编者按：本文来自微信大众号“卫星与网络”（ID：satnetdy），作者Inigo del Portilloa,*, Bruce G. Cameronb, Edward F. Crawleyc，编译 刘帅军、胡月梅（中科院软件所），36氪经授权发布。
本文原载于《卫星与网络》杂志2019年7月刊
原文《A Technical Comparison of Three Low Earth Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband》宣布于2018年10月
要点抢先看
近年来，从太空供给互联网接入的主意又东山再起。在20世纪90年代提出的项目遭受波折后，经过近20年相对安静的时期，在2014年至2016年期间呈现了一股新的开展浪潮，即大型低地球轨迹（LowEarthOrbit,LEO）卫星星座供给全球宽带接入。
与上一代体系比较，这些体系的首要差异在于更为先进的数字通讯有用载荷、高档调制计划、多波束天线和更杂乱的频率复用计划，这些要素都使得体系功用取得了极大进步，一起也下降了各载荷制作与发射本钱。
本文比较了三个代表性大型低轨卫星星座，即4425颗卫星且运用Ku-Ka波段的SpaceX卫星体系、720颗卫星且运用Ku-Ka波段的OneWeb体系和117颗卫星且运用Ka波段的Telesat卫星体系。
首要，本文依据2018年9月提交至FCC的文件对每个星座的体系架构进行介绍，并强调了这三个体系之间的相似性和差异性。
然后，本文规划了一种核算办法来估量全体系吞吐量（可出售容量），一起考虑了空间段的轨迹动力学、用户链路及馈线链路大气条件引起的功用改变。考虑到地上站的方位和数量在确认体系总吞吐量中起着重要效果，而且因为地上段的布置在FCC中没有给出具体描绘，因而咱们规划了一个地上段布置优化计划，以最小化支撑体系吞吐量所需的地上站总数。
终究，在定论部分进一步剖析了三个体系在投入运用之前有必要战胜的一些首要技能应战。
导言
研讨初衷
在曩昔的几年里，运用大型低轨卫星星座从太空供给互联网的主意从头流行起来。尽管在90年代的十年中提出的项目遭受波折，但在2014年至2016年间呈现了一批新的提议，即大型LEO卫星星座供给全球宽带。共有11家公司向联邦通讯委员会（FCC）恳求在非地球停止卫星轨迹（NGSO）布置大型星座，作为供给宽带服务的手法。
这些新规划星座规划差异较大，从挪威航天局提出的2颗到SpaceX提出的4425颗。因为这些星座中有很多的卫星，因而发明了“巨型星座（mega-constellations）”这个称号来指代这些新提案。
与90年代的星座比较，这些巨型星座的首要差异在于，运用数字通讯有用载荷、高档调制计划、多波束天近年来，从太空供给互联网接入的主意又东山再起。在20世纪90年代提出的项目遭受波折后，经过近20年相对安静的时期，在2014年至2016年期间呈现了一股新的开展浪潮，即大型低地球轨迹（LowEarthOrbit,LEO）卫星星座供给全球宽带接入。
与上一代体系比较，这些体系的首要差异在于更为先进的数字通讯有用载荷、高档调制计划、多波束天线和更杂乱的频率复用计划，这些要素都使得体系功用取得了极大进步，一起也下降了各载荷制作与发射本钱。
本文比较了三个代表性大型低轨卫星星座，即4425颗卫星且运用Ku-Ka波段的SpaceX卫星体系、720颗卫星且运用Ku-Ka波段的OneWeb体系和117颗卫星且运用Ka波段的Telesat卫星体系。首要，本文依据2018年9月提交至FCC的文件对每个星座的体系架构进行介绍，并强调了这三个体系之间的相似性和差异性。
然后，本文规划了一种核算办法来估量全体系吞吐量（可出售容量），一起考虑了空间段的轨迹动力学、用户链路及馈线链路大气条件引起的功用改变。考虑到地上站的方位和数量在确认体系总吞吐量中起着重要效果，而且因为地上段的布置在FCC中没有给出具体描绘，因而咱们规划了一个地上段布置优化计划，以最小化支撑体系吞吐量所需的地上站总数。
终究，在定论部分进一步剖析了三个体系在投入运用之前有必要战胜的一些首要技能应战。
Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座体系的技能比照线和更杂乱的频率复用计划，这些要素都使得体系功用取得了极大进步，一起也下降了各载荷制作与发射本钱。在进一步下降本钱和添加技能才干方面，扩展对播送数据的需求，以及对移动（航空、海事）商场添加的猜测，为这些体系的开展供给了首要的动力。
在联邦通讯委员会挂号的11个提案中，有3个处于更为高档的开展阶段，即计划在未来3年内完结发射：OneWeb、SpaceX和Telesat。
本文回忆了这些巨型星座的体系架构，如其各安闲FCC的文件（到2018年9月）所述，并强调了这三个体系之间的相似性和差异。然后，咱们运用一个新的核算结构来估量体系的总吞吐量，该结构考虑了空间段的轨迹动力学、用户和馈线链路的大气条件引起的功用改变以及对可售容量的合理约束。
相关研讨概述
上世纪90年代，因为对蜂窝和个人通讯服务的需求不断添加，以及互联网的遍及运用，业界初次提出了运用大型低轨卫星星座供给全球衔接。
在提议的LEO体系中，有些乃至在发射前就被取消了（例如，Teledesic、Celestri、Skybridge），而另一些则在运营开端后不久恳求破产保护（例如，铱星、全球星、奥博通）。
在相关已宣布的多份技能陈述（首要由星座规划者编撰）中，概述了每一个拟发射卫星星座体系的架构，如：Sturza描绘了开端的Teledesic卫星体系（924颗卫星星座）的技能信息；Patterson[4]剖析了进一步缩小规划后的体系，即288颗卫星体系；Leopold在研讨成果中对铱星体系进行了全面的描绘，而Wiedeman在研讨成果中对全球星的星座进行了剖析。
