衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望

易克初，李怡，孫晨華，南春國(guó)

（1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北 石家莊050081)

1 引言

自1965年美國(guó)發(fā)射第一顆商用通信衛(wèi)星以來(lái)，衛(wèi)星通信技術(shù)及其應(yīng)用取得了令人矚目的巨大成就。它實(shí)現(xiàn)了覆蓋全球豐富多彩的通信服務(wù)，不僅在軍事中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，也對(duì)人類的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了巨大影響。與微波中繼通信及其他通信方式相比，衛(wèi)星通信主要具有以下特點(diǎn)[1,2]。

1) 通信覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)：地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星距地面高度35 860 km，只需一個(gè)衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)，就能實(shí)現(xiàn)1萬(wàn)多公里的遠(yuǎn)距離通信；每一顆衛(wèi)星可覆蓋全球表面的 42.4%，用 3顆 GEO衛(wèi)星就可以覆蓋除兩極緯度 76°以上地區(qū)以外的全球表面及臨地空間；如圖1所示。

2) 可將其廣播性與各種多址連接技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成龐大的通信網(wǎng)：在一顆衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，不必依賴顯式的交換，只需利用衛(wèi)星中繼傳輸和多址/復(fù)用技術(shù)就能構(gòu)成擁有許多地面用戶的大型通信網(wǎng)。

圖1 GEO衛(wèi)星覆蓋示意

3) 機(jī)動(dòng)靈活：衛(wèi)星通信的建立不受地理?xiàng)l件的限制，無(wú)論是大城市還是邊遠(yuǎn)山區(qū)、島嶼，隨地可建；通信終端也可由飛機(jī)、汽車、艦船搭載，甚至個(gè)人隨身攜帶；建站迅速，組網(wǎng)靈活。

4) 通信頻帶寬、通信容量大：衛(wèi)星通信信道處于微波頻率范圍，頻率資源相當(dāng)豐富，并可不斷發(fā)展。

5) 信道質(zhì)量好、傳輸性能穩(wěn)定：衛(wèi)星通信鏈路一般都是自由空間傳播的視距通信，傳輸損耗很穩(wěn)定而可準(zhǔn)確預(yù)算，多徑效應(yīng)一般都可忽略不計(jì)，除非是采用很低增益天線的移動(dòng)通信或個(gè)人通信終端。

6) 通信設(shè)備的成本不隨通信距離增加而增加，因而特別適于遠(yuǎn)距離以及人類活動(dòng)稀少地區(qū)的通信。

衛(wèi)星通信也存在一些缺點(diǎn)和一些應(yīng)該而且可以逐步改進(jìn)的方面，這主要有以下幾點(diǎn)。

1) 衛(wèi)星發(fā)射和星上通信載荷的成本高：星上元器件必須采用抗強(qiáng)輻射的宇航級(jí)器件，而且LEO、GEO衛(wèi)星的壽命一般分別只有8年、15年左右。

2) 衛(wèi)星鏈路傳輸衰減很大：這就要求地面和星上的通信設(shè)備具有大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)和高增益天線。

3) 衛(wèi)星鏈路傳輸時(shí)延大：GEO衛(wèi)星與地面之間往返傳輸時(shí)間為239～278 ms；在基于中心站的星形網(wǎng)系統(tǒng)中，小站之間進(jìn)行話音通信必須經(jīng)雙跳鏈路，那么傳輸時(shí)延達(dá)到0.5 s，對(duì)話過(guò)程就會(huì)感到不順暢，而且如果沒(méi)有良好的回音抑制措施，就會(huì)因二-四線制轉(zhuǎn)換引起的回波干擾而使話音質(zhì)量顯著下降。

基于衛(wèi)星通信的特點(diǎn)及其重要作用，本文將從衛(wèi)星通信的可用頻率資源、衛(wèi)星平臺(tái)、主要關(guān)鍵技術(shù)、典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面進(jìn)行介紹，綜述發(fā)展現(xiàn)狀，展望發(fā)展前景。

2 通信衛(wèi)星平臺(tái)與信道資源的發(fā)展

2.1 衛(wèi)星通信的頻率資源

早期GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器主要是C和Ku頻段，各有500 MHz帶寬，其上行分別位于6 GHz、14 GHz附近，下行分別位于4 GHz、12 GHz附近；每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬有33 MHz、36 MHz、54 MHz等；Ku后來(lái)擴(kuò)展到800 MHz。

最近十幾年Ka頻段2 GHz帶寬得到了廣泛應(yīng)用，上行、下行分別位于20 GHz、30 GHz附近。此外還有UHF、L和S頻段各有15～30 MHz的帶寬可用于衛(wèi)星移動(dòng)通信，分別位于0.4 GHz、1.6 GHz、2 GHz左右。目前，正在開發(fā)40～60 GHz的EHF頻段[3]。各頻段的可用頻帶不一定連成一片，具體的頻帶劃分參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。采用天線正交極化、多波束衛(wèi)星天線、低軌道衛(wèi)星群等技術(shù)，可使上述頻率重復(fù)使用許多次，可用頻率資源擴(kuò)大許多倍。此外采用空間激光通信技術(shù)擴(kuò)展信道資源，特別是星際激光通信鏈路，其容量可與光纖通信相比擬，而抗干擾抗截獲能力更強(qiáng)。

2.2 通信衛(wèi)星平臺(tái)的發(fā)展

衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)是推動(dòng)衛(wèi)星通信應(yīng)用和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。目前，世界上最大的通信衛(wèi)星平臺(tái)重達(dá)7噸、太陽(yáng)能電池功率達(dá)30 kW，例如美國(guó)Loral公司LS20.20衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射質(zhì)量5～7噸，電源功率17～30 kW，可支持150個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，2012年發(fā)射SES-4衛(wèi)星所用該公司LS-1300平臺(tái)，功率達(dá)20 kW。

我國(guó)自主研制的最大平臺(tái)是東方紅4號(hào)平臺(tái)，重5 150 kg、太陽(yáng)能電池功率為10.5 kW，處于實(shí)驗(yàn)階段的東5平臺(tái)規(guī)模更大，但與當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平仍存在差距。目前我國(guó)可用通信廣播衛(wèi)星如表1所示。

表1 通信廣播衛(wèi)星

3 衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀與前景

3.1 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

衛(wèi)星通信中最常用的調(diào)制方式是 QPSK、OQPSK 和π/4DQPSK等，近年來(lái)，高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笈c轉(zhuǎn)發(fā)器資源緊缺推動(dòng)了8PSK、16APSK、16QAM等高階調(diào)制方式的研究與應(yīng)用。其中APSK調(diào)制因其星座中所含幅度和相位信息是變量可分離的，可以采用簡(jiǎn)單的預(yù)失真法進(jìn)行幅度非線性矯正而不影響相位特性，使之在透明轉(zhuǎn)發(fā)這種高階調(diào)制信號(hào)時(shí)的功率效率不明顯降低[5,6]。因此，APSK調(diào)制在衛(wèi)星電視廣播中得到應(yīng)用，在衛(wèi)星寬帶移動(dòng)通信中也有很好的應(yīng)用前景。

格形編碼調(diào)制(TCM, trellis coding modulation)在原理上是一種很好的體制[5]；它將信道編碼與調(diào)制融合在一起，因而幾乎不付出頻帶效率和功率效率降低的代價(jià)，就能獲得5 dB左右的編碼增益。TCM調(diào)制用于衛(wèi)星通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)早已經(jīng)形成，但因其譯碼復(fù)雜度較高，而且不大便于再級(jí)聯(lián)外碼以進(jìn)一步降低誤碼率[7,8]，因此應(yīng)用并不廣泛。

遙感數(shù)據(jù)傳輸和大容量寬帶衛(wèi)星通信中對(duì)于高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)有迫切需求，目前我國(guó)基于FPGA并行實(shí)現(xiàn)的高速調(diào)制解調(diào)已達(dá)到1.5 Gbit/s，已接近國(guó)際先進(jìn)水平[9]。這個(gè)速率基本上能滿足通信衛(wèi)星饋送鏈路高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)作為一種多載波調(diào)制方式，由于其抗多徑衰落能力強(qiáng)而在地面蜂窩網(wǎng)第四代(4G)、第五代(5G)移動(dòng)通信中成為不可或缺的技術(shù)[10]，因此人們一直想將其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星移動(dòng)通信中。值得注意的是，OFDM本來(lái)是不大適于衛(wèi)星下行鏈路這種功率嚴(yán)重受限的場(chǎng)合，因?yàn)槠浞迤焦β时?PAPR)高，在功放非線性條件下容易產(chǎn)生多載波互調(diào)干擾而使鏈路特性變差。雖已研究出多種方法來(lái)克服這個(gè)缺點(diǎn)，但沒(méi)有一種辦法是不需付出巨大代價(jià)就能完全解決這個(gè)問(wèn)題的[11,12]，不是頻帶效率顯著降低，就是計(jì)算復(fù)雜度很高。

但是，確有一些衛(wèi)星通信或廣播系統(tǒng)的下行鏈路采用了OFDM體制。IPSTAR-I在60 MHz帶寬下行鏈路中采用層疊在OFDM上的TDM技術(shù)[13]，其目的是為了擴(kuò)大復(fù)接信號(hào)的路數(shù)，而非抗多徑衰落；因?yàn)槠銴u頻段小站天線口徑為0.75～1.8 m，波束主瓣只有1o～2.3o，周圍環(huán)境的反射波很難進(jìn)入天線主瓣，因而多徑效應(yīng)可忽略不計(jì)。我們應(yīng)當(dāng)看到如此應(yīng)用OFDM技術(shù)，會(huì)使其鏈路信噪比產(chǎn)生明顯損失。

對(duì)于基于多波束天線的GEO或LEO衛(wèi)星寬帶移動(dòng)通信或廣播系統(tǒng)而言，因其多徑衰落非常嚴(yán)重，目前下行鏈路不得不采用OFDM體制。其移動(dòng)式終端的天線增益很低，例如，L或S頻段天線的增益一般只有2～3dB，這種半球波束天線可接收到的多徑信號(hào)分量多，多徑衰落非常嚴(yán)重，采用OFDM技術(shù)有其合理性。事實(shí)上在衛(wèi)星與地面基站相結(jié)合的移動(dòng)數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中已成功應(yīng)用OFDM[14]，并已形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15,16]。

