未來通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢

劉振華

摘 要 衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)已進入高速發(fā)展時期，根據(jù)國內(nèi)外新一代衛(wèi)星和衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展可知，未來通信衛(wèi)星將具有高頻段、高帶寬、高增益、星上處理和星上交換等特點，而發(fā)展下一代通信衛(wèi)星的關(guān)鍵提升星上數(shù)字處理能力和TR組件技術(shù)。

關(guān)鍵詞 高頻段；高帶寬；星上處理

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0003-01

近十年通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，寬帶多媒體衛(wèi)星通信已從實驗階段轉(zhuǎn)為商用階段[1]。微波和數(shù)字新技術(shù)的產(chǎn)生推動了衛(wèi)星通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。衛(wèi)星通信的發(fā)展目標是與地面互聯(lián)網(wǎng)的無縫融合，為用戶提供寬帶網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。衛(wèi)星逐漸演變?yōu)樘章酚善鱗3]。目前Ka-Sat衛(wèi)星通過與歐洲骨干網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，可以為家庭及車載終端提供寬帶網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，邁出接入互聯(lián)網(wǎng)的第一步。而衛(wèi)星由于其通信距離以及工作環(huán)境的限制，離真正的路由還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。下面將分析未來通信衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展趨勢和存在問題。

1 通信衛(wèi)星發(fā)展的幾大趨勢及問題

1）高頻段。近年隨著毫米波器件的成熟，通信衛(wèi)星的工作頻段已全面進入Ka時代[4]，未來將向更高頻段發(fā)展，新一代的通信衛(wèi)星大多帶有Ka轉(zhuǎn)發(fā)器，2011年歐洲發(fā)射的Ka-Sat是全球第一顆全Ka轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星，它標志著Ka轉(zhuǎn)發(fā)器正式成為通信衛(wèi)星的主要載荷。目前L、C、S波段已非常擁擠頻段且容量有限，隨著毫米波TR組件的發(fā)展，通信衛(wèi)星必然向Ka頻段和更高的V（美國AEHF）頻段發(fā)展。高頻載波的信息容量更大，能夠提供更高的帶寬，并且能夠?qū)崿F(xiàn)終端小型化，WINDS衛(wèi)星終端采用45cm（HPA 1W）天線完成155Mbps信息速率的傳輸。

2）高帶寬。隨著地面網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，視頻、圖片、大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已成為通信業(yè)務(wù)的主流，下一代衛(wèi)星需要與地面網(wǎng)絡(luò)對接，因此新一代衛(wèi)星載荷也朝著寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展，新一代衛(wèi)星如SpaceWay3、WINDS[2]、Ka-Sat、Via-Sat均提供Mbps甚至Gbps量級的傳輸速率。

3）高增益點波束。不同于傳統(tǒng)的廣播衛(wèi)星，目前所有通信衛(wèi)星全都采用多波束技術(shù)，通過空分復(fù)用增大通信容量，提高頻譜資源的利用率。復(fù)用率取決于波束數(shù)量和波束寬度，因此高增益窄波束是未來通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢。高增益天線可以提高衛(wèi)星G/T值，簡化了地面終端設(shè)備，使其小型化。而通信終端的體積一直是限制其使用范圍的關(guān)鍵因素。

4）GEO和LEO相結(jié)合。GEO衛(wèi)星覆蓋范圍較廣，3-4顆衛(wèi)星可以覆蓋全球，但GEO衛(wèi)星通信延遲較大，傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星延遲超過0.5 ms，用于網(wǎng)絡(luò)接入時，無法適應(yīng)用戶需求。GEO衛(wèi)星由于入射角的原因，容易被城市建筑或山體遮擋，如汶川地震時僅有銥星系統(tǒng)能夠全天候使用。LEO衛(wèi)星通信延遲小，與地面的蜂窩通信相近，同一地區(qū)可同時被3顆星覆蓋，可避免信號被遮擋，如汶川地震時僅有銥星系統(tǒng)能夠全天候使用。但LEO衛(wèi)星覆蓋范圍小，需要幾十顆才能覆蓋全球，遠距離通信通過星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，星間鏈路復(fù)雜度高，Globalstar星座為節(jié)約成本而沒有設(shè)計星間鏈路。未來衛(wèi)星通信將采用GEO和LEO相結(jié)合的形式，LEO衛(wèi)星負責(zé)提供用戶接入服務(wù)，LEO星座通過少量GEO衛(wèi)星組網(wǎng)，降低星間組網(wǎng)的復(fù)雜度和傳輸延遲，目前有美國的GPS采用這種模式。

