高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究

宋傳志

摘? 要：隨著時代和科技的快速進步，信息網(wǎng)絡(luò)朝著以多媒體的形式更廣泛地融入人們的生產(chǎn)和生活中的趨勢發(fā)展。信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，進一步促使了信息技術(shù)的發(fā)展，光纖通信發(fā)展出了光傳送網(wǎng)絡(luò)和智能光網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，移動通信從3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到了4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)，而衛(wèi)星通信則通過采用多點波束頻率復(fù)用等技術(shù)發(fā)展出了高通量衛(wèi)星通信息系統(tǒng)。本文通過分析高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用特點和發(fā)展方向，對其應(yīng)用領(lǐng)域進行分析研究。

關(guān)鍵詞：高通量衛(wèi)星? 頻率復(fù)用? 技術(shù)發(fā)展? 應(yīng)用研究

中圖分類號：TN927.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0078-03

Abstract： With the rapid progress of epochs and science and technology， the information network is developing towards multi-media， ubiquitous， broadband and other trends. Demand for the development of information network， further to promote the development of information technology，optical fiber communication developed techniques such as optical transmission network and intelligent optical network， mobile communication from the 3G network development in 4G and 5G network， and satellite communication is through the adoption of multiple beam frequency reuse technology developed， such as high flux satellite communication information system. In this paper， the key technologies of high throughput satellite communication system and their application characteristics and development direction are analyzed and studied.

Key Words： High throughput satellite; Frequency multiplexing; Technological development; Application research

不斷擴大中的衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢，帶動著高速率傳輸服務(wù)需求的持續(xù)上升，從而加速著高通量衛(wèi)星技術(shù)的前進。我們知道頻率是通信系統(tǒng)的基本要素，為了達到擴展通信系統(tǒng)帶寬容量的目的，充分發(fā)掘新的頻率資源和提高頻率使用效率成了基本手段。我國通信衛(wèi)星之前使用的頻段主要集中在C頻段和Ku頻段，技術(shù)成熟易于實現(xiàn)，但也存在可用帶寬窄的劣勢，隨著頻率資源的枯竭，昂貴的頻率資源使得大規(guī)模發(fā)展衛(wèi)星通信應(yīng)用變得很難。與此同時，由于技術(shù)的發(fā)展，利用豐富的Ka頻段頻率資源變成現(xiàn)實，因此，發(fā)展基于Ka頻率的大容量通信衛(wèi)星相較傳統(tǒng)的C頻段、Ku頻段通信衛(wèi)星，具有多點波束、可用頻帶寬、頻率復(fù)用、單點波束增益高等技術(shù)特點優(yōu)勢，可以實現(xiàn)數(shù)倍數(shù)十倍甚至百倍的通信容量提升。同時，還可以使得衛(wèi)星通信的單位帶寬成本得到大幅降低，在帶寬容量、單位帶寬成本等方面變得更有優(yōu)勢，甚至可以使得提供優(yōu)惠的服務(wù)資費與地面4G和5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)抗衡變?yōu)榭赡?，從而與地面通信網(wǎng)絡(luò)同臺展開競爭。為充分挖掘高通量衛(wèi)星的應(yīng)用價值，推動高通量衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展，本文通過對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行分析，明確技術(shù)應(yīng)用特點及發(fā)展方向，分析研究在哪些典型應(yīng)用領(lǐng)域可以使用高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1? 高通量衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方向

衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)空間、功率控制和質(zhì)量限制等對有效載荷影響較大，同時，頻率資源需求急劇增長也使得頻率資源趨向耗盡而導(dǎo)致緊張的形勢，大規(guī)模的通信星座建設(shè)導(dǎo)致軌道資源的緊張境況，這些因素綜合在一起促進了衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新研究力度的加大。

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)由以下幾個部分組成，分別為天基衛(wèi)星平臺、地面用戶終端以及地面關(guān)口站這三大部分。各部分的功能定位分別為，天基衛(wèi)星平臺負責(zé)衛(wèi)星信號的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，地面用戶終端負責(zé)向各類終端用戶提供各種業(yè)務(wù)類型通信服務(wù)，地面關(guān)口站負責(zé)業(yè)務(wù)的接入和交換、運營維護以及提供各類業(yè)務(wù)的支撐服務(wù)。高通量衛(wèi)星具有以下幾方面技術(shù)特點。

1.1 多波束天線技術(shù)