然而衛(wèi)星下行鏈路功率受限問(wèn)題遠(yuǎn)比地面移動(dòng)通信基站嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)多波束衛(wèi)星天線的功放非線性問(wèn)題更加嚴(yán)重。加之OFDM系統(tǒng)抗多徑衰落效益的發(fā)揮有賴于信道信息反饋，而衛(wèi)星鏈路時(shí)延大，不能及時(shí)利用信道信息反饋對(duì)各子信道的信息速率和發(fā)射功率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整?？傊?，衛(wèi)星下行鏈路采用 OFDM 體制只是當(dāng)前的無(wú)奈之舉，而非理想的選擇，我們很有必要探索出一種新的傳輸方式來(lái)取代它，因?yàn)槠渲屑s有30%左右的頻帶效率和10 dB左右的鏈路信噪比增益的潛力是有可能挖掘出來(lái)的。

3.2 糾錯(cuò)編碼技術(shù)

各種通信業(yè)務(wù)信息傳輸?shù)恼`比特率(BER, bit error rate)都有最高限度要求，例如：聲碼話 BER為10-3，視頻通信BER為10-4，一般數(shù)據(jù)通信BER為 10-6或 10-7，無(wú)特殊措施的 ATM(asyschronious transfer mode)或IP(Internet protocol)數(shù)據(jù)傳輸BER為10-10，深空通信中某些數(shù)據(jù)傳輸BER為10-14。當(dāng)然一般系統(tǒng)不會(huì)設(shè)計(jì)為在傳輸和解調(diào)后所得數(shù)據(jù)的 BER就能達(dá)到上述要求，因?yàn)檫@需要很高的鏈路信噪比，嚴(yán)重浪費(fèi)發(fā)射功率。而采用糾錯(cuò)編碼(即信道編碼)技術(shù)與調(diào)制相結(jié)合，只需付出很小的頻帶效率代價(jià)就能使 BER降低若干個(gè)數(shù)量級(jí)。相應(yīng)地達(dá)到指定 BER要求的鏈路信噪比就可降低幾dB，甚至十幾dB，也就是可獲得相應(yīng)的編碼增益[6]。

在衛(wèi)星通信的前期發(fā)展中，使用最為廣泛的信道編碼是由卷積碼作為內(nèi)碼、RS碼作為外碼的串行級(jí)聯(lián)碼。這是因?yàn)榫矸e碼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、譯碼門限較低，而RS碼的譯碼復(fù)雜度低，在輸入信息誤碼率較高時(shí)能獲得較高的編碼增益，例如，3/4卷積碼與RS編碼級(jí)聯(lián)情況下在達(dá)到BER=10-7時(shí)可獲得5.2 dB編碼增益。

并行級(jí)聯(lián)形式的Turbo碼[17]和低密度奇偶效驗(yàn)碼(LDPC)[18]是目前2種最先進(jìn)的信道編碼算法，自90年代發(fā)展起來(lái)并推廣應(yīng)用之后，很快在地面移動(dòng)通信等場(chǎng)合得到了很好應(yīng)用。兩者均有2個(gè)突出特點(diǎn)：一是都結(jié)合了比特交織技術(shù)，能有效地糾正突發(fā)錯(cuò)誤，而多徑衰落信道等場(chǎng)合正是容易出現(xiàn)突發(fā)性錯(cuò)誤；其二是它們的譯碼門限比卷積碼更低，而且能在較高的碼率下獲得較大的編碼增益。這就是說(shuō)，它們能使整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性以較高的頻帶效率和功率效率逼近香農(nóng)容量限。例如，對(duì)于QPSK調(diào)制采用碼率為0.793的Turbo碼在BER達(dá)到10-7時(shí)，比采用 RS、卷積碼串行級(jí)聯(lián)碼的編碼增益高1.6 dB。IPSTAR-1系統(tǒng)的前向鏈路采用Turbo碼[13]、Inmarsat系統(tǒng)也將Turbo碼作為高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心技術(shù)[1,19]。

與Turbo碼相比，LDPC碼具有編解碼簡(jiǎn)單、碼長(zhǎng)可以較短、編譯碼效果更易逼近香農(nóng)限，因而已成為當(dāng)前衛(wèi)星通信中信道編碼的首選，特別是寬帶移動(dòng)通信。例如，對(duì)于BPSK調(diào)制采用1/2碼率、107塊長(zhǎng)的LDPC碼在BER達(dá)到10-6時(shí)所需Eb/N0值為0.04 dB，已非常逼近頻帶效率為1 bit/s/Hz時(shí)的香農(nóng)限0 dB[20]。目前，已用FPGA實(shí)現(xiàn)的LDPC編譯碼器，最高信息速率可達(dá)到10 Gbit/s[21,22]，可滿足高速調(diào)制解調(diào)的需求。

對(duì)于大尺度衰落信道，例如，存在降雨衰落情況下的 Ka頻段信道，采用自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM,adaptive coding modulation)可使信道傳輸效率最大化[23,24]。發(fā)送端在保持發(fā)送的符號(hào)速率和功率不變的情況下，根據(jù)接收方反饋回來(lái)的Eb/N0估值，自動(dòng)選擇最佳的調(diào)制方式和編碼碼率進(jìn)行發(fā)送，可以高效地將鏈路余量，例如，Ka頻段的雨衰余量，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳輸吞吐量，同時(shí)也可避免了偶然出現(xiàn)的干擾對(duì)鏈路造成的絕對(duì)中斷。目前市場(chǎng)上已有支持ACM功能的產(chǎn)品。

3.3 擴(kuò)頻通信技術(shù)

衛(wèi)星通信信道開放性的特點(diǎn)帶來(lái)的隱蔽性差、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，可采用擴(kuò)頻技術(shù)克服，因此擴(kuò)頻通信主要用于隱蔽通信和抗干擾軍事通信。

擴(kuò)頻主要有直接序列擴(kuò)頻(DSSS，direct sequence spectrum spreading)、跳變頻率(FH, frequency hopping)、跳變時(shí)間和線性調(diào)頻等 4種基本工作方式。這里主要介紹DSSS和FH。

DSSS系統(tǒng)中每個(gè)符號(hào)用一個(gè)長(zhǎng)度為N的偽隨機(jī)序列表示，可使其信號(hào)的頻帶擴(kuò)展N倍，接收端采用同樣的序列進(jìn)行相關(guān)接收解擴(kuò)，因而可使解擴(kuò)之后的信噪比提高到解擴(kuò)之前的N倍，即可獲得N倍的解擴(kuò)處理增益。N可以很大，例如，GPS中P碼信號(hào)的擴(kuò)頻倍數(shù)N=204 600，即具有53 dB的處理增益。因此它可以在接收信號(hào)信干噪比很低的條件下進(jìn)行通信，可使通信信號(hào)具有很強(qiáng)的隱蔽性，并使系統(tǒng)具有很高的干擾容限，例如，允許信干比達(dá)50 dB。如果在接收端解擴(kuò)之前配合某種自適應(yīng)信號(hào)處理算法，例如，自適應(yīng)陷波、幅度非線性處理或自適應(yīng)空間陷波等，還可使系統(tǒng)的干擾容限再提升30～40dB[6,25]。

基于DSSS利用GEO衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器可構(gòu)成隱蔽性很強(qiáng)的重疊通信系統(tǒng)[26]，將功率譜密度極低的DSSS信號(hào)重疊在其他正在進(jìn)行通信的強(qiáng)信號(hào)之上進(jìn)行較低比特率的通信，則信號(hào)具有高度的隱蔽性。

跳頻(FH)通信中，發(fā)送端將調(diào)制信號(hào)的載波頻率在很寬的頻率范圍中按照某種秘密約定的跳頻圖案進(jìn)行跳變，接收端采用同樣跳變的本地振蕩進(jìn)行正交下變頻，變回為零中頻信號(hào)再進(jìn)行基帶解調(diào)、符號(hào)判決和譯碼。因此FH比DSSS更容易將信號(hào)頻譜擴(kuò)展到更寬的頻率范圍，可獲得更高的處理增益。只要跳頻范圍足夠?qū)?、跳速足夠快，再配合衛(wèi)星多波束天線技術(shù)從空間躲避可能的干擾，通信的安全性就有充分的保障。我國(guó)已實(shí)現(xiàn)的FH系統(tǒng)跳頻范圍可達(dá)2 GHz，跳速達(dá)上萬(wàn)跳/秒[27]，接近國(guó)際先進(jìn)水平。

總之，目前衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)已比較成熟，在軍事通信中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)然，通信對(duì)抗雙方?jīng)]有絕對(duì)的贏家，只是在一定的條件下有一方取勝。

3.4 陣列天線技術(shù)與衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)技術(shù)

1) 陣列天線技術(shù)

由于衛(wèi)星鏈路傳播衰減很大，例如，GEO衛(wèi)星C、Ku、Ka頻段鏈路的衰減都在200 dB左右，需要采用高增益天線，因而天線的尺寸和成本往往成為推廣應(yīng)用的重要障礙。早期是采用 VSAT(very small aperture terminal)技術(shù)來(lái)緩解這個(gè)問(wèn)題，即由一個(gè)大型中心站與大量的小口徑天線終端站一起構(gòu)成一個(gè)星形網(wǎng)。利用中心站天線增益很高、EIRP(equivalent isotropic radiated power)值很大的優(yōu)勢(shì)，來(lái)彌補(bǔ)小站因天線口徑小、增益低而使鏈路預(yù)算不足的弱點(diǎn)。后來(lái)通過(guò)開發(fā)更高頻段的轉(zhuǎn)發(fā)器、增大轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率以及采用多波束衛(wèi)星天線技術(shù)提高星上轉(zhuǎn)發(fā)器的接收靈敏度和EIRP，更加有效地實(shí)現(xiàn)了終端的小型化，天線的尺寸和成本似乎不再是明顯的障礙，VSAT的概念也逐漸淡化了。但目前基于GEO衛(wèi)星Ku頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器的寬帶移動(dòng)通信，其“動(dòng)中通”天線的成本仍然很高，相當(dāng)于通信終端其余部分總成本的 6～10倍。這種天線通常都是采用線陣形式多個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)水平方向跟蹤，而采用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)垂直方向的跟蹤。星上采用陣列天線技術(shù)形成點(diǎn)波束天線或蜂窩狀的多波束天線(MBA, multiple beam antenna)，可大大提高天線的增益，還實(shí)現(xiàn)了頻率多次重復(fù)利用。衛(wèi)星MBA主要有3種實(shí)現(xiàn)方式，即反射面式、透射式和相控陣形式。

