易克初，李怡，孫晨華，南春國

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

1 引言

自1965年美國發(fā)射第一顆商用通信衛(wèi)星以來，衛(wèi)星通信技術及其應用取得了令人矚目的巨大成就。它實現(xiàn)了覆蓋全球豐富多彩的通信服務，不僅在軍事中發(fā)揮了關鍵性作用，也對人類的生產(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[1,2]。

1) 通信覆蓋區(qū)域大，通信距離遠：地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星距地面高度35 860 km，只需一個衛(wèi)星中繼轉發(fā)，就能實現(xiàn)1萬多公里的遠距離通信；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相結合構成龐大的通信網(wǎng)：在一顆衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內，不必依賴顯式的交換，只需利用衛(wèi)星中繼傳輸和多址/復用技術就能構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) 機動靈活：衛(wèi)星通信的建立不受地理條件的限制，無論是大城市還是邊遠山區(qū)、島嶼，隨地可建；通信終端也可由飛機、汽車、艦船搭載，甚至個人隨身攜帶；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，頻率資源相當豐富，并可不斷發(fā)展。

5) 信道質量好、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)定而可準確預算，多徑效應一般都可忽略不計，除非是采用很低增益天線的移動通信或個人通信終端。

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

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

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輻射的宇航級器件，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備具有大功率發(fā)射機、高靈敏度接收機和高增益天線。

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

基于衛(wèi)星通信的特點及其重要作用，本文將從衛(wèi)星通信的可用頻率資源、衛(wèi)星平臺、主要關鍵技術、典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面進行介紹，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；每個轉發(fā)器的帶寬有33 MHz、36 MHz、54 MHz等；Ku后來擴展到800 MHz。

最近十幾年Ka頻段2 GHz帶寬得到了廣泛應用，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文獻[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，可使上述頻率重復使用許多次，可用頻率資源擴大許多倍。此外采用空間激光通信技術擴展信道資源，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。

2.2 通信衛(wèi)星平臺的發(fā)展

衛(wèi)星平臺技術是推動衛(wèi)星通信應用和增強市場競爭力的重要因素。目前，世界上最大的通信衛(wèi)星平臺重達7噸、太陽能電池功率達30 kW，例如美國Loral公司LS20.20衛(wèi)星平臺，發(fā)射質量5～7噸，電源功率17～30 kW，可支持150個轉發(fā)器，2012年發(fā)射SES-4衛(wèi)星所用該公司LS-1300平臺，功率達20 kW。

我國自主研制的最大平臺是東方紅4號平臺，重5 150 kg、太陽能電池功率為10.5 kW，處于實驗階段的東5平臺規(guī)模更大，但與當前國際先進水平仍存在差距。目前我國可用通信廣播衛(wèi)星如表1所示。

表1 通信廣播衛(wèi)星

3 衛(wèi)星通信相關技術及其發(fā)展現(xiàn)狀與前景

3.1 調制解調技術

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

格形編碼調制(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，就能獲得5 dB左右的編碼增益。TCM調制用于衛(wèi)星通信的國際標準早已經(jīng)形成，但因其譯碼復雜度較高，而且不大便于再級聯(lián)外碼以進一步降低誤碼率[7,8]，因此應用并不廣泛。

遙感數(shù)據(jù)傳輸和大容量寬帶衛(wèi)星通信中對于高速調制解調技術有迫切需求，目前我國基于FPGA并行實現(xiàn)的高速調制解調已達到1.5 Gbit/s，已接近國際先進水平[9]。這個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>

正交頻分復用(OFDM)技術作為一種多載波調制方式，由于其抗多徑衰落能力強而在地面蜂窩網(wǎng)第四代(4G)、第五代(5G)移動通信中成為不可或缺的技術[10]，因此人們一直想將其廣泛應用于衛(wèi)星移動通信中。值得注意的是，OFDM本來是不大適于衛(wèi)星下行鏈路這種功率嚴重受限的場合，因為其峰平功率比(PAPR)高，在功放非線性條件下容易產(chǎn)生多載波互調干擾而使鏈路特性變差。雖已研究出多種方法來克服這個缺點，但沒有一種辦法是不需付出巨大代價就能完全解決這個問題的[11,12]，不是頻帶效率顯著降低，就是計算復雜度很高。