经过比较办法，Comparetto对全球星、铱星和Odyssey体系进行了介绍，要点剖析了各提案的体系架构、手机规划和本钱结构。Dumont研讨了这三个体系从1991年到1994年所阅历的改变。
Evans剖析了不同轨迹上个人通讯的不同卫星体系（GEO、MEO和LEO），随后比较了LEO中Ka波段和Ku波段体系的不同提案。这些参阅文献中遵从的办法在本质上大多是描绘性的，供给了对各种LEO体系的体系结构的概述。另一方面，Shaw定量比较了Cyberstar、Spaceway和Celestri计划的才干，评价了比如容量、信号完好性、可用性和每计费T1/分钟的本钱等变量。
与新的LEO提案相关的研讨很少，首要会集在剖析碎片和碰击概率，以及比较LEO和GEO体系运用于海上服务和航空用户。特别是，LeMay研讨了在当时LEO碎片环境中运转的SpaceX和OneWeb卫星的磕碰概率，而Foreman在剖析了卫星与空间碎片之间的磕碰次数后，提出了几个处理轨迹碎片问题的方针主张。
终究，McLain将上述两个体系与多颗地球停止、吞吐量十分高的卫星进行了比较，得出定论，后者为航空和海事工业供给了一条更简略、危险更低、更经济的途径。
本文选用与Evans相似的办法，对OneWeb、Telesat和SpaceX的计划进行了比较。咱们首要描绘每个体系，然后对星座的其他方面进行比较剖析。本文的后半部分首要是评价三个体系的功用（依据体系总吞吐量和地上部分的需求）。
论文方针
本文研讨方针为如下两方面：
（1）在OneWeb，Telesat和SpaceX星座的一致和可比较的基础上展现体系架构，一起对它们进行技能比较；
（2）运用核算办法预算每个提案的地上部分的全体系吞吐量和要求，该核算办法考虑空间部分的轨迹动态和大气条件对用户和馈线链路引起的功用改变。
论文结构
本文的结构如下：第2节评论了Telesat，OneWeb和SpaceX构思的三个体系的不同体系架构；第3节介绍了预算全体系容量和推导地上部分要求的办法；第4节介绍了每个巨型星座所需的全体系吞吐量，及所需的关口站数量、地上站方位数量等；第5节确认了咱们以为这些体系在投入运营之前仍需战胜的首要技能应战；第6节对本文进行了总结。
体系结构
本节比较了Telesat，OneWeb和SpaceX的体系，如其到2018年9月的FCC文件和新闻稿中所述。
Telesat体系
Telesat的Ka波段星座[17]由不少于117颗卫星组成，卫星散布在两组轨迹面上：（1）榜首组轨迹面为极轨迹，由6个轨迹面组成，轨迹倾角99.5度，高度1000km，每个平面至少12颗卫星；（2）第二组轨迹面为歪斜轨迹，由不少于5个轨迹面组成，轨迹倾角37.4度，高度1200km，每个平面至少有10颗卫星。
就功用上而言，榜首组极轨迹供给了全球掩盖，第二组歪斜轨迹更重视全球大部分人口会集区域掩盖。图1描绘了Telesat的星座，极轨迹和歪斜轨迹中卫星的视场（FieldsofRegard,FoR）别离用赤色和蓝色标明，用户的最小仰角为20度。
图1Telesat体系的星座形式。蓝色对应于歪斜的轨迹，赤色对应于极地轨迹。
同一轨迹组内的同一平面内或相邻平面内，及在两个轨迹组间的相邻卫星，都将经过激光卫星间链路（Inter-Satellitelink,ISL）进行通讯。因为运用星间链路，用户将能够从国际上任何地方衔接到体系，即运用户和关口站不在同一卫星的视野内。
每颗卫星将作为IP网络的节点，并将带着具有直接辐射阵列（DirectRadiatingArray,DRA）的高档数字通讯有用载荷。有用载荷将包含具有解调、路由和从头调制功用的星上处理模块，然后解耦上下行链路，这代表了当时弯管架构的重要立异。
DRA将能够在上行链路方向上构成至少16个波束，而且在下行链路方向上构成至少别的16个波束，而且将具有波束成形（beam-forming）和波束调形（beam-shaping）功用，其功率、带宽、巨细和视轴动态地分配给每个波束以最大极限地进步功用并最大极限地削减对GSO和NGSO卫星的搅扰。
此外，每个卫星将具有2个可调向的关口站天线，以及用于信令的宽视场接收器波束。
该体系规划有多个散布在国际各地的关口站，每个关口站装备多个3.5米天线。渥太华的操控中心将监测、协谐和操控资源分配进程，以及无线电信道的规划、安排和保护。
Telesat的星座将在Ka频段（17.8-20.2GHz）的较低频谱中运用1.8GHz的带宽用于下行链路，而在上Ka频段（27.5-30.0GHz）的带宽为2.1GHz用于上行链路。
OneWeb体系
OneWeb的Ku+Ka波段星座[18]包含在18个圆形轨迹平面上的720颗卫星，轨迹高度1200km，轨迹倾角87度。图2显现了OneWeb体系的星座形式。
图2 OneWeb星座形式
每颗卫星都有一个弯管有用载荷，有16个相同的、不行调整的、高椭圆形的用户波束。这些波束的脚印确保了任何用户都在至少一个仰角大于55度的卫星的视野规模内。此外，每颗卫星将有两个万向可调向的关口站天线，其间一个将是自动的，而另一个将充任备用和切换天线。
每个用户波束将具有Ku波段中的单个信道，其将被映射到Ka波段中的信道。回来方向上的信道将具有125MHz的带宽，而前向方向上的信道将具有250MHz的带宽。
OneWeb的体系运用Ku波段进行用户通讯，运用Ka波段进行关口站通讯。具体地，10.7-12.7和12.75-14.5GHz频带将别离用于用户下行链路和用户上行链路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz频带将别离用于馈线下行链路和馈线上行链路。
