花 江，王永勝，喻火根

（1.中國西南電子技術研究所，成都610036;2.空軍裝備部科研訂貨部，北京 100843）

衛(wèi)星通信新技術現(xiàn)狀與展望*

花 江1，＊＊，王永勝2，喻火根1

（1.中國西南電子技術研究所，成都610036;2.空軍裝備部科研訂貨部，北京 100843）

衛(wèi)星通信技術已成為陸?？仗煲惑w化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的重要組成部分。介紹了衛(wèi)星通信新技術中星上載荷、物理層傳輸、衛(wèi)星通信天線和更高頻段衛(wèi)星通信等技術的現(xiàn)狀，深入分析了它們的發(fā)展趨勢，提出了有待進一步研究的關鍵技術，為我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計提供借鑒和思路。

衛(wèi)星通信;星上載荷;物理層傳輸;先進天線

1 引言

自從Arthur C.Clarke于1945年提出衛(wèi)星通信［1］概念后，經(jīng)過60多年的發(fā)展，衛(wèi)星通信已在通信廣播、軍事偵察、氣象預報、導航定位等領域得到廣泛應用。相比于地基通信方式，衛(wèi)星通信具有覆蓋面廣、多址傳輸、基本不受地形地物限制、不依賴已有通信設施、能迅速布設/撤收通信網(wǎng)、能按戰(zhàn)場的瞬息變化動態(tài)組合網(wǎng)絡形式、利于協(xié)同通信和越級指揮通信等特點。但隨著信息全球化和互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字多媒體通信需求的不斷增長，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信技術已經(jīng)很難滿足高速通信的要求。

近年來，為了適應現(xiàn)代衛(wèi)星通信業(yè)務的需求，研究人員提出了大量衛(wèi)星通信新技術。其中，一些新技術已被歐美應用于實際衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。相比之下，現(xiàn)階段我國衛(wèi)星通信雖然取得了一定的成績，但與國外發(fā)展水平相比仍存在較大差距。在市場需求和國家強力扶持下，應充分消化和利用衛(wèi)星通信先進技術，從而快速縮小與國外的差距。

本文重點關注衛(wèi)星通信中的星上載荷、物理層傳輸、衛(wèi)通天線和更高頻段衛(wèi)通等新技術，在總結(jié)這些新技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，進一步指出了未來的發(fā)展趨勢。

2 先進星上載荷技術

為了提高競爭力，通信衛(wèi)星服務商應在降低服務成本的同時進一步提升系統(tǒng)容量。其中，星上載荷技術在增加通信衛(wèi)星靈活性和容量方面發(fā)揮了重要作用［2］。

2.1 多波束天線載荷

早期衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常采用多波束天線（Multi－Beam Antenna，MBA）載荷來增加通信容量。圖1給出了模擬彎管式MBA載荷結(jié)構(gòu)示意圖，其中，LNA（Low Noise Amplifier）代表低噪聲放大器，D/C代表下變頻器，U/C代表上變頻器，HPA（High Power Amplifier）代表高功放放大器。在滿足天線限定和特定信擾比限定的條件下，MBA載荷通過合理選擇波束和子頻帶數(shù)量來最大化頻率復用因子。然而，該載荷技術的子頻帶交換能力有限，且只有在通信業(yè)務均勻分布的場景下才能最大化通信容量。不幸的是，波束間的通信業(yè)務通常是非均勻的。

圖1 模擬彎管式MBA載荷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Analog bent pipe multi－ beam antenna（MBA）payload

