低軌衛(wèi)星星座Kuiper系統(tǒng)介紹與分析
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Kuiper系統(tǒng)概述
亞馬遜的Kuiper（柯伊伯）系統(tǒng)由分布在590公里、610公里和630公里軌道高度的3236個Ka波段衛(wèi)星組成，以提供高速、低延遲的衛(wèi)星寬帶服務(wù)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信天線、子系統(tǒng)和半導(dǎo)體技術(shù)，提供經(jīng)濟(jì)高效的消費(fèi)者和企業(yè)寬帶服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)定傳送（IPtransit）、載波級以太網(wǎng)（carriergradeEthernet）、無線回程等業(yè)務(wù)。Kuiper系統(tǒng)的通過最大化頻譜復(fù)用和效率，并能靈活調(diào)整容量以滿足特定區(qū)域客戶需求。此外，Kuiper系統(tǒng)利用亞馬遜的地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來提供為客戶提供安全、高速、低延遲的寬帶服務(wù)。
Kuiper系統(tǒng)空間段和地面段將由五個主要部分組成：
① 3236顆先進(jìn)的NGSO衛(wèi)星，具有創(chuàng)新的衛(wèi)星設(shè)計、軌道架構(gòu)和發(fā)射計劃。
② 一系列的客戶終端，包括企業(yè)、消費(fèi)者和移動終端。
③ 關(guān)口地球站，站點(diǎn)分布在整個Kuiper系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域。
④ Kuiper軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和運(yùn)營/業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)。
⑤ Kuiper衛(wèi)星控制功能，包括衛(wèi)星操作中心和安全遙測、跟蹤和指揮（“TT&C”）網(wǎng)絡(luò)。
Kuiper系統(tǒng)空間段
1，星座設(shè)計
柯伊伯系統(tǒng)空間段由3236顆先進(jìn)的NGSO衛(wèi)星組成，分布在三組不同高度和傾角的軌道面上，具體空間段星座構(gòu)型配置如下：
表1 Kuiper系統(tǒng)空間段構(gòu)型
Kuiper系統(tǒng)之所以設(shè)計為三組軌道面，主要基于以下考慮：
? 最少的衛(wèi)星數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)最大和均勻分布的地形重疊覆蓋赤道南北56度之間；
? 快速計劃主動離軌時間段（? 地面上的小型衛(wèi)星點(diǎn)波束，提高頻譜效率和頻率復(fù)用；
? 較低的軌道高度，有效載荷功率要求較低；
? 減少對衛(wèi)星的輻射危害，使用高性能商用成品（COTS）硬件。
關(guān)于Kuiper系統(tǒng)的部署，計劃將分五個階段進(jìn)行，下表給出了各階段部署計劃：
表2 星座部署階段計劃
2、Kuiper系統(tǒng)衛(wèi)星
柯伊伯衛(wèi)星使用先進(jìn)的多用戶波束相控陣天線，天線技術(shù)及軟件定義控制功能可基于給定區(qū)域的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)靈活的頻率和容量分配。
Kuiper衛(wèi)星上具備一套獨(dú)立的天線可與關(guān)口地球站通信，該衛(wèi)星所有的業(yè)務(wù)可以在多個用戶與關(guān)口調(diào)制解調(diào)器組（gatewaymodembanks）間全路由，以提供完整的包再生、重封裝及重排序。典型地，在軌TT&C通信是通過Kuiper系統(tǒng)的饋電鏈路實(shí)現(xiàn)的，而單獨(dú)TT&C鏈路則會在發(fā)射及早期在軌階段（LEOP）、離軌過程、饋電鏈路不可用等情形下使用。
