衛(wèi)星通信的 新發(fā)展

程磊　李廣俠　朱宏鵬 （解放軍理工大學通信工程學院）

衛(wèi)星通信的 新發(fā)展

程磊李廣俠朱宏鵬 （解放軍理工大學通信工程學院）

衛(wèi)星通信是地球上的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進行的通信，具有通信距離遠、覆蓋范圍廣、不受地面條件約束、建站成本與通信距離無關、靈活機動、能多址連接且通信容量較大等優(yōu)點，在全球許多領域應用效果很好，尤其在軍事上具有重要的應用價值。進入21世紀以后，新的設計理念的提出和新型技術的采用使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術發(fā)展和應用水平又一次達到新的高度。

1　 衛(wèi)星通信新理念及新方式

智能手機衛(wèi)星

美國航空航天局（NASA）于2013年成功地推出了三顆智能手機衛(wèi)星（smart-phone sat），在這3顆衛(wèi)星中有2顆衛(wèi)星，是使用HTC -Nexus One智能手機以及谷歌的安卓操作系統(tǒng)作為基礎構建而成。

智能手機衛(wèi)星是一種“微納衛(wèi)星”，其主要特點是將智能手機的電子元件利用納米衛(wèi)星技術在衛(wèi)星平臺上進行裝載，發(fā)射到繞地軌道上。智能手機作為衛(wèi)星的星載計算機被安放在側(cè)面面積為25.8cm2大小的立方體衛(wèi)星結(jié)構中，其傳感器用來對衛(wèi)星進行姿態(tài)測量，相機用來對地觀測。智能手機衛(wèi)星有很多潛在的優(yōu)勢。

1）智能手機衛(wèi)星實現(xiàn)了衛(wèi)星的小型化：N A S A的3顆手機衛(wèi)星具有相同的尺寸（10cm×10cm×11cm），相比于現(xiàn)有的一些衛(wèi)星來說，面積約25.8cm2的立方體，其體積是微不足道的；

2）智能手機衛(wèi)星實現(xiàn)了衛(wèi)星的低成本：NASA通過使用商用的硬件產(chǎn)品來降低3顆衛(wèi)星的成本，在設計和制作過程中他們只能使用市面上能買到的，即拿即用的硬件部件來進行組裝，并采用最小型化的設計思路，將每顆衛(wèi)星的價格控制在3500～7000美元；

智能手機衛(wèi)星內(nèi)部結(jié)構圖

3）智能手機衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星的高功效：NASA的手機衛(wèi)星已經(jīng)可以滿足多種衛(wèi)星系統(tǒng)需求，包括快速處理器、通用操作系統(tǒng)、多種微型傳感器、高分辨率相機、GPS接收機以及多種無線電信號，衛(wèi)星還采用了先進的制導、導航與控制（GNC）系統(tǒng)，實現(xiàn)了高功效。

智能手機衛(wèi)星將通過無線電向地面?zhèn)魉托l(wèi)星運行狀況信息，以驗證其可以像普通衛(wèi)星一樣在太空中正常工作，嘗試利用自帶相機拍攝地球照片。

研制智能手機衛(wèi)星是對傳統(tǒng)航天器設計的一個挑戰(zhàn)，也是今后衛(wèi)星發(fā)展的一個重要趨勢。

量子衛(wèi)星通信

所謂量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通信方式，是近20年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領域。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠、覆蓋面積大、靈活穩(wěn)定等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的信息安全性難以得到保證。這是由于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信在傳輸過程中是使用開放式無線接口的方式。而量子通信則不然，量子通信作為衛(wèi)星通信技術的一個新的發(fā)展方向，根據(jù)量子的不可克隆定理和測不準原理，其安全保密可以得到保障。近年來，量子通信在理論和實踐上均已經(jīng)取得了較大突破，我國也在國家“973”計劃量子信息學項目的支持下，對量子信息學，特別是量子保密通信領域進行了深入的研究。

在未來，量子技術是非常有前途的，但是在通信過程中量子算法和協(xié)議的差異仍然是一個比較嚴重的問題。想要充分利用自由空間量子通道的優(yōu)勢，就必須使用空間技術和衛(wèi)星技術。從當前的情況來看，在接下來的幾年里，全世界范圍內(nèi)將會進行越來越多的自由空間和低軌道衛(wèi)星的量子實驗，對量子糾纏和量子密鑰分配進行研究，實現(xiàn)量子保密通信。在接下來的5～10年內(nèi)，研究的重點是如何在衛(wèi)星信道共享一個糾纏的量子比特。