2.2 數(shù)字信道化載荷

為了克服MBA載荷技術的缺點，數(shù)字信道化（Digital Channelizer，DC）載荷技術被提出。該載荷技術可通過實際通信業(yè)務流量從空間和時間上動態(tài)匹配波束帶寬。圖2給出了基于MBA的DC載荷結(jié)構(gòu)示意圖。圖中MCD（Multi－Channel Demultiplexer）實現(xiàn)多路信號的解復用，MCM（Multi－Channel Multiplexer）實現(xiàn)多路信號的復用，A/D代表模數(shù)轉(zhuǎn)換器，D/A代表數(shù)模轉(zhuǎn)換器。由圖2可知，DC位于MBA系統(tǒng)的中心，其主要包括模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多波束信道去復用/復用器和數(shù)字信道化器。DC可將輸入波束的任何信道路由至輸出波束的任何信道，同時可自動調(diào)整信道的絕對和相對增益?；贛BA的DC載荷技術與模擬彎管式MBA載荷技術的明顯區(qū)別在于:前者的信號交換在數(shù)字域中實現(xiàn)，且交換頻帶可靈活變化;后者的信號交換在模擬域中實現(xiàn)，交換帶寬通常為一個子頻帶帶寬?；贛BA的DC載荷技術陸續(xù)在一些商用和軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到應用，如亞洲蜂窩衛(wèi)星通信系統(tǒng)（ACeS）、“瑟拉亞”（Thuraya）系統(tǒng)、移動目標用戶系統(tǒng)（MUOS）和寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS）。

圖2 基于MBA的DC載荷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Digital channelizer（DC）based on MBA payload

當采用靈活的行波管功率放大器時，DC載荷技術可在有限增加系統(tǒng)開銷的前提下提升衛(wèi)星有效容量。分析表明，相比于MBA載荷，基于MBA的DC載荷技術在典型業(yè)務場景下可提升10%～30%的系統(tǒng)容量［3］，在業(yè)務需求變化劇烈的場景下可成倍提升系統(tǒng)容量［4］。并且，分單元可重構(gòu)的DC載荷設計可提供標準的輸入輸出接口。

2.3 數(shù)字信道化波束成形載荷

圖3給出了數(shù)字信道化波束成形（Digital Channelizer Beamformer，DCB）載荷結(jié)構(gòu)示意圖，圖中BFN（Beamforming Network）表示波束成形網(wǎng)絡。相比于DC載荷，DCB載荷添加了控制相控陣天線的波束成形網(wǎng)絡。DCB載荷接收來自相控陣天線的模擬輸入，經(jīng)過處理后為發(fā)射相控陣天線提供模擬輸出。DCB載荷可為每個激活的接收和發(fā)射信道配置單獨的波束，也可基于業(yè)務需求和潛在干擾波束位置自適應地產(chǎn)生信道波束偏轉(zhuǎn)權重，從而動態(tài)地改變每個波束的帶寬、位置和形狀。因此，DCB載荷可減少同頻干擾和增加有效信擾比。同時，DCB載荷可通過配置數(shù)字波束成形權值來補償由模擬多波束相控陣天線相位幅度響應變化帶來的損耗。

圖3 DCB載荷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Digital channelizer beamformer（DCB）payload

DCB載荷技術一般應用于移動衛(wèi)星業(yè)務（Mobile Satellite Service，MSS），該業(yè)務的需求變化劇烈，并且該業(yè)務渴望的天線性能一般超過了實際可配置模擬MBA。為了支持高有效容量需求的MSS系統(tǒng)，Thuraya和國際移動衛(wèi)星（Inmarsat－4）系統(tǒng)都配置了DCB載荷。

2.4 全再生處理載荷

圖4給出了全再生處理（Fully Regenerative Processor，F(xiàn)RP）載荷結(jié)構(gòu)示意圖，圖中 MCD3（Multichannel Demultiplexer，Demodulator，Decoder）實現(xiàn)對多路信號的解復用、解調(diào)和解碼，MCEM2（Multichannel Encoder，Modulator，Multiplexer）實現(xiàn)對多路信號的編碼、調(diào)制和復用。FRP星上處理系統(tǒng)首先對進入MBA的上行模擬輸入信號采樣，然后通過數(shù)字頻分分路技術將每路輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱温穯屋d波信號，最后對每路單載波信號進行解調(diào)解碼，從而恢復出上行鏈路的原始信息流。FRP載荷的核心部件是快速分組交換器（Packet Switch）。該交換器通過對數(shù)據(jù)的高效分組和搬移來獲得統(tǒng)計復用增益。相比于DC載荷和DCB載荷，F(xiàn)RP載荷的分組交換器可支持至少25倍于DC載荷和DCB載荷的數(shù)字交換帶寬。此外，當圖4中的模擬MBA換成相控陣天線時，F(xiàn)RP星上處理系統(tǒng)在頻分分路操作后同樣可進行數(shù)字波束成形。