Kuiper衛(wèi)星有效載荷體系結(jié)構(gòu)由衛(wèi)星總線支持，該總線提供軌道控制、發(fā)電和存儲、飛行控制和衛(wèi)星指向等功能。Kuiper衛(wèi)星通信有效載荷包括多種類型的天線、調(diào)制解調(diào)器、包路由和交換引擎。一旦衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道位置、定向調(diào)整好，且通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置后，Kuiper衛(wèi)星通信有效載荷將開始運(yùn)行。該通信載荷可根據(jù)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的客戶需求，通過再編程實(shí)現(xiàn)容量分發(fā)。其中，組網(wǎng)和路由子系統(tǒng)由Kuiper系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，以預(yù)編程的方式實(shí)現(xiàn)波束與合適虛擬點(diǎn)波束的映射，波束間將實(shí)現(xiàn)上下行所有業(yè)務(wù)的全星上再生、星上交換、星上重封裝等功能。
通信載荷的調(diào)制解調(diào)器支持多種調(diào)制和編碼的選項(xiàng)，包括最新一代低密度校驗(yàn)碼（LDPC）前向糾錯（FEC）。每個調(diào)制解調(diào)器支持每用戶鏈路的自適應(yīng)編碼和調(diào)制（ACM），并支持服務(wù)質(zhì)量（QoS）隊(duì)列以適當(dāng)?shù)鼐彌_數(shù)據(jù)。組網(wǎng)及路由子系統(tǒng)支持多種服務(wù)質(zhì)量級別，允許執(zhí)行服務(wù)級別協(xié)議（SLA）和盡力服務(wù)（BE）組網(wǎng)解決方案。
圖1 Kuiper衛(wèi)星通信載荷
（1）用戶波束
Kuiper衛(wèi)星用戶波束為世界各地多個活躍客戶提供連接，通過高增益、可調(diào)向、可調(diào)形的相控陣天線，可實(shí)現(xiàn)在較低軌道高度情況下點(diǎn)波束覆蓋$300km^2$，相當(dāng)于波束半徑僅有10km。對于需要較大點(diǎn)波束覆蓋的區(qū)域，則可實(shí)現(xiàn)較大波束$500km^2$，相比于小點(diǎn)波束而言會有大約2dB的降低。用戶點(diǎn)波束間會通過不斷更新他們的系數(shù)以補(bǔ)償衛(wèi)星的移動性，從而實(shí)現(xiàn)對終端的連續(xù)服務(wù)。此外，當(dāng)用戶波束在衛(wèi)星間切換時，通信有效載荷支持近乎無縫的切換，保持終端的持續(xù)通信。
點(diǎn)波束由Kuiper系統(tǒng)SDN分配，并支持其他衛(wèi)星的再分配，這主要考慮到GSO排他角、擦傷grazing（服務(wù)覆蓋范圍邊緣的用戶）和共線干擾事件。當(dāng)其余衛(wèi)星對于虛擬點(diǎn)可用時，Kuiper系統(tǒng)波束規(guī)劃SDN將最佳衛(wèi)星分配給該虛擬點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)吞吐量，同時遵守協(xié)調(diào)協(xié)議以及遵守國際、區(qū)域、以及特定國家的規(guī)則。波束規(guī)劃SDN將衛(wèi)星資源快速交換，在限制控制流量的同時快速重新分配資源。如果備用衛(wèi)星無法分配，系統(tǒng)還支持在需要時頻譜分割。
盡管用戶波束通常會集中在每個虛擬點(diǎn)上，但系統(tǒng)可以將波束的指向偏離虛擬點(diǎn)中心以優(yōu)化吞吐量（尤其是當(dāng)大部分業(yè)務(wù)量位于遠(yuǎn)離中心區(qū)域時），同時采用了更先進(jìn)的自干擾管理。對于消費(fèi)者而言，他們將始終保持一條與Internet應(yīng)用、企業(yè)鏈接以及亞馬遜服務(wù)等的連接，且對于Kuiper系統(tǒng)內(nèi)的衛(wèi)星、關(guān)口站或路徑的切換將毫無感知。消費(fèi)者將體驗(yàn)到標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，并看不到任何底層的無線資源、路由或控制面層。
（2）關(guān)口站波束
關(guān)口站鏈路（也稱饋電鏈路）始終是點(diǎn)對點(diǎn)連接，衛(wèi)星和關(guān)口站間通過使用饋電鏈路上傳輸?shù)淖鴺?biāo)系控制信息實(shí)現(xiàn)相互指向?qū)Ψ?。在鏈路連接期間，兩端的天線以毫秒級進(jìn)行指向的更新，以最大化該鏈路的吞吐量。關(guān)口站與衛(wèi)星都使用了備份天線，以支持切換到另一個饋電鏈路上，可有效應(yīng)對衛(wèi)星在多個站間移動而可能導(dǎo)致的損失。每個關(guān)口站具有4副主動天線，且每副天線都可以充分利用關(guān)口站所有的頻率和兩種極化方式。