而在量子衛(wèi)星通信中，量子密鑰分配和其他量子計算的算法要考慮以下3種情況：①地面上2個實體之間的自由空間通信，在這種情況下，沒有衛(wèi)星參與；②衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信，如果2顆衛(wèi)星在相互的視距范圍內(nèi)，就能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸給對方；③地面衛(wèi)星通信（或衛(wèi)星地面通信），其中一方是衛(wèi)星，另一方是地面站。

衛(wèi)星認知通信

由于高數(shù)據(jù)速率的需求增加，頻率擁擠已經(jīng)成為衛(wèi)星多媒體和衛(wèi)星頻段廣播服務的重要問題，而探索提高衛(wèi)星通信頻譜效率的新技術已成為一個重要的研究項目。而解決頻譜短缺問題，衛(wèi)星認知通信是一種較好的解決方案。該方案通過評估當前的最新水平來商討不同的認知技術，如襯墊（underlay）、覆蓋（overlay）、交織和數(shù)據(jù)庫（DB）相關技術。

1）襯墊技術，是采用不同的干擾監(jiān)測和資源分配的一種通信技術。在襯底技術中，干擾可以通過以下方法進行控制：①使用較多的天線，在發(fā)射端采用合適的波束成形技術，以減少干擾；②選擇寬帶寬，認知信號進行擴頻后，夾雜在噪聲中傳播，最后在認知接收機處解擴；③實行電源控制，在發(fā)射端選用合適的功率，確定合適的信號電平。

2）覆蓋技術，其編碼技術主要是由初級用戶和認知用戶之間的干擾水平來決定的?？梢圆捎梅謺r來決定采用不同的技術，以便于通信協(xié)議適應信道條件。

3）交織技術，在衛(wèi)星認知場景里有廣泛的應用，比如在地面基站和衛(wèi)星的協(xié)作的考慮方案中，交織技術就是一項很重要的技術。探索聯(lián)合交織的適用性也是未來一個重要的領域。此外，交織技術可以用來解決衛(wèi)星通信中隱藏節(jié)點問題。

4）數(shù)據(jù)庫技術，就是通過二次系統(tǒng)查詢，在數(shù)據(jù)庫中找出空閑頻段，并在這些頻段上傳輸。該技術不存在一級系統(tǒng)和二級系統(tǒng)之間的同信道干擾問題。數(shù)據(jù)庫技術主要用于空閑頻段的靜態(tài)分配，這是由于動態(tài)分配難以實現(xiàn)。

地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡是2個獨立的網(wǎng)絡，是允許存在相同的頻譜的。在低干擾區(qū)域，衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡之間互動少，相同的頻譜共存的可行性大，然而，在高干擾區(qū)域，衛(wèi)星和地面系統(tǒng)之間的相互作用較多，頻譜不能共存。

認知技術適用于高低干擾不同的區(qū)域。在干擾電平較高時，通過使用干擾抑制技術抑制干擾的可能性較小。在這樣的情況下，為了能夠達到最佳性能，最好是使用交織和數(shù)據(jù)庫技術。其中，從長遠角度來看可用數(shù)據(jù)庫技術，短期考慮可用交織技術。如果干擾電平是低的，系統(tǒng)之間的干擾可以通過使用襯底技術進行抑制。覆蓋技術可以通過使用先進的編碼和調(diào)制技術在這兩種干擾情況下使用。

認知系統(tǒng)適用于地球表面高低干擾不同的區(qū)域

2　 新的天線技術

微帶天線

目前，對天線的研究，其重點在于尋找一個高增益、低成本和低質(zhì)量平面天線。近年來，隨著新的發(fā)展思路的提出，天線技術有了進一步的發(fā)展。微帶天線就是近年來提出并設計的一個最具創(chuàng)新性的天線理論，該類天線在各類系統(tǒng)中得到廣泛的應用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)、“全球定位系統(tǒng)”（GPS）的上行頻率和下行頻率間隔較大，一般使用2個不同的單波段天線來實現(xiàn)發(fā)送和接收。微帶天線的雙頻操作可以避免“1個系統(tǒng)2個不同單波段天線”的現(xiàn)象。

微帶天線有很多優(yōu)點，比如能夠使用標準的集成電路技術制作，具有低剖面，能夠在天線陣列和電子元件中進行集成。當然，微帶天線也有缺點：①會受到窄帶輻射的影響，窄帶輻射的大小約為中心頻率的1%；②低增益，微帶天線相對于一般天線來說增益較低；③較低的極化純度；④容差問題和功率容量受限?？偟膩碚f，微帶天線是有較大發(fā)展前景的。