圖4 FRP載荷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Fully regenerative processor（FRP）payload

在FRP載荷中，上行信道的編碼調(diào)制方案可與下行信道不同。并且，F(xiàn)RP載荷的上行信道和下行信道也可采用不同的鏈路協(xié)議。然而，為了最小化載荷體積、重量和功率（SWaP），MCD3和MCEM2均采用ASICs實現(xiàn)。這將導致FRP星上處理系統(tǒng)不夠靈活，如:不能支持使用不同于FRP載荷通信協(xié)議的上行或下行終端。Iridium和Spaceway兩種商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用了FRP載荷。

2.5 軟件定義載荷

為了兼具靈活性和高有效容量性，基于軟件無線電（Software defined Radio，SDR）的軟件定義載荷（Software Defined Payload，SDP）被提出。SDP能夠靈活地實現(xiàn)衛(wèi)星載荷的重構(gòu)，以便支持衛(wèi)星上下行鏈路協(xié)議中關于信號處理、交換以及終端接入等需求的變化。在現(xiàn)階段，無論從設備的體積、重量還是功耗上來說，實現(xiàn)SDP都要花費巨額資金。雖然隨著器件工藝和空間數(shù)字處理技術的發(fā)展，實現(xiàn)SDP的代價和風險在逐步降低，但SDP的最終實現(xiàn)仍需如下一些技術的發(fā)展:ASIC技術、DSP和FPGA技術、高速低功率數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術、高速串行鏈路技術、高密度模塊化封裝技術和架構(gòu)/算法的跨層設計和優(yōu)化技術。圖5給出了SDP載荷處理流程和架構(gòu)［2］，圖中 GPP（General Purpose Processor）表示通用處理器，GPU（General Purpose Processor）表示圖形處理單元。

圖5 SDP載荷處理流程和架構(gòu)Fig.5 Software defined communications payload processing flow and architecture

為了獲取星上SDR的專業(yè)知識，2012年美國宇航局（NASA）將航天通信與導航（SCaN）試驗臺發(fā)送到國際空間站。SCaN試驗臺是采用新一代SDR技術的先進綜合通信實驗設備，可以在空間進行先進的通信、組網(wǎng)和導航技術研究、試驗和驗證。SCaN試驗臺上裝有3部SDR電臺，這些電臺能采用信號處理硬件（如FPGA、DSP）和通用處理器進行波形重構(gòu)。通過SCaN試驗臺，NASA希望為確定和發(fā)展星上SDP載荷積累經(jīng)驗。

2.6 小結(jié)

在MBA、DC、DCB、FRP 和 SDP 5種衛(wèi)星載荷中，系統(tǒng)容量依次遞增，系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度也依次遞增;但在系統(tǒng)靈活性方面，SDP最大，其次依次是DCB、DC、FRP 和 MBA。

3 先進物理層傳輸技術

為了進一步提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量、可用性和靈活性，很多先進的物理層傳輸技術被提出應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。以下介紹衛(wèi)星通信系統(tǒng)物理層領域的一些技術發(fā)展。

3.1 編碼調(diào)制技術

近年來，許多新一代衛(wèi)星通信傳輸標準紛紛在信道編碼模塊中用低密度奇偶校驗碼（Low－Density Parity － Check Code，LDPC）［5］取代 Turbo 碼。其原因如下:

（1）相比于Turbo碼，LDPC碼不需通過采用很長的交織器來獲得好的糾錯性能;

（2）LDPC碼具有逼近香農(nóng)極限的性能，且?guī)缀蹩蛇m用于所有信道;

（3）LDPC碼描述簡單，硬件實現(xiàn)復雜度較低;

（4）LDPC碼可與其他碼組成級聯(lián)碼。如在歐洲數(shù)字電視衛(wèi)星廣播標準（DVB－S2）中，LDPC碼與BCH碼組成了內(nèi)外級聯(lián)碼。LDPC碼由于其優(yōu)異的性能表現(xiàn)正逐步成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)編碼技術中的關注熱點［6］。

