原文：《A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband》，原作者：Inigo del Portilloa,*,Bruce G.Cameronb,Edward F.Crawleyc

編譯：劉帥軍 胡月梅（中科院軟件所）

近年來，從太空提供互聯(lián)網(wǎng)接入的想法又卷土重來。在20世紀(jì)90年代提出的項(xiàng)目遭遇挫折后，經(jīng)過近20年相對(duì)平靜的時(shí)期，在2014年至2016年期間出現(xiàn)了一股新的發(fā)展浪潮，即大型低地球軌道（Low Earth Orbit,LEO）衛(wèi)星星座提供全球?qū)拵Ы尤?。與上一代系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)的主要區(qū)別在于更為先進(jìn)的數(shù)字通信有效載荷、高級(jí)調(diào)制方案、多波束天線和更復(fù)雜的頻率復(fù)用方案，這些因素都使得系統(tǒng)性能獲得了極大提升，同時(shí)也降低了各載荷制造與發(fā)射成本。本文比較了三個(gè)代表性大型低軌衛(wèi)星星座，即4425顆衛(wèi)星且使用Ku-Ka波段的SpaceX衛(wèi)星系統(tǒng)、720顆衛(wèi)星且使用Ku-Ka波段的OneWeb系統(tǒng)和117顆衛(wèi)星且使用Ka波段的Telesat衛(wèi)星系統(tǒng)。首先，本文依據(jù)2018年9月提交至FCC的文件對(duì)每個(gè)星座的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行介紹，并強(qiáng)調(diào)了這三個(gè)系統(tǒng)之間的相似性和差異性。然后，本文設(shè)計(jì)了一種統(tǒng)計(jì)方法來估計(jì)總系統(tǒng)吞吐量（可銷售容量），同時(shí)考慮了空間段的軌道動(dòng)力學(xué)、用戶鏈路及饋線鏈路大氣條件引起的性能變化?？紤]到地面站的位置和數(shù)量在確定系統(tǒng)總吞吐量中起著重要作用，并且由于地面段的部署在FCC中沒有給出具體描述，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)地面段部署優(yōu)化方案，以最小化支持系統(tǒng)吞吐量所需的地面站總數(shù)。最后，在結(jié)論部分進(jìn)一步分析了三個(gè)系統(tǒng)在投入使用之前必須克服的一些主要技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.引言

1.1 研究初衷

在過去的幾年里，利用大型低軌衛(wèi)星星座從太空提供互聯(lián)網(wǎng)的想法重新流行起來。盡管在90年代的十年中提出的項(xiàng)目遭遇挫折，但在2014年至2016年間出現(xiàn)了一批新的提議，即大型LEO衛(wèi)星星座提供全球?qū)拵?。共?1家公司向聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）申請(qǐng)?jiān)诜堑厍蜢o止衛(wèi)星軌道（NGSO）部署大型星座，作為提供寬帶服務(wù)的手段。這些新設(shè)計(jì)星座規(guī)模差異較大，從挪威航天局提出的2顆到SpaceX提出的4425顆。由于這些星座中有大量的衛(wèi)星，因此創(chuàng)造了“巨型星座（mega-constellations）”這個(gè)名稱來指代這些新提案。

與90年代的星座相比，這些巨型星座的主要區(qū)別在于，使用數(shù)字通信有效載荷、高級(jí)調(diào)制方案、多波束天線和更復(fù)雜的頻率復(fù)用方案，這些因素都使得系統(tǒng)性能獲得了極大提升，同時(shí)也降低了各載荷制造與發(fā)射成本。在進(jìn)一步降低成本和增加技術(shù)能力方面，擴(kuò)大對(duì)廣播數(shù)據(jù)的需求，以及對(duì)移動(dòng)（航空、海事）市場(chǎng)增長的預(yù)測(cè)，為這些系統(tǒng)的發(fā)展提供了主要的動(dòng)力。

在聯(lián)邦通信委員會(huì)登記的11個(gè)提案中，有3個(gè)處于更為高級(jí)的發(fā)展階段，即計(jì)劃在未來3年內(nèi)完成發(fā)射：OneWeb、SpaceX和Telesat。

本文回顧了這些巨型星座的系統(tǒng)架構(gòu)，如其各自在FCC的文件（截至2018年9月）所述，并強(qiáng)調(diào)了這三個(gè)系統(tǒng)之間的相似性和差異。然后，我們使用一個(gè)新的統(tǒng)計(jì)框架來估計(jì)系統(tǒng)的總吞吐量，該框架考慮了空間段的軌道動(dòng)力學(xué)、用戶和饋線鏈路的大氣條件引起的性能變化以及對(duì)可售容量的合理限制。

1.2 相關(guān)研究概述

上世紀(jì)90年代，由于對(duì)蜂窩和個(gè)人通信服務(wù)的需求不斷增加，以及互聯(lián)網(wǎng)的普遍使用，業(yè)界首次提出了利用大型低軌衛(wèi)星星座提供全球連接。在提議的LEO系統(tǒng)中，有些甚至在發(fā)射前就被取消了（例如，Teledesic、Celestri、Skybridge）[1]，而另一些則在運(yùn)營開始后不久申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)（例如，銥星、全球星、奧博通）[2]。

在相關(guān)已發(fā)表的多份技術(shù)報(bào)告（主要由星座設(shè)計(jì)者撰寫）中，概述了每一個(gè)擬發(fā)射衛(wèi)星星座系統(tǒng)的架構(gòu)，如：Sturza[3]描述了最初的Teledesic衛(wèi)星系統(tǒng)（924顆衛(wèi)星星座）的技術(shù)信息；Patterson[4]分析了進(jìn)一步縮小規(guī)模后的系統(tǒng)，即288顆衛(wèi)星系統(tǒng)；Leopold在研究成果[5-6]中對(duì)銥星系統(tǒng)進(jìn)行了全面的描述，而Wiedeman在研究成果[7]中對(duì)全球星的星座進(jìn)行了分析。

通過比較方法，Comparetto[8]對(duì)全球星、銥星和Odyssey系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)分析了各提案的系統(tǒng)架構(gòu)、手機(jī)設(shè)計(jì)和成本結(jié)構(gòu)。Dumont[9]研究了這三個(gè)系統(tǒng)從1991年到1994年所經(jīng)歷的變化。Evans[10]分析了不同軌道上個(gè)人通信的不同衛(wèi)星系統(tǒng)（GEO、MEO和LEO），隨后比較了LEO中Ka波段[11]和Ku波段[12]系統(tǒng)的不同提案。這些參考文獻(xiàn)中遵循的方法在本質(zhì)上大多是描述性的，提供了對(duì)各種LEO系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的概述。另一方面，Shaw[13]定量比較了Cyberstar、Spaceway和Celestri方案的能力，評(píng)估了諸如容量、信號(hào)完整性、可用性和每計(jì)費(fèi)T1/分鐘的成本等變量。

與新的LEO提案相關(guān)的研究很少，主要集中在分析碎片和撞擊概率[14、15]，以及比較LEO和GEO系統(tǒng)應(yīng)用于海上服務(wù)和航空用戶[16]。特別是，Le May[14]研究了在當(dāng)前LEO碎片環(huán)境中運(yùn)行的SpaceX和OneWeb衛(wèi)星的碰撞概率，而Foreman[15]在分析了衛(wèi)星與空間碎片之間的碰撞次數(shù)后，提出了幾個(gè)解決軌道碎片問題的政策建議。最后，McLain[16]將上述兩個(gè)系統(tǒng)與多顆地球靜止、吞吐量非常高的衛(wèi)星進(jìn)行了比較，得出結(jié)論，后者為航空和海事工業(yè)提供了一條更簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)更低、更經(jīng)濟(jì)的途徑。

本文采用與Evans[10]相似的方法，對(duì)OneWeb、Telesat和SpaceX的方案進(jìn)行了比較。我們首先描述每個(gè)系統(tǒng)，然后對(duì)星座的其他方面進(jìn)行比較分析。本文的后半部分主要是評(píng)估三個(gè)系統(tǒng)的性能（根據(jù)系統(tǒng)總吞吐量和地面部分的需求）。

1.3 論文目標(biāo)