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[13]，其目的是為了擴大復接信號的路數(shù)，而非抗多徑衰落；因為其Ku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)境的反射波很難進入天線主瓣，因而多徑效應可忽略不計。我們應當看到如此應用OFDM技術，會使其鏈路信噪比產(chǎn)生明顯損失。

對于基于多波束天線的GEO或LEO衛(wèi)星寬帶移動通信或廣播系統(tǒng)而言，因其多徑衰落非常嚴重，目前下行鏈路不得不采用OFDM體制。其移動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分量多，多徑衰落非常嚴重，采用OFDM技術有其合理性。事實上在衛(wèi)星與地面基站相結合的移動數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中已成功應用OFDM[14]，并已形成了國際標準和我國國家標準[15,16]。

然而衛(wèi)星下行鏈路功率受限問題遠比地面移動通信基站嚴重，驅動多波束衛(wèi)星天線的功放非線性問題更加嚴重。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)星鏈路時延大，不能及時利用信道信息反饋對各子信道的信息速率和發(fā)射功率進行自適應調整?？傊?，衛(wèi)星下行鏈路采用 OFDM 體制只是當前的無奈之舉，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取代它，因為其中約有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的。

3.2 糾錯編碼技術

各種通信業(yè)務信息傳輸?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。當然一般系統(tǒng)不會設計為在傳輸和解調后所得數(shù)據(jù)的 BER就能達到上述要求，因為這需要很高的鏈路信噪比，嚴重浪費發(fā)射功率。而采用糾錯編碼(即信道編碼)技術與調制相結合，只需付出很小的頻帶效率代價就能使 BER降低若干個數(shù)量級。相應地達到指定 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碼、RS碼作為外碼的串行級聯(lián)碼。這是因為卷積碼實現(xiàn)簡單、譯碼門限較低，而RS碼的譯碼復雜度低，在輸入信息誤碼率較高時能獲得較高的編碼增益，例如，3/4卷積碼與RS編碼級聯(lián)情況下在達到BER=10-7時可獲得5.2 dB編碼增益。

并行級聯(lián)形式的Turbo碼[17]和低密度奇偶效驗碼(LDPC)[18]是目前2種最先進的信道編碼算法，自90年代發(fā)展起來并推廣應用之后，很快在地面移動通信等場合得到了很好應用。兩者均有2個突出特點：一是都結合了比特交織技術，能有效地糾正突發(fā)錯誤，而多徑衰落信道等場合正是容易出現(xiàn)突發(fā)性錯誤；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，它們能使整個系統(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，對于QPSK調制采用碼率為0.793的Turbo碼在BER達到10-7時，比采用 RS、卷積碼串行級聯(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[1,19]。

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

對于大尺度衰落信道，例如，存在降雨衰落情況下的 Ka頻段信道，采用自適應編碼調制(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)送的符號速率和功率不變的情況下，根據(jù)接收方反饋回來的Eb/N0估值，自動選擇最佳的調制方式和編碼碼率進行發(fā)送，可以高效地將鏈路余量，例如，Ka頻段的雨衰余量，轉化為數(shù)據(jù)傳輸吞吐量，同時也可避免了偶然出現(xiàn)的干擾對鏈路造成的絕對中斷。目前市場上已有支持ACM功能的產(chǎn)品。

3.3 擴頻通信技術

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

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

DSSS系統(tǒng)中每個符號用一個長度為N的偽隨機序列表示，可使其信號的頻帶擴展N倍，接收端采用同樣的序列進行相關接收解擴，因而可使解擴之后的信噪比提高到解擴之前的N倍，即可獲得N倍的解擴處理增益。N可以很大，例如，GPS中P碼信號的擴頻倍數(shù)N=204 600，即具有53 dB的處理增益。因此它可以在接收信號信干噪比很低的條件下進行通信，可使通信信號具有很強的隱蔽性，并使系統(tǒng)具有很高的干擾容限，例如，允許信干比達50 dB。如果在接收端解擴之前配合某種自適應信號處理算法，例如，自適應陷波、幅度非線性處理或自適應空間陷波等，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)星透明轉發(fā)器可構成隱蔽性很強的重疊通信系統(tǒng)[26]，將功率譜密度極低的DSSS信號重疊在其他正在進行通信的強信號之上進行較低比特率的通信，則信號具有高度的隱蔽性。