另一方面，為了進一步提高衛(wèi)星頻譜效率，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在信號傳輸中越來越多考慮幅度和相位相結(jié)合的調(diào)制方式，如MQAM和MAPSK。在相同平均功率條件下，MQAM比MPSK的誤碼率低。但傳統(tǒng)的矩形MQAM信號存在較多幅度。當通過衛(wèi)星非線性轉(zhuǎn)發(fā)器時，那些離飽和點較遠的星座點的功率效益不高，那些接近飽和點的星座點非線性失真嚴重。與傳統(tǒng)MQAM相比，MAPSK是一種星座形狀呈圓形，圓周個數(shù)較少的幅度相位調(diào)制方式。在同進制和相同誤碼率下，MAPSK所需功率比MPSK小，且APSK調(diào)制的幅度比QAM調(diào)制的幅度要少。APSK調(diào)制方式便于實現(xiàn)變速率調(diào)制，且易于對轉(zhuǎn)發(fā)器的非線性進行補償。目前，MQAM和MAPSK調(diào)制方式已被多種衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播商業(yè)標準所采用。同時，為了獲得更高頻譜效率，高階QAM和APSK調(diào)制（如256QAM、64APSK）在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了廣泛研究。

此外，隨著通信技術的不斷發(fā)展，人們逐漸接受將編碼與調(diào)制作為一個整體來考慮以提高通信系統(tǒng)性能的設想。基于此，文獻［7］研究了網(wǎng)格編碼調(diào)制（Trellis Coded Modulation，TCM）技術在W頻段低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)下的應用;文獻［8］指出比特交織編碼調(diào)制（Bit－interleaved Coded Modulation，BICM）技術可提升DVB－S2系統(tǒng)頻譜效率。在加性白高斯噪聲信道條件下，TCM通過信號集合擴展、子集劃分標識，以及聯(lián)合編碼和調(diào)制設計，使得在不增加帶寬和不降低有效信息傳輸速率的前提下提高約3～6 dB的編碼增益。BICM通過在編碼和調(diào)制之間增加比特交織器來獲得星座分集的提高，從而改善衰落信道下編碼調(diào)制性能。然而，研究發(fā)現(xiàn)，BICM在加性白高斯噪聲信道條件下性能不理想。為此，BICM － ID（BICM with Iterative Decoding）技術［9］應運而生。BICM－ID將經(jīng)過譯碼器后產(chǎn)生的外信息反饋到解調(diào)端重新加以利用，從而借助該外信息進一步修正解調(diào)器端的比特度量值，然后將該度量值輸入到下一輪的譯碼迭代當中進行譯碼。如此循環(huán)，從而提升BICM方案的性能。為了進一步提升系統(tǒng)性能，LDPC等高效信道編碼可加入BICM和迭代系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，編碼調(diào)制技術為進一步優(yōu)化衛(wèi)星系統(tǒng)性能提供了研究的新天地。

3.2 多載波技術

隨著衛(wèi)星通信寬帶化發(fā)展，以正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）為代表的多載波技術被用來提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落性能和帶寬利用率。OFDM的基本思想是把高速數(shù)據(jù)流通過串并變換成多路并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，從而解決頻率選擇性衰落問題。但相比于地面通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中OFDM的峰均比問題更加嚴重，這將大大降低衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的效率，故衛(wèi)星通信系統(tǒng)需結(jié)合信道編碼技術和非線性失真補償技術來克服峰均比問題。同時，為了進一步改進OFDM性能，編碼OFDM（COFDM）、頻帶分段傳輸OFDM（BTS－OFDM）和時域同步OFDM（TDSOFDM）等被提出用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。特別地，文獻［10］提出在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用恒包絡OFDM（CE－OFDM）技術。該技術是恒包絡調(diào)制技術與傳統(tǒng)OFDM的結(jié)合，它將OFDM信號調(diào)制到恒包絡載波信號的相位中，使CE－OFDM峰均比為0，從而有效解決OFDM系統(tǒng)高峰均比問題。CE－OFDM可看作對OFDM信號進行二次變換。圖6給出了CEOFDM的基帶模型。

