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探索Ka之外的未來衛星通信方式

發布時間:2017-04-06 10:49:00 瀏覽次數:

2017-04-05 數字通信世界 EasyDS

1  引言


隨著目前和未來Ka頻段容量的激增,認為帶寬不會是一個緊迫問題的想法似乎是無可厚非的。然而,針對擴展到新頻段(即Q和V)的可行性已經展開探索。那么,業界對這種擴展抱有何種態度?這些頻段具有多大的潛力呢?
衛星行業正在快速發展,新的應用程序層出不窮。由于衛星可以用于許多領域,如廣播、測繪、氣象、地球觀測等,近年來,衛星使用的快速增長已經導致在較低頻段中的可用帶寬嚴重匱乏。

 

業界對這種擁擠狀況的議論已經持續好長一段時間了。我們已經看到這個行業不斷進入新的頻段,從C到Ku、從Ku到Ka。轉移到Ka頻段預計將減輕對可用帶寬的壓力,因為將有更多的可用帶寬。然而,隨著更高吞吐量的需求增長和非對地靜止軌道(NGSO)星座的出現,業界不得不對未來有所考慮。現在,已到了需要評估其他頻段的潛力的時候,可以幫助支持對當前和未來需要高吞吐量的應用的不斷增長的需求。因此,我們將衛星頻譜上移到Q/V頻段,這是衛星頻段利用的下一個前沿領域,可為電信基礎設施的快速部署開辟新的可能性.。


2  什么是Q/V頻段?


Q/V頻段位于無線電頻譜的極高頻(EHF)區域內的33-75GHz之間,這些頻段目前主要用于衛星通信、遙感、地面微波通信和射電天文研究。
希望EHF通過將衛星和主站之間的Ka鏈路變為Q/V頻段,來提升下一代高通量衛星(HTS)的性能。這將使更多的帶寬可用于Ka頻段的用戶,并且還將減少所需的主站數量,反過來,將有助于降低每比特通信成本。

 

寫到這里,這方式聽起來很簡單,但EHF頻段容易發生信號傳播衰減,這是大氣的不同區域對衛星信號的影響。對毫米波而言,其僅通過視距傳播,這種傳播的影響效果是顯著的。因此,衰減補償技術(如ACM自適應編碼調制)將是必要的,以降低這種衰退,然而,這些手段需要以經濟的方式實現。
“由于這些頻段中的較高的大氣和雨衰影響,它們最初用于大型地面站到(地球靜止軌道)GEO系統的高帶寬網關饋線鏈路。”波音國際衛星系統公司總裁Mark Spiwak解釋道,“但Q/V波段系統中可用的高帶寬也使它們對中地球軌道(MEO)或低地球軌道(LEO)系統的用戶和關口站之間的鏈路具有吸引力,因為這些軌道具有較低的路徑損耗。”


如果Q/V頻段被利用,它們可能為軍事和商業應用開辟廣泛的新產品和服務的潛力。然而,進入這些新頻段有什么樣的需求,衛星業如何做好相應準備呢?與Ka頻段一樣,將存在技術和監管挑戰,因此對行業來說這是現實可行的嗎?
已經有人開始嘗試在Q/V頻段中測試傳輸。2016年3月,Eutelsat成為第一個在其Eutelsat 65 West A衛星上測試Q/V波段通信的商業運營商之一。Eutelsat首席技術官Yohann Leroy說:“我們的目標是獲得先進的洞察力,提高未來高吞吐量衛星的效率和成本效益。”

 


與勞拉空間系統(SSL)合作,Eutelsat確認已經使用實驗有效載荷在EHF中成功地進行了傳輸。利用該有效載荷來分析40-50GHz的Q/V頻段的潛在性能,并測定這是否是促進Terabit衛星寬帶計劃的關鍵。
“我們認為Q和V頻段將塑造未來寬帶通信系統的藍圖,因為這些頻段將顯著提高下一代高吞吐量衛星節目的性能。”Leroy說。


3  AlphaSat和Aldo Paraboni


2013年7月發射的Alphasat是衛星行業開發Q/V頻段使用的重要一步,該星是曾經建造的最大的通信衛星。Alphasat搭載了由Thales Alenia Space為意大利航天局(ASI)制造的有效載荷,載荷被命名為Aldo Paraboni,受到這位已故意大利科學家的啟發而來,是第一個探索在38和48GHz的Q/V頻段的技術演示載荷。


有效載荷正在測試Q/V頻段內站點之間寬帶數據業務的性能,以評估在可能對信號產生負面影響的大氣條件下的性能。現在,ASI的科學家已經開始分析來自歐洲有效載荷的兩個信號的兩組數據。科學家們正在比較它們的表現,以確定他們如何受到天氣的影響,這些數據將用于打造未來地球靜止衛星的寬帶通信模式。希望該測試項目將確認更多的可用帶寬和使用更小的用戶終端的可能性,因為預期進一步的研究將消除對超大鏈路的需要以補償信號衰減。


“建立固定的備份地面關口站網絡是克服Q和V頻段對天氣條件的敏感性的條件。”Leroy說,“需要開發解決方案,在不到30秒內從一個關口站切換到另一個,并將天氣預報情報集成到網絡中。”


正在進行的研究對未來的電信部署非常令人鼓舞,然而,更廣泛的衛星行業有沒有立足之地?當我們正等待看到Ka頻段將如何施展時,難道在這個時間點是真正應該優先考慮的事項?或是整個行業應該考慮的事情?