本文研究目標(biāo)為如下兩方面：（1）在OneWeb，Telesat和SpaceX星座的一致和可比較的基礎(chǔ)上展示系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行技術(shù)比較；（2）使用統(tǒng)計(jì)方法估算每個(gè)提案的地面部分的總系統(tǒng)吞吐量和要求，該統(tǒng)計(jì)方法考慮空間部分的軌道動(dòng)態(tài)和大氣條件對(duì)用戶和饋線鏈路引起的性能變化。

1.4 論文結(jié)構(gòu)

本文的結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)討論了Telesat，OneWeb和SpaceX構(gòu)思的三個(gè)系統(tǒng)的不同系統(tǒng)架構(gòu)；第3節(jié)介紹了估算總系統(tǒng)容量和推導(dǎo)地面部分要求的方法；第4節(jié)介紹了每個(gè)巨型星座所需的總系統(tǒng)吞吐量，及所需的關(guān)口站數(shù)量、地面站位置數(shù)量等；第5節(jié)確定了我們認(rèn)為這些系統(tǒng)在投入運(yùn)營之前仍需克服的主要技術(shù)挑戰(zhàn)；第6節(jié)對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本節(jié)比較了Telesat，OneWeb和SpaceX的系統(tǒng)，如其截至2018年9月的FCC文件和新聞稿中所述。

2.1 Telesat系統(tǒng)

Telesat的Ka波段星座[17]由不少于117顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在兩組軌道面上：（1）第一組軌道面為極軌道，由6個(gè)軌道面組成，軌道傾角99.5度，高度1000km，每個(gè)平面至少12顆衛(wèi)星；（2）第二組軌道面為傾斜軌道，由不少于5個(gè)軌道面組成，軌道傾角37.4度，高度1200km，每個(gè)平面至少有10顆衛(wèi)星。就功能上而言，第一組極軌道提供了全球覆蓋，第二組傾斜軌道更關(guān)注全球大部分人口集中區(qū)域覆蓋。圖1描繪了Telesat的星座，極軌道和傾斜軌道中衛(wèi)星的視場(chǎng)（Fields of Regard,FoR）分別用紅色和藍(lán)色表示，用戶的最小仰角為20度。

圖1 Telesat系統(tǒng)的星座模式。藍(lán)色對(duì)應(yīng)于傾斜的軌道，紅色對(duì)應(yīng)于極地軌道。

同一軌道組內(nèi)的同一平面內(nèi)或相鄰平面內(nèi)，及在兩個(gè)軌道組間的相鄰衛(wèi)星，都將通過激光衛(wèi)星間鏈路（Inter-Satellite Link,ISL）進(jìn)行通信。由于使用星間鏈路，用戶將能夠從世界上任何地方連接到系統(tǒng)，即使用戶和關(guān)口站不在同一衛(wèi)星的視線內(nèi)。

每顆衛(wèi)星將作為IP網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并將攜帶具有直接輻射陣列（Direct Radiating Array,DRA）的高級(jí)數(shù)字通信有效載荷。有效載荷將包括具有解調(diào)、路由和重新調(diào)制功能的星上處理模塊，從而解耦上下行鏈路，這代表了當(dāng)前彎管架構(gòu)的重要?jiǎng)?chuàng)新。DRA將能夠在上行鏈路方向上形成至少16個(gè)波束，并且在下行鏈路方向上形成至少另外16個(gè)波束，并且將具有波束成形（beam-forming）和波束調(diào)形（beam-shaping）功能，其功率、帶寬、大小和視軸動(dòng)態(tài)地分配給每個(gè)波束以最大限度地提高性能并最大限度地減少對(duì)GSO和NGSO衛(wèi)星的干擾。此外，每個(gè)衛(wèi)星將具有2個(gè)可調(diào)向的關(guān)口站天線，以及用于信令的寬視場(chǎng)接收器波束。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多個(gè)分布在世界各地的關(guān)口站，每個(gè)關(guān)口站配備多個(gè)3.5米天線。渥太華的控制中心將監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)和控制資源分配過程，以及無線電信道的規(guī)劃、安排和維護(hù)。

Telesat的星座將在Ka頻段（17.8-20.2GHz）的較低頻譜中使用1.8GHz的帶寬用于下行鏈路，而在上Ka頻段（27.5-30.0GHz）的帶寬為2.1GHz用于上行鏈路。

2.2 OneWeb系統(tǒng)

OneWeb的Ku+Ka波段星座[18]包括在18個(gè)圓形軌道平面上的720顆衛(wèi)星，軌道高度1200km，軌道傾角87度。圖2顯示了OneWeb系統(tǒng)的星座模式。

每顆衛(wèi)星都有一個(gè)彎管有效載荷，有16個(gè)相同的、不可調(diào)整的、高橢圓形的用戶波束。這些波束的足跡保證了任何用戶都在至少一個(gè)仰角大于55度的衛(wèi)星的視線范圍內(nèi)。此外，每顆衛(wèi)星將有兩個(gè)萬向可調(diào)向的關(guān)口站天線，其中一個(gè)將是主動(dòng)的，而另一個(gè)將充當(dāng)備用和切換天線。每個(gè)用戶波束將具有Ku波段中的單個(gè)信道，其將被映射到Ka波段中的信道。返回方向上的信道將具有125MHz的帶寬，而前向方向上的信道將具有250MHz的帶寬。

OneWeb的系統(tǒng)使用Ku波段進(jìn)行用戶通信，使用Ka波段進(jìn)行關(guān)口站通信。具體地，10.7-12.7和12.75-14.5GHz頻帶將分別用于用戶下行鏈路和用戶上行鏈路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz頻帶將分別用于饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。

圖2 OneWeb星座模式

地面段方面預(yù)計(jì)需要50個(gè)或更多的關(guān)口站，每個(gè)關(guān)口站最多配備10個(gè)口徑2.4米的天線。在用戶側(cè)，OneWeb的系統(tǒng)支持使用30-75厘米拋物面天線、相控陣天線和其他電調(diào)向天線。由于衛(wèi)星不使用衛(wèi)星間鏈路，只能在用戶和地面站同時(shí)位于衛(wèi)星視線（LOS）范圍內(nèi)的區(qū)域提供服務(wù)。

2.3 SpaceX系統(tǒng)

SpaceX的Ku+Ka波段星座[19]包含4,425顆衛(wèi)星，分布在幾組軌道上。核心星座由1,600顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星均勻分布在高度1150km的32個(gè)軌道平面上，傾角為53度（圖3中藍(lán)色標(biāo)識(shí)）。其他2,825顆衛(wèi)星將進(jìn)行輔助部署，將按如下方式部署：

32個(gè)軌道面，每面50顆衛(wèi)星，1110公里，傾角53.8度（橙色）；

8個(gè)軌道面，每面50顆衛(wèi)星，1130 公里，傾斜度為74 度（洋紅色）；

5個(gè)軌道面，每面75顆衛(wèi)星，1275公里，傾角為81度（黑色）；

6個(gè)軌道面，每面75顆衛(wèi)星，1325公里，傾斜度為70度（黃色）。

圖3描繪了SpaceX的巨型星座的星座模式。

圖3 SpaceX系統(tǒng)的星座模式。不同的軌道組用不同的顏色表示

每顆衛(wèi)星都將攜帶一個(gè)包含相控陣的高級(jí)數(shù)字有效載荷，這將允許每個(gè)波束單獨(dú)轉(zhuǎn)向和成形。用戶終端的最小仰角是40°，而每個(gè)衛(wèi)星的總吞吐量預(yù)計(jì)為17-23Gbps，這取決于用戶終端的特性。此外，衛(wèi)星還將具有激光衛(wèi)星間鏈路，以確保持續(xù)通信，提供海上服務(wù)，并減輕干擾的影響。

地面部分將由3 種不同類型的組件組成：跟蹤、遙測(cè)和指令（Tracking Telemetry and Commands,TT＆C）站，關(guān)口站天線和用戶終端。一方面，TT＆C站的數(shù)量稀少，分布在世界各地，其天線的直徑為5米。另一方面，關(guān)口站和用戶終端都將基于相位陣列技術(shù)。SpaceX計(jì)劃擁有大量的關(guān)口站天線，分布在世界各地，與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)等點(diǎn)接近或共存。

