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高通量卫星通信系统是一种大容量、高速率的微波通信系统，以高通量卫星为中继站进行微波信号转发，实现多个地面站之间的广域通信覆盖。本节从系统的组成、频段、网络、协议、服务、应用等多角度，对其进行宏观阐述，使读者对高通量卫星通信系统有整体认知。
高通量卫星通信系统由高通量卫星系统、测控与管理系统和地面系统三部分组成，如图2.2所示。高通量卫星系统搭载高通量卫星载荷，实现信号空间段的转发与处理，详细设计见本书第3章内容；测控与管理系统主要实现卫星端的跟踪及管理，该功能不作为本书的重点论述内容；地面系统主要实现信号地面段的接收、转发与管理，详细设计见本书第4章内容。
（1）高通量卫星系统。
高通量卫星系统由给定轨道的高通量卫星或高通量卫星星座组成，作为空间通信中继站，实现通信数据和测控数据的转发。高通量卫星系统一般由卫星平台和通信载荷两部分组成：卫星平台由保障系统组成，是支持多种通信载荷的组合体；通信载荷由转发器和卫星天线组成，实现通信数据的转发及处理。
图2.2 高通量卫星通信系统的组成
（2）测控与管理系统。
测控与管理系统由监测管理分系统和跟踪遥测指令分系统两部分组成，在卫星正式运营前，实现对卫星各项通信参数的入网验证和在轨测试；在卫星正式运营后，实现对卫星各项工程参数、运行环境参数的监测和管理，并对卫星轨道和姿态进行测量和控制。
（3）地面系统。
地面系统由信关站、运营中心和用户终端组成。其中，信关站为所在馈电波束对应的用户波束提供接入服务，实现信号收发与基带处理，并完成与运营中心之间的数据交互；运营中心是卫星应用分系统的管控中心，实现对网络运行的监控管理和对通信业务的运营维护；用户终端为用户业务与信关站或其他用户建立卫星链路，实现用户业务的接收和发送。
1.频段选用
现阶段，高通量卫星主要利用Ku频段和Ka频段通信，部分高通量卫星还支持Q/V频段。综合考虑频段资源、信号质量、雨衰影响等因素，大多数卫星供应商选择Ka频段或Ku频段作为首选的频率计划。表2.1给出了不同频段波束覆盖对比及波束宽度与天线尺寸对应情况。
表2.1 C、Ku、Ka频段波束覆盖对比及波束宽度与天线尺寸对应情况
卫星的波束宽度与卫星的天线尺寸、频段相关，由卫星制造厂商设计确定。由表2.1可知，在波束宽度相同的情况下，选用频段越低，则卫星天线尺寸越大。
现有高通量卫星一般设计多种不同大小的波束，波束宽度越小，则星上天线设计尺寸相应越大。
2.频谱分析
可用频谱是影响高通量卫星通信系统性能和经济性的重要因素，对于系统空间段部分，拥有更多的频谱或拥有连续的频谱可降低卫星有效载荷的复杂性和单位容量的成本。ITU（International Telecommunications Union，国际电信联盟）的《无线电规则》规定了可用于特定应用的频谱数量，划分频谱并统一了其在国际层面上的使用。ITU将世界分为三个区域：
区域1：欧洲（包括冰岛）、非洲、中东、亚美尼亚、阿塞拜疆、俄罗斯、格鲁吉亚、哈萨克斯坦、蒙古国、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦、土耳其和乌克兰；
区域2：美洲，包括格陵兰和东太平洋；
区域3：远东、澳大利亚、新西兰和西太平洋。
1）用户频谱
表2.2总结了ITU对Ka频段频谱中与下行链路相关的频率分配情况。
表2.2 ITU对Ka频段的频率分配（下行链路）
注：FS（Fixed Service，固定业务）；FSS（Fixed Satellite Service，固定卫星业务）；MS（Mobile Service，移动业务）；RLS（Radio Location Service，无线电定位业务）；MSS（Mobile Satellite Service，移动卫星业务）；BSS（Broadcasting-Satellite Service，广播卫星业务）；EES（Earth Exploration Satellite，地球探测卫星）；SFTSSS（Standard Frequency and Time Signal-Satellite Service，标准频率和时间信号卫星业务）。