圖6 CE－OFDM基帶模型Fig.6 Baseband model of CE －OFDM

近年來，隨著小波理論體系的不斷發(fā)展與完善，小波多載波傳輸技術也逐步引起學者注意并開展研究。其中，小波包多載波傳輸方式是一種基于小波包變換的多路傳輸技術。該技術具有抗頻率選擇性衰落和抗干擾能力，其帶寬利用率和功率譜密度帶外衰減性能優(yōu)于OFDM，且其峰均比抑制算法較OFDM更加靈活多樣。同時，由于小波包樹結(jié)構(gòu)的多樣性，小波包多載波傳輸方式可以非均勻劃分信道。這不但可實現(xiàn)衛(wèi)星上行和下行鏈路的非對稱傳輸，而且可根據(jù)用戶情況實現(xiàn)信道非均勻分配。然而，小波包多載波傳輸方式依賴于小波和消失矩的選擇設計，其對同步干擾較OFDM敏感，同步過程較OFDM復雜。

自小波包多載波傳輸方式提出以來，其已被DVB－H和DVB－T標準選為技術方案。同時，美軍空軍實驗室已于2003年研制出小波包多址通信測試平臺，正式對小波包調(diào)制系統(tǒng)在實際中的應用進行測試。此外，日本名古屋大學和加拿大國家通信研究中心都提出將小波包多載波傳輸方式應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

3.3 多天線技術

為了緩解衛(wèi)星通信業(yè)務急劇增長和頻帶亟待增加的窘境，多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術引起了衛(wèi)星通信研究者的廣泛關注［11］。MIMO技術可在不增加衛(wèi)星端或地面端發(fā)射功率和使用帶寬的情況下，僅通過增加接收與發(fā)送天線的數(shù)量來提高系統(tǒng)容量和改善系統(tǒng)誤碼率性能。目前，有3種可行的衛(wèi)星MIMO傳輸構(gòu)建方式被提出［12］，即多極化方式［13－14］、多地面站方式和多顆衛(wèi)星方式。這3種方式均適用于星上透明彎管載荷和星上再生處理載荷。

在多極化方式中，單顆衛(wèi)星和單個地面站利用不同極化方式的天線在L、S和C頻段構(gòu)建MIMO傳輸。然而，為了保證天線極化方式的正交性，衛(wèi)星和地面站所能裝備的天線很有限，一般只能裝配2根。并且，由于所裝備天線間的距離較近，不同星地鏈路間的信道容易受到影響，故該方式在Ku和Ka等高頻段上不適用?？紤]到多極化方式下信道間的獨立性十分有限，故該方式下獲得的性能增益有限。

在多地面站方式中，一顆衛(wèi)星裝載多幅天線，每個地面站裝載一副天線。為了充分發(fā)揮MIMO傳輸技術優(yōu)勢，多個地面站間的相互間隔應足夠大，一般在幾十公里的距離。相比多極化方式，多地面站方式可通過設置多根天線和多個地面站來獲得更大的MIMO復用和分集增益。并且，多地面站方式中多個地面站可分散分布，這將增大系統(tǒng)抗軍事打擊的能力。

在多顆衛(wèi)星方式中，MIMO傳輸通過多顆衛(wèi)星和一個或多個地面站構(gòu)建。多顆衛(wèi)星間的距離應足夠大，而地面站間的距離可相對縮短。在這種方式下，衛(wèi)星系統(tǒng)可獲得最大的系統(tǒng)容量。但由于衛(wèi)星數(shù)量的增加，系統(tǒng)的復雜度和成本將大幅增大。

當前衛(wèi)星MIMO傳輸系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，很多關鍵技術需解決，如信道估計技術、分集合并接收的信號處理技術、信號到達同步技術、空時編碼技術、衛(wèi)星MIMO系統(tǒng)容量與增益理論分析等。

3.4 鏈路自適應技術

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，鏈路自適應技術是指系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星無線信道在時間、頻率和空間等維度上的變化，動態(tài)地調(diào)整發(fā)射機和接收機傳輸參數(shù)，從而使系統(tǒng)在維持不同業(yè)務的傳輸質(zhì)量的前提下，進一步提高系統(tǒng)平均頻帶利用率，使無線信道資源得到最大限度的利用。