地上段方面估量需求50个或更多的关口站，每个关口站最多装备10个口径2.4米的天线。在用户侧，OneWeb的体系支撑运用30-75厘米抛物面天线、相控阵天线和其他电调向天线。因为卫星不运用卫星间链路，只能在用户和地上站一起坐落卫星视野（LOS）规模内的区域供给服务。
SpaceX体系
SpaceX的Ku+Ka波段星座[19]包含4,425颗卫星，散布在几组轨迹上。中心星座由1,600颗卫星组成，这些卫星均匀散布在高度1150km的32个轨迹平面上，倾角为53度（图3中蓝色标识）。其他2,825颗卫星将进行辅佐布置，将按如下办法布置：
●32个轨迹面，每面50颗卫星，1110公里，倾角53.8度（橙色）；
●8个轨迹面，每面50颗卫星，1130公里，歪斜度为74度（洋赤色）；
●5个轨迹面，每面75颗卫星，1275公里，倾角为81度（黑色）；
●6个轨迹面，每面75颗卫星，1325公里，歪斜度为70度（黄色）。
图3SpaceX体系的星座形式。不同的轨迹组用不同的色彩标明
图3描绘了SpaceX的巨型星座的星座形式。每颗卫星都将带着一个包含相控阵的高档数字有用载荷，这将答应每个波束独自转向和成形。
用户终端的最小仰角是40°，而每个卫星的总吞吐量估量为17-23Gbps，这取决于用户终端的特性。此外，卫星还将具有激光卫星间链路，以确保继续通讯，供给海上服务，并减轻搅扰的影响。
地上部分将由3种不同类型的组件组成：盯梢、遥测和指令（TrackingTelemetryandCommands,TT＆C）站，关口站天线和用户终端。一方面，TT＆C站的数量稀疏，散布在国际各地，其天线的直径为5米。另一方面，关口站和用户终端都将依据相位阵列技能。SpaceX计划具有很多的关口站天线，散布在国际各地，与互联网对等点挨近或共存。
SpaceX体系将运用Ku波段进行用户链路，Ka波段用于馈线链路。具体而言，10.7-12.7GHz和14.0-14.5GHz频段将别离用于用户下行链路和用户上行链路，而17.8-19.3GHz和27.5-30.0GHz频段将用于馈线下行链路和馈线上行链路。
评价比较
本节比较了以上三个卫星星座体系，进一步扩展了前述内容，并剖析了前文体系描绘中未触及的方面。
轨迹方位和可视卫星数量
如表1所示，一切三个体系一起运用具有相似半径的圆形轨迹，一切这些体系都作业在1000-1350km轨迹高度规模内。OneWeb运用传统的极轨迹星座装备来供给全球掩盖，而SpaceX和Telesat都运用多轨迹组合装备，经过极轨迹卫星供给全球掩盖，而将一些卫星放置在歪斜的轨迹上完成地球上人口密度较大区域的有用掩盖。
表1OneWeb、SpaceX及Telesat三个低轨星座的轨迹参数表
这些轨迹方位的差异，加上星群中的卫星总数在不同的竞赛体系中有很大的差异，导致给定方位的视距（LineOfSight,LOS）内卫星均匀数存在很大的差异。与SpaceX和OneWeb体系（别离支撑终端仰角为40度和55度）比较，卫星数量最少的Telesat体系将以较低的仰角（20度）运转。
这种较低的仰角或许导致更频频的衔接堵塞（因为树叶、建筑物堵塞）和衔接中止（因为较高的大气衰减）。图4显现了不同纬度值下LOS内卫星的均匀数量（考虑到FCC文件中陈述的最小仰角）。
图4可视卫星数量随纬度的改变
尽管Telesat星座中的卫星数量显着小于OneWeb中的卫星数量，但LoS内的卫星数量在正负60度纬度规模内较高，而该区域正是大多数人口密布的区域。这种状况的原因在于，Telesat的最小仰角小于OneWeb（20度比较于55度）。此外，值得留意的是，当布置完好的SpaceX体系时，地球上人口最多的区域的LOS内将有20多颗卫星（坐落南北极区邻近）。
频率分配
图5显现了不同体系的频率分配。
关于每个体系和频段，直线上面的部分代表右旋圆极化（RightHandedCircularPolarization,RHCP），直线下面的部分代表左旋圆极化（LeftHandedCircularPolarization,LHCP）。表2比较了每个波束的波束数、每波束带宽、每类链路分配的总带宽和频率复用因子。
每个卫星的总带宽核算办法为每波束的带宽乘以频率复用因子，该频率复用因子是依据每颗卫星陈述的总数据速率预算的。
图5三个低轨星座作业频率比照
表2三个低轨星座各链路带宽比较
一方面，SpaceX和OneWeb都运用Ku频段作为其卫星到用户链路（上行链路和下行链路），而卫星到地上站则在Ka波段下行和上行链路中进行频谱分配。OneWeb对用户下行链路运用RHCP极化，对用户上行链路运用LHCP；SpaceX对上行链路和下行链路运用RHCP，而LHCP用于遥测数据。
此外，两个体系都运用Ka频段作为其馈线链路：OneWeb在RHCP和LHCP中运用155MHz下行链路信道和250MHz上行链路信道；SpaceX运用250MHz下行链路信道和500MHz上行链路信道，相同适用于RHCP和LHCP。
另一方面，Telesat的体系仅运用Ka波段频谱，因而卫星到用户和卫星到关口站的通讯需求同享同一频段。鉴于其数字有用载荷的灵敏性，Telesat的体系能够为用户和关口站波束动态分配功率和带宽，以减轻搅扰。
OneWeb的体系具有弯管架构，其间16个用户下行链路信道都会映射到Ka频段馈线上行链路信道，反之亦然，用于回来链路上的映射。可是，SpaceX和Telesat的体系架构答应星上解调、路由和再调制，然后有用地解耦用户链路和馈线链路。
这答应它们：a）在上行链路和下行链路信道中运用不同的频谱功率，最大化卫星的总容量；b）为用户波束动态地分配资源；c）经过挑选所运用的频带来减轻搅扰。
因为这种解耦合，咱们估量两个体系的馈线链路都能够到达挨近5.5bps/Hz的频谱功率，这也就意味着SpaceX用户链路频率重复运用4-5次，Telesat用户波束重复运用4次。
波束特性