發(fā)展以相控陣天線為代表的多波束天線技術(shù)，能夠使得天線載干比得到有效提高，同時增強頻率利用效率。目前，以Ku頻段為主的常用頻段軌位的頻率應(yīng)用目前已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，后續(xù)的帶寬應(yīng)用受到了限制，所以，為高通量衛(wèi)星應(yīng)用過程為代表的下一代通信衛(wèi)星主要選用Ka頻段。這是因為Ka頻段軌位頻率資源還沒有得到充分的開發(fā)，可用的帶寬較大，可以解決目前的困境。而且，相比于在用頻率、波束賦形和極化方式等都是固定不可調(diào)整的傳統(tǒng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)，高通量衛(wèi)星可以實現(xiàn)在軌實時調(diào)整波束的工作頻率和極化方式等參數(shù)配置，靈活響應(yīng)業(yè)務(wù)需求。為了進一步研究改善高通量衛(wèi)星多波束載干比和增強頻率的復(fù)用效率，這里引入了一項新的應(yīng)用技術(shù)--高增益多波束天線技術(shù)，該項技術(shù)的引入，可以使得高通量衛(wèi)星如何實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量的關(guān)鍵問題變得迎刃而解。而且通過合理應(yīng)用Ka頻段天線，在獲取較高的整體收益前提下，還能有效調(diào)控地面終端的體積，實現(xiàn)終端的小型化，從而獲取較大的運行收益。

1.2 頻率復(fù)用技術(shù)

隨著高通量衛(wèi)星得到各國越來越多的重視，越來越多的系統(tǒng)得到大規(guī)模興建，空間變得擁擠起來，從而會導(dǎo)致可用的頻率資源會變得越來越稀缺，頻率資源變得不可能獨享，而研究以頻率共用技術(shù)為主的復(fù)用技術(shù)，從而達到多星座共存的局面。所以，在高通量衛(wèi)星中合理應(yīng)用多波束技術(shù)，能為頻率復(fù)用提供較大的應(yīng)用空間。頻率復(fù)用就是在多個覆蓋區(qū)域中，不同波束應(yīng)用相同的通信頻率。如果衛(wèi)星波束數(shù)量較多，頻率復(fù)用對系統(tǒng)也具有良好的應(yīng)用價值。頻率復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)是高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化高數(shù)據(jù)信息吞吐量的重點，通過頻率復(fù)用能全面提升衛(wèi)星頻譜利用效率，優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐容量。通過采用點波束和頻率復(fù)用兩種技術(shù)的結(jié)合，使得天線增益得到有效提高，從而達到實現(xiàn)頻率復(fù)用的目的。同時，也會帶來一些需要解決的問題，當(dāng)多個波束共有同一段頻段的時候，就會引入波束間的干擾問題。一方面點波束技術(shù)能夠提高頻率的使用效率，另一方面產(chǎn)生的波束間干擾又降低了波束效率。因此，就要平衡設(shè)計波束的數(shù)量和頻率復(fù)用程度。

1.3 靈活有效載荷技術(shù)

高通量衛(wèi)星為了達到高數(shù)據(jù)吞吐量的目標，需要盡可能地擴大可用通信帶寬，并提高頻譜效率，而這就意味著更大的發(fā)射功率。同時，常規(guī)衛(wèi)星的星上設(shè)計相對簡單，一旦入軌，大部分載荷就很難進行調(diào)整，難以根據(jù)使用需求調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)器提供服務(wù)，造成轉(zhuǎn)發(fā)器使用效率低的問題。這里就引入了靈活有效載荷技術(shù)的概念，轉(zhuǎn)發(fā)器可以實現(xiàn)靈活的覆蓋，能夠在軌調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)器的覆蓋區(qū)域，進行動態(tài)覆蓋調(diào)整，包括波束的大小、數(shù)量及賦形;通過星上處理的方式，實現(xiàn)頻率和帶寬資源的靈活分配，從而實現(xiàn)有效載荷的頻譜資源靈活分配;通過多端口放大器等技術(shù)手段實現(xiàn)星上載荷功率資源的靈活分配。

2? 高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 寬帶接入

衛(wèi)星通信相對地面通信網(wǎng)絡(luò)具有無法比擬的巨大優(yōu)勢，可以無視地理條件限制，為地理位置偏遠地區(qū)提供寬帶接入服務(wù)。此類應(yīng)用具有位置相對固定、用戶數(shù)量眾多和帶寬需求量大等特點，運營商可以采取針對性措施，創(chuàng)新運行模式。高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中設(shè)有關(guān)口站，能提供較多服務(wù)，用戶通過通信終端能獲取寬帶通信服務(wù)，實際產(chǎn)生的通信費用值較低。在過去傳統(tǒng)通信系統(tǒng)應(yīng)用中主要是以租賃轉(zhuǎn)發(fā)器為重點，為此需要構(gòu)建更全面的通信系統(tǒng)，通過不同的服務(wù)進行保障，在此領(lǐng)域中高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用價值較高。必須注意到，雖然高通量衛(wèi)星在邊遠地區(qū)寬帶接入服務(wù)方面具有一定的優(yōu)勢，但在服務(wù)性價比方面相對地面通信網(wǎng)絡(luò)仍不具有優(yōu)勢。此類應(yīng)用在我國農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中具有廣泛前景，雖然光纖傳送網(wǎng)和移動通信網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展到了成熟階段，但因為成本和地理等因素影響，還有部分國土無法實現(xiàn)地面通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，而這就是衛(wèi)星通信發(fā)揮補充作用的機遇。通過行政手段扶持發(fā)展，實現(xiàn)國家寬帶戰(zhàn)略，實現(xiàn)企業(yè)和用戶的利益雙贏。