SpaceX系統(tǒng)將使用Ku波段進(jìn)行用戶鏈路，Ka波段用于饋線鏈路。具體而言，10.7-12.7 GHz和14.0-14.5 GHz頻段將分別用于用戶下行鏈路和用戶上行鏈路，而17.8-19.3 GHz和27.5-30.0 GHz頻段將用于饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。

2.4 評(píng)估比較

本節(jié)比較了以上三個(gè)衛(wèi)星星座系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)展了前述內(nèi)容，并分析了前文系統(tǒng)描述中未涉及的方面。

2.4.1 軌道位置和可視衛(wèi)星數(shù)量

表1 OneWeb、SpaceX及Telesat三個(gè)低軌星座的軌道參數(shù)表

如表1所示，所有三個(gè)系統(tǒng)共同使用具有相似半徑的圓形軌道，所有這些系統(tǒng)都工作在1000-1350km軌道高度范圍內(nèi)。OneWeb使用傳統(tǒng)的極軌道星座配置來提供全球覆蓋，而SpaceX和Telesat都使用多軌道組合配置，通過極軌道衛(wèi)星提供全球覆蓋，而將一些衛(wèi)星放置在傾斜的軌道上實(shí)現(xiàn)地球上人口密度較大區(qū)域的有效覆蓋。

這些軌道位置的差異，加上星群中的衛(wèi)星總數(shù)在不同的競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)中有很大的差異，導(dǎo)致給定位置的視距（Line Of Sight,LOS）內(nèi)衛(wèi)星平均數(shù)存在很大的差異。與SpaceX和OneWeb系統(tǒng)（分別支持終端仰角為40度和55度）相比，衛(wèi)星數(shù)量最少的Telesat系統(tǒng)將以較低的仰角（20度）運(yùn)行。這種較低的仰角可能導(dǎo)致更頻繁的連接阻塞（由于樹葉、建筑物阻塞）和連接中斷（由于較高的大氣衰減）。圖4顯示了不同緯度值下LOS內(nèi)衛(wèi)星的平均數(shù)量（考慮到FCC文件中報(bào)告的最小仰角）。

盡管Telesat星座中的衛(wèi)星數(shù)量明顯小于OneWeb中的衛(wèi)星數(shù)量，但LoS內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量在正負(fù)60度緯度范圍內(nèi)較高，而該區(qū)域正是大多數(shù)人口密集的區(qū)域。這種情況的原因在于，Telesat的最小仰角小于OneWeb（20度相比于55度）。此外，值得注意的是，當(dāng)部署完整的SpaceX系統(tǒng)時(shí)，地球上人口最多的地區(qū)的LOS內(nèi)將有20多顆衛(wèi)星（位于南北極區(qū)附近）。

2.4.2 頻率分配

圖5 顯示了不同系統(tǒng)的頻率分配。對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)和頻段，直線上面的部分代表右旋圓極化（Right Handed Circular Polarization,RHCP），直線下面的部分代表左旋圓極化（Left Handed Circular Polarization,LHCP）。表2比較了每個(gè)波束的波束數(shù)、每波束帶寬、每類鏈路分配的總帶寬和頻率復(fù)用因子。每個(gè)衛(wèi)星的總帶寬計(jì)算方式為每波束的帶寬乘以頻率復(fù)用因子，該頻率復(fù)用因子是根據(jù)每顆衛(wèi)星報(bào)告的總數(shù)據(jù)速率估算的。

一方面，SpaceX和OneWeb都使用Ku頻段作為其衛(wèi)星到用戶鏈路（上行鏈路和下行鏈路），而衛(wèi)星到地面站則在Ka波段下行和上行鏈路中進(jìn)行頻譜分配。OneWeb對(duì)用戶下行鏈路使用RHCP極化，對(duì)用戶上行鏈路使用LHCP；SpaceX對(duì)上行鏈路和下行鏈路使用RHCP，而LHCP用于遙測(cè)數(shù)據(jù)。此外，兩個(gè)系統(tǒng)都使用Ka頻段作為其饋線鏈路：OneWeb在RHCP和LHCP中使用155MHz下行鏈路信道和250MHz上行鏈路信道；SpaceX使用250MHz下行鏈路信道和500 MHz上行鏈路信道，同樣適用于RHCP和LHCP。

另一方面，Telesat的系統(tǒng)僅使用Ka波段頻譜，因此衛(wèi)星到用戶和衛(wèi)星到關(guān)口站的通信需要共享同一頻段。鑒于其數(shù)字有效載荷的靈活性，Telesat的系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩艉完P(guān)口站波束動(dòng)態(tài)分配功率和帶寬，以減輕干擾。

圖4 可視衛(wèi)星數(shù)量隨緯度的變化

圖5 三個(gè)低軌星座工作頻率對(duì)比

表2 三個(gè)低軌星座各鏈路帶寬比較

OneWeb的系統(tǒng)具有彎管架構(gòu)，其中16個(gè)用戶下行鏈路信道都會(huì)映射到Ka頻段饋線上行鏈路信道，反之亦然，用于返回鏈路上的映射。但是，SpaceX和Telesat的系統(tǒng)架構(gòu)允許星上解調(diào)、路由和再調(diào)制，從而有效地解耦用戶鏈路和饋線鏈路。這允許它們：a）在上行鏈路和下行鏈路信道中使用不同的頻譜效率，最大化衛(wèi)星的總?cè)萘浚籦）為用戶波束動(dòng)態(tài)地分配資源；c）通過選擇所使用的頻帶來減輕干擾。由于這種解耦合，我們估計(jì)兩個(gè)系統(tǒng)的饋線鏈路都可以達(dá)到接近5.5bps/Hz的頻譜效率，這也就意味著SpaceX用戶鏈路頻率重復(fù)使用4-5次，Telesat用戶波束重復(fù)使用4次。

2.4.3 波束特性

鑒于每個(gè)系統(tǒng)上的衛(wèi)星有效載荷的差異性，每顆衛(wèi)星上的波束在能力、形狀和覆蓋面積等方面也存在顯著差異。表3包含所有三個(gè)系統(tǒng)的波束特性的總結(jié)。

SpaceX和Telesat都具有可單獨(dú)成形和可控制的波束，而OneWeb僅具有固定波束。SpaceX和Telesat使用圓形波束，而OneWeb的系統(tǒng)使用高橢圓波束。圖6-a）包含對(duì)視場(chǎng)FoR的比較，而圖6-b）顯示了每個(gè)系統(tǒng)的波束的-3dB足跡輪廓。注意每個(gè)衛(wèi)星和波束所覆蓋區(qū)域的差異：OneWeb的每個(gè)波束都覆蓋了近75000平方公里的地球區(qū)域，SpaceX的波束覆蓋面積約為2800平方公里，而Telesat可成形波束的覆蓋面積在960平方公里（圖6-b中的Telesat min）和246000平方公里（圖6-b中的Telesat max）之間調(diào)整。

2.4.4 部署和預(yù)期可擴(kuò)展策略

表4總結(jié)了OneWeb和SpaceX的巨型星座的發(fā)射特性，包括每次發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量和所需發(fā)射的總次數(shù)。在撰寫本文時(shí)，Telesat尚未發(fā)布有關(guān)其發(fā)射提供商和衛(wèi)星特征的公開信息，因此未包含有關(guān)其系統(tǒng)的信息。

OneWeb計(jì)劃通過與阿里安（使用21個(gè)聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射）和維珍銀河（所開發(fā)設(shè)計(jì)的LauncherOne火箭）的合同部署其衛(wèi)星。每個(gè)聯(lián)盟號(hào)火箭將攜帶34至36顆衛(wèi)星（取決于火箭目的地和發(fā)射場(chǎng)），與阿里安的合同還包括另外5次聯(lián)盟號(hào)發(fā)射和3次額外的阿里安-6發(fā)射。此外，截至2018年3月，OneWeb向聯(lián)邦通信委員會(huì)提交了一份新的請(qǐng)?jiān)笗?，通過增加1260顆衛(wèi)星擴(kuò)展其星座，共計(jì)1980顆星的衛(wèi)星星座。這種擴(kuò)展將使軌道面數(shù)量增加一倍（從18軌道面增加到36軌道面），并將每面衛(wèi)星數(shù)從40增加到55[20]。