鉴于每个体系上的卫星有用载荷的差异性，每颗卫星上的波束在才干、形状和掩盖面积等方面也存在显着差异。表3包含一切三个体系的波束特性的总结。
表3三个低轨星座的波束特性比较
SpaceX和Telesat都具有可独自成形和可操控的波束，而OneWeb仅具有固定波束。SpaceX和Telesat运用圆形波束，而OneWeb的体系运用高椭圆波束。图6-a）包含对视场FoR的比较，而图6-b）显现了每个体系的波束的-3dB脚印概括。
留意每个卫星和波束所掩盖区域的差异：OneWeb的每个波束都掩盖了近75000平方公里的地球区域，SpaceX的波束掩盖面积约为2800平方公里，而Telesat可成形波束的掩盖面积在960平方公里（图6-b中的Telesatmin）和246000平方公里（图6-b中的Telesatmax）之间调整。
图6 a）为三个低轨星座运转至西班牙上空时的卫星视场；b）为三个低轨星座在纽约上空的单个波束脚印
布置和预期可扩展战略
表4总结了OneWeb和SpaceX的巨型星座的发射特性，包含每次发射的卫星数量和所需发射的总次数。在编撰本文时，Telesat没有发布有关其发射供给商和卫星特征的揭露信息，因而未包含有关其体系的信息。
表4 OneWeb与SpaceX低轨星座体系发射特性
OneWeb计划经过与阿里安（运用21个联盟号火箭发射）和维珍银河（所开发规划的LauncherOne火箭）的合同布置其卫星。每个联盟号火箭将带着34至36颗卫星（取决于火箭目的地和发射场），与阿里安的合同还包含别的5次联盟号发射和3次额定的阿里安-6发射。
此外，到2018年3月，OneWeb向联邦通讯委员会提交了一份新的请愿书，经过添加1260颗卫星扩展其星座，合计1980颗星的卫星星座。这种扩展将使轨迹面数量添加一倍（从18轨迹面添加到36轨迹面），并将每面卫星数从40添加到55[20]。
SpaceX将运用他们自己的运载火箭（猎鹰9或猎鹰重型）发射他们的卫星。SpaceX计划运用两阶段布置，开端布置1,600颗卫星（体系在榜首批800颗卫星发射后开端运转），以及稍后布置2,825颗剩下卫星。初始布置将答应SpaceX供给南北纬60度纬度规模内的服务，一旦终究布置发动，将供给全球掩盖。
终究，在最近的新闻稿中，Telesat泄漏，依据事务成果，他们正在考虑经过分阶段布置扩展其星座，这将使卫星总数逐渐从192添加到292，直至终究的512。除了他们的Ku-Ka频段体系外，这三家公司都提交了恳求，要求在Q/V频段发射更大的星座，将LEO和MEO中的卫星结合起来。这些Q/V波段星座的描绘和剖析不在本文的评论规模内。
资金和制作
关于融资和卫星制作方面，三家公司采取了不同的办法。
OneWeb创建了一个协作伙伴联系，其间高通公司（20.17%）、软银（19.98%）和空客（13.34%）具有该公司的很多股份[21]，每个协作伙伴都在体系规划中发挥着特定的效果。例如，空客担任制作卫星，高通公司将供给OneWeb用户基站，休斯网络体系将供给关口站设备。
在融资方面，OneWeb在开端的融资轮中从战略协作伙伴那里筹集了5亿美元，软银在私募股权轮中进一步出资了15亿美元[22]。
SpaceX正在选用内部制作战略，其间大部分卫星总线都是在内部开发的，集成、拼装和测验使命也将在SpaceX的设备中进行。尽管SpaceX没有供给有关其星座融资远景的信息，但最近一轮10亿美元的融资，出资者包含谷歌和富达[23]。
终究，Telesat的大部分体系规划和制作将外包给不同的公司。尽管他们的卫星制作商没有确认，但他们已与Thales-Maxar和空客到达合同，以进一步开发体系规划并提交坚决的主张，而GlobalEagle和GeneralDynamicsMissionSystems将担任开发他们的用户终端。
在融资方面，Telesat在他们的FCC恳求中标明他们乐意出资“他们自己的”重要财政资源，并主张他们将诉诸资本商场以取得额定资金。
办法和模型描绘
本节介绍了咱们用来描绘地上部分需求和评价体系功用的办法。图7显现了开发的模型（灰色暗影、圆角框）和所需输入（白色框）的概述。评价体系总吞吐量（可出售容量）的办法包含两个进程。首要，运用遗传算法核算了馈线关口站的方位和数量。第二，地上部分的方位与大气模型、链路预算模型和轨迹动力学模型相结合，以核算确认体系的总吞吐量。
图7确认地上段方位和估量体系总吞吐量的办法
本节的其他部分专门描绘这些模型和输入：1节介绍所用的大气模型；第2节介绍链路预算假定和参数；第3节介绍所用的需求模型；第4节介绍用于优化地上段的办法；终究，第5节介绍用于核算估量体系总吞吐量的办法。
大气模型
大气衰减是影响通讯链路功用的首要外部要素。在Ka频段，大气衰减会导致链路容量下降，有时乃至直接导致链路中止。为了处理链路数据在任何时刻点的衰减和最大化，一般选用自适应编码和调制战略。换句话说，调制和编码计划（ModulationandCoding,ModCod）是动态挑选的，以最大极限地进步既定气候条件下的频谱功率。
在本研讨中，咱们依照ITU-RP.618-13主张书[25]中提出的攻略（考虑了气体/云等），施行了[24]国际电信联盟（ITU）模型，用于歪斜途径链路的大气衰减、对流层闪耀和雨水危害。这些主张供给了考虑每个上述事情所导致的衰减奉献值，及超越这些值的时刻百分比（即大气衰减累积散布函数，CDF）。
特别是ITU-RP.676-11和ITU-RP.840-7主张别离用于核算气体和云衰减，而主张书ITU-RP.837-6、ITU-RP.838-3和ITU-RP.839-4给出的图别离用于预算降雨率、降雨特定衰减和降雨高度。例如，图8显现了波士顿不同频段的总大气衰减。
图8 不同频段下波士顿区域气衰CDF曲线（横坐标左边为对数坐标系）
链路预算模型