跳頻(FH)通信中，發(fā)送端將調制信號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行跳變，接收端采用同樣跳變的本地振蕩進行正交下變頻，變回為零中頻信號再進行基帶解調、符號判決和譯碼。因此FH比DSSS更容易將信號頻譜擴展到更寬的頻率范圍，可獲得更高的處理增益。只要跳頻范圍足夠寬、跳速足夠快，再配合衛(wèi)星多波束天線技術從空間躲避可能的干擾，通信的安全性就有充分的保障。我國已實現(xiàn)的FH系統(tǒng)跳頻范圍可達2 GHz，跳速達上萬跳/秒[27]，接近國際先進水平。

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

3.4 陣列天線技術與衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)技術

1) 陣列天線技術

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用的重要障礙。早期是采用 VSAT(very small aperture terminal)技術來緩解這個問題，即由一個大型中心站與大量的小口徑天線終端站一起構成一個星形網(wǎng)。利用中心站天線增益很高、EIRP(equivalent isotropic radiated power)值很大的優(yōu)勢，來彌補小站因天線口徑小、增益低而使鏈路預算不足的弱點。后來通過開發(fā)更高頻段的轉發(fā)器、增大轉發(fā)器的發(fā)射功率以及采用多波束衛(wèi)星天線技術提高星上轉發(fā)器的接收靈敏度和EIRP，更加有效地實現(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頻段透明轉發(fā)器的寬帶移動通信，其“動中通”天線的成本仍然很高，相當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陣元實現(xiàn)水平方向跟蹤，而采用機械裝置實現(xiàn)垂直方向的跟蹤。星上采用陣列天線技術形成點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，還實現(xiàn)了頻率多次重復利用。衛(wèi)星MBA主要有3種實現(xiàn)方式，即反射面式、透射式和相控陣形式。

反射面MBA由一個或2個反射面和幾個獨立饋源組成，通過饋源照射到反射面形成多波束。反射面MBA具有結構簡單、質量輕和可靠性高等優(yōu)點而最先得到廣泛應用，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，實現(xiàn)了13個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)絡及波束形成控制器等組成，通過相移網(wǎng)絡調節(jié)陣元的激勵幅度、相位實現(xiàn)輻射波束指向的改變。相控陣 MBA具有損耗低、動態(tài)掃描角度大的優(yōu)點，便于形成蜂窩狀MBA。

透射式MBA通過網(wǎng)絡對輻射陣移相，在覆蓋區(qū)形成相對固定的波束，波束對輻射陣不掃描但可校正及微調，更適于星體體積和質量較小場合的應用。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]。

對于上百個以上波束的 MBA，不宜采用反射面式的，而后2種MBA中各個陣元的功率驅動信號的PAPR都很高，這是因為每個陣元的驅動信號都含有其他許多波束的信號，所有陣元的信號通過空間功率合成而形成 MBA。若各個波束的發(fā)送信號又是多載波調制的或多路頻分復用的信號，各陣元信號的PAPR就會更高，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干擾，將成為嚴重的問題[32]。這正是如前所述OFDM 不大適于衛(wèi)星寬帶移動通信下行鏈路觀點的又一個論據(jù)。

2) 衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)技術

頻率資源有限是大力發(fā)展衛(wèi)星通信應用的一個瓶頸。GEO衛(wèi)星采用MBA技術，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，實現(xiàn)頻率資源的多次重復利用。例如，星上采用7小區(qū)簇結構的140個蜂窩狀波束的MBA，頻率資源可重復利用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。由此可見衛(wèi)星MBA技術是開發(fā)大容量衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、增強其市場競爭力的關鍵。目前國外GEO衛(wèi)星MBA的波束個數(shù)可達500個，而我國的這一技術存在較大差距，有可能成為影響市場競爭力的關鍵因素之一。

采用多個LEO衛(wèi)星構成衛(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)，動態(tài)地覆蓋整個地球表面，可使頻率資源重復利用更多次。例如，銥星系統(tǒng)66顆衛(wèi)星[1]、每星48個波束，形成3 168個蜂窩小區(qū)動態(tài)地覆蓋全球表面，其中2 150個小區(qū)按12個小區(qū)簇的方式分配頻帶，因此其頻率資源可重復利用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

假設將來能用4 000顆LEO衛(wèi)星構成星座，每顆星裝一幅500波束的MBA，則總共可形成200萬個直徑約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，則此帶寬可復用266 667次，總的可用頻率資源達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。不過這個假設不是短期內可實現(xiàn)的。

