无论采用哪个频段，无线电频率资源都是非常有限的，如果把它平均分 配给所有的用户，根本达不到“宽带”的效果。所以，人们发明了一种叫作“高通量”的技术。高通量卫星通信系统结构如图1所示。在传统的卫星通信上，人们往往通过精心设计天线系统，让发射出去的一束无线电波正好覆盖地球上的某一个区域。这个区域之内的所有用户，都可以使用同一段无线电频率，每个用户使用其中的一小段。但是如果覆盖的区域太大，区域内的每个用户能分到的频率资源就很少了。比如在传统的 C 频段通信中，每个波束覆盖区分享 500MHz 的频率资源，如果有 1 000 个用户，平均每人分到 0.5MHz，如果是 100 万个用户，每人只能分到 500Hz。假如用一个C 频段的波束覆盖整个中国，那么平均每个中国人只能分到不足 1Hz 的频率，听起来有点少。但是，如果我们在卫星上多设置一个波束，让它能覆盖另外一个不相邻的区域，那么第二个区域内的用户还是可以分享 500MHz的频率资源。如果再设施第三个波束，覆盖第三个不相邻的区域，那么第三个区域的用户又可以分享 500MHz 的频率资源，于是，人们想到了解决问题的新办法。

图1高通量卫星通信系统结构

首先，把波束覆盖区缩小，这样就可以让少数人分享同样多的频率资源；其次，为每个波束覆盖区提供更多的频率资源，卫星不再采用 C 频段，而是更高频率的 Ku 频段、Ka 频段乃至 Q/V 频段。这样分配给每个用户的频率资源就更多了。如果用 20 个波束覆盖中国，工作在 Ka 频段上，那么每个中国人平均可以分到 193Hz 的频率资源，比 C 频段多很多。

但是问题没有这么简单，为了让用户能正常通信，两个相邻波束覆盖区之间不能使用一样的频率，否则就会产生严重的干扰，覆盖区越小，这个问题就越严重。那么如何解决信号干扰问题呢？需要把频率资源切成几段，分别提供给不同的相邻区域。切的段数越少越好。那么到底应该切成几段呢？许多人可能都听说过所谓的“四色问题”，这个问题原本出现在绘制地图的过程中。如果要让两个相邻区域的颜色不同，那么绘制整张地图最少需要几种颜色？这个问题的答案是 4 种。所以，频段最少也要切成 4 种才能满足要求。如果切得太多，每个覆盖区内所能分配到的频率资源就会减少。

高通量技术在不同轨道的卫星上的使用方式是有很大区别的。

在传统的地球静止轨道卫星上，波束的形状都是固定的，称为“赋形波束”。根据电信领域的国际协议，一颗卫星如果没有获得某个国家政府的批准，就不能向这个国家投射波束、开通业务，否则会引发国际纠纷。另外，传统卫星波束的中心部分信号强、通信效果好，边缘部分信号弱、通信效果比较差。如果人们用波束中心对准人口密集、经济发达的地区，那么沙漠、海洋和其他人口稀疏的地区，就只能享受到信号不是那么强的波束覆盖。高通量技术出现之后，情况发生了很大的变化，人们可以用一个又一个很狭窄的波束，覆盖自己想要开通业务的区域。这种狭窄部署被称为“点波束”。在整个覆盖区内，用户可以享受到差不多的信号强度。泰国通信卫星公司的 IPSTAR 卫星，就是这类卫星的先驱。由于泰国通信卫星公司和中国达成了协议，IPSTAR 卫星还用23 个波束覆盖了中国的部分地区，开通了相关业务。IPSTAR卫星如图 2所示。