反射面MBA由一個(gè)或2個(gè)反射面和幾個(gè)獨(dú)立饋源組成，通過(guò)饋源照射到反射面形成多波束。反射面MBA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而最先得到廣泛應(yīng)用，如Odyssey衛(wèi)星[28]和日本的ETS-VI衛(wèi)星[29]。ETS-VI衛(wèi)星的MBA有2種鏡面，20 GHz的Ka頻段和S頻段共用3.5 m直徑反射鏡，30 GHz的Ka頻段和C頻段共用2.5 m直徑反射鏡，實(shí)現(xiàn)了13個(gè)Ka頻段波束覆蓋日本大地、C頻段單波束覆蓋日本中部和5個(gè)S頻段的波束覆蓋200海里海域。

相控陣MBA由天線陣、饋電網(wǎng)絡(luò)及波束形成控制器等組成，通過(guò)相移網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)陣元的激勵(lì)幅度、相位實(shí)現(xiàn)輻射波束指向的改變。相控陣 MBA具有損耗低、動(dòng)態(tài)掃描角度大的優(yōu)點(diǎn)，便于形成蜂窩狀MBA。

透射式MBA通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輻射陣移相，在覆蓋區(qū)形成相對(duì)固定的波束，波束對(duì)輻射陣不掃描但可校正及微調(diào)，更適于星體體積和質(zhì)量較小場(chǎng)合的應(yīng)用。例如全球星(Globalstar)系統(tǒng)和銥(Iridium)系統(tǒng)[1]中MBA就是采用直接輻射陣列形式、基于模擬射頻移相法形成多波束，不同的是前者使用功分器[30]，后者使用Butler矩陣[31]。

對(duì)于上百個(gè)以上波束的 MBA，不宜采用反射面式的，而后2種MBA中各個(gè)陣元的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PAPR都很高，這是因?yàn)槊總€(gè)陣元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都含有其他許多波束的信號(hào)，所有陣元的信號(hào)通過(guò)空間功率合成而形成 MBA。若各個(gè)波束的發(fā)送信號(hào)又是多載波調(diào)制的或多路頻分復(fù)用的信號(hào)，各陣元信號(hào)的PAPR就會(huì)更高，功率放大器的功率回退引起射頻功率效率降低和功放非線性引起的互調(diào)干擾，將成為嚴(yán)重的問(wèn)題[32]。這正是如前所述OFDM 不大適于衛(wèi)星寬帶移動(dòng)通信下行鏈路觀點(diǎn)的又一個(gè)論據(jù)。

2) 衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)技術(shù)

頻率資源有限是大力發(fā)展衛(wèi)星通信應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。GEO衛(wèi)星采用MBA技術(shù)，不僅能夠大幅度提高衛(wèi)星天線的增益和下行發(fā)射的EIRP值，還可形成許多蜂窩小區(qū)覆蓋地面，實(shí)現(xiàn)頻率資源的多次重復(fù)利用。例如，星上采用7小區(qū)簇結(jié)構(gòu)的140個(gè)蜂窩狀波束的MBA，頻率資源可重復(fù)利用20次，其天線增益可比單波束區(qū)域天線的增益提高 20dB左右。由此可見(jiàn)衛(wèi)星MBA技術(shù)是開發(fā)大容量衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)、增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。目前國(guó)外GEO衛(wèi)星MBA的波束個(gè)數(shù)可達(dá)500個(gè)，而我國(guó)的這一技術(shù)存在較大差距，有可能成為影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素之一。

采用多個(gè)LEO衛(wèi)星構(gòu)成衛(wèi)星群星座，每顆衛(wèi)星都裝備MBA便可形成大量的蜂窩小區(qū)，動(dòng)態(tài)地覆蓋整個(gè)地球表面，可使頻率資源重復(fù)利用更多次。例如，銥星系統(tǒng)66顆衛(wèi)星[1]、每星48個(gè)波束，形成3 168個(gè)蜂窩小區(qū)動(dòng)態(tài)地覆蓋全球表面，其中2 150個(gè)小區(qū)按12個(gè)小區(qū)簇的方式分配頻帶，因此其頻率資源可重復(fù)利用179次。銥星系統(tǒng)的星座如圖2所示。

圖2 銥系統(tǒng)的極地軌道星座

假設(shè)將來(lái)能用4 000顆LEO衛(wèi)星構(gòu)成星座，每顆星裝一幅500波束的MBA，則總共可形成200萬(wàn)個(gè)直徑約20 km的蜂窩小區(qū)覆蓋全球表面。若采用Ka頻段3.5 GHz帶寬以7小區(qū)簇方式分配頻率，則此帶寬可復(fù)用266 667次，總的可用頻率資源達(dá)933 THz，每小區(qū)可用帶寬約500 MHz，其可用頻率資源的地域覆蓋密度可與3G、4G蜂窩網(wǎng)相比擬。不過(guò)這個(gè)假設(shè)不是短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的。

3.5 多址和復(fù)用技術(shù)

所謂多址(multiple access)是指某個(gè)站從它接收到的多路信號(hào)中區(qū)分各路信號(hào)來(lái)自哪個(gè)站點(diǎn)，并根據(jù)需要選擇其中一路或幾路進(jìn)行接收處理；也可以是某一站以某種信道復(fù)用方式廣播地發(fā)送多路信號(hào)，讓其他各站能按需選擇其中一路或幾路信號(hào)進(jìn)行接收處理。所謂復(fù)用即多路復(fù)用(multiplexing)，是指多個(gè)數(shù)據(jù)流的數(shù)字調(diào)制信號(hào)共享一條信道進(jìn)行傳輸時(shí)的信道共享方法。

無(wú)線通信的 4種基本多址方式——頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)多址(Aloha)以及它們的組合，在衛(wèi)星通信中都有重要應(yīng)用，其中Aloha常常用于多址接入的呼叫申請(qǐng)。多址方式對(duì)應(yīng)的復(fù)用方式——FDM、TDM、CDM及其組合也常常伴隨著相應(yīng)的多址方式出現(xiàn)。

FDMA因其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而最早在衛(wèi)星通信中得到廣泛應(yīng)用，但是，當(dāng)一個(gè)透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的多頻帶信號(hào)的路數(shù)達(dá)到15個(gè)以上時(shí)，由于難于避免多載波互調(diào)干擾而會(huì)使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率急劇下降[2]，因此單純的FDMA系統(tǒng)能支持的用戶數(shù)是非常有限的。

基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器由一個(gè)大型中心站與許多小站一起，可以基于FDMA/TDM方式構(gòu)成用戶容量很大的 VSAT網(wǎng)。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)器在轉(zhuǎn)發(fā) FDMA信號(hào)時(shí)進(jìn)行充分的功率回退，可基本上避免多載波互調(diào)干擾。盡管因功率回退太多而造成射頻功率效率顯著降低、下行EIRP相應(yīng)減小，但因中心站天線增益很高而仍能保證正常接收。在中心站對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼和用戶交換之后，將要發(fā)往各小站的數(shù)據(jù)進(jìn)行TDM復(fù)接和數(shù)字調(diào)制后，再通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)小站。這種TDM信號(hào)屬于單載波調(diào)制信號(hào)，因此整個(gè)外向鏈路(中心站—轉(zhuǎn)發(fā)器—小站)的功率效率都可達(dá)到最高，從而VSAT站能正常地接收。這種VSAT網(wǎng)，可以提供上百條雙向信道，系統(tǒng)根據(jù)申請(qǐng)按需分配信道，其總的用戶容量能達(dá)到數(shù)千個(gè)，因而在1980年代末至2000年代初得到了十分廣泛的應(yīng)用。

由于這種VSAT系統(tǒng)中2個(gè)小站之間通信需要借助中心站進(jìn)行兩跳透明轉(zhuǎn)發(fā)，不僅浪費(fèi)一倍信道資源，而且增大一倍延遲。為克服這2個(gè)缺點(diǎn)曾發(fā)表許多論文，認(rèn)為應(yīng)該將中心站進(jìn)行的FDMA-TDM轉(zhuǎn)換搬移到星上去進(jìn)行[33]。這就要求在星上對(duì)許多路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼，又導(dǎo)致星上設(shè)備復(fù)雜很高、信道無(wú)法靈活應(yīng)用2個(gè)缺點(diǎn)，因而未得到大力推廣。

將 FDMA與 TDMA相結(jié)合，形成多頻TDMA(即 MF-TDMA)，是擴(kuò)大用戶容量的另一條有效途徑[34]。將多頻帶中的每一個(gè)子帶都劃分為多條 TDMA子信道，用戶容量很容易擴(kuò)大許多倍，而發(fā)送、接收處理依然簡(jiǎn)單方便，信道的調(diào)配也很靈活。于是很快就形成多個(gè)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并得到了廣泛的應(yīng)用。MF-TDMA既適于基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成的系統(tǒng)，也適于有星上處理的系統(tǒng)，因此將有長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用。其實(shí)地面2G蜂窩網(wǎng)GSM系統(tǒng)也是采用這種體制。

1990年代末，ViaSat公司采用成對(duì)載波多址[35](PCMA, paired carrier multiple access)、基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成星形VSAT網(wǎng)。其前向鏈路是中心站在某一頻帶以TDM方式向各個(gè)小站廣播發(fā)送信息，而回傳鏈路是各小站在同一頻帶以 CDMA方式向中心站回傳信息。兩者的頻譜重疊在同一頻帶上，但因后者是擴(kuò)頻信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度比前者弱得多，而不影響各小站正常地接收中心站的信號(hào)。中心站在接收各小站的弱信號(hào)時(shí)所受到的干擾正是自己發(fā)送的信號(hào)，這可以通過(guò)重構(gòu)而抵消之，因此也可以正常接收。該體制有2個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：其一是頻率資源可重復(fù)應(yīng)用一次，其二是小站發(fā)送信號(hào)的隱蔽性較強(qiáng)。

3.6 星上信號(hào)處理和交換技術(shù)

