卫星通信技术的新发展

　　根据国际电信联盟(ITU)1971年世界无线电行政会议(WARC-ST)的规定：以地球大气层外空间飞行体为对象的无线电通信，称之为空间无线电通信(spacetelecommunications)，简称为空间通信(或称为宇宙通信)。空间无线电通信有3种形式：

　　1)地球站与空间站之间的通信;2)空间站之间的通信;通过空间站的转发或反射来进行的地球站相互间的通信(也就是通常所称的卫星通信，卫星就是一种空间站)。实际上，这二者是密切相关的，甚至可以结合为一个大系统，因为地球站与空间站之间以及空间站之间的通信，也常常需要通过通信卫星的转发或中继来进行，并与地面基础设施相联系。故笔者认为，从信息传输的角度看，前二者也是一种广义的卫星通信(美国有关部门和刊物星通信产业发展的评估中，将其宇航局(NASA)的深空通信等也纳入卫星通信的范畴内。

　　20世纪60年代以来，卫星通信迅速发展，在军事和民用领域得到了十分广泛的应用;70〜80年代达到了鼎盛时期。80年代末、90年代以后，由于光纤通信和地面蜂窝移动通信的崛起，传统的国际、国内长途通信和陆地移动通信业务已不再属于卫星通信的主要领地。在接下来的相互竞争、互为补充的发展中，卫星通信扬长避短，重新找到了自己的位置。近几年来，卫星通信在美、欧、日等发达国家实现了产业化和国际化，年收入达900多亿美元，年均增长率高达13%。毫无疑问，在军事应用中，卫星通信仍然是其主要的通信手段，是其他通信手段所不能取代的;在经济、政治和文化领域中，卫星通信不仅有效地补充了其他通信手段的不足或不能(如海事、远程航空的通信等)，而且作为大众传媒(如视频和音频广播)，“最后一公里到户”的接入，防灾、救灾、处理突发事件的应急通信等，均大有作为。此外，近年来深空探测和载人航天活动的频繁活动，极大促进了卫星通信的发展，也是一大亮点。

　　总之，在社会需求牵引和技术发展推动的双重作用下，21世纪的卫星通信正在向一个新的水平攀升，许多新技术或发展动向自然引起人们的关注。本文拟就当前卫星通信技术的若干热点作一些概括和综述，内容涉及宽带卫星通信系统的发展现状与趋势，卫星移动通信业务的系统与技术，空间通信网的构建与技术等，供有兴趣的读者参考。

　　2宽带卫星通信系统的现状及发展趋势

　　2.1宽带卫星通信的基本概念宽带卫星通信是指利用通信卫星作为中继站在地面站之间转发高速率通信业务，是宽带业务需求与现代卫星通信技术相结合的产物，也是当前卫星通信的主要发展方向之一。

　　作为宽带卫星通信系统中继节点的宽带通信卫星(也称多媒体卫星)一般具有较宽的带宽、很高的EIRP(等效全向辐射功率)和G/T(品质因数)值，并且通常具备星上处理和交换能力。利用宽带通信卫星可以向USAT(极小口径终端)提供双向高速因特网接入和多媒体业务。

　　需要说明的是，由于卫星的带宽容量远小于光纤线路，后者的通信容量通常以吉比特每秒来计;而对于卫星通信来说，信道速率达到几十兆比特每秒以上一般就可称为宽带通信。

　　2.2宽带卫星通信系统的发展现状及典型应用

　　追溯卫星通信的发展史，其一出现就进入了宽带应用一模拟电视传送，近些年又应用于数字电视、卫星直播电视等(如美国的DirecTV、Echostar，欧洲Eutelsat的HotBird等)。但其“现代化”则是伴随着IP技术的出现而出现的，尤其是因特网的广泛使用加速了现代宽带卫星通信的发展步伐。从20世纪90年代起，全球陆续提出了许多个宽带卫星通信系统，其中既有采用对地静止轨道(GSO)卫星作为中继节点(如美国的DirectPC和Spaceway)，也有采用非对地静止轨道(NGS0)卫星作为中继节点的(如Teledesic和Skybridge)。文献[1]给出了国际上提出的比较有代表性的宽带卫星通信系统的主要特性并进行了分析。但是由于受到地面光纤通信网迅速发展以及“铱”系统等商业运作失败的影响，这些被提出的系统至今没有一个真正投入应用。