自適應編碼調(diào)制技術（Adaptive Coding and Modulation，ACM）是克服信道時變性和補償鏈路損耗的一項重要的鏈路自適應技術［15－16］。ACM可根據(jù)接收端反饋的接收信道狀況，動態(tài)調(diào)整發(fā)射端編碼速率與調(diào)制方式。同時，ACM可根據(jù)不同接收氣候環(huán)境提供不同編碼碼率和調(diào)制方式。隨著近年來編碼調(diào)制技術的深入發(fā)展，自適應網(wǎng)格編碼調(diào)制、Turbo碼自適應編碼調(diào)制技術、LDPC碼自適應編碼調(diào)制技術和自適應比特交織編碼調(diào)制技術等得到越來越多的研究。研究表明，結(jié)合AMC和高效編碼調(diào)制方案可進一步提升衛(wèi)星信道容量，提高衛(wèi)星傳輸質(zhì)量。

隨著衛(wèi)星通信新理念和新技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路自適應技術也體現(xiàn)出不同的研究特征，如:如何有效地針對物理層、鏈路層以及應用層的不同特點，并參考不同的服務質(zhì)量需求合理設計有效的跨層方案和自適應體系;聯(lián)合多載波技術、多天線技術、先進信道編碼技術等進行聯(lián)合自適應方案設計;考慮鏈路自適應的資源分配策略。

4 先進天線技術

天線作為衛(wèi)星通信設備中的前端部件，對衛(wèi)通質(zhì)量起著至關重要的作用。隨著衛(wèi)通的發(fā)展及技術的進步，傳統(tǒng)的衛(wèi)通天線形式和功能在一定程度上跟不上發(fā)展的需求?，F(xiàn)代衛(wèi)通天線技術正朝著如下幾個主要方向發(fā)展:小型化、寬頻帶天線技術;相控陣天線技術;智能天線技術;可重構(gòu)天線技術。

4.1 小型化、寬頻帶天線技術

隨著大規(guī)模集成電路與空間技術的發(fā)展，各種電子設備都在朝著小型化與微型化方向研制，這使得天線往往成為系統(tǒng)中最笨重的部位而顯露出來，因此要求研制出能與小型化設備相適應的小型天線。天線小型化主要從加載技術、使用特殊材料基片、采用特殊形式、優(yōu)化天線外形結(jié)構(gòu)和利用寬帶匹配網(wǎng)絡等方面來實現(xiàn)。如超短波衛(wèi)通天線可利用寬帶匹配網(wǎng)絡來降低天線高度，采用有源匹配網(wǎng)絡來提高天線性能。

同時，為了支持多種應用需求，衛(wèi)通終端往往需要具有多頻段工作的能力，從而滿足多種衛(wèi)星通信的需求。傳統(tǒng)的衛(wèi)通終端往往通過配置多根天線來實現(xiàn)多頻段工作能力。然而，為了小型化設備，衛(wèi)星終端應盡量減少天線數(shù)量。因此，衛(wèi)通天線需要更寬的工作帶寬。寬頻帶天線技術可通過兩種方式來實現(xiàn)，一是對傳統(tǒng)天線進行改進設計，二是研究新的天線形式。如對于偶極子或單極子天線，可采用附加寬帶匹配網(wǎng)絡、振子變形設計和周期性設計等方法實現(xiàn)寬頻帶性能;對于微帶天線，展寬帶寬可采取降低等效諧振電路Q值、增加厚度、降低介電常數(shù)等手段。此外，分形天線、TEM喇叭天線和Vivaldi天線是近年來研究較多的新形式天線。具體地，分形天線具有自相似性，可實現(xiàn)多頻段性能;TEM喇叭天線和Vivaldi天線具有漸變結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)寬頻帶性能。