1) 星上信號(hào)處理

早期基于 GEO衛(wèi)星的通信都是采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)中繼傳輸，這樣提供的信道資源應(yīng)用靈活性最大，轉(zhuǎn)發(fā)器可以分頻帶出租給各個(gè)用戶隨意應(yīng)用。但是，在星上進(jìn)行信號(hào)再生等各種信號(hào)處理，可以帶來(lái)多方面的巨大效益：①信號(hào)再生可消除噪聲累積現(xiàn)象；②星上可進(jìn)行各種抗干擾處理，使系統(tǒng)的干擾容限大幅提升；③可支持星上進(jìn)行用戶交換，與在地面中心站進(jìn)行交換相比，傳輸時(shí)延減小一倍、信道利用率提高一倍。

星上處理技術(shù)(OBP, onboard processing)可分為再生式的和非再生式的兩大類。所謂再生是指將接收到的含噪聲數(shù)字調(diào)制信號(hào)再生為不含噪聲的新數(shù)字調(diào)制信號(hào)。接收信號(hào)在星上完成分路之后，各路信號(hào)通過(guò)解調(diào)譯碼得到其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，再經(jīng)交換和重新合路得到合路后的各個(gè)數(shù)據(jù)流，最后重新編碼調(diào)制為新的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)送。

非再生式OBP與再生式OBP的不同之處，僅在于是否包括信號(hào)再生，即解調(diào)譯碼和重新編碼調(diào)制這2個(gè)環(huán)節(jié)，兩者都可包括其余各種星上信號(hào)處理，例如，分路、合路、交換、變頻、抗干擾處理等。像IPSTAR系統(tǒng)那樣的彎管式轉(zhuǎn)發(fā)就是一種非再生式OBP[13]，星上將收到地面Ku終端發(fā)送的信號(hào)通過(guò)Ka頻段饋送鏈路透明地轉(zhuǎn)發(fā)到地面關(guān)口站，反之亦然。

當(dāng)然我們也可認(rèn)為星上交換不屬于OBP，那么無(wú)論再生式或非再生式OBP都可支持星上交換，只不過(guò)后者只能支持電路交換，而無(wú)法支持分組交換。

2) 星上交換

OBP最重要的作用在于支持星上交換。再生式OBP可在星上獲得各路信號(hào)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，因此能支持任何方式的交換，如ATM交換、IP 交換或程控電路交換等。若在星上實(shí)現(xiàn)了IP交換，則衛(wèi)星網(wǎng)與地面因特網(wǎng)的互聯(lián)就變得非常簡(jiǎn)單而方便。

ATM 交換主要用于干線交換或少數(shù)大用戶的交換，若其交換模塊的端口數(shù)太多，則難以進(jìn)行擁塞控制，設(shè)備復(fù)雜度也會(huì)過(guò)高而難以實(shí)現(xiàn)。我國(guó)星上ATM交換已經(jīng)投入應(yīng)用；日本也于2008年發(fā)射的WINDS衛(wèi)星[36]中進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)性應(yīng)用，可支持3個(gè)155.52 Mbit/s的數(shù)據(jù)交換。但ATM交換其他應(yīng)用實(shí)例很少，將來(lái)也難有較大發(fā)展。

因特網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展加速了衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面因特網(wǎng)的融合，而不只是通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[37]，因此興起了星上 IP交換研究的熱潮，許多原計(jì)劃采用ATM交換的衛(wèi)星通信系統(tǒng)都改用IP交換，例如，Teledesic、Spaceway、Astrolink、SkyBridge等[1]。當(dāng)然在星上直接進(jìn)行IP交換也有不便之處，由于IP分組太長(zhǎng)，且長(zhǎng)度不固定，因此有人提出在星上進(jìn)行多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS, multi-protocol label switching)，并提出了GEO衛(wèi)星MPLS網(wǎng)絡(luò)的總體框架[38]。MPLS交換將IP地址映射為固定長(zhǎng)度的標(biāo)簽而實(shí)現(xiàn)IP分組的轉(zhuǎn)發(fā)和交換，可兼容各種路由和交換協(xié)議。

星上分組交換要求在星上對(duì)各路信號(hào)都進(jìn)行解調(diào)譯碼，當(dāng)用戶數(shù)很多時(shí)，例如，上萬(wàn)個(gè)都在星上進(jìn)行解調(diào)譯碼，其設(shè)備的復(fù)雜度、體積和功耗太大就成為一個(gè)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都無(wú)法解決的難題。美軍的WGS(wide band global satellites)系統(tǒng)就是為回避該難題而又滿足美軍當(dāng)前的迫切需求而興建的[39]。該系統(tǒng)基于非再生式OBP，用戶上行鏈路采用FDMA接入，星上完成頻分分路和電路交換之后，各波束的多路信號(hào)以FDM方式向下發(fā)送。該體制確實(shí)可解決多路信號(hào)的 OBP設(shè)備復(fù)雜度過(guò)高的問(wèn)題。

當(dāng)時(shí)WGS采用這種體制似乎只是權(quán)宜之計(jì)，若將來(lái)微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使星上可實(shí)現(xiàn)OBP的復(fù)雜度提高一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，那么理想的組網(wǎng)方案應(yīng)該是在星上采用再生式OBP和IP交換相結(jié)合，以便直接與地面因特網(wǎng)相融合。但是即使是在這樣的條件下，再生式和非再生式 OBP相結(jié)合的星上處理方式還是有其優(yōu)越性的[32]。在星上既有電路交換又有IP交換，能更加充分利用衛(wèi)星資源和改善業(yè)務(wù)質(zhì)量：星上非再生式OBP支持的電路交換，有利于支持寬帶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和大量數(shù)據(jù)流的高速傳輸；而星上IP交換的基本功能，可通過(guò)星地協(xié)調(diào)媒體層控制管理來(lái)實(shí)現(xiàn)，仍能支持因特網(wǎng)應(yīng)用。

3) 連續(xù)波時(shí)分復(fù)用技術(shù)(CWTDM)

CWTDM 實(shí)現(xiàn)了多個(gè)連續(xù)波信號(hào)以時(shí)分復(fù)用方式共享一條信道進(jìn)行傳輸，是支持非再生式OBP的重要技術(shù)。由于不在星上進(jìn)行解調(diào)譯碼，各路數(shù)字調(diào)制信號(hào)的復(fù)包絡(luò)基帶信號(hào)本質(zhì)上屬于連續(xù)波信號(hào)，將其送入下行鏈路進(jìn)行傳輸，需要在每一條信道中傳輸多路連續(xù)波信號(hào)，而傳輸這種信號(hào)能保持總傳輸帶寬不顯著增大的傳輸方式只有FDM和TDM 2種，后者就是CWTDM。假如像微波電信中SDH(synchronous digital hierarchy)協(xié)議傳輸多路話音信號(hào)那樣，以采樣量化所得數(shù)字信號(hào)作為數(shù)據(jù)流進(jìn)行TDM復(fù)接、數(shù)字調(diào)制后再傳輸，則因衛(wèi)星鏈路不能像微波電纜線路那樣可用高階調(diào)制節(jié)省帶寬，而導(dǎo)致所需總帶寬增大十幾倍。

如果采用FDM在一條信道中傳輸多路連續(xù)波信號(hào)，當(dāng)路數(shù)很多時(shí)功率效率會(huì)顯著降低，這不適于衛(wèi)星下行鏈路。CWTDM是模擬通信時(shí)代遺留下來(lái)、直至有兩項(xiàng)發(fā)明專利[40,41]提出為止一直未解決的難題。該發(fā)明專利所提的解決方案，可以最高的功率效率和頻帶效率進(jìn)行傳輸，適于衛(wèi)星下行鏈路應(yīng)用。

CWTDM技術(shù)有2種形式，一種是分幀交織疊接相加法[40]，另一種是準(zhǔn)正交時(shí)分復(fù)用法(QOTDM,quasi-orthogonal time division multiplexing)[41]。如果將兩者聯(lián)合運(yùn)用，則可實(shí)現(xiàn)任意多路的CWTDM傳輸。

WGS將程控電路交換后輸出到各個(gè)波束的多路信號(hào)重構(gòu)為FDM信號(hào)后，再由用戶下行鏈路進(jìn)行傳輸[39]。它的 39個(gè)獨(dú)立信道都要傳輸 48路的FDM 信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的 PAPR很高，特別是 2個(gè)8波束相控陣天線各陣元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PAPR值更高，功率放大器在采取較大功率回退之后仍然難免存在非線性失真。功率回退所引起的射頻功率效率降低和非線性失真所引起的互調(diào)干擾，估計(jì)有可能使下行鏈路的信噪比損失高達(dá)10 dB[32]。因此WGS選擇這種傳輸方式并非最合理的選擇，切不可把它當(dāng)作榜樣來(lái)模仿。WGS如此設(shè)計(jì)，應(yīng)該是考慮兼容美軍已有的許多衛(wèi)星通信終端，而當(dāng)時(shí)又未發(fā)現(xiàn)有其他更好的選擇才這樣做的。雖然要損失鏈路性能，但其衛(wèi)星天線增益與過(guò)去的全球波束天線相比提高了10 dB以上，因而仍有充分的鏈路余量兼容已有終端。

若將WGS下行鏈路改用CWTDM進(jìn)行傳輸，不僅可大大簡(jiǎn)化星上設(shè)備，而且鏈路特性可明顯改善。這是因?yàn)镃WTDM多路復(fù)用信號(hào)中每一時(shí)段都是單載波調(diào)制信號(hào)，在非線性功放條件下沒(méi)有互調(diào)干擾，因此功放管可以幾乎不進(jìn)行功率回退，功率效率可達(dá)到最高。實(shí)際上，這就是本文作者曾提出將FDMA- CWTDM轉(zhuǎn)換代替FDMA-TDM轉(zhuǎn)換支持非再生式 OBP的方案[42]，它可有效地克服再生式OBP復(fù)雜度過(guò)高、信道應(yīng)用靈活性差的缺點(diǎn)。

由此可見(jiàn)，CWTDM是支持基于非再生式OBP的大容量衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)自發(fā)明以來(lái)連續(xù)研究了 10多年，也早已對(duì)研制出的射頻互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，證明了其可行性，但因工程成熟度不夠而尚未投入實(shí)際應(yīng)用，有待通過(guò)實(shí)際衛(wèi)星鏈路測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)際上，關(guān)于衛(wèi)星通信中這樣的下行鏈路是否應(yīng)該采用CWTDM的問(wèn)題，至今并沒(méi)有在決策層專家中達(dá)成廣泛的共識(shí)，其主要原因也許是同一時(shí)期出現(xiàn)的WGS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移了人們的注意力。

3.7 空間激光通信技術(shù)[43～45]