　　由于专门建设一个覆盖全球的宽带卫星通信系统需要很大的投资，市场风险极大，尤其是采用NGSO卫星星座的低轨道宽带卫星通信系统。因此，先发射一颗宽带GSO卫星建立一个区域性宽带卫星通信系统来解决卫星宽带接入问题是一种明智的选择。基于此，泰国的Shin卫星公司(SSA)在2005年正式发射了一颗宽带通信卫星(IPSTAR-1)来提供区域性宽带卫星通信业务。图1给出了IPSTAR-1卫星的波束覆盖图，表1给出了该卫星及系统的主要技术特性[2]。从图1和表1看到，该系统是一个区域性宽带卫星通信系统，能够解决亚太地区用户通过卫星实现宽带接入的问题，当然其商业运作能否成功还有待时间的检验。

　　宽带卫星通信系统的典型应用包括：娱乐(如视频点播、电视分发、交互式游戏、音乐应用、流媒体等)、因特网接入(如高速因特网接入、多媒体应用、远程教学、远程医疗等)、商业(如视频会议、企业对企业的电子商务等)、话音和数据中继(如IP话音、文件传输等)等。

　　有关统计分析指出，全球目前在卫星固定通信的4200多个标准转发器中，视频业务约占62%，数据业务占24%，话音业务下降到14%;而在业务收入方面，视频业务占总收入的70%以上。因此可以认为，卫星视频业务在今后一段时间内仍将是卫星通信的主要应用领域和发展方向，卫星宽带通信尚处在发展的培育期。

　　2.3宽带卫星通信系统需解决的主要技术问题[3~7]

　　卫星通信内在的大覆盖范围、以广播和组播模式工作的特性，使得它们能够提供高速因特网连接和多媒体远距离传输。但要发挥这些优势，除了人们所熟知的采用大型星载可展开式天线和多波束相控阵天线、增大卫星功率和带宽、使用更高效的星上电源系统、采用更先进的高效调制和编码技术等常规措施外，还有下列一些技术问题需要解决：

　　1)宽带卫星通信系统空中接口的标准化为了推广应用、降低成本，采用标准接口是发展趋势。目前美国电信工业协会(TIA)和欧洲电信标准学会(ETSI)分别对此规定了几个标准的接口，表2给出了其中3个空中接口标准主要技术特性的比较。

　　2)星上处理及交换技术

　　为满足用户对传输时延、终端小型化、误码率等方面的要求，宽带通信卫星采用星上处理和交换技术是一种比较好的解决办法。传统的通信卫星一般采用弯管式转发器，卫星只是完成变频、放大等基本功能，对信号不进行任何处理。为实现波束间交换，可采用载波处理转发器，卫星是以信号载波为单位在射频或中频上对信号进行交换，但对信息内容不进行处理。最适合宽带卫星通信业务的是全处理转发器，卫星不仅需要完成信号的解调、译码，还需要一定的信令处理和路由选择能力，能实现信息的星上交换(比如星载ATM交换机)。

　　3)卫星IP(IPoS)技术

　　由于卫星信道具有较大的并且可能是可变的分组往返时延(RTT)、大的时延带宽积、前/反向信道不对称使用、较高的信道误码率及信号衰落等。把为地面网络设计的TCP/IP直接应用于卫星通信会导致其工作效率低下，需采取一些措施予以解决，比如，在协议上进行改进或对链路进行分段，文献[7]对此给予了详细描述，并给出了许多试验结果。

　　4)服务质量(QoS)

　　保证用户得到所需要的QoS是宽带卫星通信业务成功的关键，包括以下几个方面：

　　时延：把分组从发送方传输到接收方所需的时间;

　　时延抖动：端一端传输时延的变化程度;吞吐量：2个端点之间能够维持的最大数据传输速率;

　　丢包率：未成功传输分组数与总传输分组数的比例;

　　可靠性：网络可用度的百分比，主要决定如降雨和大气这样的环境参数。

　　5降雨损耗

　　目前，宽带卫星通信系统主要采用Ka、Ku频段以获得较宽的可用带宽和较小的地面站天线口径，但这些频带的电波传播特性受降雨衰耗的影响较大。根据实验和实际应用的结果，采用上行链路功率控制(UPC)和自适应编码调制可以基本解决这个问题。比如NASA的ACTS卫星采用了RS码和卷积码级联，晴朗天气情况下，其误比特率可达到10—12,有雨衰的情况下，至少99%的时间可以达到。

