本文提出了一些关于VHTS信关站部署方案的概念，这些概念的实际应用可能与特定的卫星有效载荷设计和可用的空-地段控制管理系统功能有关。

1. 概述

  随着多波束高吞吐量卫星（HTS）技术的发展，单颗HTS卫星的容量可进一步提高至500Gbps以上，从而成为超高吞吐量卫星（VHTS）系统。 为了实现这一系统，地面信关站系统必须经过精心设计和部署。原则上一个VHTS系统的总可用容量与整个网络中在用关口站的总数直接成正比。

当VHTS运营商在考虑实际业务部署时，必须评估和解决以下若干挑战，以确保业务发展和投资收益上的可持续性。

•   用户容量需求在不同时间和不同区域的差异

•   建设全新的网络还是对现有网络进行改造和扩容

•   信关站是否具有可扩展性

•   如何弹性提高系统吞吐量

•   如何合理的分配投资

•   如何降低投资风险

•  服务能力上的灵活性（如覆盖范围、波束容量、信关站的冗余的灵活性）

图1比较了两种情况下卫星容量资源供求的关系：一种是一开始就部署完成全部信关站，另一种是随时间逐步部署信关站。图中红色曲线为容量需求的变化，蓝色为一次性建成所有信关站所能获得的系统容量，绿色则为信关站分期建设所能获得的系统容量，灰色阴影区域为浪费的系统容量。从图中可以看出，如果没有合理考虑用户需求增长，那么在业务发展的初期会有大量的容量浪费。显然，在投资、回报和风险方面，这并非一个理想的状况。

为了解决上述VHTS地面网络部署问题，本文提出了关于VHTS信关站部署的一些概念性方案。 这些方案的实际应用需要有与之相配合的卫星有效载荷设计和空-地段控制管理系统。

图1 卫星寿命期内容量需求变化趋势

2. 信关站网络部署方法

2.1 频域分配法

这里以一个750Gbps的VHTS系统说明如何在频域进行信关站的部署。 在本例中，假设平均频谱效率（SE）为2bps/Hz，并且至少有4GHz的信关站前向带宽，如图2所示。假设前向（FWD）和反向（RTN）业务比率为2：1。

以此计算的结果是，一个信关站的容量为（4+2）*2=16Gbps，为了实现750Gbps的容量，VHTS运营商必须在卫星发射之前建设大约64个信关站，这将是一笔巨大的CAPEX投资。

图2 一个典型的Ka频段HTS系统的频率计划

为了最大限度地减少地面设施的初始投资，可以在合理设计的卫星有效载荷系统的情况下考虑信关站在频域的渐进式部署。 例如，如图3所示，每个500MHz的用户波束频谱可以细分为4个125 MHz的信道。这些子信道可以按照四个不同的阶段顺序部署。 在初始阶段（阶段1），只需要16个信关站提供全覆盖，这仅仅是全部信关站设施CAPEX投资的四分之一。 在随后的三个阶段中，信关站的数量将逐渐增加。 表1说明了750Gbps VHTS系统的部署计划。

图3 用户波束频率分段（ 单元格中的数字表示信关站部署的阶段）

表1 750Gbps VHTS系统频域信关站部署计划

图4说明了每个信关站部署阶段的详细频率规划。在阶段1中，共部署16个信关站以服务所有512个用户波束。每个信关站为8组4色复用的用户波束提供服务。 图4中的大写字母表示为每组4色重用波束分配的频率。 每个用户波束将有125MHz的可用带宽，可提供总吞吐量的四分之一的容量。用户波束单元中的数字表示部署阶段。 在最后一个阶段，即阶段4中，每个用户波束都将使用500MHz下行带宽和250MHz上行带宽。

这种频域分阶段实施方法可以通过模拟或数字卫星有效载荷来实现。如果是模拟载荷，可以通过使用滤波器组或多路复用器组来实现；如果是数字载荷，则可以通过使用星上数字信道化处理器来实现。 图5例举了可行的卫星有效载荷实现方法。