美國關(guān)口站站址的數(shù)量大約等于美國領(lǐng)土服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)，初始的關(guān)口站部署基于初始的覆蓋緯度而設(shè)計，并隨著提供服務(wù)衛(wèi)星數(shù)量的增多而增多。關(guān)口站站址的選擇方面，原則是支持衛(wèi)星在軌運(yùn)行路徑、拓展業(yè)務(wù)以支持離岸區(qū)域、亞馬遜網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、接入到回程光纖。此外，關(guān)口站站址選擇將滿足GSO排他角、共線事件或地面中斷（groundoutages）。最后，關(guān)口站位置的數(shù)量對于高雨衰區(qū)域?qū)⒃龆?，以提供多站分集對抗較大的路損。關(guān)口站位置可能在沿岸區(qū)域更加密集，是因?yàn)橹С指嗟碾x岸消費(fèi)者，站址位置選擇將考慮FCC規(guī)則中所提出的27.5-28.35GHz頻段使用規(guī)范。
3、頻率和極化
（1）用戶鏈路
Kuiper系統(tǒng)中衛(wèi)星與所有用戶終端、關(guān)口站和TT&C的通信均工作在Ka頻段，對于衛(wèi)星與用戶終端之間的用戶鏈路（UL）而言，極化方式采用了右旋圓極化RHCP與左旋圓極化LHCP。用戶鏈路頻率與極化等配置如下表所示：
表3 Kuiper系統(tǒng)用戶鏈路頻率與極化方式
用戶下行鏈路充分利用衛(wèi)星上的相控陣天線優(yōu)勢，提供可調(diào)向、可調(diào)形的波束為用戶終端服務(wù)，峰值增益在30到45dBi之間，可支持用戶終端相控陣天線或拋物面碟形天線。每個用戶的下行波束可以提供千兆級吞吐量，具體也會受可用頻譜、終端天線增益和工作條件等影響。用戶下行頻譜劃分為100MHz信道，而100MHz信道可以聚合成更寬的信道，實(shí)現(xiàn)從200到500MHz的動態(tài)范圍。星上每副相控陣天線可使用三個主頻譜設(shè)計中的一個，每一個都由4-5個信道組成。
用戶波束天線可以支持多點(diǎn)波束同頻的工作方式，可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)不同個位置的用戶提供服務(wù)。所有用戶波束都可以在左旋、右旋或左旋+右旋的圓極化方式工作，通過工作的靈活性實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的需求，并便于區(qū)域和國家特定規(guī)則。所提出的主要下行頻譜設(shè)計如下：
表4 用戶鏈路下行信道化
所建議用于用戶鏈路上行的主頻譜在28.5-29.1GHz頻段，該頻段劃分為50MHz信道，與下行信道可以聚合類似，上行信道也可以聚合從而形成更寬的帶寬，范圍從50MHz到200MHz。
考慮到大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的上下行非對稱性，上行頻譜的聚合要小于下行頻譜聚合。用戶信道會在多個上行終端之間以FDMA，TDMA及潛在的CDMA或TDMA等方式或組合，以進(jìn)行共享用于隨機(jī)接入信道請求。載荷架構(gòu)支持在一個波束內(nèi)分割為更小的頻率單元（FDMA），并可以指向到一個新的位置。這些資源分配的方法非常適合于解決多個服務(wù)區(qū)域業(yè)務(wù)量需求的變化，并允許在衛(wèi)星數(shù)量增加后可以適配到更大數(shù)量的用戶群體。
（2）饋電鏈路
饋電鏈路中衛(wèi)星與地面站均采用拋物面天線，天線口徑在1.0米到2.4米之間，工作頻段為上行27.5-30GHz，下行17.7-20.2GHz，具體頻段與極化方式等如下表所示：
表5 饋電鏈路工作頻率
饋電鏈路頻率的信道化與用戶鏈路類似，上行分割為50MHz信道而下行分割為100MHz信道。同樣，這些信道可以聚合為更寬帶寬的信道。每個衛(wèi)星拋物面天線可以工作在所有列出的頻率和極化方式。
（3）TT&C鏈路
TT&C鏈路通過一組有限的高增益（2至3米）地球站天線，以及安裝在不同衛(wèi)星表面的貼片天線組成，使得即便衛(wèi)星天線在未對準(zhǔn)地球站時也可收發(fā)。在軌TT&C鏈路可以使用關(guān)口站天線進(jìn)行工作，所提出的用于TT&C鏈路工作頻率如下表所示：
表6 TT&C鏈路工作頻率
