基于用户与业务的需要,结合典型的卫星星座、 频率资源和载荷配置,并考虑到卫星通信技术、器 件和组件发展水平,本文初步估算星地融合通信系 统中卫星通信需要满足的技术指标 ,具体分 析如下:
未来星地融合通信系统的卫星应具有部分或全 部基站功能,每颗卫星支持数十至数百个波束。对 于为低增益(几分贝以内)天线的终端(如手机、 物联网终端)提供接入服务的波束来说,单波束下 行峰值速率可设在 10~50Mbps 之间;对于为高增 益(30dB 以上)天线的终端(如 VSAT 终端)提 供接入服务的波束来说,单波束下行峰值速率可设 在 50~1000Mbps 之间;每颗卫星的容量可设定在 10~100Gbps 之间。
空口时延包括传播时延、处理时延、跳波束调 度时延和重传引入的时延,它与“接入网 - 核心网” 间的时延、核心网内时延之和应满足所支持的通信 业务的包时延预算 [8] 的要求。传播时延是由轨道高 度和最低仰角决定的,对于星上处理和透明转发的 LEO卫星通信系统来说,传播时延分别在1.1~11ms 和 2.3~23ms 之间;对于地球静止轨道(GEO)卫 星来说,传播时延则超过百毫秒。处理时延相对较小, 一般单侧在 1~2ms 之间。跳波束调度时延的最大值 与平均值分别是实际回跳周期的一倍和一半,受跳 波束同步时间的约束,跳波束周期一般设在 80ms 以内,应根据业务的包时延预算和其它时延情况设 置实际回跳周期。重传引入的时延由重传次数、传 播时延、处理时延和跳波束调度时延等因素共同决 定,当传播时延或跳波束调度时延比较大时,或在传输实时交互业务时,应尽量减少重传次数或避免 使用重传机制。
多普勒频移由信号频率、卫星与终端 / 信关站 之间的相对径向速度决定,对于常用的 Ku 和 Ka 频 段的低轨卫星通信系统来说,多普勒频移可高达数 百千赫兹;对于常用的 C 和 X 频段的低轨卫星通信 系统来说,多普勒频移也可超过 100 千赫兹;对于 常用的 L 和 S 频段的低轨卫星通信系统来说,多普 勒频移也有数十千赫兹。在低轨卫星通信系统中, 不仅多普勒频移绝对值很大,而且多普勒频移的变 化率也比较大,因此,多普勒频移对同步、随机接入、 信号检测等有明显的影响,星地融合通信系统应具 有容忍大多普勒频移的特性。
卫星通信系统支撑的典型终端类型为手持终端、 固定终端、车载终端、船载终端和机载终端等。对 于机载终端,其移动速度可高达 1000km/h,会影 响对星、同步和移动管理等方案的设计,对波束宽 度和波控也有一定的约束。
卫星通信系统因功率受限,功率回退不宜太多, 因此,线性度、调制阶数(特别是用户链路)和频 谱效率不会太高。一般而言,对于低增益天线的终 端来说,用户链路调制阶数在 4 以内;对于高增益 天线的终端来说,用户链路调制阶数在5或者6以内, 最高频谱效率应大于 3bit/s/Hz。
地面移动通信系统一般使用 Sub-6GHz 低频段, 多采用同频复用。卫星通信系统部分采用 L、S、C、 X 低中频段的频率,部分采用 Ku、Ka 高频段的频率,通常基于波束空分及多色复用频分来组网。此外, 原来用于馈电链路或星间链路的 Q/V 频段也开始用 于用户链路。在星地融合通信网络中,不仅需要支 持星内和星间的频率复用,也需要支持星地频率复 用,频率复用因子不超过 4。对于宽带卫星通信系 统来说,每颗卫星的波束数与频点数之比一般在 2 至 8 之间,这也是频率复用的一个重要指标,会从 多个方面影响卫星通信系统的设计。
卫星通信无线链路的可用性会受到电离层、大 气、云、雨等无线环境的影响。在做链路预算时, 需要根据使用的频率考虑上述因素的影响。一般而 言,在没有异地链路备份机制的条件下,用户链路 的可用度应不低于 98%,馈电链路的可用度应不低 于 99%。在实际中,可以从用户群、频率、覆盖区 域和代价等方面综合考虑链路的可用度指标,并与 用户签订适合的服务水平协议。
卫星通信系统的单波束对应的小区半径从数十 公里到上千公里,其覆盖范围可为数万平方公里, 比地面移动通信系统小区覆盖范围高出多个数量级。
虽然城市区域人口稠密,但是真正使用卫星通 信系统的用户还是少数。对于无地面网络覆盖或者 覆盖不足、主要由卫星网络覆盖的区域,例如海洋、 森林、沙漠等地广人稀的偏远区域,用户密度也不 会太大。参照典型场景中用户分布情况和已有卫星 通信系统的设计目标,未来的卫星通信系统的每颗 卫星和每个波束支持的激活用户数将分别超过 5000 和 500 个。