表3 三個(gè)低軌星座的波束特性比較

圖6 a）為三個(gè)低軌星座運(yùn)行至西班牙上空時(shí)的衛(wèi)星視場(chǎng)；b）為三個(gè)低軌星座在紐約上空的單個(gè)波束足跡

表4 OneWeb與SpaceX低軌星座系統(tǒng)發(fā)射特性

SpaceX將使用他們自己的運(yùn)載火箭（獵鷹9或獵鷹重型）發(fā)射他們的衛(wèi)星。SpaceX計(jì)劃利用兩階段部署，最初部署1,600顆衛(wèi)星（系統(tǒng)在首批800顆衛(wèi)星發(fā)射后開始運(yùn)行），以及稍后部署2,825顆剩余衛(wèi)星。初始部署將允許SpaceX提供南北緯60度緯度范圍內(nèi)的服務(wù)，一旦最終部署啟動(dòng)，將提供全球覆蓋。

最后，在最近的新聞稿中，Telesat透露，根據(jù)業(yè)務(wù)結(jié)果，他們正在考慮通過分階段部署擴(kuò)展其星座，這將使衛(wèi)星總數(shù)逐步從192增加到292，直至最終的512。

除了他們的Ku-Ka頻段系統(tǒng)外，這三家公司都提交了申請(qǐng)，要求在Q/V頻段發(fā)射更大的星座，將LEO和MEO中的衛(wèi)星結(jié)合起來。這些Q/V波段星座的描述和分析不在本文的討論范圍內(nèi)。

2.4.5 資金和制造

關(guān)于融資和衛(wèi)星制造方面，三家公司采取了不同的方法。

OneWeb創(chuàng)建了一個(gè)合作伙伴關(guān)系，其中高通公司（20.17%）、軟銀（19.98%）和空客（13.34%）擁有該公司的大量股份[21]，每個(gè)合作伙伴都在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著特定的作用。例如，空客負(fù)責(zé)制造衛(wèi)星，高通公司將提供OneWeb用戶基站，休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將提供關(guān)口站設(shè)備。在融資方面，OneWeb在最初的融資輪中從戰(zhàn)略合作伙伴那里籌集了5億美元，軟銀在私募股權(quán)輪中進(jìn)一步投資了15億美元[22]。

SpaceX正在采用內(nèi)部制造策略，其中大部分衛(wèi)星總線都是在內(nèi)部開發(fā)的，集成、組裝和測(cè)試任務(wù)也將在SpaceX的設(shè)施中進(jìn)行。盡管SpaceX沒有提供有關(guān)其星座融資前景的信息，但最近一輪10億美元的融資，投資者包括谷歌和富達(dá)[23]。

最后，Telesat的大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造將外包給不同的公司。盡管他們的衛(wèi)星制造商尚未確定，但他們已與Thales-Maxar和空客達(dá)成合同，以進(jìn)一步開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提交堅(jiān)定的建議，而Global Eagle和General Dynamics Mission Systems將負(fù)責(zé)開發(fā)他們的用戶終端。在融資方面，Telesat在他們的FCC申請(qǐng)中表示他們?cè)敢馔顿Y“他們自己的”重要財(cái)務(wù)資源，并建議他們將訴諸資本市場(chǎng)以獲得額外資金。

3.方法和模型描述

本節(jié)介紹了我們用來描述地面部分需求和評(píng)估系統(tǒng)性能的方法。圖7顯示了開發(fā)的模型（灰色陰影、圓角框）和所需輸入（白色框）的概述。

評(píng)估系統(tǒng)總吞吐量（可銷售容量）的方法包括兩個(gè)步驟。首先，利用遺傳算法計(jì)算了饋線關(guān)口站的位置和數(shù)量。第二，地面部分的位置與大氣模型、鏈路預(yù)算模型和軌道動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，以統(tǒng)計(jì)確定系統(tǒng)的總吞吐量。

本節(jié)的其余部分專門描述這些模型和輸入：第3.1節(jié)介紹所用的大氣模型；第3.2節(jié)介紹鏈路預(yù)算假設(shè)和參數(shù)；第3.3節(jié)介紹所用的需求模型；第3.4節(jié)介紹用于優(yōu)化地面段的方法；最后，第3.5節(jié)介紹用于統(tǒng)計(jì)估計(jì)系統(tǒng)總吞吐量的方法。

3.1 大氣模型

大氣衰減是影響通信鏈路性能的主要外部因素。在Ka頻段，大氣衰減會(huì)導(dǎo)致鏈路容量降低，有時(shí)甚至直接導(dǎo)致鏈路中斷。為了解決鏈路數(shù)據(jù)在任何時(shí)間點(diǎn)的衰減和最大化，通常采用自適應(yīng)編碼和調(diào)制策略。換句話說，調(diào)制和編碼方案（Modulation and Coding,ModCod）是動(dòng)態(tài)選擇的，以最大限度地提高既定天氣條件下的頻譜效率。

在本研究中，我們按照ITU-R P.618-13建議書[25]中提出的指南（考慮了氣體/云等），實(shí)施了[24]國際電信聯(lián)盟（ITU）模型，用于傾斜路徑鏈路的大氣衰減、對(duì)流層閃爍和雨水損害。這些建議提供了考慮每個(gè)上述事件所導(dǎo)致的衰減貢獻(xiàn)值，及超過這些值的時(shí)間百分比（即大氣衰減累積分布函數(shù)，CDF）。特別是ITU-R P.676-11和ITU-R P.840-7建議分別用于計(jì)算氣體和云衰減，而建議書ITU-R P.837-6、ITU-R P .838-3和ITU-R P.839-4給出的圖分別用于估算降雨率、降雨特定衰減和降雨高度。例如，圖8顯示了波士頓不同頻段的總大氣衰減。

圖7 確定地面段位置和估計(jì)系統(tǒng)總吞吐量的方法

3.2 鏈路預(yù)算模型

鏈路預(yù)算模塊與大氣模型相結(jié)合，計(jì)算不同大氣條件下上下行鏈路的可達(dá)數(shù)據(jù)速率。我們針對(duì)鏈路預(yù)算的代碼實(shí)現(xiàn)是參數(shù)化的，旨在快速計(jì)算地面站和運(yùn)行條件的每種組合的最佳ModCod方案。此外，它還設(shè)計(jì)用于處理彎管結(jié)構(gòu)（上下行之間發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換）和再生結(jié)構(gòu)（上下行鏈路使用不同的ModCod方案）。

對(duì)于性能評(píng)估模型，考慮采用2014年開發(fā)的擴(kuò)展第二代通過衛(wèi)星提供數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting via Satellite 2nd Extended,DVB-S2X）[26]中規(guī)定的調(diào)制編碼方案，因?yàn)樗菑V播、寬帶衛(wèi)星通信和交互服務(wù)的主要標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和一系列調(diào)制方案。具體來說，包括60多個(gè)ModCod，調(diào)制范圍從BPSK到256-APSK，編碼率從1/4到9/10。參考DVB-S2X實(shí)施指南的建議，我們假設(shè)幀錯(cuò)誤率（Frame Error Ratio,FER）為10E-7。

此外，我們假設(shè)固態(tài)高功率放大器（High Power Amplifier,HPA）的輸出回退等于ModCod的峰均比（給定為99.9%百分比功率與平均功率之間的比率），以避免飽和失真。

鏈路預(yù)算中的其余參數(shù)包括發(fā)射器和接收器天線的直徑、效率和噪聲溫度，以及RF鏈上不同損耗和載波干擾值。我們從提交給FCC的每個(gè)申請(qǐng)中詳細(xì)列出的鏈路預(yù)算示例中提取這些參數(shù)的值。表5和表6包含每個(gè)系統(tǒng)前向的饋線鏈路和用戶鏈路預(yù)算示例。

3.3 需求模型

為了得到系統(tǒng)總吞吐量的實(shí)際估計(jì)值，我們開發(fā)了一個(gè)需求模型，該模型為給定軌道位置的任何衛(wèi)星提供了最大可銷售容量的上限。需求模型的重點(diǎn)關(guān)注為終端用戶服務(wù)及為基站等設(shè)施提供回程服務(wù)，以擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)服務(wù)），而非滿足其他市場(chǎng)（如軍事、飛行、海上、離岸連接等）的需求。這一決定是經(jīng)過深思熟慮的，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)LEO星座方案都強(qiáng)調(diào)為最終用戶提供全球帶寬接入。