多元天線陣列

隨著衛(wèi)星固定通信和衛(wèi)星移動通信的迅速發(fā)展，衛(wèi)星對于信息容量的需求越來越大，基于這個觀點，天線在Ku和Ka頻段進行雙極化操作以及天線頻率向著比Ka頻段更高的頻段變化是發(fā)展的必然趨勢。目前，有很多Ku頻段具有高隔離的雙極化微帶天線已經(jīng)研究成功，這類微帶天線通常使用多層結(jié)構來增加帶寬。

現(xiàn)有一個128陣元的寬帶雙頻雙極化的Ku頻段微帶陣列天線，該天線是通過孔徑耦合和空氣層插入技術來實現(xiàn)寬帶的。陣列天線的設計方法是：①2個H型耦合于T形的接地平面槽上，以此來改進天線的隔離問題；②4個4×8陣元的天線陣列并行工作，并通過一個寬帶1～4功率分配器進行功率供給。

該天線陣列的性能特點：①水平極化端口的工作頻段在11.5～12.76GHz時，電壓駐波比小于1.5 （VSWR≤1.5），相對阻抗帶寬約為10.07%；②垂直極化端口工作頻段在13.78～14.49GHz時，電壓駐波比小于1.5（VSWR≤1.5），相對阻抗帶寬約為5.02%；③天線陣列在2個頻段最大增益分別達到26.2dB和24.1dB。

U形槽貼片天線

U形槽貼片天線是一種能夠同時適用于4 G Wi MAX（3.4 GHz）和衛(wèi)星應用（4.9 GHz）的多波段微帶貼片天線。該天線可以在3 . 4 G H z、 4.4GHz、4.9GHz三個諧振模式下工作。移動設備可以通過這樣一根天線直接進行與衛(wèi)星之間的通信。

現(xiàn)有U形槽天線元件：寬3 7 m m，使用長度27mm，基板的厚度1.5mm。設計的天線元件具有兩個插槽，其中一個是U形的，另一個是矩形的，該天線的饋是共軸的，具有良好的阻抗匹配。U槽的尺寸： 長10.2mm，寬5.5mm。所設計天線的性能分析如下：①天線具有良好的性能（低于-10dB），工作頻率在3.4GHz處的回波損耗是-19.5dB，在4.4GHz處的回波損耗是-29dB，在4.9GHz處的回波損耗是-27dB；②天線在頻率分別是3.4GHz和4.9GHz處達到最大輻射功率9mW；③天線工作在3.4GHz處的效率是94.5%；④天線的U形槽結(jié)構在所有方向都有輻射，是不定向天線；⑤天線在同極化達到最大值時，其交叉極化分量較小。

利用軟件無線電實現(xiàn)智能天線系統(tǒng)

智能天線技術

智能天線技術也稱自適應天線技術，主要由三部分組成：實現(xiàn)信號空間過采樣的天線陣；對各陣元輸出進行加權合并的波束成型網(wǎng)絡；重新合并權值的控制部分。該天線技術的主要思想是利用同步碼分多址（SCDMA），考慮傳輸信號在各傳輸方向上的差異， 將同頻率或同時隙的信號區(qū)分開來， 讓信道資源得到最大限度的利用。與傳統(tǒng)天線相比，智能天線除了有抗干擾、抗衰落等優(yōu)點之外，它還可以同樣起著電磁波的輻射和感應作用。

在衛(wèi)星通信中，智能天線就相當于一個空時濾波器，在多個指向不同用戶的并行天線波束的控制下，可以顯著降低用戶信號彼此間的干擾。具體而言，智能天線的優(yōu)勢主要在于：①擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域；②增加系統(tǒng)容量；③提高頻譜利用效率；④降低基站發(fā)射功率，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。

由于智能天線技術主要是針對不同的通信系統(tǒng)的傳輸特性，選用不同的算法來調(diào)整波束，因此軟件無線電（SDR）將是未來智能天線研制的重要系統(tǒng)架構，而運用軟件無線電系統(tǒng)架構發(fā)展智能天線的最大挑戰(zhàn)在于各種算法的建立。

正交頻分復用系統(tǒng)的結(jié)構框圖

3　 物理層傳輸技術

編碼調(diào)制技術

隨著衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，對通信系統(tǒng)的各項指標的要求也越來越高，而選用合適的編碼調(diào)制技術能夠提高系統(tǒng)的性能。