空間激光通信技術(shù)是指用激光束作為信息載體在自由空間進(jìn)行通信，既可作為衛(wèi)星間的高速傳輸鏈路，也可作為衛(wèi)星與地面站之間的通信鏈路。不過(guò)后者可傳輸?shù)男畔⑺俾什惶?，而且?dāng)存在較濃的云霧或降雨時(shí)無(wú)法通信。攜帶信息的電信號(hào)調(diào)制到光束上發(fā)送，通信的雙端通過(guò)初定位和調(diào)整,再經(jīng)過(guò)光束的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤建立起光鏈路進(jìn)行信息傳輸。

空間激光通信的主要優(yōu)點(diǎn)是：通信容量大、功耗低、可靠性高、保密性好、發(fā)射機(jī)體積小和質(zhì)量輕。激光和無(wú)線射頻通信的一個(gè)主要區(qū)別在于用望遠(yuǎn)鏡替換天線。用于2個(gè)GEO衛(wèi)星之間通信的望遠(yuǎn)鏡，口徑只要29.4 cm，而信息傳輸速率可達(dá)10 Gbit/s以上，而用于2個(gè)LEO衛(wèi)星之間通信的望遠(yuǎn)鏡，口徑則只需14.7 cm，還可達(dá)到更高的傳輸速率。

美國(guó)在新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中均采用了星間激光通信鏈路來(lái)提高系統(tǒng)的性能；例如，WGS、MOUS (multiple objective user service)、AEHF (advanced extremely high frequency)。在AEHF中，采用星間激光通信鏈路實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)，減少了衛(wèi)星對(duì)地面支持系統(tǒng)的依賴，系統(tǒng)在失去地面支持后仍能自主工作6個(gè)月之久。我國(guó)空間激光通信研究已在地面和海上進(jìn)行過(guò)成功實(shí)驗(yàn)，用于衛(wèi)星鏈路的研究正在進(jìn)行。

4 一些典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)

4.1 海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Inmarsat)[1,19,46]

Inmarsat是由國(guó)際海事衛(wèi)星組織(Inmarsat) 自1970年代開始發(fā)展的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，后來(lái)改制為股份制公司管理。從Inmarsat-1至Inmarsat-5共發(fā)展了5代，當(dāng)前主要用后三代，共有11顆GEO衛(wèi)星在軌運(yùn)行，可覆蓋全球除兩極區(qū)之外的全部地區(qū)。

Inmarsat-4衛(wèi)星裝有一個(gè)20 m口徑的多波束可展開天線，形成一個(gè)全球波束、19個(gè)寬點(diǎn)波束和228 個(gè)窄點(diǎn)波束，用戶上行鏈路頻率為 1 626.5～1 660.5 MHz，下行鏈路頻率為1 525～1 559MHz。2005年推出BGAN(broadband global area network)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了從模擬向數(shù)字、從話音向數(shù)據(jù)、從傳統(tǒng)電路交換向因特網(wǎng)業(yè)務(wù)、從窄帶低速數(shù)據(jù)向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，最高速率可達(dá)492 kbit/s?？蔀槿驇缀跞魏蔚胤教峁└咚倬W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、移動(dòng)視頻、視頻會(huì)議、傳真、電子郵件和局域網(wǎng)接入等業(yè)務(wù)及多種附加功能。詳見(jiàn)www.inmarsat.org。

由 Inmarsat和歐洲航天局(ESA)聯(lián)合主辦的BGAN-X項(xiàng)目已將終端類型擴(kuò)展到11種，包括3種航空、3種海上和2種陸地汽車應(yīng)用，它們使用全向及定向性天線。BGAN僅對(duì)陸地便攜終端提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而BGAN-X把該業(yè)務(wù)擴(kuò)展至船舶和飛機(jī)，還包括多播業(yè)務(wù)。詳見(jiàn)http://bgan.inmarsat.com/。

Inmarsat-5將由3 顆衛(wèi)星組成全球高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GlobalXpress)，每顆衛(wèi)星提供89個(gè)Ka波段波束，最高上下行速率可分別達(dá)5 Mbit/s和50 Mbit/s，而用戶終端僅為iPad大小。使用iDirect調(diào)制解調(diào)器，結(jié)合了高效的DVB-S2，前向鏈路采用TDMA接入，回傳鏈路采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼，優(yōu)化了信道利用率。GlobalXpress現(xiàn)已建成，總的吞吐率超過(guò)100 Gbit/s，信息傳輸速率將達(dá)50 Gbit/s，相當(dāng)于以前的BGAN業(yè)務(wù)量的10倍。

4.2 銥星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1,47]

銥(Iridium)系統(tǒng)是一個(gè)基于LEO衛(wèi)星群的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，由美國(guó)Motorola公司牽頭、多個(gè)國(guó)家(包括我國(guó))的19個(gè)公司或單位投資57億美元?jiǎng)?chuàng)建，是世界上第一個(gè)真正覆蓋全球、支持手持式電話機(jī)的個(gè)人通信系統(tǒng)。1998年11月開始運(yùn)營(yíng)，不久后宣布破產(chǎn)重組，重組后的新“銥”星公司以2500萬(wàn)美元購(gòu)買了銥星系統(tǒng)的資產(chǎn)，并與美國(guó)國(guó)防部簽訂為期二年合同，為軍方提供2萬(wàn)用戶服務(wù)。2001年3月重新開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)，用戶數(shù)量平均每月新增2 000～3 000個(gè)。截至2006年5月，全球用戶數(shù)量已達(dá)14.8萬(wàn)戶，其中商業(yè)、軍事用戶分別占80%、20%。

銥系統(tǒng)的星座由分布在6個(gè)軌道面上的66顆衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道面11顆星，軌道高度780 km。每顆星的太陽(yáng)能電池1.2 kW/50Ah，射頻功率400 W；采用再生式OBP，星上分組交換，每個(gè)衛(wèi)星有4條Ka頻段的星際鏈路與前后左右衛(wèi)星相連。

用戶鏈路采用L頻段1 621.35～1 626.5 MHz；每顆衛(wèi)星用3個(gè)16波束相控陣天線產(chǎn)生48個(gè)蜂窩波束，以12小區(qū)簇方式分配頻率。總?cè)萘繛? 840路(實(shí)際實(shí)現(xiàn)1 100路)全雙工信道，話音采用2.4 kbit/s的多帶激勵(lì)聲碼器，編碼后速率為4.8 kbit/s。采用幀長(zhǎng)為90 ms的時(shí)分雙工MF-TDMA方式，每幀可支持4個(gè)50 kbit/s用戶連接的數(shù)據(jù)通信，通信時(shí)延小于210 ms。手機(jī)重量400 g，天線長(zhǎng)度15 cm，通話時(shí)間2 h，峰值功率7 W，平均功率0.6 W，天線增益2 dBi。

2007年2月啟動(dòng)了Iridium Next計(jì)劃，其目標(biāo)是：提高數(shù)據(jù)傳輸速率，改善話音質(zhì)量，支持頻帶的靈活分配，采用端到端的 IP 技術(shù)，以及提供更強(qiáng)的業(yè)務(wù)和設(shè)備。預(yù)計(jì)2015年發(fā)射首批衛(wèi)星，2017年完成星座部署。屆時(shí)工作在Ka波段的手持終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最高速率可達(dá)1.5 Mbit/s，便攜式、運(yùn)輸式終端速率分別可達(dá) 10 Mbit/s、30 Mbit/s。詳見(jiàn)www.iridium.com。

4.3 全球星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1,48]

全球星(Globalstar)系統(tǒng)是由多國(guó)(包括我國(guó))的9個(gè)公司參股、美國(guó)Loral公司和Qualcomm公司聯(lián)合研制的移動(dòng)通信系統(tǒng)。由48顆衛(wèi)星構(gòu)成Walker星座，分布在8個(gè)圓軌道面上，每個(gè)軌道面6顆，軌道高度為1 414 km，實(shí)現(xiàn)了全球南北緯70°之間的覆蓋，能夠提供全球移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)1999年開始運(yùn)營(yíng)，不久后公司破產(chǎn)重組。2000年5月開始在中國(guó)地區(qū)提供服務(wù)。每顆衛(wèi)星 16個(gè)波束支持用戶鏈路，衛(wèi)星“腳印”直徑5 670 km，系統(tǒng)共有 25個(gè)關(guān)口站分布在全球，每個(gè)網(wǎng)關(guān)覆蓋半徑約2 000 km的區(qū)域。

每顆衛(wèi)星的電源功率1 100 W，射頻功率380 W。用戶鏈路上行為L(zhǎng)波段1 610～1 626.5 MHz，下行為S頻段2 483.5～2 500 MHz，采用IS-95 CDMA規(guī)范的接入體制，沒(méi)有星際鏈路，沒(méi)有星上交換，而是采用彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)，即星上收到各小區(qū)中用戶發(fā)送的CDMA信號(hào)后，直接由C頻段饋送鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到離該小區(qū)最近的地面關(guān)口站，進(jìn)入地面網(wǎng)；反過(guò)來(lái)，由地面網(wǎng)發(fā)送給移動(dòng)站的信號(hào)也經(jīng)關(guān)口站C頻段饋送鏈路送到星上進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。每顆衛(wèi)星可提供2 500條2.4 kbit/s的信道，可為全球用戶提供話音、數(shù)據(jù)、傳真和定位等業(yè)務(wù)。支持 2.4/4.8/ 9.6 kbit/s 3種傳輸速率的話音業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率7.2/9.6 kbit/s，單向時(shí)延150 ms，接續(xù)時(shí)延4 s。用戶終端類型有單模手機(jī)、雙模手機(jī)、三模手機(jī)、車載終端和固定終端等。