需求模型生成過程如下所述。對(duì)于給定的軌道高度，我們生成了一個(gè)網(wǎng)格化地圖（緯度和經(jīng)度分辨率為0.1度*0.1度），用于確定位于特定軌道位置的衛(wèi)星波束所覆蓋的人數(shù)，使用網(wǎng)格化人口世界第四版數(shù)據(jù)集（Gridded Population of the World v4,GPWv4），根據(jù)人口普查數(shù)據(jù)估算2020年人口數(shù)量超過30弧-秒的分辨率網(wǎng)格[27]。我們還考慮了每顆衛(wèi)星工作的最小仰角限制。此外，我們假設(shè)一個(gè)地區(qū)的用戶均勻分布在他們的LOS內(nèi)的所有衛(wèi)星上。

圖8 不同頻段下波士頓區(qū)域氣衰CDF曲線（橫坐標(biāo)左側(cè)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)系）

表5 所考慮的三個(gè)系統(tǒng)的關(guān)口站上行鏈路（上Ka波段）的波束鏈路預(yù)算，考慮不同的范圍和仰角，可用的大氣衰減值為99.5%；

表6 針對(duì)所考慮的三個(gè)系統(tǒng)在用戶下行鏈路波束的覆蓋邊緣處計(jì)算的波束鏈路預(yù)算，大氣衰減值可用率為99%。

為了計(jì)算需求的數(shù)據(jù)速率值（以Gbps為單位），我們假設(shè)任何衛(wèi)星將在網(wǎng)格的每個(gè)小區(qū)占據(jù)最多10%的市場(chǎng)，并且每個(gè)用戶請(qǐng)求的平均數(shù)據(jù)速率為300kbps（每月約100GB）。最后，需求的上限是每顆衛(wèi)星的最大數(shù)據(jù)速率（，見4.2節(jié)），如公式1所示。（其中，是地面位置LOS內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量）。

圖9顯示了OneWeb星座的需求數(shù)據(jù)速率。需求較高的區(qū)域以鮮明的色調(diào)顯示，而需求較低的區(qū)域以較暗的色調(diào)顯示，而需求為零的區(qū)域不著色。

3.4 地面段優(yōu)化

使用與[28]中所述程序相似的程序確定地面站位置。我們執(zhí)行一個(gè)優(yōu)化程序，以最大化以下目標(biāo)函數(shù)

同時(shí)盡量減少所需的地面站數(shù)量。在式2，cov95和cov99分別代表地面站在大氣條件下覆蓋的軌道位置百分比，分別小于且小于1%。我們假設(shè)地面站與衛(wèi)星通信的最小仰角是10度。

在數(shù)學(xué)上，這個(gè)優(yōu)化問題可以被看作是一個(gè)向下選擇的問題，我們需要選擇性能最好的N個(gè)地面站。我們考慮在全球范圍內(nèi)分布160個(gè)不同地點(diǎn)的搜索池，搜索空間為2168～3.8×1049，考慮到計(jì)算空間太大而無法進(jìn)行全面的枚舉和評(píng)估。因此，需要使用優(yōu)化算法。

鑒于其結(jié)構(gòu)，遺傳算法非常適合解決下選問題[29]。我們采用了非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGA-II）[30]，一種高效的多目標(biāo)遺傳算法，其工作原理如下：

1.生成NPOP架構(gòu)的隨機(jī)總體（使用地面站的隨機(jī)子集填充）

2.評(píng)估每個(gè)目標(biāo)函數(shù)o（等式2）的值。

3.選擇N/2體系結(jié)構(gòu)，它們是下一代群體的“父代”，遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：

a）帕累托排名較低的架構(gòu)是首先選擇；

b）在具有類似帕累托的架構(gòu)中排名，那些擁擠距離較低的人首先選擇。

4.在N/2上應(yīng)用交叉遺傳算子父架構(gòu)。交叉運(yùn)算符將兩個(gè)父代作為輸入，并生成兩個(gè)子代。每個(gè)父站中存在的每個(gè)地面站都被分配給一個(gè)概率相等的子站（即，我們?cè)诿總€(gè)父站的地面站上使用統(tǒng)一的交叉）?？偟膩碚f，N/2后代是由N/2父母產(chǎn)生的。

5.將突變遺傳算子應(yīng)用于N/2父結(jié)構(gòu)和N/2子結(jié)構(gòu)。突變將一個(gè)地面站從概率預(yù)移的架構(gòu)中移除，并添加一個(gè)新的概率PADD地面站。變異算子與概率PMUT相結(jié)合。

6.重復(fù)步驟2-5，直到滿足終止標(biāo)準(zhǔn)（即計(jì)算的最大生成數(shù)NGEN，帕累托前端沒有新的架構(gòu)）。

此外，我們利用問題的地理結(jié)構(gòu)來加速優(yōu)化算法的收斂?？紤]到一個(gè)地區(qū)地面站的選擇對(duì)另一個(gè)地區(qū)地面站的選擇影響較小，我們將優(yōu)化分為兩個(gè)階段。首先，在階段A中，我們使用上述NSGA-II算法（NPOP=200，NGEN=200）確定所考慮的6個(gè)區(qū)域（非洲、亞洲、歐洲、北美、大洋洲和南美）的最佳地面段結(jié)構(gòu)。第二，在階段B中，我們將NSGA-II算法應(yīng)用于全局，但我們不生成隨機(jī)總體（步驟1），而是使用階段A中基于區(qū)域優(yōu)化的帕累托前端架構(gòu)作為初始總體的生成組件。換言之，從A階段的每個(gè)區(qū)域中選擇一個(gè)帕累托最優(yōu)地面段結(jié)構(gòu)來生成B階段的地面段結(jié)構(gòu)。這個(gè)新的總體用作B階段NSGAII算法的初始總體（NPOP=200，NGEN=80）。

3.5 系統(tǒng)總吞吐量估算

為了評(píng)估系統(tǒng)吞吐量，我們開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，為每個(gè)巨型星座提供最大可銷售容量的上限。之所以需要開發(fā)基于統(tǒng)計(jì)模型的吞吐量評(píng)估方法，原因在于：1）每個(gè)衛(wèi)星服務(wù)水平內(nèi)的用戶數(shù)和關(guān)口站數(shù)隨時(shí)間變化，以及2）引入不同衰減下大氣條件，也就是說，不同的數(shù)據(jù)速率本質(zhì)上也是隨機(jī)的。

圖9 不同軌道位置的衛(wèi)星業(yè)務(wù)量需求

確定系統(tǒng)總吞吐量的過程如下。首先，選擇以60秒的時(shí)間步長，分析衛(wèi)星星座任意衛(wèi)星在一天內(nèi)的軌道運(yùn)行數(shù)據(jù)。然后，對(duì)于每個(gè)軌道配置，我們?yōu)槊總€(gè)地面站抽取10000個(gè)大氣衰減樣本，假設(shè)大氣衰減樣本在統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立，并根據(jù)用大氣模型計(jì)算的概率分布曲線分布（例如波士頓，不同頻率的CDF如圖8所示。）然后，將這些樣本用作鏈路預(yù)算模塊的輸入，以估計(jì)每個(gè)地面站的可實(shí)現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)速率。最后，根據(jù)衛(wèi)星是否有衛(wèi)星間鏈路ISL，分別確定兩種不同的方式下系統(tǒng)總吞吐量。

如果星群沒有衛(wèi)星間鏈路，則根據(jù)等式3計(jì)算每個(gè)衛(wèi)星（THsat）的吞吐量，其中dsat是用戶需求，且表示N個(gè)最佳地面站的數(shù)據(jù)速率Rb之和。這是針對(duì)每個(gè)軌道位置和一組大氣條件進(jìn)行的，產(chǎn)生了1440萬個(gè)樣本。通過增加每個(gè)衛(wèi)星的吞吐量來計(jì)算每個(gè)方案（我們稱之為軌道位置+大氣條件的組合方案）的總系統(tǒng)正向容量。