3.5 多址和復用技術

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

無線通信的 4種基本多址方式——頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和隨機競爭多址(Aloha)以及它們的組合，在衛(wèi)星通信中都有重要應用，其中Aloha常常用于多址接入的呼叫申請。多址方式對應的復用方式——FDM、TDM、CDM及其組合也常常伴隨著相應的多址方式出現(xiàn)。

FDMA因其實現(xiàn)簡單而最早在衛(wèi)星通信中得到廣泛應用，但是，當一個透明轉發(fā)器轉發(fā)的多頻帶信號的路數(shù)達到15個以上時，由于難于避免多載波互調干擾而會使系統(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。

基于透明轉發(fā)器由一個大型中心站與許多小站一起，可以基于FDMA/TDM方式構成用戶容量很大的 VSAT網(wǎng)。這是因為轉發(fā)器在轉發(fā) FDMA信號時進行充分的功率回退，可基本上避免多載波互調干擾。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。在中心站對各路信號進行解調譯碼和用戶交換之后，將要發(fā)往各小站的數(shù)據(jù)進行TDM復接和數(shù)字調制后，再通過衛(wèi)星轉發(fā)給各個小站。這種TDM信號屬于單載波調制信號，因此整個外向鏈路(中心站—轉發(fā)器—小站)的功率效率都可達到最高，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)申請按需分配信道，其總的用戶容量能達到數(shù)千個，因而在1980年代末至2000年代初得到了十分廣泛的應用。

由于這種VSAT系統(tǒng)中2個小站之間通信需要借助中心站進行兩跳透明轉發(fā)，不僅浪費一倍信道資源，而且增大一倍延遲。為克服這2個缺點曾發(fā)表許多論文，認為應該將中心站進行的FDMA-TDM轉換搬移到星上去進行[33]。這就要求在星上對許多路信號進行解調譯碼，又導致星上設備復雜很高、信道無法靈活應用2個缺點，因而未得到大力推廣。

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

1990年代末，ViaSat公司采用成對載波多址[35](PCMA, paired carrier multiple access)、基于透明轉發(fā)器構成星形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，但因后者是擴頻信號，其信號強度比前者弱得多，而不影響各小站正常地接收中心站的信號。中心站在接收各小站的弱信號時所受到的干擾正是自己發(fā)送的信號，這可以通過重構而抵消之，因此也可以正常接收。該體制有2個獨特的優(yōu)點：其一是頻率資源可重復應用一次，其二是小站發(fā)送信號的隱蔽性較強。

3.6 星上信號處理和交換技術

1) 星上信號處理

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

星上處理技術(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)字調制信號再生為不含噪聲的新數(shù)字調制信號。接收信號在星上完成分路之后，各路信號通過解調譯碼得到其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，再經(jīng)交換和重新合路得到合路后的各個數(shù)據(jù)流，最后重新編碼調制為新的數(shù)字調制信號發(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再生，即解調譯碼和重新編碼調制這2個環(huán)節(jié)，兩者都可包括其余各種星上信號處理，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)送的信號通過Ka頻段饋送鏈路透明地轉發(fā)到地面關口站，反之亦然。

當然我們也可認為星上交換不屬于OBP，那么無論再生式或非再生式OBP都可支持星上交換，只不過后者只能支持電路交換，而無法支持分組交換。

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，則難以進行擁塞控制，設備復雜度也會過高而難以實現(xiàn)。我國星上ATM交換已經(jīng)投入應用；日本也于2008年發(fā)射的WINDS衛(wèi)星[36]中進行過試驗性應用，可支持3個155.52 Mbit/s的數(shù)據(jù)交換。但ATM交換其他應用實例很少，將來也難有較大發(fā)展。

因特網(wǎng)應用的迅猛發(fā)展加速了衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面因特網(wǎng)的融合，而不只是通過網(wǎng)關實現(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]。當然在星上直接進行IP交換也有不便之處，由于IP分組太長，且長度不固定，因此有人提出在星上進行多協(xié)議標簽交換(MPLS, multi-protocol label switching)，并提出了GEO衛(wèi)星MPLS網(wǎng)絡的總體框架[38]。MPLS交換將IP地址映射為固定長度的標簽而實現(xiàn)IP分組的轉發(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各路信號都進行解調譯碼，當用戶數(shù)很多時，例如，上萬個都在星上進行解調譯碼，其設備的復雜度、體積和功耗太大就成為一個在未來相當長時間內都無法解決的難題。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，各波束的多路信號以FDM方式向下發(fā)送。該體制確實可解決多路信號的 OBP設備復雜度過高的問題。