對于TT&C鏈路而言，實(shí)際占用信道帶寬可以是1、5、10、20或50MHz。在可能的范圍內(nèi)，預(yù)期的信道被設(shè)計成頻段的邊緣。當(dāng)前的設(shè)計計劃，需要一個信道在同一時刻僅能與一顆衛(wèi)星通信，但是一個TT&C站可以采用多個頻率。這主要是為了實(shí)現(xiàn)一個TT&C站對多顆衛(wèi)星的管理，同時多顆衛(wèi)星間采用不同頻率以相互規(guī)避干擾。
Kuiper系統(tǒng)地面段
系統(tǒng)地面終端都會遵循一套操作規(guī)范。除初始入網(wǎng)或TT&C操作之外，所有地面終端將遵循協(xié)調(diào)的切換控制信令，以使得他們僅在所分配的特定衛(wèi)星特定頻率上進(jìn)行收發(fā)。這避免了任何可能與GSO或NGSO系統(tǒng)未經(jīng)協(xié)調(diào)的業(yè)務(wù)所造成的潛在干擾。在初始入網(wǎng)階段，用戶終端會遵循一個特定序列以確定該衛(wèi)星是否在可視范圍內(nèi)，且僅在收到認(rèn)證的消息、時隙及頻率后才對期望衛(wèi)星發(fā)送入網(wǎng)申請。
每種類型的Kuiper地面終端在到達(dá)最小仰角時將不再允許工作，該仰角如下表所示：
表7 Kuiper系統(tǒng)工作最小仰角
當(dāng)?shù)孛娼K端低于上表中所列的仰角時，將不能再接入Kuiper網(wǎng)絡(luò)。同時，衛(wèi)星也不會將波束指向超過上表中所列的仰角約束。地面天線的初始配置已在ITUUSASAT-NGSO-8A等相關(guān)提案中進(jìn)行了說明。Kuiper系統(tǒng)設(shè)計允許兩類天線，即相控陣天線和拋物面天線，以支持大動態(tài)范圍的增益。用戶終端接收增益范圍在30-41dBi，發(fā)送增益范圍在29.5-45.2dBi，而關(guān)口站接收增益范圍在39-49dBi，發(fā)送增益范圍在40-52.8dBi。所有的調(diào)制解調(diào)器都支持自適應(yīng)調(diào)制編碼方案，不管是高容量/高增益天線亦或是低成本/低增益天線終端。
1、用戶終端
Kuiper用戶終端將允許住宅、企業(yè)和移動（交通）等客戶通過電調(diào)轉(zhuǎn)向的相控陣天線，或機(jī)械轉(zhuǎn)向拋物面天線，實(shí)現(xiàn)與Kuiper衛(wèi)星的接入。用戶終端調(diào)制解調(diào)器具備點(diǎn)波束內(nèi)高速業(yè)務(wù)速率、鏈路優(yōu)化、用戶終端波束指向，以及確保用戶通信安全等特點(diǎn)。
2、關(guān)口站終端
由于Kuiper衛(wèi)星間不存在星間鏈路，該系統(tǒng)關(guān)口站站址將分布在整個服務(wù)區(qū)域，以使每個Kuiper衛(wèi)星接入兩個不同的關(guān)口站，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量提升并降低共線干擾事件。
來自多個關(guān)口站站址的業(yè)務(wù)通過地面光纖回程鏈路進(jìn)行聚合，傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)交換點(diǎn)（InternetExchange Point,
IXP）或存在點(diǎn)（Point-of-Presence,PoP）站點(diǎn)。在每個IXP或PoP站點(diǎn)，Kuiper系統(tǒng)與內(nèi)容分發(fā)緩存、企業(yè)和電信網(wǎng)絡(luò)對等進(jìn)行連接到互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)，或直接連接到亞馬遜骨干設(shè)施和數(shù)據(jù)中心，如下圖所示。
圖2 Kuiper系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
3、Kuiper系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理
Kuiper系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過全局軟件定義的網(wǎng)絡(luò)SDN控制器，稱之為KuiperSDN，進(jìn)行管理?？刂破髫?fù)責(zé)為用戶和關(guān)口站最優(yōu)的分配波束，并基于用戶需求和業(yè)務(wù)類型進(jìn)行長期（long-term）資源分配，也包含基于以天為時間粒度或峰值容量需求的短期（short-term）資源調(diào)整。當(dāng)某些衛(wèi)星進(jìn)入GSO排他角區(qū)域、協(xié)調(diào)協(xié)議約束、或衛(wèi)星運(yùn)行限制時，控制器將在多顆衛(wèi)星間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。在一個分配周期內(nèi)，包含上行用戶信道分配等的業(yè)務(wù)控制，將由SDN控制器通過與每顆星的用戶波束和饋電鏈路進(jìn)行指令和控制信息，實(shí)現(xiàn)對整個星座的管理。