另一方面，如果存在衛(wèi)星間鏈路，則遵循以下四步程序來計(jì)算總系統(tǒng)吞吐量：

1）計(jì)算可能使用所有可用傳輸?shù)目傁到y(tǒng)前向容量饋線關(guān)口站。

2）通過把饋線關(guān)口站容量相加計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)前向容量的CDF。

3）選擇CDF曲線上均勻間隔的1,000個(gè)場(chǎng)景的子集，以考慮衛(wèi)星間鏈路進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4）對(duì)于每個(gè)選定的場(chǎng)景：

A）構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖，其中每個(gè)衛(wèi)星上的用戶，衛(wèi)星本身和地面站是圖的節(jié)點(diǎn)，RF鏈路是邊緣。

B）解決“最小成本，最大流量”問題并確定從每個(gè)衛(wèi)星到關(guān)口站的流量。

C）通過添加來自所有衛(wèi)星的流量來計(jì)算總系統(tǒng)吞吐量。

3.6 其他假設(shè)匯總

本節(jié)總結(jié)了我們模型中的其他假設(shè)。

用戶需求集中在陸地區(qū)域，與衛(wèi)星覆蓋人口成比例，且不考慮海上或航空需求。

在LOS內(nèi)擁有多顆衛(wèi)星的終端隨機(jī)選擇一個(gè)進(jìn)行通信，因此需求在LOS內(nèi)的衛(wèi)星之間均勻分布。

自適應(yīng)編碼和調(diào)制（Adaptive Coding and Modulation,ACM）用于衛(wèi)星關(guān)口站鏈路，因此對(duì)于任何軌道位置和大氣條件，選擇最大化吞吐量的調(diào)制編碼方案MODCOD。

衛(wèi)星具有足夠的功率，以便在需要時(shí)以最大EIRP進(jìn)行通信。

用戶終端不是限制因素，因?yàn)樗鼈兡軌蜻B續(xù)跟蹤衛(wèi)星并以所需的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行通信。

在任何仰角，用戶鏈路中的樹葉、建筑物障礙物或其他因素都不會(huì)造成鏈路中斷。

不考慮由于不同星座的LEO衛(wèi)星之間的干擾導(dǎo)致的性能下降。

地面站可以位于任何陸地區(qū)域。他們的位置沒有政治、著陸權(quán)或地理限制。

ISL鏈路可用于將超額需求路由到其他衛(wèi)星。只有同一軌道集中的衛(wèi)星才能通過ISL（平面內(nèi)和跨平面）進(jìn)行通信。

即使端到端延遲具有最小化需求，數(shù)據(jù)在星間鏈路ISL路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不設(shè)最大跳數(shù)限制。

4.結(jié)果

本節(jié)給出了以下結(jié)果：a）每個(gè)系統(tǒng)所需的地面段部署需求；b）如第3.3節(jié)所述，對(duì)于前向鏈路上總可售容量系統(tǒng)總吞吐量上限的性能評(píng)估。在這些結(jié)果中，我們使用術(shù)語地面站（Ground Station）指的是承載一個(gè)或多個(gè)饋線天線的站點(diǎn)，而術(shù)語關(guān)口站天線（gateway antennas）指的是位于這些站點(diǎn)的實(shí)際饋線天線。需要注意的是，每個(gè)地面站的關(guān)口站天線數(shù)量是有限制的，因?yàn)樘炀€指向方向之間必須保持最小的角度間隔，以防止相互之間的干擾。根據(jù)三個(gè)系統(tǒng)的FCC文件中發(fā)現(xiàn)的最小角度分離值，每個(gè)站點(diǎn)的最大關(guān)口站天線數(shù)量的合理值為50，即在不需要更為高層協(xié)調(diào)下所允許的天線數(shù)量。然而更現(xiàn)實(shí)的情況是，每個(gè)地面站的天線數(shù)量通常限制在30個(gè)。

圖10分析了三個(gè)系統(tǒng)在給定地面站位置數(shù)量下需求區(qū)域覆蓋率的帕累托前端。可以看出，OneWeb的系統(tǒng)需要61個(gè)地面站才能實(shí)現(xiàn)全覆蓋，而Telesat和SpaceX的系統(tǒng)無法僅使用地面站覆蓋整個(gè)需求區(qū)域。發(fā)生這種情況原因在于，在衛(wèi)星采用更大視場(chǎng)FoR情況下，衛(wèi)星在其FoR內(nèi)有更多的人口的軌道位置，即使相應(yīng)地面站的仰角太低而無法關(guān)閉大氣條件的鏈路，95%的時(shí)間都在場(chǎng)。但是，SpaceX和Telesat的系統(tǒng)都不需要實(shí)現(xiàn)100%的需求區(qū)域覆蓋，因?yàn)镮SL鏈路可用于將衛(wèi)星數(shù)據(jù)從覆蓋區(qū)域路由到實(shí)際位于覆蓋區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星。

還應(yīng)注意，對(duì)需求區(qū)域進(jìn)行100%覆蓋并不能保證在最大系統(tǒng)容量下運(yùn)行，因?yàn)橐恍┑孛嬲究赡苡捎诘脱鼋嵌暂^低的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。相反，沒有對(duì)需求區(qū)域的全面覆蓋并不意味著無法獲得最大系統(tǒng)吞吐量，因?yàn)樾l(wèi)星可能使用ISL在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)路由數(shù)據(jù)?？紤]到這一點(diǎn)，圖11顯示了所分析的三個(gè)系統(tǒng)的估計(jì)總系統(tǒng)吞吐量與地面站數(shù)量的關(guān)系。使用實(shí)線繪制平均值（隨時(shí)間），而陰影區(qū)域表示四分位數(shù)值（即，容量隨時(shí)間變化，并且在陰影區(qū)域內(nèi)包含25-75%的時(shí)間）。Telesat和SpaceX星座的ISL數(shù)據(jù)速率分別為5、10和20Gbps，分別以橙色，綠色和藍(lán)色表示。洋紅色線對(duì)應(yīng)于沒有ISL的系統(tǒng)的性能。

圖10 地面站位置數(shù)與需求區(qū)域覆蓋率。

圖11 估計(jì)的總系統(tǒng)前向容量與地面站位置的數(shù)量a）Telesat，b）SpaceX，和c）OneWeb的系統(tǒng)。d）如果OneWeb的系統(tǒng)包括光學(xué)ISL（OISL），則顯示估計(jì)的系統(tǒng)前向容量。括號(hào)中的值表示每個(gè)地面站位置的最大關(guān)口站天線數(shù)。

從圖11中可以看出，OneWeb、Telesat和SpaceX星座的最大總系統(tǒng)吞吐量分別為1.56 Tbps、2.66 Tbps和23.7 Tbps。此外，SpaceX系統(tǒng)是采用ISL后受益最多的系統(tǒng)，并且由于衛(wèi)星數(shù)量眾多，它需要最大數(shù)量的地面站才能達(dá)到其最大容量（總共123個(gè)）。有趣的是，OneWeb系統(tǒng)所需的地面站數(shù)量（71）大于Telesat所需的地面站數(shù)量（42），盡管前者的最大容量更低。圖11 d）同時(shí)表明，如果OneWeb也采用ISL方案（每個(gè)衛(wèi)星4個(gè)ISL，即同軌道面內(nèi)2個(gè)ISL和異軌道面間2個(gè)ISL），可以由圖中看出，在具備ISL時(shí)OneWeb系統(tǒng)所需的地面站數(shù)量明顯降低；即使ISL數(shù)據(jù)速率5 Gbps情況下，也只需要27個(gè)地面站可以實(shí)現(xiàn)最大性能。

表7列出了每個(gè)系統(tǒng)以及不同關(guān)口站和地面站方案的估計(jì)總系統(tǒng)吞吐量的數(shù)值。使用具有50個(gè)地面站位置的地面段（如前所述，在關(guān)于每個(gè)位置的最大關(guān)口站數(shù)量的合理假設(shè)下），OneWeb系統(tǒng)的容量達(dá)到1.47 Tbps，而Telesat和SpaceX系統(tǒng)的容量分別達(dá)到2.65 Tbps和16.78 Tbps。

請(qǐng)注意，盡管OneWeb的系統(tǒng)擁有的衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Telesat，但其總系統(tǒng)容量卻較低。這是由于以下原因：