链路预算模块与大气模型相结合，核算不同大气条件下上下行链路的可达数据速率。咱们针对链路预算的代码完成是参数化的，旨在快速核算地上站和运转条件的每种组合的最佳ModCod计划。此外，它还规划用于处理弯管结构（上下行之间发作频率转化）和再生结构（上下行链路运用不同的ModCod计划）。
关于功用评价模型，考虑选用2014年开发的扩展第二代经过卫星供给数字视频播送（DigitalVideoBroadcastingviaSatellite2ndExtended,DVB-S2X）[26]中规则的调制编码计划，因为它是播送、宽带卫星通讯和交互服务的首要规范。该规范界说了帧结构、信道编码和一系列调制计划。具体来说，包含60多个ModCod，调制规模从BPSK到256-APSK，编码率从1/4到9/10。
参阅DVB-S2X施行攻略的主张，咱们假定帧错误率（frameErrorRatio,FER）为10E-7。此外，咱们假定固态高功率放大器（HighPowerAmplifier,HPA）的输出回退等于ModCod的峰均比（给定为99.9％百分比功率与均匀功率之间的比率），以防止饱满失真。
链路预算中的其他参数包含发射器和接收器天线的直径、功率和噪声温度，以及RF链上不同损耗和载波搅扰值。咱们从提交给FCC的每个恳求中具体列出的链路预算示例中提取这些参数的值。表5和表6包含每个体系前向的馈线链路和用户链路预算示例。
表5 所考虑的三个体系的关口站上行链路（上Ka波段）的波束链路预算，考虑不同的规模和仰角，可用的大气衰减值为99.5％；
表6 针对所考虑的三个体系在用户下行链路波束的掩盖边际处核算的波束链路预算，大气衰减值可用率为99％。
需求模型
为了得到体系总吞吐量的实践估量值，咱们开发了一个需求模型，该模型为给定轨迹方位的任何卫星供给了最大可出售容量的上限。
需求模型的要点重视为终端用户服务及为基站等设备供给回程服务，以扩展现有网络（如蜂窝网络的手机服务），而非满意其他商场（如军事、飞翔、海上、离岸衔接等）的需求。这一决议是经过深思熟虑的，因为现在大多数LEO星座计划都强调为终究用户供给全球带宽接入。
需求模型生成进程如下所述。
关于给定的轨迹高度，咱们生成了一个网格化地图（纬度和经度分辨率为0.1度*0.1度），用于确认坐落特定轨迹方位的卫星波束所掩盖的人数，运用网格化人口国际第四版数据集（GriddedPopulationoftheWorldv4,GPWv4），依据人口普查数据预算2020年人口数量超越30弧-秒的分辨率网格[27]。咱们还考虑了每颗卫星作业的最小仰角约束。
此外，咱们假定一个区域的用户均匀散布在他们的LOS内的一切卫星上。
为了核算需求的数据速率值（以Gbps为单位），咱们假定任何卫星将在网格的每个小区占有最多10%的商场，而且每个用户恳求的均匀数据速率为300kbps（每月约100GB）。终究，需求的上限是每颗卫星的最大数据速率（，见4.2节），如公式1所示。（其间，是地上方位LOS内的卫星数量）。
（1）
图9显现了OneWeb星座的需求数据速率。需求较高的区域以显着的色彩显现，而需求较低的区域以较暗的色彩显现，而需求为零的区域不上色。
图9 不同轨迹方位的卫星事务量需求
地上段优化
运用与[28]中所述程序相似的程序确认地上站方位。咱们履行一个优化程序，以最大化以下方针函数
（2）
一起尽量削减所需的地上站数量。在式2，cov95和cov99别离代表地上站在大气条件下掩盖的轨迹方位百分比，别离小于且小于1％。咱们假定地上站与卫星通讯的最小仰角是10度。
在数学上，这个优化问题能够被看作是一个向下挑选的问题，咱们需求挑选功用最好的N个地上站。咱们考虑在全球规模内散布160个不同地址的查找池，查找空间为2168~3.8×1049，考虑到核算空间太大而无法进行全面的枚举和评价。因而，需求运用优化算法。
鉴于其结构，遗传算法十分合适处理下选问题[29]。咱们选用了非分配排序遗传算法（Non-dominatedSortingGeneticAlgorithm-II,NSGA-II）[30]，一种高效的多方针遗传算法，其作业原理如下：
①生成NPOP架构的随机全体（运用地上站的随机子集填充）
②评价每个方针函数o（等式2）的值。
③挑选N/2体系结构，它们是下一代集体的“父代”，遵从以下规范：a）帕累托排名较低的架构是首要挑选；b）在具有相似帕累托的架构中排名，那些拥堵距离较低的人首要挑选。
④在N/2上运用穿插遗传算子父架构。穿插运算符将两个父代作为输入，并生成两个子代。每个父站中存在的每个地上站都被分配给一个概率持平的子站（即，咱们在每个父站的地上站上运用一致的穿插）。总的来说，N/2子孙是由N/2爸爸妈妈发作的。
⑤将骤变遗传算子运用于N/2父结构和N/2子结构。骤变将一个地上站从概率预移的架构中移除，并添加一个新的概率PADD地上站。变异算子与概率PMUT相结合。
⑥重复进程2-5，直到满意停止规范（即核算的最大生成数NGEN，帕累托前端没有新的架构）。
此外，咱们运用问题的地舆结构来加快优化算法的收敛。考虑到一个区域地上站的挑选对另一个区域地上站的挑选影响较小，咱们将优化分为两个阶段。首要，在阶段A中，咱们运用上述NSGA-II算法（NPOP=200，NGEN=200）确认所考虑的6个区域（非洲、亚洲、欧洲、北美、大洋洲和南美）的最佳地上段结构。
第二，在阶段B中，咱们将NSGA-II算法运用于大局，但咱们不生成随机全体（进程1），而是运用阶段A中依据区域优化的帕累托前端架构作为初始全体的生成组件。换言之，从A阶段的每个区域中挑选一个帕累托最优地上段结构来生成B阶段的地上段结构。这个新的全体用作B阶段NSGA-II算法的初始全体（NPOP=200，NGEN=80）。
体系总吞吐量预算