图4 750Gbps VHTS系统部署频率计划

图5 模拟和数字卫星有效载荷设计示例

如上所示，通过将频率分段提供了一种实现信关站初始投资最小化的方法。然而，由于Ka频段信关站上行链路频谱的限制（如图2所示，两个正交极化上各有2GHz），为了支持高吞吐量目标，最终必须建设大量的Ka频段信关站。 为了进一步减少信关站的总数，我们还可以通过逐步将信关站链路迁移到Q（40 GHz）和V（50 GHz）频段等更高频段来部署VHTS。以下说明当信关站采用Q/V频段时，750Gbps VHTS的三阶段部署方法。

如表2所示：

l 阶段1——只有Ka频段频谱被用于信关站链路，通过16个信关站能够全面覆盖256个用户波束，吞吐量为192Gbps。

l 阶段2——V频段被用于的信关站上行链路，提供210Gbps的额外容量。

l 阶段3——信关站下行链路被倒换到Q频段，这将释放高达2GHz的Ka频段带宽给用户波束使用，从而可以通过12个新建的Q/V频段信关站增加另外的360Gbps容量。阶段3用户波束前向频谱如图6所示。

在这个示例中，750Gbps的目标吞吐量可以通过仅仅35个信关站实现，信关站数量比前面全部采用Ka波段的例子减少了45％。

表2 750Gbps VHTS系统Q/V频段信关站部署实现

图6利用Ka波段信关站下行频谱作为用户波束下行频谱的频率规划

这种分阶段部署的方法还可以进一步扩展到用户波束使用V和Q频段，而信关站则采用激光链路。VHTS还可以采用多频段用户波束天线系统。通过对馈源和反射器的适当优化，相同或不同波束宽度的不同频段的点波束可以无缝覆盖同一地理区域[1]。 如图7所示，通过使用这种方法，VHTS运营商可以首先部署Ku频段用户点波束容量，然后在5到10年后，根据业务需求和地面用户终端的成熟度，逐步演进到Ka和Q频段用户波束。 相应地，运营商和用户可以逐步部署其信关站和终端设备，并逐频段的使用频率，以节省不必要的CAPEX费用，直到将来确实有相应的需求。

      图7 VHTS逐频段部署示意图

2.2 空域分配法

为了适应在网络中添加信关站的灵活性和可扩展性，可以考虑采用波束宽度的控制功能。例如，波束成形是一种众所周知的技术，它将不同的单元集成在一个相控阵天线中，通过形成相长或相消干扰抵消信号来控制天线的增益和方向图。该技术被业内认为是下一代HTS的基本要素，并且通常在产品路线图上显示。当它应用于HTS系统时，可以选择性地调整每个点波束的波束大小。具有不同波束宽度的典型点波束天线的增益和方向图可以参考图8。较小的波束宽度可以提供更集中的波束，从而获得更高的增益。在相同的理想覆盖区域内，可以通过减小波束布局中的波束大小来获得更多数量的波束，总吞吐量也可以得到相应的增加。

当容量需求增加时，使用这种方法可以实现信关站的分阶段部署。例如，在初始阶段，当需求最小时，波束成形可以将波束调整为相对较大的尺寸。当需求开始增长时，可以设置更多的信关站来为新增容量服务。这些新增的信关站可以通过波束成形调整以较小的波束宽度来进行定位和调整。从而实现地面网络容量的动态增强，直到达到设计的最大能力。

 图8 不同天线波束宽度的天线增益和方向图比较

图9 不同波束宽度点波束的直径与覆盖面积比较

 图10 较大波束宽度的波束布局（较少数量的波束和信关站）

图11 较小波束宽度的波束布局（较多数量的波束，并增加信关站）

2.3 时域分配法

借助星载数字信道化处理器（DCP），HTS的容量部署还可以通过时域法有效实现。 DCP对输入信号进行数字化和信道化，并在数字域中对其进行处理。在部署过程中，还将使用DCP的多播功能。