頻譜利用策略：如第2.4.2節(jié)所述，OneWeb的星座僅使用Ku波段頻譜中單一極化方式，復(fù)用因子為2。這導(dǎo)致用戶下行鏈路的總可用帶寬低于SpaceX和Telesat的系統(tǒng)。如本節(jié)接下來解釋的那樣，用戶下行鏈路確是OneWeb系統(tǒng)中的限制因素。

軌道配置和LOS中的衛(wèi)星數(shù)量：如第2.4.1節(jié)所示，Telesat和SpaceX的系統(tǒng)都關(guān)注了地球上人口密集區(qū)域的覆蓋，而OneWeb僅使用極軌道導(dǎo)致他們的衛(wèi)星在無人居住的地區(qū)飛行更長的時(shí)間。此外，SpaceX和Telesat的系統(tǒng)可以更好地滿足具有高要求的區(qū)域，因?yàn)樵谶@些區(qū)域的LOS內(nèi)有更多的衛(wèi)星。

波束早期飽和：由于OneWeb缺乏動(dòng)態(tài)分配資源到特定波束的靈活性，即使整個(gè)衛(wèi)星不飽和，一些波束也會(huì)飽和，導(dǎo)致需求下降。

缺少ISL鏈路：缺少ISL鏈路導(dǎo)致OneWeb的衛(wèi)星無法始終將其數(shù)據(jù)下行到地面站，尤其是對(duì)于地面站數(shù)量較少的情況。從表7中可以看出，如果使用ISL，當(dāng)考慮30、50和65個(gè)地面站位置（與無ISL情況相比）時(shí)，總系統(tǒng)容量可以分別高10%，6%和1%。

如前所述，OneWeb的系統(tǒng)受到衛(wèi)星到用戶鏈路的嚴(yán)重限制，這是其在數(shù)據(jù)速率方面整體性能較低的主要原因。表8顯示了關(guān)口站到衛(wèi)星和衛(wèi)星到用戶鏈路的每個(gè)衛(wèi)星在前向方向上的平均和峰值數(shù)據(jù)速率。

由于Telesat和SpaceX具有解調(diào)和再調(diào)制功能的數(shù)字有效載荷，因此這兩個(gè)鏈路可以分離并單獨(dú)考慮。來自不同星座的衛(wèi)星的平均數(shù)據(jù)速率存在顯著差異；由于使用了兩個(gè)獨(dú)立的關(guān)口站天線，Telesat的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了接近36Gbps的平均數(shù)據(jù)速率，SpaceX實(shí)現(xiàn)了接近20Gbps的數(shù)據(jù)速率（相對(duì)于SpaceX的FCC文件[19]報(bào)告的17-23Gbps），而OneWeb衛(wèi)星平均為8.8Gbps（相比之前報(bào)道的每顆衛(wèi)星8Gbps）。這些值的差異是因?yàn)殛P(guān)口站到衛(wèi)星鏈路是SpaceX和Telesat星座的限制因素，而OneWeb的衛(wèi)星受到衛(wèi)星到用戶鏈路的限制。SpaceX和Telesat在大多數(shù)情況下都可以在其饋線上行鏈路中使用最高可用的MODCOD（256APSK），而OneWeb的用戶鏈路使用32-APSK作為其最高頻譜效率MODCOD。

如圖12所示的關(guān)口站數(shù)量與吞吐量的分析，我們觀察到每個(gè)巨型星座支持最大系統(tǒng)總吞吐量所需的關(guān)口站天線數(shù)量分別為SpaceX3500、Telesat 220（10G bps ISL）和OneWeb800（假設(shè)為20Gbps ISL）。正如預(yù)期的那樣，這個(gè)數(shù)字在很大程度上取決于衛(wèi)星的數(shù)量。從這些圖中可以得出兩個(gè)主要結(jié)論：第一，SpaceX的系統(tǒng)是從使用ISL中獲益最多的系統(tǒng)，而Telesat系統(tǒng)是獲益最少的系統(tǒng)（考慮到其星座中的衛(wèi)星數(shù)量較少）；第二，SpaceX的總?cè)萘吭趽碛?500多個(gè)關(guān)口站天線后迅速變平（Using 20 Gbps isl），這表明他們的系統(tǒng)可以通過減少關(guān)口站天線的數(shù)量來提供顯著的節(jié)約，而不會(huì)對(duì)其總系統(tǒng)吞吐量產(chǎn)生重大影響（減少6%）。最后，值得注意的是，如果OneWeb的系統(tǒng)選擇使用ISL，它們將獲得的收益；對(duì)于500個(gè)關(guān)口站系統(tǒng)，它們的總?cè)萘靠赡軙?huì)增加33%，從1.2 Tbps增加到1.6 Tbps。在沒有ISL的情況下，總共需要800個(gè)關(guān)口站來實(shí)現(xiàn)1.6 Tbps的容量。

圖13顯示了Telesat和OneWeb系統(tǒng)的地面站數(shù)量、關(guān)口站天線數(shù)量和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系?？梢杂^察到，對(duì)于Telesat，系統(tǒng)容量主要由關(guān)口站天線的數(shù)量驅(qū)動(dòng)（因?yàn)樗椒较虻耐掏铝孔兓苄。鴮?duì)于OneWeb，吞吐量取決于天線數(shù)量和地面站位置。

最后，表9總結(jié)了本文給出的結(jié)果值。從每個(gè)衛(wèi)星的平均吞吐量和每個(gè)衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)速率方面，比較這些系統(tǒng)的效率是非常有意義的。在這方面，Telesat系統(tǒng)的效率最高，每顆衛(wèi)星平均為22.74Gbps（每顆衛(wèi)星最大數(shù)據(jù)速率的58.8%），而SpaceX和OneWeb分別為5.36Gbps和2.17Gbps（每顆衛(wèi)星最大容量的25.1%和21.7%）。衛(wèi)星效率的這種差異主要是由于通信衛(wèi)星系統(tǒng)的兩個(gè)架構(gòu)決定：在衛(wèi)星上安裝雙主動(dòng)關(guān)口站天線，在用戶側(cè)具有較低的最小仰角。

表8 每顆衛(wèi)星的最大和平均數(shù)據(jù)速率

表9的下半部分顯示了假設(shè)場(chǎng)景的結(jié)果，其中三個(gè)系統(tǒng)都有50個(gè)地面站。請(qǐng)注意，在這種情況下，SpaceX系統(tǒng)將受到最不利的影響，其總吞吐量將減少30%至16.5Tbps，而OneWeb的系統(tǒng)吞吐量將減少6%至1.47 Tbps。Telesat系統(tǒng)不會(huì)受到影響，因?yàn)樗恍枰?0個(gè)地面站以最大容量運(yùn)行。

圖12 三個(gè)LEO星座系統(tǒng)的系統(tǒng)吞吐量隨關(guān)口站天線數(shù)變化趨勢(shì)

5.技術(shù)挑戰(zhàn)

本節(jié)介紹了在這些系統(tǒng)投入運(yùn)行之前需要克服的五個(gè)不同的技術(shù)挑戰(zhàn)。

5.1 干擾協(xié)調(diào)

鑒于每個(gè)提案中部署了大量衛(wèi)星，協(xié)調(diào)減少共線干擾（即多顆衛(wèi)星與地心在同一直線時(shí)）將是這些提案的一個(gè)重要方面。在NGSO衛(wèi)星和GSO衛(wèi)星之間（當(dāng)LEO衛(wèi)星穿過赤道線時(shí)），以及兩個(gè)近距離不同星座的NGSO衛(wèi)星之間（同一頻率波束指向同一位置）可能會(huì)發(fā)生線內(nèi)干擾。

關(guān)于NGSO-GSO干擾，每個(gè)提案都有不同的緩解策略。雖然OneWeb提出了一種漸進(jìn)式的衛(wèi)星調(diào)距機(jī)動(dòng)方案，同時(shí)選擇性地禁用波束，但SpaceX和Telesat依靠其波束的可調(diào)整性和可成形能力，以及赤道用戶的多顆衛(wèi)星在LOS范圍內(nèi)這一事實(shí)。在所有情況下，目標(biāo)都是確保LEO波束不與GSO衛(wèi)星波束不共線，從而保持波束之間的最小角度間隔（最小辨別角）。

