat-2天線的尺寸略大于4米。ViaSat-2網關的成本為ViaSat-1網關的一半以下。另外，ViaSat-3的網關天線尺寸預計將在2米以下 ^[16]。

低地球軌道衛星當中的高吞吐量衛星

雖然大型地球靜止軌道高吞吐量衛星將在上述未來數十年內獲得高于固定業務衛星的實用性，但是小型高吞吐量低地球軌道衛星的前期成本更低，而且組網后的延遲連接性也更低。小型低地球軌道衛星網具有以生產流水線制造的潛力，這可降低單位衛星成本及前期資本性支出（CAPEX）。此外，小衛星的發射成本不但在過去十年中已獲得大幅下降，而且在未來數十年中隨著可回收火箭的普及，還將進一步下降（圖3）

甚小型運載火箭及其已公布的投資情況

圖3：中型衛星的發射成本在過去數年中已從2.5億美元下降到6500萬美元，而且還將因聯合發射聯盟（ULA）和藍色起源（Blue Origin）等公司的降價計劃進一步迅速下滑^[1]。

雖然立方體衛星和小衛星的功能提升為航天領域中最受關注的一些發展成果，但是這項技術還需克服一些重大技術瓶頸才能實現無縫連接性。為了將成熟的成像小衛星轉換為通信衛星，必須滿足相應的大功率密度要求。由于只有在更高的高度下才能關閉與雙向地面終端的鏈路，因此通信應用通常比成像應用需要更大的功率。這就要求開發更大的電池組及太陽能電池板^[18]。早在21世紀初推出的銥星（Iridium），全球星（Globalstar），天空之橋（Skybridge）及泰利迪斯（Teledesic）等低地球軌道衛星網均已以失敗破產告終。雖然通過數千顆低地球軌道衛星可實現全球覆蓋，但是考慮在極地和相對荒蕪的地區所花費的時間量，其效率可視為較為低下。此外，該技術還需要越來越復雜的地面終端及多衛星之間的無縫切換——這正是相控陣天線的一項潛在應用。雖然智能天線技術因其在眾多應用中的實用性而同時正在被開發，但是考慮到需要在各種不同高度下使用，因此其在具有高服務可用性和可靠性的衛星技術中應用可能還需若干時日。

貴精不貴多

殊途同歸，衛星技術的所有趨勢都可歸結為降低成本和優化效率這兩點。全電推進系統可大幅減小衛星的發射重量。日前，空中客車公司制造的高吞吐量衛星Eutelsat-172B打破了最快電動軌道提升（EOR）衛星的記錄。Eutelsat-172B的重量僅為3550公斤，如果使用傳統的化學推進方案，這一重量將至少為6000公斤[17]。可回收火箭可進一步降低衛星的部署成本，并可能成為未來發射的主要形式。為了滿足不斷增長的數據需求，無論是高地球軌道衛星當中的大型高吞吐量衛星，還是低地球軌道衛星/中地球軌道衛星當中的小型低價位立方體，均需在功率極度受限環境中最大限度地利用資源。低功率附加效率氮化鎵（GaN）功率放大器（PA）及GaAs pHEMT/mHEMT技術極低噪聲放大器（LNA）等微波集成電路的發展成果可實現高功率密度及高靈敏度接收器。地球同步衛星具有航天器使用壽命長且無需大規模生產整個航天器系統的優點，而由立方體衛星/小衛星組成的低地球軌道衛星網可實現全球范圍內的低延遲通信。

參考文獻

1.  http://www.sia.org/wp-content/uploads/2017/07/SIA-SSIR-2017.pdf
2.  http://www.esa.int/Our_Activities/Telecommunications_Integrated_Applications/Hylas/Generic_Flexible_Payload_technology
3.  P. Angeletti，R. D. Gaudenzi，M. Lisi，從“彎管”到“軟件定義凈荷”：衛星通信系統的演進和趨勢，2008年。
4.  http://www.microwavejournal.com/articles/526-phased-arrays-and-radars-past-present-and-future
5.  https://techcrunch.com/2016/04/19/oneweb-will-mass-produce-historic-number-of-satellites-with-new-florida-factory/
6.  http://interactive.satellitetoday.com/via/may-june-2017/phased-array-antennas-can-they-deliver/
7.  http://www.satellitetoday.com/technology/2016/04/28/telesat-shares-details-on-leo-constellation -expectations/
8.  http://www.satellitetoday.com/newspace/2016/09/20/boeing-open-partnerships-leo-broadband-constellation /
9.  https://strs.grc.nasa.gov/
10. https://www.google.com/patents/US20040185775
11. J. Anzalchi等，“多波束寬帶衛星系統中的波束跳頻：系統模擬及與非跳頻系統的性能比較”，2010年第5屆先進衛星多媒體系統會議及第11屆空間通信信號處理專題研討會，卡利亞里，2010年，248~255頁。
12. https://www.google.com/patents/US9720042
13. https://www.spacesymposium.org/sites/default/files/downloads/Belle_Carolyn_The_Industry_High_Tech_At_Last.pdf
14. http://interactive.satellitetoday.com/via/march-2017/5g-the-era-of-convergence/
15. https://www.viasat.com/sites/default/files/media/documents/tech_overview_high_cap_sat.pdf
16. http://spacenews.com/viasat-plans-massive-ground-network-of-smaller-gateways-for-viasat-2-and-viasat-3-satellites/
17. http://aviationweek.com/space/dawn-all-electric-satellite
18. http://interactive.satellitetoday.com/leo-hts-once-again-a-distraction/
19. http://time.com/4638470/spacex-internet-elon-musk/

本文原載于Microwave Engineering Europe雜志

翻譯技術校對：Pasternack中國 技術銷售經理 徐麒麟

本文刊登于微波射頻網旗下《微波射頻技術》雜志 2018微波技術專刊，未經允許謝絕轉載。

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