在固定卫星业务中，地球静止卫星系统对17.3～18.1GHz频段的使用仅限于广播卫星业务的馈电链路。该频段在区域1用于下行链路，在区域2的下行链路应用中仅限于广播业务，在区域3则无法应用于广播业务。
三个区域在17.7～18.1GHz、18.6～18.8GHz和19.7～20.1GHz频段的频率分配有细微的差异，而在18.1～18.6GHz、18.8～19.7GHz和20.1～21.2GHz频段的频率分配都是相同的。
表2.3总结了ITU对Ka频段频谱中与上行链路相关的频率分配情况。
表2.3 ITU对Ka频段的频率分配（上行链路）
注：FS：固定业务（地面）；MS：移动业务（地面）；↑：地球到太空（上行链路）；FSS：固定卫星业务；MSS：移动卫星业务；ISS（Inter-Satellite Service，星间业务）；EESS（Earth Exploration Satellite Service，地球探测卫星业务）；SFTSSS：标准频率和时间信号卫星业务。
由表2.3可知，27.0～27.5GHz频段在卫星上行链路的应用仅限于区域2和区域3。三个区域在27.5～29.5GHz和29.9～31.0GHz频段的频率分配相同；在29.5～29.9GHz频段的频率分配略有差异。
这些频段的顶部1GHz（即下行频段20.2～21.2GHz和上行频段30.0～31.0GHz）通常预留给军事或政府部门使用。部分Ka频段频谱（参见表2.5）被指定为高密度固定卫星服务（HDFSS）的应用，HDFSS是由高通量卫星系统提供的一种服务，这项服务的目标是实现全球范围内的宽带通信服务。
表2.4提供了ITU规定的上行链路和下行链路中Ka频段的总可用频谱。
表2.4 Ka频段的总可用频谱
表2.5提供了HDFSS应用的部分Ka频段频谱。
表2.5 HDFSS应用的部分Ka频段频谱
续表
2）馈电频谱
Ka频段HTS系统（例如，Ka-Sat和Viasat1在用户链路和馈电链路都使用了Ka频段），针对馈电链路，Ka-Sat和Viasat1采用了不同的方案。
其中，Viasat1系统将信关站建设在用户波束覆盖区域之外，通过空间分割实现用户波束和信关站馈电波束的正交性，进而通过频率复用使用户波束和信关站馈电波束均可使用Ka频段全频段频谱。
Ka-Sat系统将信关站建设在用户波束覆盖区域之内，用户波束和信关站馈电波束共享Ka频段频谱，通过频谱分割实现两者的正交性，此种方案系统容量较低。
第三种解决方案是信关站馈电波束采用Ka频段之外的频段，而可用于卫星馈电波束的频谱有Q/V频段和W频段。
表2.6总结了ITU对Q/V频段频谱中与下行链路相关的频率分配情况。
表2.6 ITU对Q/V频段的频率分配（下行链路）
注：BS（Broadcasting Service，广播业务）；FS：固定业务（地面）；BSS：广播卫星业务；SRS（Space Research Service，空间研究业务）；FSS：固定卫星业务；MS：移动业务（地面）；MSS：移动卫星业务；EESS；地球探测卫星业务；↑：上行链路；↓：下行链路。
表2.7总结了ITU对Q/V频段频谱中与上行链路相关的频率分配情况。
表2.7 ITU对Q/V频段的频率分配（上行链路）
注：ARS（Amateur Service，业余业务）；MS：移动业务（地面）；RAS（Radio Astronomy Service，无线电天文业务）；FS：固定业务（地面）；ARSS（Amateur Satellite Service，业余卫星业务）；MSS：移动卫星业务；FSS：固定卫星业务；↑：上行链路；RNS（Radio Navigation Service，无线电导航业务）；SRS：空间研究业务。