　　3卫星移动通信系统的发展现状及关键技术

　　3.1卫星移动通信的基本概念

　　卫星移动通信是指利用通信卫星作中继站实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间相互通信的一种通信方式。它是传统的卫星固定通信与地面移动通信交叉结合的产物。从表现形式来看，它既是一个提供移动业务的卫星通信系统，又是一个采用卫星作中继站的移动通信系统，所利用的卫星既可以是GSO卫星，也可以是NGSO卫星，如中等高度地球轨道(MEO)、低高度地球轨道(LEO)和高椭圆轨道(HEO)卫星等。

　　虽然世界上地面通信网络已趋于完善，但受地理条件和经济因素的限制，地面蜂窝系统不可能达到全球无缝覆盖。以我国为例，在偏远地区，地面网络的广泛覆盖仍然遥遥无期;在沿海岛屿众多的地方，建设地面网络非常困难;在发达地区的某些偏远地方同样没有地面蜂窝网的覆盖;野外勘探，飞机，远洋运输船只，远离城市的旅游探险者，以及紧急搜索、救援人员等都需要一种不受地域、天气限制的移动通信手段;西部地区疆域广阔，但多为荒漠和戈壁，人烟稀少，卫星移动通信将显示出独具的优势;尤其是发生重大毁灭性自然灾害的地区，地面网络多数会遭到破坏，而卫星移动通信可能是惟一幸存的通信手段。所以，卫星移动通信是一种大有可为的通信方式，具有广阔的应用前景。

　　需要指出的是，卫星移动通信系统是作为地面蜂窝系统的补充而存在的，主要用于满足低业务密度的应用环境。卫星波束如同能覆盖许多个不同类型蜂窝小区的“伞”，可用来覆盖相邻地面蜂窝网之间的缝隙、地面蜂窝网不能覆盖的区域、为暂时过载的小区提供补充通信业务等。

　　3.2国内外发展概况

　　至今我国尚无自建的民用卫星移动通信系统，国际上目前可以使用的卫星移动通信系统主要包括：

　　1)对地静止轨道(GS0)卫星移动通信系统

　　提供全球覆盖的卫星移动通信系统有国际海事卫星(Inmarsat)系统;提供区域覆盖的卫星移动通信系统有北美移动卫星(MSAT)系统、亚洲蜂窝卫星(ACeS)系统、瑟拉亚卫星(Thuraya)系统;提供国内覆盖的卫星移动通信系统有日本卫星(N-STAR)系统和澳大利亚卫星(Optus)系统等。其中波束覆盖我国的系统有Inmarsat和ACeS。

　　国际海事卫星(Inmarsat)系统是由国际海事组织经营的全球卫星移动通信系统。自1982年开始经营以来，全球使用该系统的国家已超过160个，用户从初期的900多个海上用户已发展到今天包括陆地和航空在内的29万多个用户。为了满足不断增长业务的需要，已开始发射第四代海事卫星。第四代卫星为1个全球波束、19个宽波束和228个点波束。提供用户终端的卫星等效全向辐射功率强度为67dBW(点波束)，其IP业务最高速率可达432kbit/s，可应用于互联网、移动多媒体、电视会议等多种业务。

　　2)非静止轨道(NGSO)卫星移动通信系统

　　提出的方案很多，真正发射组网进行运营的只有3个：铱(Iridium)、全球星(Globalstar)和轨道通信(Orbcomm)系统。铱系统是由美国Motorola公司提出的世界上第一个低轨道全球卫星移动通信系统，其基本目标是向携带有手持式移动电话的铱用户提供全球个人通信能力。铱系统卫星星座由66颗低轨道卫星组成，轨道高度780km。铱卫星采用星上处理和交换技术、多波束天线、星际链路等新技术，提供话音、数据、传真和寻呼等业务，用户终端有单模手机、双模手机和寻呼机。耗资59亿美元开发的铱系统于1998年11月开始商业运营，1999年8月13日申请破产保护。2000年12月新铱星公司成立，用2100万美元购买了投资近50亿美元的铱星公司，2001年3月重新开始提供全球通信服务。目前有超过12万用户，并且以每月新增2000〜3000个用户的速度在增长，在2003年上半年实现收支平衡。在1997年5月到2002年6月期间共发射了95颗卫星，其中11颗失效，4颗陨落，66颗工作，14颗在轨备份，能够连续工作到2014年而无需发送额外的卫星。