當時WGS采用這種體制似乎只是權宜之計，若將來微電子技術的進一步發(fā)展，使星上可實現(xiàn)OBP的復雜度提高一兩個數(shù)量級，那么理想的組網(wǎng)方案應該是在星上采用再生式OBP和IP交換相結合，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)務質量：星上非再生式OBP支持的電路交換，有利于支持寬帶實時業(yè)務和大量數(shù)據(jù)流的高速傳輸；而星上IP交換的基本功能，可通過星地協(xié)調媒體層控制管理來實現(xiàn)，仍能支持因特網(wǎng)應用。

3) 連續(xù)波時分復用技術(CWTDM)

CWTDM 實現(xiàn)了多個連續(xù)波信號以時分復用方式共享一條信道進行傳輸，是支持非再生式OBP的重要技術。由于不在星上進行解調譯碼，各路數(shù)字調制信號的復包絡基帶信號本質上屬于連續(xù)波信號，將其送入下行鏈路進行傳輸，需要在每一條信道中傳輸多路連續(xù)波信號，而傳輸這種信號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那樣，以采樣量化所得數(shù)字信號作為數(shù)據(jù)流進行TDM復接、數(shù)字調制后再傳輸，則因衛(wèi)星鏈路不能像微波電纜線路那樣可用高階調制節(jié)省帶寬，而導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，當路數(shù)很多時功率效率會顯著降低，這不適于衛(wèi)星下行鏈路。CWTDM是模擬通信時代遺留下來、直至有兩項發(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行傳輸，適于衛(wèi)星下行鏈路應用。

CWTDM技術有2種形式，一種是分幀交織疊接相加法[40]，另一種是準正交時分復用法(QOTDM,quasi-orthogonal time division multiplexing)[41]。如果將兩者聯(lián)合運用，則可實現(xiàn)任意多路的CWTDM傳輸。

WGS將程控電路交換后輸出到各個波束的多路信號重構為FDM信號后，再由用戶下行鏈路進行傳輸[39]。它的 39個獨立信道都要傳輸 48路的FDM 信號，其驅動信號的 PAPR很高，特別是 2個8波束相控陣天線各陣元驅動信號的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干擾，估計有可能使下行鏈路的信噪比損失高達10 dB[32]。因此WGS選擇這種傳輸方式并非最合理的選擇，切不可把它當作榜樣來模仿。WGS如此設計，應該是考慮兼容美軍已有的許多衛(wèi)星通信終端，而當時又未發(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進行傳輸，不僅可大大簡化星上設備，而且鏈路特性可明顯改善。這是因為CWTDM多路復用信號中每一時段都是單載波調制信號，在非線性功放條件下沒有互調干擾，因此功放管可以幾乎不進行功率回退，功率效率可達到最高。實際上，這就是本文作者曾提出將FDMA- CWTDM轉換代替FDMA-TDM轉換支持非再生式 OBP的方案[42]，它可有效地克服再生式OBP復雜度過高、信道應用靈活性差的缺點。

由此可見，CWTDM是支持基于非再生式OBP的大容量衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的重要關鍵技術。該技術自發(fā)明以來連續(xù)研究了 10多年，也早已對研制出的射頻互聯(lián)系統(tǒng)進行了測試，證明了其可行性，但因工程成熟度不夠而尚未投入實際應用，有待通過實際衛(wèi)星鏈路測試驗證。實際上，關于衛(wèi)星通信中這樣的下行鏈路是否應該采用CWTDM的問題，至今并沒有在決策層專家中達成廣泛的共識，其主要原因也許是同一時期出現(xiàn)的WGS系統(tǒng)轉移了人們的注意力。

3.7 空間激光通信技術[43～45]

空間激光通信技術是指用激光束作為信息載體在自由空間進行通信，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。不過后者可傳輸?shù)男畔⑺俾什惶撸耶敶嬖谳^濃的云霧或降雨時無法通信。攜帶信息的電信號調制到光束上發(fā)送，通信的雙端通過初定位和調整,再經(jīng)過光束的捕獲、瞄準和跟蹤建立起光鏈路進行信息傳輸。

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

美國在新一代的衛(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現(xiàn)全球服務，減少了衛(wèi)星對地面支持系統(tǒng)的依賴，系統(tǒng)在失去地面支持后仍能自主工作6個月之久。我國空間激光通信研究已在地面和海上進行過成功實驗，用于衛(wèi)星鏈路的研究正在進行。