2006年，開始研制第二代全球星，首批6顆和第二批6顆已分別于2010年10月和2011年12月發(fā)射。

4.4 IPSTAR系統(tǒng)[13,49]

IPSTAR是泰國(guó)的Shin衛(wèi)星公司為支持因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)而創(chuàng)建的 GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。2005年8月發(fā)射的IPSTAR-1衛(wèi)星，是當(dāng)時(shí)世界上容量最大的通信衛(wèi)星，采用Loral公司的衛(wèi)星平臺(tái)，電源總功率14 kW，發(fā)射重量6.4噸，壽命12年。使用Ku和Ka 2個(gè)頻段：衛(wèi)星陣列天線形成84個(gè)Ku頻段蜂窩小區(qū)波束覆蓋人口稠密地區(qū)，雙向傳輸速率都可達(dá)20 Gbit/s；3個(gè)Ku頻段賦形大波束覆蓋人口稀少地區(qū)，雙向傳輸總速率0.5 Gbit/s；7個(gè)地區(qū)廣播波束；18個(gè)指向關(guān)口站的饋送鏈路Ka頻段點(diǎn)波束。業(yè)務(wù)提供覆蓋南亞部分、東南亞和中國(guó)大部分地區(qū)共22個(gè)國(guó)家，18個(gè)關(guān)口站有4個(gè)分別設(shè)在北京、廣州、上海和臺(tái)北。主要用于因特網(wǎng)用戶接入。前向鏈路(關(guān)口站→衛(wèi)星→用戶)采用 TDMAOFDM多址方式，信息速率192 kbit/s～2 Mbit/s，反向鏈路采用MF-TDMA+Aloha方式，信息速率4 Mbit/s/8 Mbit/s。用戶Ku頻段天線口徑0.75～1.8 m。詳見(jiàn)www.ipstar.com。

4.5 ACeS衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[1,50]

ACeS(asia cellular satellite)系統(tǒng)是由印度尼西亞等國(guó)建立的區(qū)域性 GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，包含 Garuda-1和 Garuda-2 2顆 GEO衛(wèi)星，其中Garuda-1已于2000年2月發(fā)射，衛(wèi)星發(fā)射重量4.5噸，電源功率為14kw。星上C頻段天線形成一個(gè)饋送鏈路波束，用于支持衛(wèi)星與位于菲律賓、泰國(guó)和印度尼西亞雅加達(dá)的3個(gè)關(guān)口站、以及網(wǎng)控中心(NCC)之間的饋送鏈路。通信業(yè)務(wù)提供的范圍覆蓋東亞、東南亞和南亞多達(dá) 1100多萬(wàn)平方英里的面積。詳見(jiàn)www.aces.co.id。

用戶鏈路為L(zhǎng)頻段，上、下行鏈路頻率分別為1 626.5～1 660.5 MHz、1 525～1 559 MHz。星上有 2副12 m口徑的L波段天線，分別形成140個(gè)點(diǎn)波束和8個(gè)可控點(diǎn)波束，形成7小區(qū)簇結(jié)構(gòu)的140個(gè)蜂窩小區(qū)。星上采用非再生式OBP，具有路由和交換能力，可提供11 000條雙向信道，用戶終端之間都可單跳透明轉(zhuǎn)發(fā)相通。其中聲碼話的毛速率為6 kbit/s，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率2.4 kbit/s，還支持3類傳真機(jī)和短信業(yè)務(wù)。采用類似于地面蜂窩網(wǎng) GSM的多址協(xié)議，上行為MF-TDMA接入，但一個(gè)下行載波頻率對(duì)應(yīng)于上行鏈路的多個(gè)載波頻率，因而下行突發(fā)速率比上行的提高幾倍，達(dá)到在0.577 ms時(shí)長(zhǎng)內(nèi)傳輸156.25比特的速率。雙模手機(jī)的天線增益為2.6 dB，發(fā)射功率為0.25 W。

4.6 ExeDe Internet衛(wèi)星接入系統(tǒng)[51]

ExeDe Internet是目前全球容量最大的GEO寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其衛(wèi)星是美國(guó)ViaSat公司于2011年10月發(fā)射的ViaSat-1寬帶通信衛(wèi)星。它采用Loral公司1300型衛(wèi)星平臺(tái)，發(fā)射質(zhì)量6.2噸，定點(diǎn)于西經(jīng)115o。由于采用Ka波段點(diǎn)波束技術(shù)，覆蓋范圍內(nèi)共有 18個(gè)信關(guān)站與因特網(wǎng)相連，用戶可以采用很小口徑天線或“動(dòng)中通”天線，通過(guò)Ka波段衛(wèi)星接入因特網(wǎng)，下載速率可達(dá)12 Mbit/s?？?cè)萘扛哌_(dá)到140 Gbit/s，可滿足200萬(wàn)以上用戶通過(guò)衛(wèi)星接入因特網(wǎng)的需要，超過(guò)目前覆蓋北美的雙向Ka、C和Ku頻段容量之和。

ViaSat寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)由 ViaSat-1衛(wèi)星、SurfBeam 2地面系統(tǒng)組成，可為用戶提供高速因特網(wǎng)服務(wù)，由于成本的降低，用戶的服務(wù)費(fèi)價(jià)格與地面數(shù)字用戶線(DSL)及3G手機(jī)相當(dāng)。此外，ExeDe還推出多種專業(yè)應(yīng)用，比如SNG及HDTV直播，可為飛機(jī)上的乘客提供無(wú)線寬帶連接服務(wù)等。到2014年4月為止，北美已有多條航線、500架以上的民航客機(jī)已采用它作為客艙因特網(wǎng)連接服務(wù)。ViaSat公司計(jì)劃于2016年發(fā)射容量更大的ViaSat-2衛(wèi)星，其覆蓋范圍將達(dá)ViaSat-1的7倍，帶寬成本將下降一半。

4.7 O3b系統(tǒng)[52]

O3b網(wǎng)絡(luò)(O3b networks)公司于2008年9月推出了“O3bNetworks”計(jì)劃，通過(guò)發(fā)射16顆中軌道(MEO)衛(wèi)星提供南北緯45°的寬帶覆蓋，包括非洲、亞洲、拉丁美洲與中東等地區(qū)。O3b系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是：作為網(wǎng)絡(luò)中樞，目標(biāo)客戶是當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商。它主要提供3類業(yè)務(wù)：大容量轉(zhuǎn)發(fā)、企業(yè)IP回程和WiMax蜂窩網(wǎng)的回程。既可為地面通信運(yùn)營(yíng)商提供類似光纖速度的網(wǎng)絡(luò)，也能為3G網(wǎng)絡(luò)和WiMax服務(wù)提供備份。

16顆O3b衛(wèi)星位于高度為7 830 km、0.04°傾角的圓軌道上，單星吞吐量約為 12 Gbit/s。采用ELiTe衛(wèi)星平臺(tái)，單星發(fā)射重量700 kg，電源功率為1 575 W。星上有12個(gè)65 W、帶寬216 MHz的行波管放大器，采用彎管式透明轉(zhuǎn)發(fā)。星上 12副可控天線，指向范圍為±26o，形成10個(gè)用戶波束和2個(gè)信關(guān)站波束。

O3b公司分別于2013年6月、2014年7月相繼成功部署第一階段的8顆MEO衛(wèi)星，采用全Ka波段，覆蓋7個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域10個(gè)波束，8顆衛(wèi)星共提供70個(gè)移動(dòng)點(diǎn)波束，每點(diǎn)波束覆蓋直徑為450 km，單星吞吐量約為12 Gbit/s。目前，O3b公司正在積極推廣海事衛(wèi)星通信服務(wù)，英國(guó)皇家加勒比游輪公司的游輪上已經(jīng)安裝了O3b的衛(wèi)星通信終端，單艘游輪的最高速率達(dá)到500 Mbit/s，時(shí)延僅為140 ms左右。宣稱實(shí)現(xiàn)了“光纖的速度、衛(wèi)星的覆蓋”。

4.8 WGS系統(tǒng)[39]

WGS系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)DSCS-3的后繼系統(tǒng)，原名Wideband Gapfiller Satellite(寬帶填隙衛(wèi)星)，用于填補(bǔ) DSCS-3和全球廣播衛(wèi)星系統(tǒng)(GBS)與當(dāng)時(shí)準(zhǔn)備建設(shè)的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星系統(tǒng)(TSAT)之間通信應(yīng)用的空缺，作為向先進(jìn)寬帶系統(tǒng)(AWS)過(guò)渡的橋梁。它可通過(guò)雙向、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)播和多播等方式，向作戰(zhàn)人員快速而大量地分發(fā)數(shù)據(jù)。2007年10月發(fā)射了第一顆衛(wèi)星WGS-1，2008年4月開始正式執(zhí)行通信任務(wù)。衛(wèi)星發(fā)射重量5.9噸，電源功率13 kW。據(jù)www.arospace-technology.com報(bào)導(dǎo)，最新3顆衛(wèi)星WGS-4、WGS-5、WGS-6也分別于2012年1月、2012年5月、2013年8月發(fā)射。

WGS衛(wèi)星上配備有10幅方向可調(diào)的Ka頻段(30～31 GHz/20.2～21.2 GHz)全雙工點(diǎn)波束天線，2副X頻段(7.9～8.4 GHz)相控陣8波束天線和1副X頻段喇叭形全覆蓋天線。兩頻段所有的可用頻率資源，包括不同波束的頻帶重復(fù)使用的，總共達(dá)到4.875 GHz，被劃分為39個(gè)獨(dú)立的信道，每信道125 MHz；每條信道又通過(guò)星上數(shù)字信道化器劃分為48個(gè)2.6 MHz的子信道，從而形成1 872條帶寬都為2.6 MHz的子信道。所有子信道都具有路由選擇功能，由地面指令控制星上實(shí)現(xiàn)程控電路交換，并能支持組播和廣播業(yè)務(wù)。每顆星的總通信容量最高可達(dá)3.6 Gbit/s，用5顆WGS衛(wèi)星覆蓋全球，星間采用激光通信鏈路互聯(lián)。目前TSAT系統(tǒng)項(xiàng)目已終止，而WGS系統(tǒng)是公認(rèn)的成功典范，已成為美軍寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁Α?/p>

4.9 美軍Milstar通信系統(tǒng)[53]

Milstar是美國(guó)軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)GEO中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，該系統(tǒng)是美軍旨在建立核戰(zhàn)爭(zhēng)條件下頑存的抗干擾、高可靠的三軍通用戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。采用20 GHz以上的極高頻率(EHF)頻段，采取抗核加固、抗干擾技術(shù)，能在任何情況下滿足各軍兵種的通信需求，既支持戰(zhàn)略應(yīng)急通信，也廣泛支持戰(zhàn)術(shù)通信和情報(bào)圖像分發(fā)?？梢詾椴筷?duì)提供方便的呼叫方式，尤其可以為大量戰(zhàn)術(shù)用戶提供實(shí)時(shí)、保密、抗干擾的通信服務(wù)，通信波束覆蓋“全球”。