IPSTAR卫星

到了卫星互联网时期，“点波束”得到了继承和发展。公认的第一颗专门服务于互联网的地球静止轨道高通量通信卫星“卫讯 -1”，就采用72 个宽带点波束—上网速度较快的波束，其中大多数波束覆盖了美国大陆，看上去就像普通地面移动通信的基站覆盖一样。另外有一部分波束覆盖了阿拉斯加。在“卫讯 -1”卫星运行区间，世界通信市场也发生了很大的变化。民航客机用户的需求得到了高度重视。以前人们在乘坐飞机旅行的时候，只能老老实实坐在狭窄的座位上，偶尔听听音乐、看看书。头等舱的VIP 乘客能享受到卧铺或者美食。随着电子技术的进步，民航飞机的制造商们设法在座椅上安装了娱乐系统，乘客可以点播电影、玩游戏来度过无聊的旅程。近 10 年，人们一直在讨论民航机客舱如何上网的问题。有人发明了地对空通信设备，可在陆地上空飞行的时候提供网络服务。但当人们飞越大洋的时候，提供网络服务就只能依靠卫星了。航行在大洋上的渔船、游轮、货轮，也有同样的需求。所以，从“卫讯 -2”卫星开始，人们采用宽带点波束覆盖大西洋北部。中国的中星 -16、中星 -20 等卫星也是高通量通信卫星，用大量宽带点波束覆盖了中国周边海域。

除了静止轨道卫星，高速运动的低轨道宽带互联网星座同样要采用高通量技术，如“星链”星座、“一网”星座等。当然，因为低轨道卫星是会移动的，它所发射的点波束并不会覆盖地面的某个固定区域，而是不断变化。当这些点波束和地球静止轨道卫星发射的波束相重叠的时候，不可避免地会带来干扰问题。而且低轨道卫星距离地球只有 1 000km 左右，甚至更近，它们的波束功率肯定更强，很大概率会干扰静止轨道卫星。国际电信联合会为此制定了“静止轨道卫星优先”的政策，也就是说，一旦发生干扰，低轨道卫星要做出牺牲，保证静止轨道卫星的正常工作。干扰问题成为一些人质疑和反对低轨道星座的主要理由，也给整个通信系统的设计带来了更复杂的挑战。因此，作为大规模低轨宽带互联网星座的先驱，“一网”星座采取了一种非常复杂的抗干扰方式（见图 3）。

图3 “一网”卫星试图通过频繁波束切换来避免干扰高轨卫星

地球静止轨道卫星部署在赤道上空，用户要想和静止轨道卫星通信，就必须把天线指向赤道上方 35 800km 的地方。因为地球是圆的，所以不同纬度的用户，天线指向的角度不同。在赤道附近的用户需要把天线几乎垂直指向天空，而在寒冷地区的用户就要把天线向下压。如果进了北极圈或者南极洲，天线就要压到几乎和地面平齐的角度。不过好消息是，因为静止轨道卫星是几乎不动的，那么在地球上的某个具体区域，与它们通信的天线的指向角度—也叫作仰角—是可以固定的。这就给低轨道卫星的设计者们带来了方便。只要低轨道卫星把平行于静止轨道卫星的波束关掉，将用户切换到星座里其他卫星的波束上。其他卫星的波束和静止轨道卫星的波束的角度差异很大，因此可以有效地避免干扰。这听起来很简单，但地球静止轨道上也有大量的通信卫星，有些卫星还有多个波束，所以低轨道卫星的波束切换工作还是很复杂的，需要通过精细计算和仿真才能确定方案。考虑到今后近地轨道上会存在不止一个星座，星座和星座之间的干扰如何解决，同样是一个非常麻烦的问题。

也正是因为如此，很多静止轨道卫星的业主听到“一网”星座的抗干扰方案会忧心忡忡，不相信这种方式真的能够发挥作用。但无论如何都不能改变高通量技术作为天基互联网关键技术的地位。而且由于低轨道卫星距离地面更近，每个点波束的覆盖区可以更小，能够为用户提供更多的频率资源、更快的上网速度。当然，在低轨道卫星上使用高通量技术，需要地面上有相应的技术和设备来配合。

----摘自《卫星互联网 助力新基建的硬科技》

来源: 《卫星互联网 助力新基建的硬科技》

内容资源由项目单位提供