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是由國際海事衛(wèi)星組織(Inmarsat) 自1970年代開始發(fā)展的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，后來改制為股份制公司管理。從Inmarsat-1至Inmarsat-5共發(fā)展了5代，當前主要用后三代，共有11顆GEO衛(wèi)星在軌運行，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20 m口徑的多波束可展開天線，形成一個全球波束、19個寬點波束和228 個窄點波束，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，實現(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、從窄帶低速數(shù)據(jù)向寬帶高速數(shù)據(jù)的轉化，最高速率可達492 kbit/s?？蔀槿驇缀跞魏蔚胤教峁└咚倬W(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、移動視頻、視頻會議、傳真、電子郵件和局域網(wǎng)接入等業(yè)務及多種附加功能。詳見www.inmarsat.org。

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

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

4.2 銥星移動通信系統(tǒng)[1,47]

銥(Iridium)系統(tǒng)是一個基于LEO衛(wèi)星群的全球移動通信系統(tǒng)，由美國Motorola公司牽頭、多個國家(包括我國)的19個公司或單位投資57億美元創(chuàng)建，是世界上第一個真正覆蓋全球、支持手持式電話機的個人通信系統(tǒng)。1998年11月開始運營，不久后宣布破產(chǎn)重組，重組后的新“銥”星公司以2500萬美元購買了銥星系統(tǒng)的資產(chǎn)，并與美國國防部簽訂為期二年合同，為軍方提供2萬用戶服務。2001年3月重新開始商業(yè)運營，用戶數(shù)量平均每月新增2 000～3 000個。截至2006年5月，全球用戶數(shù)量已達14.8萬戶，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個軌道面上的66顆衛(wèi)星組成，每個軌道面11顆星，軌道高度780 km。每顆星的太陽能電池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16波束相控陣天線產(chǎn)生48個蜂窩波束，以12小區(qū)簇方式分配頻率?？側萘繛? 840路(實際實現(xiàn)1 100路)全雙工信道，話音采用2.4 kbit/s的多帶激勵聲碼器，編碼后速率為4.8 kbit/s。采用幀長為90 ms的時分雙工MF-TDMA方式，每幀可支持4個50 kbit/s用戶連接的數(shù)據(jù)通信，通信時延小于210 ms。手機重量400 g，天線長度15 cm，通話時間2 h，峰值功率7 W，平均功率0.6 W，天線增益2 dBi。

2007年2月啟動了Iridium Next計劃，其目標是：提高數(shù)據(jù)傳輸速率，改善話音質量，支持頻帶的靈活分配，采用端到端的 IP 技術，以及提供更強的業(yè)務和設備。預計2015年發(fā)射首批衛(wèi)星，2017年完成星座部署。屆時工作在Ka波段的手持終端的數(shù)據(jù)業(yè)務最高速率可達1.5 Mbit/s，便攜式、運輸式終端速率分別可達 10 Mbit/s、30 Mbit/s。詳見www.iridium.com。

4.3 全球星移動通信系統(tǒng)[1,48]

全球星(Globalstar)系統(tǒng)是由多國(包括我國)的9個公司參股、美國Loral公司和Qualcomm公司聯(lián)合研制的移動通信系統(tǒng)。由48顆衛(wèi)星構成Walker星座，分布在8個圓軌道面上，每個軌道面6顆，軌道高度為1 414 km，實現(xiàn)了全球南北緯70°之間的覆蓋，能夠提供全球移動通信業(yè)務。該系統(tǒng)1999年開始運營，不久后公司破產(chǎn)重組。2000年5月開始在中國地區(qū)提供服務。每顆衛(wèi)星 16個波束支持用戶鏈路，衛(wèi)星“腳印”直徑5 670 km，系統(tǒng)共有 25個關口站分布在全球，每個網(wǎng)關覆蓋半徑約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，沒有星際鏈路，沒有星上交換，而是采用彎管式透明轉發(fā)，即星上收到各小區(qū)中用戶發(fā)送的CDMA信號后，直接由C頻段饋送鏈路轉發(fā)到離該小區(qū)最近的地面關口站，進入地面網(wǎng)；反過來，由地面網(wǎng)發(fā)送給移動站的信號也經(jīng)關口站C頻段饋送鏈路送到星上進行透明轉發(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。支持 2.4/4.8/ 9.6 kbit/s 3種傳輸速率的話音業(yè)務，數(shù)據(jù)傳輸速率7.2/9.6 kbit/s，單向時延150 ms，接續(xù)時延4 s。用戶終端類型有單模手機、雙模手機、三模手機、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是泰國的Shin衛(wèi)星公司為支持因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務而創(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，是當時世界上容量最大的通信衛(wèi)星，采用Loral公司的衛(wèi)星平臺，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個頻段：衛(wèi)星陣列天線形成84個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20 Gbit/s；3個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個地區(qū)廣播波束；18個指向關口站的饋送鏈路Ka頻段點波束。業(yè)務提供覆蓋南亞部分、東南亞和中國大部分地區(qū)共22個國家，18個關口站有4個分別設在北京、廣州、上海和臺北。主要用于因特網(wǎng)用戶接入。前向鏈路(關口站→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www.ipstar.com。