Milstar系統(tǒng)開始于20世紀(jì)80年代，目前在軌工作的Milstar衛(wèi)星共有6顆，其中2顆為第一代，4顆為第二代。第一代星上只載有EHF低數(shù)據(jù)速率(LDR)通信載荷，提供192條低速率(75～2 400 bit/s)通信信道，總?cè)萘繛?.5 Mbit/s；第二代除了有EHF LDR通信載荷外，還增加了中速率(MDR)通信載荷，通信總?cè)萘恳蔡岣叩?8 Mbit/s。首次采用寬頻率范圍(2 GHz)、高速(1萬(wàn)跳/秒以上)跳頻技術(shù)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。

5 衛(wèi)星通信的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

5.1 衛(wèi)星通信在軍事上的應(yīng)用

衛(wèi)星通信具有如前所述的特點(diǎn)和特別優(yōu)勢(shì)，使之在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用日益突出，特別是信息化條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)軍用通信衛(wèi)星依賴程度越來(lái)越高。美英聯(lián)軍在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的迅速取勝，其中衛(wèi)星通信就起了決定性作用。當(dāng)時(shí)調(diào)動(dòng)了 50多顆衛(wèi)星投入戰(zhàn)爭(zhēng)，包括臨時(shí)征用的商業(yè)衛(wèi)星，其中大多數(shù)是通信衛(wèi)星，是信息戰(zhàn)首次最集中的體現(xiàn)。此后世界各強(qiáng)國(guó)紛紛加快了發(fā)展軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的步伐。

目前，美、英、法等國(guó)均擁有成體系的軍用通信衛(wèi)星系統(tǒng)，其中以美軍的衛(wèi)星通信系統(tǒng)最具代表性，不但技術(shù)先進(jìn)，還具有可持續(xù)發(fā)展性。正在積極構(gòu)建的下一代軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由寬帶通信系統(tǒng)、窄帶通信系統(tǒng)和安全通信系統(tǒng)組成。其中寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸，最有代表性的是國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS, defense satellite communication system)和 WGS。WGS系統(tǒng)作為DSCS-3的后繼星，是美軍在X頻段和Ka頻段的主力衛(wèi)星通信系統(tǒng)，承擔(dān)了美國(guó)國(guó)防部90%的寬帶衛(wèi)星通信需求，可為美軍提供視頻、遠(yuǎn)程會(huì)議、數(shù)據(jù)傳輸和高分辨率成像等通信服務(wù)，還支持美軍新型無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，使各種平臺(tái)、陸海空部隊(duì)能夠快速地訪問(wèn)信息。

窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要為移動(dòng)中的作戰(zhàn)單元提供點(diǎn)到點(diǎn)的鏈接通信能力，其用戶采用低增益天線的小型終端，主要包括美國(guó)艦隊(duì)衛(wèi)星(FLTSAT,fleet satellite)通信系統(tǒng)與UHF后續(xù)星（UFO, UHF follow-on)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。當(dāng)前主用的MUOS衛(wèi)星通信系統(tǒng)是其海、空軍使用的主要系統(tǒng)，預(yù)計(jì)到2015年5顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)完全作戰(zhàn)能力，使美軍的通信能力比以前提高10十倍。

安全通信系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)抗干擾、隱蔽性和核生存性，可能提供保護(hù)能力而使鏈路免受物理、核和電磁輻射的破壞，具有極低到中等的終端數(shù)據(jù)速率，極高頻的衛(wèi)星有效載荷。典型的保護(hù)型通信系統(tǒng)有Milstar系統(tǒng)、空軍衛(wèi)星通信(AFSATCOM)系統(tǒng)。作為現(xiàn)役的5顆Milstar的后繼者AEHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其通信能力超過(guò)目前5顆Milstar之和。此外美軍還引入先進(jìn)的商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為軍事通信的補(bǔ)充。美國(guó)防部提出建立一個(gè)面向增強(qiáng)型C4I系統(tǒng)的、可互通的、面向21世紀(jì)的新一代軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括：WGS、AEHF以及MUOS等系統(tǒng)。

英國(guó)自 1998年開始研制新一代的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)Skynet-5作為Skynet-4的后繼星，共有3 顆衛(wèi)星，可支持機(jī)動(dòng)、靈活的跨區(qū)作戰(zhàn)，提供穩(wěn)定和完全的綜合業(yè)務(wù)。相較Skynet-4，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、生存能力和安全性，通信容量提高4倍，同時(shí)還具有超強(qiáng)的抗干擾、抗竊聽能力。系統(tǒng)提供UHF、SHF和EHF的3個(gè)頻段的通信能力，其中EHF頻段可與美軍AEHF聯(lián)合，為英軍提供高速、安全而可靠的通信。

作為法軍的新一代通信衛(wèi)星系統(tǒng)的Syracuse-3，其性能與任務(wù)需求與美軍WGS接近。系統(tǒng)由2顆衛(wèi)星組成，于2006年服役。采用SHF、EHF頻段，其中EHF頻段用于支持高速率的移動(dòng)通信。衛(wèi)星吞吐量達(dá)數(shù)百M(fèi)bit/s，可支持多媒體業(yè)務(wù)，同時(shí)還具有增強(qiáng)的抗核/電磁輻射加固性能。

我國(guó)于 2000年發(fā)射基于東方紅三號(hào)平臺(tái)的軍用通信衛(wèi)星，開始了軍用通信網(wǎng)絡(luò)的自主建設(shè)。后來(lái)逐步發(fā)展，建立了戰(zhàn)略衛(wèi)星通信系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通信容量不斷增大，技術(shù)上努力趕超國(guó)際先進(jìn)水平，特別是在最近 10年取得了顯著的進(jìn)步和巨大的成效。

5.2 民用衛(wèi)星通信的發(fā)展

衛(wèi)星通信始于1960年代，1980年代后VSAT技術(shù)的發(fā)展，為大量專用衛(wèi)星通信網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。自1990年代末開始，我國(guó)衛(wèi)星VSAT專用網(wǎng)蓬勃發(fā)展。例如，云南英茂通信股份有限公司經(jīng)營(yíng)的VSAT網(wǎng)，21世紀(jì)初第一期工程建設(shè)除昆明主站之外有2 214個(gè)遠(yuǎn)端小站，包括省外2 090個(gè)小站，兼有電話、雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，覆蓋全國(guó)范圍、橫跨多個(gè)行業(yè)。目前，我國(guó)已建有銀行、民航、水電、氣象、海關(guān)、鐵路、物流管理、公安等許多專用VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)。不過(guò)由于地面通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，使這些VSAT終端大多數(shù)都被閑置，以致運(yùn)營(yíng)商很難經(jīng)營(yíng)。在西部大開發(fā)、村村通電話工程的支持下，配備過(guò)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的衛(wèi)星電話通信終端，其中新疆農(nóng)村就有數(shù)千個(gè)。全球星手機(jī)在我國(guó)公開銷售多年，擁有一批個(gè)人衛(wèi)星通信用戶。

2003年，啟動(dòng)的全國(guó)農(nóng)村中小學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程計(jì)劃用5年時(shí)間投資10億元。中國(guó)教育電視臺(tái)運(yùn)營(yíng)的中國(guó)教育衛(wèi)星寬帶傳輸系統(tǒng)，擁有數(shù)十萬(wàn)個(gè)用戶終端，將衛(wèi)星遠(yuǎn)程教育教學(xué)覆蓋到全國(guó) 53萬(wàn)余所農(nóng)村中學(xué)，在幫助邊遠(yuǎn)地區(qū)培訓(xùn)中小學(xué)教師方面發(fā)揮了重要作用。這種 VSAT終端僅需一幅40 cm的Ku波段單收天線、一塊PC機(jī)的PCI插件板(或機(jī)頂盒)配合 PC機(jī)就可以構(gòu)成，價(jià)格十分低廉，而其下載速率可達(dá)40 Mbit/s，并有經(jīng)地面網(wǎng)低速回傳的接口。

據(jù)《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》2011年12期報(bào)道，中國(guó)空間研究院航天恒星科技有限公司開發(fā)成功一個(gè)支持大規(guī)模組網(wǎng)的雙向衛(wèi)星通信系統(tǒng)——Anovo VSAT系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于DVB-S、DVB-S2等標(biāo)準(zhǔn)，采用8PSK、16APSK、32APSK，ACM方式補(bǔ)償雨衰影響。其下行速率可達(dá)70 Mbit/s、回傳速率達(dá)2 Mbit/s，可應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)接入、交互式遠(yuǎn)程教育、視頻會(huì)議、應(yīng)急通信等場(chǎng)合。

中電科技集團(tuán)54所于2006年研制成功一個(gè)基于 GEO衛(wèi)星 Ku或 Ka頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器的MF-TDMA系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶劃分 32個(gè)子帶，每個(gè)子帶的每幀劃分為多個(gè)時(shí)隙，最多可提供幾百條子信道。既可構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)，也可構(gòu)成星狀網(wǎng)，前者最高用戶速率為12 Mbit/s；后者前向鏈路最高速率12 Mbit/s，回傳鏈路最高速率2 Mbit/s。支持IP路由，可與地面網(wǎng)互聯(lián)，支持各種IP業(yè)務(wù)[54]。

作為國(guó)際海事衛(wèi)星組織成員國(guó)，我國(guó)海事衛(wèi)星通信終端用戶很多，應(yīng)用十分廣泛，如海洋漁業(yè)、新聞采集傳播、野外勘測(cè)、救災(zāi)等場(chǎng)合都有很好的應(yīng)用。

5.3 關(guān)于衛(wèi)星通信的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化

1) 衛(wèi)星通信設(shè)備部件的標(biāo)準(zhǔn)化

由于衛(wèi)星信道一般是非常穩(wěn)定而且可預(yù)測(cè)的微波信道，因此衛(wèi)星地面站設(shè)備的各部件很早就實(shí)現(xiàn)了國(guó)際性的標(biāo)準(zhǔn)化。例如，各個(gè)頻段的低噪聲放大器、上下變頻器、射頻功率輸出單元等都有標(biāo)準(zhǔn)部件；基帶調(diào)制解調(diào)器也有許多公司生產(chǎn)的通用性較強(qiáng)的產(chǎn)品；只有70 MHz的中頻放大器一般需要自行研制。這些標(biāo)準(zhǔn)部件在10年前全為進(jìn)口商品，最近幾年已有多個(gè)廠家可以生產(chǎn)。

2) 重要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[55]