2.2 中繼通信

針對基于遠端數(shù)據(jù)接入重點網(wǎng)絡(luò)，且對接入點沒有明確要求的中繼通信，可以解決邊遠地區(qū)移動通信網(wǎng)絡(luò)基站的中繼接入問題，具有使用成本低、快速部署、靈活機動等優(yōu)勢。針對實際覆蓋區(qū)域廣、位置相對固定且對通信質(zhì)量及帶寬有較高要求的情況，可以為固定骨干節(jié)點提供寬帶數(shù)據(jù)通信，或者為重要骨干通信提供備份信道。與傳統(tǒng)中繼手段相比，在中繼站的維護、建設(shè)和應(yīng)用等各類費用中，高通量衛(wèi)星中繼站總體費用較低，性價比較高。相對于家庭寬帶用戶的寬帶接入服務(wù)，企業(yè)團體等集團的基站中繼，高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)項目成本、建設(shè)發(fā)展速度、受益人群以及社會經(jīng)濟效益的優(yōu)勢更加明顯。此外，還可為政府部門等特殊需求用戶建設(shè)專用通信網(wǎng)，提供保密性高的安全通信業(yè)務(wù)。

2.3 移動通信

衛(wèi)星終端天線技術(shù)一直是限制衛(wèi)星通信普及的因素之一，隨著與之相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為解決飛機、船只、高鐵和機動車輛等移動平臺通過衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)提供了有效的手段，而且受到地面通信網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)較小?；贙a頻段的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因為飛機大部分時間飛行在平流層，可以忽略Ka頻段的雨衰限制，為用戶提供寬帶接入解決方案。而且，隨著高通量衛(wèi)星的快速發(fā)展，星座建設(shè)逐步趨于完善，衛(wèi)星信號覆蓋范圍趨于無縫銜接，高通量衛(wèi)星的優(yōu)勢會越來越突出。

2.4 應(yīng)急通信

在自然災(zāi)害或者突發(fā)事件中，提供應(yīng)急通信。應(yīng)急通信的特點有突發(fā)性和緊急性，Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信容量大、終端小巧便攜、機動性高等特征，決定其相對于其他各類通信系統(tǒng)更適合在應(yīng)急救援和視頻直播等場景中廣泛應(yīng)用。可以在惡劣條件下進入災(zāi)區(qū)，快速建立通信鏈路，操作相對簡單，需要的保障人員少。與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，由于可以直接接入地面IP網(wǎng)絡(luò)，簡化用戶操作程序，保障了應(yīng)急救援的高時效性。

2.5 軍事通信

現(xiàn)代軍事行動中通信保障對衛(wèi)星通信的需求越來越大，在日常執(zhí)勤訓(xùn)練、遂行多樣化軍事行動以及演習(xí)作戰(zhàn)等任務(wù)中，都離不開衛(wèi)星通信的有力保障。而且，隨著國家軍民融合的深入發(fā)展，將商用衛(wèi)星服務(wù)引入軍用衛(wèi)星通信保障中，占據(jù)的比重也越來越大。以外軍為例，據(jù)報道，美軍租用商業(yè)衛(wèi)星保障占整個衛(wèi)星通信保障量的80%以上。引入商用衛(wèi)星服務(wù)，可以起到緩解軍用衛(wèi)星資源緊張的局面，優(yōu)化保障手段，還可以節(jié)約經(jīng)費的使用。

此外，在第六代移動通信技術(shù)中，融合了高通量衛(wèi)星技術(shù)，從而實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

3? 結(jié)語

高通量衛(wèi)星已經(jīng)成為下一代衛(wèi)星通信的一個代表性發(fā)展方向，隨著各項關(guān)鍵技術(shù)的突破，可以在寬帶接入，中繼基站，移動通信和應(yīng)急通信的典型應(yīng)用場景大展手腳，在實際應(yīng)用中得到全面發(fā)展。高通量衛(wèi)星能全面優(yōu)化頻率資源使用效率，使得衛(wèi)星頻率資源不僅限于Ka頻段，朝著更全面的頻段與帶寬發(fā)展，因此，未來會有更廣闊的發(fā)展空間。結(jié)合市場的發(fā)展需求，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求設(shè)計出有效載荷，根據(jù)用戶和應(yīng)用環(huán)境的實況選擇出合理的業(yè)務(wù)頻段，根據(jù)市場區(qū)域和用戶特點規(guī)劃出高效的系統(tǒng)架構(gòu)，從而設(shè)計出符合市場發(fā)展的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮出其在社會效益和經(jīng)濟效益中的獨有優(yōu)勢。

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