为了评价体系吞吐量，咱们开发了一个核算模型，为每个巨型星座供给最大可出售容量的上限。之所以需求开发依据核算模型的吞吐量评价办法，原因在于：1）每个卫星服务水平内的用户数和关口站数随时刻改变，以及2）引进不同衰减下大气条件，也就是说，不同的数据速率本质上也是随机的。
确认体系总吞吐量的进程如下。
首要，挑选以60秒的时刻步长，剖析卫星星座恣意卫星在一天内的轨迹运转数据。然后，关于每个轨迹装备，咱们为每个地上站抽取10000个大气衰减样本，假定大气衰减样本在核算上独立，并依据用大气模型核算的概率散布曲线散布（例如波士顿，不同频率的CDF如图8所示。）
然后，将这些样本用作链路预算模块的输入，以估量每个地上站的可完成链路数据速率。终究，依据卫星是否有卫星间链路ISL，别离确认两种不同的办法下体系总吞吐量。
假如星群没有卫星间链路，则依据等式3核算每个卫星（THsat）的吞吐量，其间dsat是用户需求，且标明N个最佳地上站的数据速率Rb之和。这是针对每个轨迹方位和一组大气条件进行的，发作了1440万个样本。经过添加每个卫星的吞吐量来核算每个计划（咱们称之为轨迹方位+大气条件的组合计划）的全体系正向容量。
（3）
另一方面，假如存在卫星间链路，则遵从以下四步程序来核算全体系吞吐量：
1）核算或许运用一切可用传输的全体系前向容量馈线关口站。
2）经过把馈线关口站容量相加核算整个体系前向容量的CDF。
3）挑选CDF曲线上均匀距离的1,000个场景的子集，以考虑卫星间链路进行进一步剖析。
4）关于每个选定的场景：
A）构建一个网络图，其间每个卫星上的用户，卫星自身和地上站是图的节点，RF链路是边际。
B）处理“最小本钱，最大流量”问题并确认从每个卫星到关口站的流量。
C）经过添加来自一切卫星的流量来核算全体系吞吐量。
其他假定汇总
本节总结了咱们模型中的其他假定。
●用户需求会集在陆区域域，与卫星掩盖人口成份额，且不考虑海上或航空需求。
●在LOS内具有多颗卫星的终端随机挑选一个进行通讯，因而需求在LOS内的卫星之间均匀散布。
●自适应编码和调制（AdaptiveCodingandModulation,ACM）用于卫星关口站链路，因而关于任何轨迹方位和大气条件，挑选最大化吞吐量的调制编码计划MODCOD。
●卫星具有满意的功率，以便在需求时以最大EIRP进行通讯。
●用户终端不是约束要素，因为它们能够接连盯梢卫星并以所需的数据速率进行通讯。
●在任何仰角，用户链路中的树叶、建筑物障碍物或其他要素都不会形成链路中止。
●不考虑因为不同星座的LEO卫星之间的搅扰导致的功用下降。
●地上站能够坐落任何陆区域域。他们的方位没有政治、着陆权或地舆约束。
●ISL链路可用于将超量需求路由到其他卫星。只要同一轨迹会集的卫星才干经过ISL（平面内和跨平面）进行通讯。
●即便端到端推迟具有最小化需求，数据在星间链路ISL路由转发时不设最大跳数约束。
成果
本节给出了以下成果：a）每个体系所需的地上段布置需求；b）如第3.3节所述，关于前向链路上总可售容量体系总吞吐量上限的功用评价。
在这些成果中，咱们运用术语地上站（GroundStation）指的是承载一个或多个馈线天线的站点，而术语关口站天线（gatewayantennas）指的是坐落这些站点的实践馈线天线。需求留意的是，每个地上站的关口站天线数量是有约束的，因为天线指向方向之间有必要坚持最小的视点距离，以防止相互之间的搅扰。
依据三个体系的FCC文件中发现的最小视点别离值，每个站点的最大关口站天线数量的合理值为50，即在不需求更为高层和谐下所答应的天线数量。可是更实践的状况是，每个地上站的天线数量一般约束在30个。
图10剖析了三个体系在给定地上站方位数量下需求区域掩盖率的帕累托前端。能够看出，OneWeb的体系需求61个地上站才干完成全掩盖，而Telesat和SpaceX的体系无法仅运用地上站掩盖整个需求区域。
发作这种状况原因在于，在卫星选用更大视场FoR状况下，卫星在其FoR内有更多的人口的轨迹方位，即便相应地上站的仰角太低而无法封闭大气条件的链路，95％的时刻都在场。可是，SpaceX和Telesat的体系都不需求完成100％的需求区域掩盖，因为ISL链路可用于将卫星数据从掩盖区域路由到实践坐落掩盖区域内的卫星。
图10 地上站方位数与需求区域掩盖率
还应留意，对需求区域进行100％掩盖并不能确保在最大体系容量下运转，因为一些地上站或许因为低仰角而以较低的数据速率运转。相反，没有对需求区域的全面掩盖并不意味着无法取得最大体系吞吐量，因为卫星或许运用ISL在网络内路由数据。
考虑到这一点，图11显现了所剖析的三个体系的估量全体系吞吐量与地上站数量的联系。运用实线制作均匀值（随时刻），而暗影区域标明四分位数值（即，容量随时刻改变，而且在暗影区域内包含25-75％的时刻）。Telesat和SpaceX星座的ISL数据速率别离为5、10和20Gbps，别离以橙色，绿色和蓝色标明。洋赤色线对应于没有ISL的体系的功用。
从图11中能够看出，OneWeb、Telesat和SpaceX星座的最大全体系吞吐量别离为1.56Tbps、2.66Tbps和23.7Tbps。此外，SpaceX体系是选用ISL后获益最多的体系，而且因为卫星数量很多，它需求最大数量的地上站才干到达其最大容量（一共123个）。
风趣的是，OneWeb体系所需的地上站数量（71）大于Telesat所需的地上站数量（42），尽管前者的最大容量更低。图11d）一起标明，假如OneWeb也选用ISL计划（每个卫星4个ISL，即同轨迹面内2个ISL和异轨迹面间2个ISL），能够由图中看出，在具有ISL时OneWeb体系所需的地上站数量显着下降；即便ISL数据速率5Gbps状况下，也只需求27个地上站能够完成最大功用。