HTS部署的初始状态如图12（a）所示，其中一个TDM（时分复用）载波从唯一的信关站上行传输。 然后，该载波被DCP复制并以不同射频频率和极化（即多色重用）多播到所有用户下行链路点波束。 不同波束中的用户终端（UTs）将锁定载波，并只提取指定的数据流。时域数据流的长度可以根据不同的波束而变化，以满足不同水平的需求。

在扩容阶段，可以实施两种方案：

l 第一种是增加信关站的频谱。如图12（b）所示，四个载波从信关站上传，然后多播到所有用户波束，从而为用户波束增加更多的TDM数据流，而系统的总吞吐量也成为原来的四倍。为了实现该方案的实施，信关站频谱可以不限于传统的Ku和Ka频带，而是可以利用诸如Q和V频带甚至光链路等更高频带。该方案的优点是只需要一个或少数几个信关站来为整个HTS系统服务。

l 第二种是增加信关站的数量。通过充分的空间隔离，增加的信关站可以完全重用整个信关站频谱，增加更多TDM数据流容量，以提高HTS系统的吞吐量。该方案如图12（c）所示，其中两个信关站发射8个上行载波，而容量将是初始状态的8倍。随着信关站数量的增加，这个方案的优点是可以降低对每个单独信关站（射频和基带设备）的要求，以降低系统的总成本。

时域部署方案必须得到地面网管系统支持和控制，以便在扩容阶段可以监控信关站和用户波束之间的业务。

图12（a）初始阶段

图12 （b）通过增加信关站频谱（频域）进行容量扩展

图12 (c) 通过增加信关站数量（空域）进行容量扩展

2.4 跳波束（Beam-hopping）分配法

跳波束法是频域、时域和空域的组合用法，也可用于HTS 系统信关站的弹性部署过程中。 跳波束HTS有效载荷可以通过全模拟射频组件来实现所需的灵活性，但需要更复杂的地面系统与星上有效载荷之间的协同工作。

图13 （a）跳波束HTS部署初始阶段

图13（b）跳波束HTS多信关站的容量扩展

跳波束HTS信关站部署方案如图13所示。

在初始阶段，信关站将一个业务载波上传到卫星，但是，与TDM HTS系统不同，该载波不会同时被所有波束接收，而是按事先设定的时间顺序和工作周期在多个用户波束之间切换（或“跳变”）。通过控制驻留时间长度和间隔，可以相应地满足来自每个波束的吞吐量需求。若想增加容量，可以在每个用户波束中使用更多的带宽。为确保用户下行链路与信关站上行链路保持同步，星上的输出切换开关（例如图13（a）中的sw1）的驱动必须与信关站发送以及用户波束接收的时间同步。这意味着必须建立一个非常复杂的有效载荷—信关站—用户终端的控制和管理系统，并要严格满足时间同步的要求。现有的DVB-S2X标准具有超帧结构的可选特性，支持实施HTS跳波束功能[2]，可以被HTS设备制造商以及HTS运营商采用。

为了扩大跳波束HTS系统的容量，可以采用多个信关站，如图13（b）所示，其中每个信关站服务一部分用户波束。 为了减少波束间干扰，可以优化每个信关站的波束跳变顺序，使得没有相邻波束被同时驻留。传统的频率/极化颜色复用方案也可以用于不同的用户波束，使得每个信关站可以同时驻留多个用户波束，并减少同一波束上两个连续驻留之间的时间间隔。

3. 结论

信关站部署计划对于提高HTS/VHTS的商业经济效率以及提供高质量的用户体验至关重要。 本文从适应不同场景的频域、时域和空域等方面讨论了信关站部署的几个思路。 我们将与客户、合作伙伴以及供应商密切合作，共同致力于为客户的不同需求提供最佳的HTS卫星解决方案。

参考文献：

[1]  AsiaSat, “Dual-band communication satellite system and method”. Submitted to USPTO at 2016.

[2]  ETSI, "Digital Video Broadcasting (DVB) second generation framing structure channel coding and modulation systems for Broadcasting Interactive Services News Gathering and other broadband satellite applications Part 2: S2-Extensions (DVB-S2X)", Annex E.1, p100, Draft ETSI EN 302 307-2, v1.1.1, Oct, 2014.