國(guó)際電聯(lián)(ITU)將衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)主要分為衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)(BSS)、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(FSS)和衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)(MSS)等3類。BSS和FSS分別為廣播通信和交互通信。下面根據(jù)不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和應(yīng)用，介紹ITU和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)制訂的相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

DVB-S (EN 301 790)是ETSI提出的衛(wèi)星廣播電視國(guó)際主流標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了TDM形式的幀結(jié)構(gòu)、基于 MPEG-2的視頻/音頻編碼方式和 QPSK調(diào)制方式。后來(lái)又推出了DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)EN 302 307，它采用了通信領(lǐng)域的新技術(shù)，可支持高清晰度電視(HDTV)、因特網(wǎng)接入、VoIP等業(yè)務(wù)。相較DVB-S，DVB-S2不僅采用有效降低系統(tǒng)解調(diào)門限的BCH碼與LDPC碼級(jí)聯(lián)的信道編碼方式和更適于衛(wèi)星信道的高階調(diào)制方式——8PSK、16APSK、32APSK，還提供了可變編碼調(diào)制(VCM)和自適應(yīng)編碼調(diào)制(ACM)工作模式，提高了傳輸效率。采用此協(xié)議以TDM/MF- TDMA體制構(gòu)成的VSAT系統(tǒng)，其前向鏈路和回傳鏈路分別遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 DVB-S/S2和DVB-RCS。此外ETSI 還制定了一系列針對(duì)衛(wèi)星廣播電視地面系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，如EN 300 473和EN 300 784。

交互通信的核心標(biāo)準(zhǔn)為DVB-RCS(EN 301790)，是目前唯一的由多廠商倡導(dǎo)的VSAT標(biāo)準(zhǔn)，它可實(shí)現(xiàn)雙向衛(wèi)星寬帶交互和高性能的衛(wèi)星信道接入。至2008年全球已建立200多個(gè)DVB- RCS網(wǎng)絡(luò)，終端數(shù)達(dá) 8萬(wàn)個(gè)以上。后來(lái)又推出了支持 DVB-S2的DVB-RCS2 (TS 101 545)，做出與DVB-S2相應(yīng)的改進(jìn)，并規(guī)定了交互通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)層的架構(gòu)、功能和管理。

為了支持寬帶業(yè)務(wù)，美國(guó)電信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)首先制定衛(wèi)星寬帶通信標(biāo)準(zhǔn)(TIA-1008) ，提出了基于IP協(xié)議的衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的概念，并規(guī)定了系統(tǒng)的架構(gòu)和物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。隨后，TIA和 ETSI又聯(lián)合制定了基于星上再處理空中接口的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TIA-1040、TS102188、TS102189。此外，ETSI還制定了基于DVB-S、DVB-RCS的星上再生處理的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TS102429，并已應(yīng)用于歐洲寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星交互通信系統(tǒng)中，除了上述總體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，ETSI還制定了一系列地面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如EN301428、EN301427。MSS主要應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)電話及衛(wèi)星移動(dòng)電視等領(lǐng)域。其中 ETSI針對(duì)移動(dòng)地球站制定的系列標(biāo)準(zhǔn) EN300721、EN301473主要規(guī)定其EIRP、帶外抑制等性能指標(biāo)及測(cè)試方法，同時(shí)也對(duì)其監(jiān)控和管理做出了要求。關(guān)于衛(wèi)星移動(dòng)電話方面，ETSI制定了完善的基于GEO衛(wèi)星的GMR系列標(biāo)準(zhǔn)GMR-1 (TS101376)、GMR-2(TS101377)，分別從不同技術(shù)層面對(duì) GMR系統(tǒng)做了規(guī)定，TerreStar、SkyTerra 、Thuraya等系統(tǒng)采用了GMR-1，而ACeS、Inmarsat等系統(tǒng)采用GMR-2。S-UMTS作為GMR的補(bǔ)充，涵蓋GEO、MEO和LEO 3種軌道衛(wèi)星，ETSI也分別對(duì)具體技術(shù)及組播業(yè)務(wù)制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如 TS101851、TS102442。

作為新興應(yīng)用的衛(wèi)星移動(dòng)電視，ETSI分別制定了DVB-SH標(biāo)準(zhǔn)EN302583和SDR標(biāo)準(zhǔn)EN302550，兩者在工作頻段、調(diào)制方式和編碼形式上不同，都可為用戶提供廣播服務(wù)。目前，美國(guó)全球通信公司的 ICO G1衛(wèi)星和歐洲通信衛(wèi)星公司的 Eutelsat W2A衛(wèi)星采用DVB-SH標(biāo)準(zhǔn)，而美國(guó)WorldSpace公司的Afristar和Asiastar 2顆衛(wèi)星采用了SDR標(biāo)準(zhǔn)。作為DVB-SH的擴(kuò)展，ETSI還制定了適于S頻段移動(dòng)交互多媒體通信的標(biāo)準(zhǔn)TS102721。

針對(duì)BSS、FSS、MSS的共性內(nèi)容，ETSI也制定一系列標(biāo)準(zhǔn)，如：TR103124、TR103166。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)開展衛(wèi)星通信應(yīng)用有借鑒意義。

3) 關(guān)于衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展

衛(wèi)星通信在國(guó)外特別是一些發(fā)達(dá)國(guó)家中早已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，甚至軍事通信應(yīng)用都是在市場(chǎng)化的環(huán)境下運(yùn)作的，早已形成由多個(gè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)的公司牽頭的產(chǎn)業(yè)鏈。前面介紹那些典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，就是在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中涌現(xiàn)的許多產(chǎn)品中的幾個(gè)代表。

我國(guó)衛(wèi)星通信的發(fā)展主要是國(guó)家投資軍用衛(wèi)星通信而帶動(dòng)起來(lái)的，雖然也形成過(guò)有上百個(gè)公司參與的產(chǎn)業(yè)鏈，包括各種部件和系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)、應(yīng)用工程的設(shè)計(jì)和安裝維護(hù)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)等，但是沒(méi)有像電信行業(yè)那樣出現(xiàn)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的大型企業(yè)。

我國(guó)在衛(wèi)星通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面還有一些其他的短板，例如，衛(wèi)星多波束天線技術(shù)、Ka波段及更高頻段的設(shè)備制造、航天級(jí)FPGA芯片制造技術(shù)等。此外我國(guó)所擁有的重要專利太少，這些都將使我們?cè)趪?guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位。而目前用于接入互聯(lián)網(wǎng)的寬帶衛(wèi)星發(fā)展勢(shì)頭很猛，在民用通信中的市場(chǎng)占有率迅速上升，因此很有必要就即將到來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入討論。例如，衛(wèi)星通信在民用通信市場(chǎng)中占有份額的增長(zhǎng)是否即將出現(xiàn)前所未有的大飛躍而達(dá)到相當(dāng)大的比例、我國(guó)的這塊市場(chǎng)是否不得不完全被國(guó)外公司占領(lǐng)、我國(guó)在這方面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力差距是否可能導(dǎo)致一場(chǎng)嚴(yán)重危機(jī)等。

6 衛(wèi)星通信的前景展望

有線電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和有線電視網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)融合并入骨干網(wǎng)，地面移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)通過(guò)其無(wú)線核心網(wǎng)與骨干網(wǎng)互聯(lián)，衛(wèi)星通信網(wǎng)也應(yīng)該是通過(guò)其無(wú)線核心網(wǎng)與骨干網(wǎng)互聯(lián)。隨著衛(wèi)星通信的IP化，各種不同性質(zhì)和不同業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信終端，都將變成類似的因特網(wǎng)接入設(shè)備，可見(jiàn)IP化確實(shí)是大勢(shì)所趨。但是此處IP化不等于衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)部的傳輸與交換全部IP化，保留部分特別的傳輸和交換方式，有利于發(fā)揮衛(wèi)星通信的特點(diǎn)而獲得更高的衛(wèi)星資源利用率和達(dá)到更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

由于基于 Ka頻段的 LEO衛(wèi)星群蜂窩網(wǎng)的發(fā)展，不僅使可用頻率資源和通信容量大幅度增長(zhǎng)，而且使用戶終端的成本大大降低，衛(wèi)星通信無(wú)縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)，在國(guó)際民用通信市場(chǎng)中確實(shí)可以占據(jù)一個(gè)不小比例。但是我國(guó)的情況略有不同。由于基于4G的地面蜂窩網(wǎng)在我國(guó)民用通信市場(chǎng)中占有比例明顯高于國(guó)外大多數(shù)國(guó)家，而衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力還遠(yuǎn)不如 4G，目前衛(wèi)星通信可實(shí)現(xiàn)的可用頻率資源的地域覆蓋密度，比4G的覆蓋密度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管Google公司正在與SpaceX公司合作，發(fā)射700顆LEO小衛(wèi)星支持因特網(wǎng)接入，還提出將來(lái)擴(kuò)大到4 000顆衛(wèi)星的雄心勃勃計(jì)劃(參見(jiàn)紐約時(shí)報(bào) 2015年 1月 27日，http://www.jiemian.com/article/229397.html)，該公司很可能在國(guó)際民用通信市場(chǎng)中占相當(dāng)大的份額，但預(yù)計(jì)近期還不大可能在我國(guó)市場(chǎng)中占很大份額。

筆者認(rèn)為，衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的應(yīng)用，在我國(guó)近期內(nèi)仍然只是對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的一種重要補(bǔ)充。當(dāng)然，衛(wèi)星通信無(wú)縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)可以產(chǎn)生很高的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)效益，這是無(wú)法用市場(chǎng)份額大小衡量的。民用衛(wèi)星通信在規(guī)模和實(shí)際效益將會(huì)超過(guò)軍用衛(wèi)星通信，我國(guó)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)將由政府主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)主導(dǎo)。因此，衛(wèi)星通信的發(fā)展無(wú)疑是前途光明而且意義重大的。我們應(yīng)該以更強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和更大的創(chuàng)新勇氣去迎接競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了衛(wèi)星通信的近期發(fā)展，包括衛(wèi)星平臺(tái)、頻率資源和主要相關(guān)技術(shù)、衛(wèi)星通信的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的現(xiàn)狀，概述了一些典型的衛(wèi)星系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，討論了產(chǎn)業(yè)化與標(biāo)準(zhǔn)化方面的一些問(wèn)題，展望了衛(wèi)星通信及其應(yīng)用的發(fā)展前景。

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