图11 估量的全体系前向容量与地上站方位的数量a）Telesat，b）SpaceX，和c）OneWeb的体系。d）假如OneWeb的体系包含光学ISL（OISL），则显现估量的体系前向容量。括号中的值标明每个地上站方位的最大关口站天线数。
表7列出了每个体系以及不同关口站和地上站计划的估量全体系吞吐量的数值。运用具有50个地上站方位的地上段（如前所述，在关于每个方位的最大关口站数量的合理假定下），OneWeb体系的容量到达1.47Tbps，而Telesat和SpaceX体系的容量别离到达2.65Tbps和16.78Tbps。
请留意，尽管OneWeb的体系具有的卫星数量远远超越Telesat，但其全体系容量却较低。这是因为以下原因：
表7 不同地上站和关口站数量的估量全体系吞吐量（tbps）
（注：为地上站方位的数量，体系吞吐量单位Tbps。括号中的值标明，每个地上站方位答应的最大关口站数。NGS为假定场景，因为OneWeb的体系没有ISL。）
●频谱运用战略：如第2.4.2节所述，OneWeb的星座仅运用Ku波段频谱中单一极化办法，复用因子为2。这导致用户下行链路的总可用带宽低于SpaceX和Telesat的体系。如本节接下来解说的那样，用户下行链路确是OneWeb体系中的约束要素。
●轨迹装备和LOS中的卫星数量：如第2.4.1节所示，Telesat和SpaceX的体系都重视了地球上人口密布区域的掩盖，而OneWeb仅运用极轨迹导致他们的卫星在无人居住的区域飞翔更长的时刻。此外，SpaceX和Telesat的体系能够更好地满意具有高要求的区域，因为在这些区域的LOS内有更多的卫星。
●波束前期饱满：因为OneWeb短少动态分配资源到特定波束的灵敏性，即便整个卫星不饱满，一些波束也会饱满，导致需求下降。
●短少ISL链路：短少ISL链路导致OneWeb的卫星无法一直将其数据下行到地上站，尤其是关于地上站数量较少的状况。从表7中能够看出，假如运用ISL，当考虑30、50和65个地上站方位（与无ISL状况比较）时，全体系容量能够别离高10％，6％和1％。
如前所述，OneWeb的体系遭到卫星到用户链路的严峻约束，这是其在数据速率方面全体功用较低的首要原因。表8显现了关口站到卫星和卫星到用户链路的每个卫星在前向方向上的均匀和峰值数据速率。因为Telesat和SpaceX具有解谐和再调制功用的数字有用载荷，因而这两个链路能够别离并独自考虑。
表8每颗卫星的最大和均匀数据速率
来自不同星座的卫星的均匀数据速率存在显着差异；因为运用了两个独立的关口站天线，Telesat的卫星完成了挨近36Gbps的均匀数据速率，SpaceX完成了挨近20Gbps的数据速率（相关于SpaceX的FCC文件[19]陈述的17-23Gbps），而OneWeb卫星均匀为8.8Gbps（比较之前报导的每颗卫星8Gbps）。
这些值的差异是因为关口站到卫星链路是SpaceX和Telesat星座的约束要素，而OneWeb的卫星遭到卫星到用户链路的约束。SpaceX和Telesat在大多数状况下都能够在其馈线上行链路中运用最高可用的MODCOD（256APSK），而OneWeb的用户链路运用32-APSK作为其最高频谱功率MODCOD。
如图12所示的关口站数量与吞吐量的剖析，咱们观察到每个巨型星座支撑最大体系总吞吐量所需的关口站天线数量别离为SpaceX3500、Telesat220（10GbpsISL）和OneWeb800（假定为20GbpsISL）。正如预期的那样，这个数字在很大程度上取决于卫星的数量。
图12 三个LEO星座体系的体系吞吐量随关口站天线数改变趋势
从这些图中能够得出两个首要定论：榜首，SpaceX的体系是从运用ISL中获益最多的体系，而Telesat体系是获益最少的体系（考虑到其星座中的卫星数量较少）；第二，SpaceX的总容量在具有2500多个关口站天线后敏捷变平（Using20Gbpsisl），这标明他们的体系能够经过削减关口站天线的数量来供给显着的节省，而不会对其全体系吞吐量发作严重影响（削减6%）。
终究，值得留意的是，假如OneWeb的体系挑选运用ISL，它们将取得的收益；关于500个关口站体系，它们的总容量或许会添加33%，从1.2Tbps添加到1.6Tbps。在没有ISL的状况下，一共需求800个关口站来完成1.6Tbps的容量。
图13显现了Telesat和OneWeb体系的地上站数量、关口站天线数量和体系吞吐量之间的联系。能够观察到，关于Telesat，体系容量首要由关口站天线的数量驱动（因为水平方向的吞吐量改变很小），而关于OneWeb，吞吐量取决于天线数量和地上站方位。
图13 体系容量与地上站数量和关口站天线数量的联系a）Telesat和b）OneWeb
终究，表9总结了本文给出的成果值。从每个卫星的均匀吞吐量和每个卫星可完成的最大数据速率方面，比较这些体系的功率是十分有含义的。在这方面，Telesat体系的功率最高，每颗卫星均匀为22.74Gbps（每颗卫星最大数据速率的58.8%），而SpaceX和OneWeb别离为5.36Gbps和2.17Gbps（每颗卫星最大容量的25.1%和21.7%）。
卫星功率的这种差异首要是因为通讯卫星体系的两个架构决议：在卫星上装置双自动关口站天线，在用户侧具有较低的最小仰角。
表9的下半部分显现了假定场景的成果，其间三个体系都有50个地上站。请留意，在这种状况下，SpaceX体系将遭到最晦气的影响，其总吞吐量将削减30%至16.5Tbps，而OneWeb的体系吞吐量将削减6%至1.47Tbps。Telesat体系不会遭到影响，因为它只需求40个地上站以最大容量运转。
表9三个LEO卫星星座体系仿真成果比照
技能应战
本节介绍了在这些体系投入运转之前需求战胜的五个不同的技能应战。
搅扰和谐