4.2 相控陣天線技術

相控陣天線是由許多輻射單元組陣所構(gòu)成的定向天線，各單元的幅度激勵和相位關系可控。典型的相控陣天線利用數(shù)控移相器改變天線陣元的相位分布實現(xiàn)波束的快速掃描，即電子掃描。用于移動衛(wèi)星終端的相控陣天線有兩種形式:采用一維相控陣體制的低輪廓相控陣天線;采用全相控陣體制的共形相控陣天線。低輪廓相控陣天線只在俯仰面利用相控陣掃描，而方位面采用傳統(tǒng)的機械掃描;共形相位陣天線可安裝在具有復雜表面的各種載體上，不影響載體的空氣動力性能，并可充分利用其表面積和增加天線有效孔徑面積。

星載相控陣天線按照波束功能的不同，可分別劃分為區(qū)域覆蓋相控陣天線、寬角掃描區(qū)域相控陣天線和有限區(qū)域掃描相控陣［17］。星載相控陣天線的頻段正在向高頻段擴展，Ku以下頻段相對比較成熟，Ka頻段是目前國內(nèi)外正在快速發(fā)展的領域，而毫米波段、亞毫米波段乃至絲米波段是進一步發(fā)展的領域。目前，光控相控陣天線技術、相控陣天線的抗干擾技術、掃描平面發(fā)射陣技術和相控陣新型器件技術等得到越來越多關注。

4.3 智能天線技術

智能天線技術通過調(diào)整天線陣列中各個天線單元上的可編程器件來改變各個天線單元的權值，從而產(chǎn)生定向的空間波束。產(chǎn)生的天線波束的主波束對準期望信號方向，旁瓣或零陷對準干擾信號，有效接收期望信號，并消除干擾。智能天線相位控制和幅度控制在數(shù)字電路部分實現(xiàn)，而不采用類似相控陣天線的射頻移相器和衰減器。

智能天線技術是在軟件無線電基礎上提出的天線設計新概念，是數(shù)字多波束形成技術與軟件無線電完美結(jié)合的產(chǎn)物。智能天線技術除具有相控陣天線跟蹤速度快、精度高的優(yōu)點外，還可實現(xiàn)多波束、自適應抗干擾等功能，并可利用具體安裝條件進行靈活布陣。智能天線的實質(zhì)是自適應天線陣列，采用自適應算法和數(shù)字波束形成技術。

4.4 可重構(gòu)天線技術

隨著衛(wèi)星通信的飛速發(fā)展，對天線的要求也越來越高。一方面，需要使天線能夠工作在多個頻帶，具有多種工作模式并具有良好的傳輸性能。另一方面，又要減輕天線的重量、減小天線體積并降低成本。正是在這種需求的推動下，“可重構(gòu)天線”的概念被提出［18］，它是采用同一天線或天線陣，通過動態(tài)改變其物理結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個天線的功能。可重構(gòu)天線相當于多個天線共用一個物理口徑，這樣有利于降低通信系統(tǒng)的整體成本、減輕重量、減小雷達散射截面，而且可以避免存在于多個天線之間的電磁兼容問題。

可重構(gòu)天線按功能可分為頻率可重構(gòu)天線（包括實現(xiàn)寬頻帶和實現(xiàn)多頻帶）、方向圖可重構(gòu)天線、極化可重構(gòu)天線和多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線。通過改變可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)可以使天線的頻率、方向圖、極化方式等多種參數(shù)中的一種或幾種實現(xiàn)重構(gòu)，這樣可以通過切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現(xiàn)多種有效的分集。

可重構(gòu)天線作為一種新型的天線，已取得了很大的成果。然而，以下幾個方面有待我們進行深入的探索與研究:可重構(gòu)天線的體系結(jié)構(gòu)和設計方法;開發(fā)水平更高的可重構(gòu)天線仿真工具，探索更有效的優(yōu)化方法;研制開關特性優(yōu)良、大功率的射頻開關。

5 更高頻段衛(wèi)星通信技術

未來的衛(wèi)星通信將向著極高頻（Extremely High－frequency，EHF）甚至激光頻段發(fā)展。由于擁有極寬的帶寬資源，更高頻段衛(wèi)星通信技術可解決頻譜資源日益擁擠的問題，進一步提高系統(tǒng)容量。并且，由于天線尺寸小、波束窄和發(fā)射功率小等特點，更高頻段衛(wèi)星通信技術可獲得更好的抗干擾、低截獲和機動性等特性。