4、Kuiper衛(wèi)星控制
Kuiper系統(tǒng)采用獨(dú)立的TT&C地球站的一張網(wǎng)，具備獨(dú)立的天線和星上資源、多個衛(wèi)星運(yùn)行中心。TT&C網(wǎng)絡(luò)主要用于衛(wèi)星發(fā)射操作、離軌操作和其他異常情況。由于大多數(shù)的衛(wèi)星控制操作都通過關(guān)口鏈路實(shí)現(xiàn)，因此僅需要在全球分布較少的TT&C站，且在任意時刻也僅一部分衛(wèi)星需主動與TT&C站通信
Kuiper系統(tǒng)性能分析
本部分為Kuiper系統(tǒng)性能仿真分析，對Kuiper系統(tǒng)的覆蓋、鏈路動態(tài)特性兩方面進(jìn)行了仿真與分析。
1、空間段覆蓋性能分析
基于Kuiper系統(tǒng)空間段星座構(gòu)型及地面段各類型地球站仰角約束，可分析該星座對全球不同區(qū)域覆蓋特性。由于星座采用Walker星座構(gòu)型，Kuiper系統(tǒng)對全球覆蓋將呈現(xiàn)緯度差異性，具體仿真結(jié)果如圖3所示：
圖3 Kuiper星座網(wǎng)絡(luò)中各類型地球站覆蓋分布圖
由圖3可看出，Kuiper星座系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了南北緯55度區(qū)域的覆蓋，且在南北緯20~50度區(qū)域可形成近10重覆蓋。由于世界人口大多位于該區(qū)域內(nèi)，所以該星座網(wǎng)絡(luò)在此處的覆蓋聚集更能提升網(wǎng)絡(luò)容量與服務(wù)質(zhì)量。同時，對于關(guān)口站和TT&C站而言，由于可支持較低的工作仰角，可實(shí)現(xiàn)超過百顆衛(wèi)星的同時觀測能力。
2、鏈路動態(tài)特性分析
Kuiper系統(tǒng)中衛(wèi)星與用戶終端之間的用戶鏈路動態(tài)性分析如圖4所示，主要分析了不同緯度區(qū)域終端的用戶鏈路平均持續(xù)時長。
圖4 Kuiper星座網(wǎng)絡(luò)終端平均接入時長隨緯度的變化
由圖4可看出，該網(wǎng)絡(luò)對南北緯55度范圍內(nèi)用戶，均可實(shí)現(xiàn)平均2.5分鐘的鏈路持續(xù)連接；特別的，在南北緯50度左右，鏈路持續(xù)時長最大，可達(dá)平均3.5分鐘的鏈路維持時間。對于中低緯度區(qū)域而言，鏈路平均持續(xù)時長略低于3分鐘。相比于銥星、全球星網(wǎng)絡(luò)平均接入時長在8~10分鐘而言，Kuiper星座網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入時長較短原因在于如下兩點(diǎn)：（1）工作于590~630km的運(yùn)行軌道導(dǎo)致了衛(wèi)星更快的運(yùn)行速度與更小的運(yùn)行周期，使得地面終端可見時長低于銥星等網(wǎng)絡(luò)；（2）工作于35度仰角約束的端-星仰角使得終端與衛(wèi)星建立連接的時間大為降低，相比而言，銥星網(wǎng)絡(luò)中終端最小工作仰角為8.2度
總結(jié)與展望
本文對亞馬遜公司所提出的Kuiper低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了介紹，包括空間段星座構(gòu)型、Kuiper系統(tǒng)衛(wèi)星載荷、工作頻率與極化方式，地面段用戶終端、關(guān)口站、網(wǎng)管、網(wǎng)絡(luò)控制。基于Kuiper系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對網(wǎng)路覆蓋特性、鏈路動態(tài)特性進(jìn)行了分析，Kuiper系統(tǒng)對南北緯55度內(nèi)區(qū)域具有較好的覆蓋與服務(wù)能力。同時，由于Kuiper系統(tǒng)地面關(guān)口站部署位置、鏈路傳輸體制等內(nèi)容尚未公布，作者將在獲得相關(guān)信息后對Kuiper系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量做進(jìn)一步分析與評估。