Q/V频段中通常可用于上行链路的频谱有42.5～43.5GHz、47.2～50.2GHz和50.4～51.4GHz三个频段，三个区域在42.5～43.5GHz和50.4～51.4GHz频段的频率分配基本相同。47.2～50.2GHz频段包括区域1的6个连续分段频率的分配，以及区域2和区域3的4个连续分段频率的分配。三个区域在47.2～47.5GHz和47.9～48.2GHz两个频段的分配相同。三个区域在其余的频段（即47.5～47.9GHz、48.20～48.54GHz、48.54～49.44GHz和49.44～50.2GHz）分配相似，主要的区别是在区域2和区域3中，一些频段（如48.2～50.2GHz）仅支持上行应用。
下行频段37.5～42.5GHz由6个连续分段频率的分配组成，其中5个频段是这三个区域所共有的，仅在40.50～41.0GHz频段的分配上略有差异。
表2.8总结了Q/V频段的总可用频谱。
表2.8 Q/V频段的总可用频谱
因此信关站馈电波束的上行链路和下行链路均有5GHz的可用频谱。但从高通量卫星有效载荷设计的角度来看，上行链路被分割成三个部分，使得有效载荷更加复杂，需要额外的设备。而且，上行链路和下行链路在42.5GHz处相邻，意味着上行链路或下行链路全频谱中的一部分需作为保护频带使用。由于上行链路是高通量卫星系统中最关键的环节，因此下行链路会因保护频带的占用而减小可用频谱范围。
表2.9总结了ITU对W频段频谱中与上行链路和下行链路相关的频率分配情况。
表2.9 ITU对W频段的频率分配（上行链路和下行链路）
注：MS：移动业务（地面）；BS：广播业务（地面）；FS：固定业务（地面）；MSS：移动卫星业务；FSS：固定卫星业务；RAS：无线电天文业务；↑：上行链路；↓：下行链路。
三个区域在W频段全频段分配相同。下行链路在71.0～76.0GHz频段之间有两个相邻的分配频段，即71.0～74.0GHz和74.0～76个GHz；上行链路在81.0～86.0GHz频段之间也有两个相邻的分配频段，即81.0～84.0GHz和84.0～86.0GHz。
表2.10总结了W频段的总可用频谱。
表2.10 W频段的总可用频谱
与Q/V频带类似，W频段上行链路和下行链路都有5GHz的可用频谱，在上行链路和下行链路之间有5GHz的保护频带，并且每个5GHz的频谱是相邻的，这将简化有效载荷架构。
传统高通量卫星通信系统基于透明转发卫星构建星状网络拓扑结构，所有终端站的通信链路都指向信关站，通过信关站转发实现终端之间的信息互通。在透明转发的卫星网中，卫星仅对信号进行透明或交链转发，所有协议转换均由地面网络完成。高通量卫星通信系统网络架构如图2.3所示。
图2.3 高通量卫星通信系统网络架构
星状网络架构下，信关站的大天线和高功率支持用户终端（在天线尺寸和发射功率方面）做得更小，从而降低成本，提高链路性能；但所有终端之间的通信必须通过双跳才能完成，增大了链路传输所需的时间。未来在应用灵活载荷后，高通量卫星通信系统将支持网状网络拓扑。
高通量卫星通信系统包含卫星专用协议、适配协议和IP（Internet Protocol，互联网协议）三类协议，其协议架构如图2.4所示。
图2.4 高通量卫星通信系统协议架构
高通量卫星通信协议支持透明转发、再生转发等多类高通量卫星的底层通信协议和通信技术，支持定制专用的SDAF（Satellite Dependent Adaptation Function，依赖于卫星的适配功能），用以完成SI-SAP（Systems Integration Secure Agreement Protocol，系统集成安全协议）接口映射，实现与上层协议的信息交换。高通量卫星通信协议架构将卫星相关技术和独立于卫星技术间的功能分离，实现任何接口协议的无差别服务。
高通量卫星通信系统提供底层无线传输服务、卫星承载服务和标准IP服务，为使服务具有一般化特性，在服务架构中定义独立于卫星服务的SI-SAP接入点，作为层间接口，用以连接卫星承载服务和外部承载服务。高通量卫星通信系统服务架构如图2.5所示。
图2.5 高通量卫星通信系统服务架构
高通量卫星通信的典型应用包含以下几种：
（1）机载应用：包括前舱监控、应急通信、后舱视频点播、电子商务、互联网接入等。
（2）船载应用：包括远洋监控运输、远海互联网接入、海洋应急救援等。
（3）陆地应急应用：包括应急抢险、消防救援、森林防护、防恐维稳等。
（4）与其他通信手段融合应用：包括基站回传、电台中继、自主网传输等。