 

 
Spiwak認為其中必有需求,更快地向Q/V頻段區域發展宜早不宜遲。他解釋道:“HTS運營商越來越感興趣,將關口站天線移動到這些頻段釋放Ku和Ka波段頻譜,以增加用戶容量,更好地為這些用戶提供服務。”


衛星運營商對新頻段的需求是肯定可以預期的,因為他們必須看得更遠。衛星業務,特別是對運營商來說,是一個長期的業務,因此需要提前解決未來的需求。然而,對于寬帶通信提供商Advantech公司而言,這種向Q/V頻段的轉移是微不足道的。Advantech全球銷售和業務發展資深副總裁Steve Richeson說:“我們看到它們僅被潛在地用到高吞吐量衛星的‘饋線’鏈路。當一個單獨主站需要對多個獨立點波束發出一個上行鏈路時,高帶寬可以在這樣的網絡架構中提供高效率。我們正與客戶合作,密切關注對這些頻段的要求。這些系統的商業部署為時尚早,目前還沒有實際的需求或解決方案。”

 

4  清除障礙:監管


美國聯邦通信委員會(FCC)最近通過了“頻譜前沿”提案,這將加快5G服務的快速通道,第一個可以在2017年初看到。該建議強調,FCC將促進共享計劃,以確保不同的用戶能夠共享頻譜。FCC的情況說明中提到:“它還將為28GHz,37GHz,39GHz頻段的持續和擴展的衛星運行創造一條途徑。它將采用若干機制,為衛星運營商提供靈活性和向地面運營商提供可預測性。”然而,在衛星行業中存在一絲不安,并且非常擔心衛星可能不能在Q/V頻段中得到最好的處理。在2015年世界無線電通信大會(WRC-15)C波段爭奪風波之后(5G運營商爭取C頻段使用權),人們擔心該行業可能必須再次戰斗。


FCC的新規則提供在衛星下行鏈路頻段中接入5G載波,并且這將影響V頻段關口站的部署。Spiwak解釋說:“建議的規則還提出了可以向5G載波提供對衛星上行鏈路頻段的接入,在國際上,國際電信聯盟(ITU)正在進行研究,以制定程序和規則,以便能夠成功地協調衛星和其他分配業務之間的Q/V頻段使用。”
仍有很多潛在的沖突,來自一些HTS運營商的對Q/V頻段的興趣水平是顯著的。與波音公司和Eutelsat公司一樣,其他運營商(如ViaSat,Inmarsat,neWeb,O3b,Iridium)也對EHF很感興趣,并開始在EHF方面的研發,有人擔心,如果5G部署超過衛星產業的需求,那么利用頻譜將受到一定威脅。


“特別是在WRC-19期間,衛星行業正在尋求2019年政府的認可,確認衛星行業的吸引力,通過明確的監管規定將這些頻段整合到未來衛星寬帶解決方案的部署中。”Eutelsat頻譜管理戰略部總監Wladimir Boquet說。


重要的是鼓勵所有相關行業和機構開展對話。“波音一直與FCC、國際電聯、衛星工業協會(SIA)和地面運營商密切合作,倡導衛星系統的需求,我們還與地面運營商直接合作,了解即將推出的5G部署,并根據這些新法規找到優化衛星頻譜使用的方法。”Spiwak說。

 

5  投資與新技術


在Q/V頻段的使用方面必須清除的另一個主要障礙是成本的問題和必須開發實現它的新技術。目前,所需的衛星和地面硬件還不是以大用戶量為目標構建的,所以負擔能力將是關鍵,但這需要大量的投資。Richeson說:“成本將是使這些頻段可利用的一個巨大挑戰,在產量可以變得可預測之前,組件的成本需要降低并且產量需要增加。”


這是幾十年前開始的類似商業Ka頻段發展的路徑。隨著Ka頻段系統的部署仍然相對較新,對于接下來會發生什么的可能性進行討論似乎還為時過早,但衛星運營商尤其渴望看到Q/V頻段的測試結果。他們的長期業務依賴于仔細的市場預測,試圖找出未來的需求水平。如果他們現在不采取行動,并且HTS市場確實按預期成指數增長,就會面臨帶寬的巨大需求,沒有人愿意落在后面。


在時間表方面,有關何時發生這些變化尚有不同意見。對波音公司而言,建造Q/V頻段衛星可能在很短時間內開始。“除了已經飛行的實驗有效載荷外,我們預計在未來6至12個月內,將會有使用這些頻段的商業衛星訂單。”Spiwak說。
Leroy則認為“采用實現技術的條件和時間表,估計我們在下一個十年的早期階段能夠進入。”Richeson認為將需要10到12年,他說:“目前為止,需求并不很多,有一個即將到來的容量過剩,但總會有特定的應用需要更多帶寬。”


總之,測試正在進行中,有不同程度的傾向需求這些頻段。然而,使用它們確有明顯的優勢。當然在充分利用這些頻段之前,仍然有一些嚴重的障礙要清除。

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