鉴于每个提案中布置了很多卫星，和谐削减共线搅扰（即多颗卫星与地心在同一直线时）将是这些提案的一个重要方面。在NGSO卫星和GSO卫星之间（当LEO卫星穿过赤道线时），以及两个近距离不同星座的NGSO卫星之间（同一频率波束指向同一方位）或许会发作线内搅扰。
关于NGSO-GSO搅扰，每个提案都有不同的缓解战略。尽管OneWeb提出了一种渐进式的卫星调距机动计划，一起挑选性地禁用波束，但SpaceX和Telesat依托其波束的可调整性和可成形才干，以及赤道用户的多颗卫星在LOS规模内这一现实。在一切状况下，方针都是确保LEO波束不与GSO卫星波束不共线，然后坚持波束之间的最小视点距离（最小区分角）。
关于NGSO-NGSO共线搅扰，考虑到主张的频率分配，OneWeb和SpaceX的下行链路用户波束之间以及OneWeb，SpaceX和Telesat的关口站波束（上行链路和下行链路）之间或许会发作搅扰。此外，因为Telesat是一个仅限Ka波段的体系，它们的用户波束也或许会搅扰其他体系的关口站波束。
在NGSO到NGSO的在线事情中，两个操控公司都需求经过在同一点上运用不同的频率信道，禁用波束或切割频谱来和谐以减轻搅扰。尽管Telesat和SpaceX都有防止搅扰的规划机制（例如，LOS中的多颗卫星，可操作和可成形的波束，动态带宽信道化），但OneWeb的规划短少这种灵敏性，因而它只能在和谐进程中扮演被逼人物。
动态资源办理
SpaceX和Telesat都运用了内置高度灵敏的数字有用载荷。如前所述，两个体系都计划运用这种灵敏性作为一种机制，以防止搅扰，一起经过将资源分配给掩盖需求较高区域的波束，以最大极限地进步每个卫星的吞吐量。
考虑到快速改变的环境（轨迹方位、来自其他体系的搅扰、用户需求、大气衰减等）以及所触及的很多波束和卫星，需求开发先进的动态资源分配办理（DynamicResourceManagement,DRM）算法。
此外，因为一个星群中的多颗卫星有必要和谐（即确保掩盖一切用户而不会对外部卫星形成搅扰），因而这些DRM算法需求在一个操控中心运转，该操控中心了解每个卫星的内部状况以及整个星群的概略。一起，另一套DRM算法将需求在每颗卫星上本地运转，以处理卫星快速改变的环境。
发射时刻表
这三个体系加在一起将为LEO添加5000多颗卫星。估量在未来4年内，将其送入轨迹需求大约100-150枚专用火箭发射，这将导致国际规模内发射数量的显着添加（特别是联盟号和猎鹰9号火箭）。仅在2017年，全球轨迹发射的数量就达91次；其间18次是猎鹰9号火箭，15次是联盟号火箭。
此外，尽管在编撰本文时，这三家公司都为其体系制作了测验卫星（SpaceX和Telesat乃至在2018年头将它们送入轨迹），但尚不清楚这些公司是否能够依据其计划时刻表终究确认卫星的规划和出产。现实上，一些公司现已被逼略微推迟了开端的发布，并推迟了运营的时刻。
体系运营
巨型星座中的很多卫星在防止磕碰和抛弃处置方面带来了新的操作应战。在这方面，地上基础设备应继续监测、盯梢和指挥数百颗卫星，并与航天器在相似轨迹上飞翔的其他安排和安排进行和谐（或许存在磕碰危险）。
此外，因为数百颗NGSO卫星的遥测、内部状况和网络状况信号需求继续监测，因而需求比当时最先进的体系更高的自动化程度。
用户终端
支撑具有盯梢低轨卫星且低本钱的用户终端，是体系规划中所需考虑的一个要害要素，对本文剖析的三个体系的商业成功至关重要。在曩昔，宽带LEO网络需求贵重的由万向天线组成的终端（一般是一对天线以确保接连掩盖），这约束了对购买力高的客户（首要是在企业商场内）的选用。
电调平板天线在这一范畴是一种很有出路的技能，尽管现在还不清楚当星座开端服务时，这种技能是否能以希望的价位供给。就每个体系的用户终端规划而言，Telesat兼容终端提出了最严厉的要求，因为它们的天线需求在低至20度的仰角下作业（SpaceX和OneWeb别离为40度和55度）。
定论
本文对三个LEO全球宽带卫星星座体系进行了技能比较。在描绘了每个体系的空间和地上段之后，咱们具体比较了每个星座的一些附加方面。
然后，咱们提出了一种办法：a）确认了每个体系所需的地上站和地上段关口站的数量需求；b）估量体系的总吞吐量。终究，咱们强调了在这些体系投入运转之前需求战胜的几个技能应战，如搅扰和谐、动态资源办理、发射计划和运营。
咱们剖析的首要定论总结如下：
●最大全体系吞吐量（可出售）关于OneWeb、Telesat和SpaceX的星座别离为1.56Tbps、2.66Tbps和23.7Tbps。
●由42个地上站组成的地上段足以满意Telesat的一切容量，而OneWeb至少需求71个地上站，SpaceX需求超越123个。
●就卫星功率（理解为每颗卫星的均匀数据速率与其最大数据速率之比）而言，Telesat体系的功用显着优于竞赛对手（约59%，与SpaceX的25%和OneWeb的22%比较）。这是因为：a）在每个卫星上运用了双有源天线，b）在用户链路中需求更低的最小仰角。
●OneWeb体系的吞吐量低于Telesat体系，尽管前者中的卫星数量要大得多。这首要是因为OneWeb的低杂乱度卫星规划、频谱运用战略、轨迹装备和有用载荷规划以及无ISL导致的每颗卫星的数据率较低；
●假如将ISL用于OneWeb的星座（即便数据传输速率为5Gbps），所需的地上站数量能够削减一半以上，削减到27个地上站。
综上所述，咱们的剖析提醒了三种低轨卫星星座计划的不同技能战略。OneWeb的战略要点是首先上市，将危险降至最低，并选用低杂乱性的空间段，然后供给较低的吞吐量。
比较之下，Telesat的战略围绕着高功用卫星和体系灵敏性（在布置、方针容量分配、数据路由等不同范畴）打开，然后添加了规划杂乱性。终究，SpaceX的体系在尺度上是共同的，尽管每个卫星的独自结构并不比Telesat卫星体系杂乱，可是很多的卫星和地上站大大添加了整个体系的危险和杂乱性。