對(duì)于NGSO-NGSO共線干擾，考慮到建議的頻率分配，OneWeb和SpaceX的下行鏈路用戶波束之間以及OneWeb，SpaceX和Telesat的關(guān)口站波束（上行鏈路和下行鏈路）之間可能會(huì)發(fā)生干擾。此外，由于Telesat是一個(gè)僅限Ka波段的系統(tǒng)，它們的用戶波束也可能會(huì)干擾其他系統(tǒng)的關(guān)口站波束。在NGSO到NGSO的在線事件中，兩個(gè)控制公司都需要通過在同一點(diǎn)上使用不同的頻率信道，禁用波束或分割頻譜來協(xié)調(diào)以減輕干擾。雖然Telesat和SpaceX都有避免干擾的設(shè)計(jì)機(jī)制（例如，LOS中的多顆衛(wèi)星，可操作和可成形的波束，動(dòng)態(tài)帶寬信道化），但OneWeb的設(shè)計(jì)缺乏這種靈活性，因此它只能在協(xié)調(diào)過程中扮演被動(dòng)角色。

5.2 動(dòng)態(tài)資源管理

SpaceX和Telesat都使用了內(nèi)置高度靈活的數(shù)字有效載荷。如前所述，兩個(gè)系統(tǒng)都計(jì)劃利用這種靈活性作為一種機(jī)制，以避免干擾，同時(shí)通過將資源分配給覆蓋需求較高地區(qū)的波束，以最大限度地提高每個(gè)衛(wèi)星的吞吐量?？紤]到快速變化的環(huán)境（軌道位置、來自其他系統(tǒng)的干擾、用戶需求、大氣衰減等）以及所涉及的大量波束和衛(wèi)星，需要開發(fā)先進(jìn)的動(dòng)態(tài)資源分配管理（Dynamic Resource Management,DRM）算法。

圖13 系統(tǒng)容量與地面站數(shù)量和關(guān)口站天線數(shù)量的關(guān)系a）Telesat和b）OneWeb。

此外，由于一個(gè)星群中的多顆衛(wèi)星必須協(xié)調(diào)（即確保覆蓋所有用戶而不會(huì)對(duì)外部衛(wèi)星造成干擾），因此這些DRM算法需要在一個(gè)控制中心運(yùn)行，該控制中心了解每個(gè)衛(wèi)星的內(nèi)部狀態(tài)以及整個(gè)星群的概況。同時(shí)，另一套DRM算法將需要在每顆衛(wèi)星上本地運(yùn)行，以處理衛(wèi)星快速變化的環(huán)境。

5.3 發(fā)射時(shí)間表

這三個(gè)系統(tǒng)加在一起將為LEO增加5000多顆衛(wèi)星。預(yù)計(jì)在未來4年內(nèi)，將其送入軌道需要大約100-150枚專用火箭發(fā)射，這將導(dǎo)致世界范圍內(nèi)發(fā)射數(shù)量的顯著增加（特別是聯(lián)盟號(hào)和獵鷹9號(hào)火箭）。僅在2017年，全球軌道發(fā)射的數(shù)量就達(dá)91次；其中18次是獵鷹9號(hào)火箭，15次是聯(lián)盟號(hào)火箭。

此外，盡管在撰寫本文時(shí)，這三家公司都為其系統(tǒng)制造了測(cè)試衛(wèi)星（SpaceX和Telesat甚至在2018年初將它們送入軌道），但尚不清楚這些公司是否能夠根據(jù)其計(jì)劃時(shí)間表最終確定衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。事實(shí)上，一些公司已經(jīng)被迫稍微推遲了最初的發(fā)布，并推遲了運(yùn)營的時(shí)間。

5.4 系統(tǒng)運(yùn)營

巨型星座中的大量衛(wèi)星在避免碰撞和廢棄處置方面帶來了新的操作挑戰(zhàn)。在這方面，地面基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)、跟蹤和指揮數(shù)百顆衛(wèi)星，并與航天器在類似軌道上飛行的其他機(jī)構(gòu)和組織進(jìn)行協(xié)調(diào)（可能存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)）。此外，由于數(shù)百顆NGSO衛(wèi)星的遙測(cè)、內(nèi)部狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號(hào)需要持續(xù)監(jiān)測(cè)，因此需要比當(dāng)前最先進(jìn)的系統(tǒng)更高的自動(dòng)化程度。

表9 三個(gè)LEO衛(wèi)星星座系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)比

5.5 用戶終端

支持具備跟蹤低軌衛(wèi)星且低成本的用戶終端，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需考慮的一個(gè)關(guān)鍵要素，對(duì)本文分析的三個(gè)系統(tǒng)的商業(yè)成功至關(guān)重要。在過去，寬帶LEO網(wǎng)絡(luò)需要昂貴的由萬向天線組成的終端（通常是一對(duì)天線以保證連續(xù)覆蓋），這限制了對(duì)購買力高的客戶（主要是在企業(yè)市場(chǎng)內(nèi)）的采用。

電調(diào)平板天線在這一領(lǐng)域是一種很有前途的技術(shù)，盡管目前還不清楚當(dāng)星座開始服務(wù)時(shí)，這種技術(shù)是否能以期望的價(jià)位提供。就每個(gè)系統(tǒng)的用戶終端設(shè)計(jì)而言，Telesat兼容終端提出了最嚴(yán)格的要求，因?yàn)樗鼈兊奶炀€需要在低至20度的仰角下工作（SpaceX和OneWeb分別為40度和55度）。

6.結(jié)論

本文對(duì)三個(gè)LEO全球?qū)拵l(wèi)星星座系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)比較。在描述了每個(gè)系統(tǒng)的空間和地面段之后，我們?cè)敿?xì)比較了每個(gè)星座的一些附加方面。然后，我們提出了一種方法：a）確定了每個(gè)系統(tǒng)所需的地面站和地面段關(guān)口站的數(shù)量需求；b）估計(jì)系統(tǒng)的總吞吐量。最后，我們強(qiáng)調(diào)了在這些系統(tǒng)投入運(yùn)行之前需要克服的幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，如干擾協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)資源管理、發(fā)射計(jì)劃和運(yùn)營。

我們分析的主要結(jié)論總結(jié)如下：

最大總系統(tǒng)吞吐量（可銷售）對(duì)于OneWeb、Telesat和SpaceX的星座分別為1.56Tbps、2.66Tbps和23.7 Tbps。

由42個(gè)地面站組成的地面段足以滿足Telesat的所有容量，而OneWeb至少需要71個(gè)地面站，SpaceX需要超過123個(gè)。

就衛(wèi)星效率（理解為每顆衛(wèi)星的平均數(shù)據(jù)速率與其最大數(shù)據(jù)速率之比）而言，Telesat系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（約59%，與SpaceX的25%和OneWeb的22%相比）。這是因?yàn)椋篴）在每個(gè)衛(wèi)星上使用了雙有源天線，b）在用戶鏈路中需要更低的最小仰角。

OneWeb系統(tǒng)的吞吐量低于Telesat系統(tǒng)，盡管前者中的衛(wèi)星數(shù)量要大得多。這主要是由于OneWeb的低復(fù)雜度衛(wèi)星設(shè)計(jì)、頻譜利用策略、軌道配置和有效載荷設(shè)計(jì)以及無ISL導(dǎo)致的每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)率較低；

如果將ISL用于OneWeb的星座（即使數(shù)據(jù)傳輸速率為5Gbps），所需的地面站數(shù)量可以減少一半以上，減少到27個(gè)地面站。

綜上所述，我們的分析揭示了三種低軌衛(wèi)星星座方案的不同技術(shù)策略。OneWeb的戰(zhàn)略重點(diǎn)是率先上市，將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，并采用低復(fù)雜性的空間段，從而提供較低的吞吐量。相比之下，Telesat的戰(zhàn)略圍繞著高性能衛(wèi)星和系統(tǒng)靈活性（在部署、目標(biāo)容量分配、數(shù)據(jù)路由等不同領(lǐng)域）展開，從而增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。最后，SpaceX的系統(tǒng)在尺寸上是獨(dú)特的，雖然每個(gè)衛(wèi)星的單獨(dú)結(jié)構(gòu)并不比Telesat衛(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜，但是大量的衛(wèi)星和地面站大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜性。