國外通信衛星系統靈活性發展研究

提升單位帶寬的效費比，是傳統地球靜止軌道（GEO）通信衛星運營商持續追求的命題。

過去數十年間，為達到這一目標，運營商採取眾多技術途徑，包括提高載荷功率以支持更大帶寬傳輸、延長設計壽命以增加收入、多波束頻率復用以提升容量等，推動了衛星平台承載能力的不斷升級、載荷通信性能的快速改善。最明顯的結果是，全球在軌通信衛星總容量在2013年首次突破1Tbit/s，2016年則翻番至2Tbit/s。

但容量激增也引發了市場需求與供給（供大於求）的經典矛盾，空置的轉發器與部分用戶通信需求無法滿足的現象共存，反而在一定程度上降低了運營商的投資回報預期。針對此問題，通過載荷的靈活性，實現星上通信資源的高效按需調度和配置，成為業界當前關注的解決途徑。

1需求與靈活性辨析

主要背景需求

衛星通信作為商業化程度最高的航天應用領域，對市場的敏感性決定了其必須將不斷降低帶寬成本、最大化滿足用戶需求作為主要的服務目標。為了拓展在軌的盈利空間，近年來衛星設計壽命普遍延長，典型的通信衛星可工作15年甚至更久。但這對運營商而言是一把「雙刃劍」，雖然運行期限內總收入實現了增長，但由於絕大多數傳統衛星都是按照預先確定的任務需求進行設計，其在入軌以後技術狀態基本固定，很難針對市場變化（如用戶所處地理範圍、帶寬需求、波束之間鉸連關係動態改變、新型通信協議、技術體制湧現等）及時做出調整，在當前的產業環境下就引發了幾個突出的問題。

（1）通信容量分配冷熱不均，星上資源利用效率不高

（2）軍事應用需求增長迅速，商業支持能力有待改進

（3）技術標準持續快速演進，在軌能力升級需求迫切

不得不說，在數據型的衛星通信業務尚未爆發之前，上述問題並未得到運營商的廣泛重視。隨著地面互聯網和移動通信網路的迅猛發展，帶動了用戶向數據型應用消費習慣的演變，商業衛星通信領域也受到影響，採用高頻段、多波束和頻率復用技術的高通量衛星（HTS）隨之出現，驅使運營商進一步降低成本，同業競爭不斷加劇，上述弊端則暴露的更加明顯，如何有效解決此類問題，成為運營商和製造商關注的焦點。

靈活性概念辨析

目前，國內外對靈活有效載荷未形成統一的概念，也有研究稱之為可重構式載荷。前者為綜合考慮載荷服務能力上的各種靈活性效果；後者則主要是指在同一個載荷上實現多種通信模式兼容性設計及在軌技術更新。

本文的靈活有效載荷主要是指具備波束覆蓋、頻譜管理、功率分配、互聯互通以及協議體制方面靈活調節和控制能力的通信衛星載荷。

（1）波束覆蓋

波束覆蓋的靈活性主要是指衛星波束的形狀、輪廓、波束中心、波束數量和大小等，都可以根據運營商業務需求的變化而調整。

（2）頻譜管理

頻譜管理的靈活性主要是指波束轉發器的對應關係以及子信道數量、帶寬、保護間隔等都是可變的，也指頻率轉換和本地晶振設計也是靈活的。

（3）功率分配

功率分配的靈活性是指對應不同的需求變化，分散式功率放大器的輸出增益和行波管放大器的靜態工作點都可調節，在不同的輸出功率等級之間可進行靈活切換。

（4）互聯互通

互聯互通的靈活性包括至少兩個層次的內涵，一是上下行波束之間具備任意交鏈能力；二是星上具備靈活的路由和交換能力，從而支持波束間/內用戶靈活的組網方式。

（5）協議體制

協議體制的靈活性，主要包括調製解調方案以及編碼方案的靈活性，要求星上數據機具備適應新型波形的能力。

2典型系統靈活性分析

……

3啟示建議

……就目前來看，對運營商來說，最穩妥的辦法仍是緊密結合業務需求特點，對系統進行低成本的靈活性設計。如前所述，最基本的可以考慮技術相對成熟的波束交鏈、可移動點波束等，通過付出較低的代價就能較為顯著地增強在覆蓋和連接能力上的靈活性。

而針對有明確需求，如軍方用戶、大型集團業務用戶，或是有政府背景支持的新型業務，也可嘗試在星上配備更高級別的靈活度，以最大化降低系統建設成本和運營風險。

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