在30～300 GHz的EHF頻段上，研究的重點集中在35 GHz、94 GHz、130 GHz和220 GHz等幾個“窗口”頻率。與EHF其他頻點相比，這些“窗口”頻率的大氣損耗衰減較小。并且，隨著器件、技術、設備等方面的基礎日趨成熟，基于 Q/V頻段（40～75 GHz）和W頻段（76～110 GHz）的EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)已被應用［19］。美國的軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術中繼衛(wèi)星通信（Milstar）和先進極高頻（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）衛(wèi)星是Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的典型代表;意大利太空總署的DAVID（Data and Video Interactive Distribution）任務和WAVE（W－band and Verification）項目是W頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)［20－22］的典型代表。當然，EHF 衛(wèi)星通信系統(tǒng)還存在許多待解決問題，如相位噪聲過大問題、功率放大器的非線性問題等。

衛(wèi)星通信高碼率傳輸需求促進了激光衛(wèi)星通信技術的應用。激光衛(wèi)星通信技術使用激光進行數(shù)據(jù)傳輸，主要用于衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面站或飛機之間的通信。美國、歐洲和日本已從概念和單元技術等方面對激光衛(wèi)星通信進行了大量研究，目前已進入應用性測試階段。相比于微波衛(wèi)星通信系統(tǒng)，激光衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有功耗低、體積小、重量輕、保密性好、數(shù)據(jù)傳輸率高、抗干擾能力強、建造和維護費用較低等優(yōu)點。雖然激光衛(wèi)星通信技術具有很多優(yōu)點，但其一些關鍵技術還有待于進一步研究［23］，如:高功率、高速率激光調(diào)制發(fā)射技術;高靈敏度、復雜環(huán)境下的光信號接收技術;高精度捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）技術;發(fā)射接收光學系統(tǒng)及基臺技術;大氣信道研究。

6 結(jié)束語

發(fā)展衛(wèi)星通信新技術是進一步提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量和服務質(zhì)量的重要手段。本文歸納總結(jié)了星上載荷、物理層傳輸、衛(wèi)星通信天線和更高頻段衛(wèi)星通信等新技術的現(xiàn)狀，并指出了這些新技術的未來發(fā)展趨勢。充分理解和掌握這些新技術對于推進我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

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Status and Prospect of New Techniques for Satellite Communication

HUA Jiang1，WANG Yong － sheng2，YU Huo － gen1
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China;2.Scientific Research Indent Branch，Airforce Equipment Department，Beijing 100843，China）

Satellite communication has become an important part of integrated information network system in which land，sea，air and space are united.This paper introduces the status of satellite payloads，physical layer transmission，communication antennas and high － frequency satellite communication in satellite communication system，analyzes the development trends of these new techniques and presents key techniques to be further studied.Related contents and suggestions provide reference and ideas for the design of China's satellite communication systems.

satellite communication;satellite payload;physical layer transmission;advanced antenna

TN927

A

1001－893X（2014）05－0674－08

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.027

花江，王永勝，喻火根.衛(wèi)星通信新技術現(xiàn)狀與展望［J］.電訊技術，2014，54（5）:674 －681.［HUA Jiang，WANG Yong－ sheng，YU Huo－ gen.Status and Prospect of New Techniques for Satellite Communication［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:674 －681.］

2014－01－02;

2014－04－23

date:2014－01－02;Revised date:2014－04－23

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15328000188@163.com Corresponding author:15328000188@163.com

花 江（1973—），男，四川成都人，高級工程師，主要研究方向為航空通信技術;

HUA Jiang was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1973.He is now a senior engineer.His research concerns aeronautical communication.

王永勝（1979—），男，山西運城人，碩士研究生，主要研究方向為通信工程;

WANG Yong－ sheng was born in Yuncheng，Shanxi Province，in 1979.He is now a graduate student.His research concerns communication engineering.

喻火根（1984—），男，江西高安人，2013年于電子科技大學獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學位，主要研究方向為無線通信。

YU Huo － gen was born in Gao＇an，Jiangxi Province，in 1984.He received the Ph.D.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2013.His research concerns wireless communication.

Email:yuhuogen@163.com