5）星上再生處理和IP交換。星上再生處理技術(shù)可以實現(xiàn)用戶間一跳通信，降低通信延遲，可隔離上下行的干擾，消除上行鏈路噪聲，提高星地鏈路約3dB信噪比。再生處理還可以簡化星上轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計，降低星上載荷功耗和重量。通過識別用戶報文中的地址信息，可以實現(xiàn)不同波束之間的用戶交換。再生處理的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)IP交換，能夠?qū)⑿l(wèi)星直接接入辦公室和家庭網(wǎng)絡(luò)中，極大地擴展了衛(wèi)星通信的市場領(lǐng)域，因此，西方國家的政府和衛(wèi)星制造與經(jīng)營者都極為重視它的發(fā)展。近年歐美新生的衛(wèi)星中，幾乎都采用了星上處理技術(shù)。

6）星間鏈路。星上處理和交換技術(shù)的廣泛使用將弱化地面站的作用，遠距離的轉(zhuǎn)發(fā)將過星間鏈路傳輸，星間鏈路將采用V波段、W波段和激光傳輸，傳輸帶寬達到GB量級。目前美國的軍用和民用衛(wèi)星大多具有星間傳輸功能。

2 存在的問題

雖然全球已有少量的寬帶多媒體通信衛(wèi)星，但仍沒有真正接入寬帶網(wǎng)絡(luò)。我國在寬帶多媒體通信衛(wèi)星技術(shù)上起步較晚，與歐美有很大差距。通信衛(wèi)星演變成太空路由器還需要攻克以下幾種技術(shù)。

1）星上數(shù)字處理技術(shù)。星上處理能夠提高信噪比、簡化星上轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計、提高衛(wèi)星業(yè)務(wù)能力和靈活性。星上再生轉(zhuǎn)發(fā)需要經(jīng)過信號采樣、信道化、解調(diào)、交換、調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換等需要大量的數(shù)字處理資源，而專用集成電路的計算資源有限，限制了星上數(shù)字處理的能力。同時，數(shù)字器件在星上受太陽輻照、單粒子效應(yīng)等影響，穩(wěn)定性和可靠性較差，大量復(fù)雜的數(shù)字電路在軌可靠性無法保證。數(shù)字器件的功耗較大，由此還會帶來的散熱問題。因此，要提升星上處理能力首要提高星上數(shù)字器件的性能和可靠性。

2）高頻段TR組件技術(shù)。隨著頻率的提高，衛(wèi)星發(fā)射組件的有效功率較低，既造成功率的浪費，也給散熱設(shè)計帶來很大困難。衛(wèi)星平臺的功率在短期不會有較大提升，而目前收發(fā)組件的效率小于30%，限制了通信衛(wèi)星的發(fā)射功率和傳輸容量。通過改進發(fā)射效率，可以實現(xiàn)地面終端小型化，為衛(wèi)星通信產(chǎn)品市場化奠定基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

本文結(jié)合未來衛(wèi)星的發(fā)展需求和國內(nèi)外衛(wèi)星發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了下一代通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢和技術(shù)特點，未來衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)融合是必然趨勢，而地面數(shù)技術(shù)的發(fā)展也將影響并引導(dǎo)衛(wèi)星通信的發(fā)展。高頻段保證無線傳輸?shù)娜萘浚咴鲆嬉约案叩蛙壜?lián)合組網(wǎng)為接入地面寬帶網(wǎng)絡(luò)提供聯(lián)通基礎(chǔ)，星上處理和交換技術(shù)提供用戶間組網(wǎng)通信服務(wù)，為對接地面網(wǎng)絡(luò)提供足夠的靈活性和處理能力，而該技術(shù)是衛(wèi)星通信技術(shù)難點。

參考文獻

[1]John Farserotu，A Survey of Future Broadband Multimedia Satellite Systems， Issues and Trends，IEEE Communications Magazine · June 2000.

[2]Tsuyoshi Maeda，Tsunehiko Araki，Yasuo Nakamura，WINDS Satellite On-Board Process，25th AIAA.

[3]王琦，王毅凡.Ka波段通信衛(wèi)星發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J].衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，2011（03）.

[4]寬帶多媒體衛(wèi)星通信系列講座之一寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].DIGTCW技術(shù)講座，2009（01）.endprint