現(xiàn)在衛(wèi)星通信的信道編碼基本采用低密度奇偶校驗碼（LDPC）來代替Turbo碼，這主要是低密度奇偶校驗碼有以下優(yōu)點：①低密度奇偶校驗碼的性能優(yōu)于Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的誤碼平層特性；②硬件復雜度較低，且可以實現(xiàn)并行操作，適合硬件實現(xiàn)；③吞吐量大，具有高速譯碼的能力。由于高階有限域上的低密度奇偶校驗碼（多進制低密度奇偶校驗碼）相對于二進制來說性能更優(yōu)，現(xiàn)在已經(jīng)開始了衛(wèi)星通信中多進制低密度奇偶校驗碼的理論研究。

在寬帶衛(wèi)星通信中，調(diào)制方式的選擇可遵循如下4條規(guī)則或依據(jù)：①盡量使用恒包絡調(diào)制來克服衛(wèi)星通信系統(tǒng)的非線性；②盡量使用誤比特率低的數(shù)字調(diào)制技術，或信噪比高的模擬調(diào)制技術，節(jié)省衛(wèi)星功率；③盡量選擇頻帶利用率高的調(diào)制方式，提高頻帶利用率；④盡量選擇更高階的PSK類信號(如：64PSK、256QAM等)，減少其占用轉(zhuǎn)發(fā)器的功率。

目前較適合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的調(diào)制方式主要有以下幾種：①多進制數(shù)字相位調(diào)制（MPSK），32PSK和64PSK的頻帶利用率分別比正交相移鍵控（QPSK）提高了1.5倍和2倍，但階數(shù)越高，功率損失越大；②多進制正交幅度調(diào)制（MQAM），在同等頻帶利用率的情況下，多進制正交幅度調(diào)制比多進制數(shù)字相位調(diào)制的功率損失小，如目前正在廣泛研究的256QAM等。

正交頻分復用技術

在衛(wèi)星通信中，正交頻分復用（OFDM）技術正處于快速發(fā)展中。正交頻分復用技術是一種特殊的多載波傳輸方案，它既可看作是一種調(diào)制技術，也可看作是一種復用技術。它的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸。其優(yōu)點是能對有限的頻帶資源進行有效利用，并且能夠很好地對抗頻率選擇性衰落和符號間干擾（ISI）；正交頻分復用能夠提供大容量的信息傳輸，并解決了在移動終端傳輸高速數(shù)據(jù)時信道性能變差的問題；而且正交頻分復用技術的抗多徑衰落、頻譜利用率高等優(yōu)點，適合在寬帶衛(wèi)星通信這種環(huán)境下進行高速傳輸。

但是正交頻分復用也有缺點：同步偏差非常敏感和峰均功率比（PAPR）高，這2個問題會使正交頻分復用整體性能下降。針對這些問題，正交頻分復用做了如下改進：提出恒包絡正交頻分復用，解決了正交頻分復用高峰均功率比問題，使得其峰均功率比變?yōu)?dB，大大節(jié)省了功耗，并且增加了系統(tǒng)的靈活性，更加有利于系統(tǒng)的更新和升級。

交織分多址系統(tǒng)的結(jié)構框圖

多輸入多輸出技術

目前，衛(wèi)星通信面臨著業(yè)務急劇增長和頻譜帶寬不足等問題。而多輸入多輸出（MIMO）技術的主要思想是利用多天線來抑制信道衰落，能夠在不增加發(fā)射功率和帶寬的情況下，獲得與天線數(shù)量成線性增長關系的容量增益和頻譜利用率。衛(wèi)星通信系統(tǒng)如何利用多輸入多輸出技術的優(yōu)勢，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸能力，成為目前研究的一個重要方向。

多輸入多輸出算法方案可以分為空時編碼方案（天線分集）和空間復用方案：通過空時編碼增加傳輸?shù)目諘r冗余信息，可以提高傳輸?shù)姆€(wěn)健性；通過空間復用可以創(chuàng)建并利用并行通道傳輸獨立的信息流，從而提高系統(tǒng)的容量增益。

根據(jù)衛(wèi)星采用的載荷方式的不同，衛(wèi)星多輸入多輸出技術可具體分為星上處理多輸入多輸出技術的研究和星上透明轉(zhuǎn)發(fā)多輸入多輸出技術的研究。根據(jù)傳輸構建的機制不同，多輸入多輸出技術可以為以下3種情況考慮：①極化方式不同，可以由1顆衛(wèi)星和1個地面站進行簡單的分析，可將衛(wèi)星和地面站均裝載兩個不同極化方式的天線進行多輸入多輸出傳輸。這種方式復雜度較低，但是能夠獲得的增益也較為有限；②多個地面站，可以由1顆衛(wèi)星和多個地面站組成，衛(wèi)星上裝載2個天線，地面由多個站構成，每個地面站上裝載一個天線。該方式在地面多個站的分布分散，抗打擊性較強，在軍事領域擁有比較大的應用前景，同時能夠獲得比第一種方式更大的容量增益；③多個衛(wèi)星實現(xiàn)，可以由多顆衛(wèi)星和一個或多個地面站所構成。這種方式所構建的多輸入多輸出系統(tǒng)能夠獲得最大的容量增益，但不足的是其系統(tǒng)復雜度最大，付出的代價最高。該方式在以后的衛(wèi)星通信上發(fā)展前景很大，但是現(xiàn)在還處于理論分析階段。

衛(wèi)星多輸入多輸出傳輸系統(tǒng)需要解決的關鍵技術包括：信道估計技術、分集接收的信號處理技術、信號同步技術（包括地面多個站之間信號同步問題和多顆衛(wèi)星之間信號同步問題）、空時編碼技術等。

交織分多址技術

為了提高RW-CDMA的系統(tǒng)容量，并降低接收機的復雜度，香港城市大學李蘋教授等人提出一種基于交織器的多址方案—交織分多址（IDMA）。

交織分多址系統(tǒng)的基本原理：在發(fā)送端，多用戶信號通過各自對應的交織器后，復接入信道；在接收端，通過Turbo結(jié)構的迭代譯碼理論進行譯碼。具體來說，交織分多址系統(tǒng)相對于碼分多址（CDMA）系統(tǒng)有以下的不同：①交織分多址運用了碼片交織器，將其作為區(qū)分不同用戶的唯一方法；②交織分多址將前向糾錯碼（FEC）和擴頻完美結(jié)合起來，使其編碼增益和多址信道容量（MAC）達到最大化；③交織分多址在接收端運用了碼片到碼片的Turbo結(jié)構迭代多用戶檢測器，復雜度低，性能高。

交織分多址系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)的碼分多址系統(tǒng)的很多優(yōu)點，如：動態(tài)信道共享、靈活的傳輸速率適配、軟切換、衰落分集以及抗相鄰小區(qū)干擾等，同時與碼分多址系統(tǒng)相比，交織分多址系統(tǒng)具有自身的很多優(yōu)勢，如：具有更高的頻譜效率、擴大系統(tǒng)容量、更好的多用戶通信性能、較低的接收復雜度等。

交織分多址被公認為未來衛(wèi)星通信可能采用的技術之一，交織分多址的優(yōu)良特性使其與其他技術的結(jié)合成為目前研究的熱點問題。

1)交織分多址技術和多輸入多輸出技術的結(jié)合。交織分多址的迭代檢測思想可以應用到多輸入多輸出系統(tǒng)中，得到多輸入多輸出-交織分多址方案。

2)交織分多址和正交頻分復用的結(jié)合。正交頻分復用-交織分多址的基本原理：利用正交頻分復用技術抑制符號間干擾（ISI），利用交織分多址技術抑制多址干擾（MAI）。

交織分多址-正交頻分復用系統(tǒng)的結(jié)構框圖

4　 總結(jié)

在通信技術發(fā)展的推動下，衛(wèi)星通信將獲得更大發(fā)展，尤其是各種新技術的實現(xiàn)，新理念的提出，將使衛(wèi)星通信產(chǎn)生革命性的變化。本文從新的設計理念、新的信道技術等方面介紹了衛(wèi)星通信新技術的發(fā)展，并對衛(wèi)星通信今后的發(fā)展前景進行了一定的預測。衛(wèi)星的小型化、低成本、高功效將成為今后一段時間衛(wèi)星的發(fā)展趨勢，智能手機衛(wèi)星的發(fā)射將帶動新一輪衛(wèi)星系統(tǒng)的變革。量子通信和認知通信是近年來的研究熱門，同時，新的天線技術、物理層傳輸技術也將給衛(wèi)星通信的美好前景帶來助力。接下來，衛(wèi)星通信網(wǎng)會進一步向小型化、智能化、經(jīng)濟化的方向發(fā)展。

New Trends in Satellite Communications