4.5 ACeS衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)[1,50]

ACeS(asia cellular satellite)系統(tǒng)是由印度尼西亞等國建立的區(qū)域性 GEO衛(wèi)星移動通信系統(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頻段天線形成一個饋送鏈路波束，用于支持衛(wèi)星與位于菲律賓、泰國和印度尼西亞雅加達的3個關口站、以及網(wǎng)控中心(NCC)之間的饋送鏈路。通信業(yè)務提供的范圍覆蓋東亞、東南亞和南亞多達 1100多萬平方英里的面積。詳見www.aces.co.id。

用戶鏈路為L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個點波束和8個可控點波束，形成7小區(qū)簇結構的140個蜂窩小區(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發(fā)相通。其中聲碼話的毛速率為6 kbit/s，數(shù)據(jù)業(yè)務速率2.4 kbit/s，還支持3類傳真機和短信業(yè)務。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，但一個下行載波頻率對應于上行鏈路的多個載波頻率，因而下行突發(fā)速率比上行的提高幾倍，達到在0.577 ms時長內傳輸156.25比特的速率。雙模手機的天線增益為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，發(fā)射質量6.2噸，定點于西經(jīng)115o。由于采用Ka波段點波束技術，覆蓋范圍內共有 18個信關站與因特網(wǎng)相連，用戶可以采用很小口徑天線或“動中通”天線，通過Ka波段衛(wèi)星接入因特網(wǎng)，下載速率可達12 Mbit/s?？側萘扛哌_到140 Gbit/s，可滿足200萬以上用戶通過衛(wèi)星接入因特網(wǎng)的需要，超過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，由于成本的降低，用戶的服務費價格與地面數(shù)字用戶線(DSL)及3G手機相當。此外，ExeDe還推出多種專業(yè)應用，比如SNG及HDTV直播，可為飛機上的乘客提供無線寬帶連接服務等。到2014年4月為止，北美已有多條航線、500架以上的民航客機已采用它作為客艙因特網(wǎng)連接服務。ViaSat公司計劃于2016年發(fā)射容量更大的ViaSat-2衛(wèi)星，其覆蓋范圍將達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(O3b networks)公司于2008年9月推出了“O3bNetworks”計劃，通過發(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)最大的特點是：作為網(wǎng)絡中樞，目標客戶是當前的互聯(lián)網(wǎng)服務運營商。它主要提供3類業(yè)務：大容量轉發(fā)、企業(yè)IP回程和WiMax蜂窩網(wǎng)的回程。既可為地面通信運營商提供類似光纖速度的網(wǎng)絡，也能為3G網(wǎng)絡和WiMax服務提供備份。

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，單星發(fā)射重量700 kg，電源功率為1 575 W。星上有12個65 W、帶寬216 MHz的行波管放大器，采用彎管式透明轉發(fā)。星上 12副可控天線，指向范圍為±26o，形成10個用戶波束和2個信關站波束。

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個區(qū)域，每個區(qū)域10個波束，8顆衛(wèi)星共提供70個移動點波束，每點波束覆蓋直徑為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，英國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到500 Mbit/s，時延僅為140 ms左右。宣稱實現(xiàn)了“光纖的速度、衛(wèi)星的覆蓋”。

4.8 WGS系統(tǒng)[39]

WGS系統(tǒng)是美國國防衛(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 DSCS-3和全球廣播衛(wèi)星系統(tǒng)(GBS)與當時準備建設的轉型衛(wèi)星系統(tǒng)(TSAT)之間通信應用的空缺，作為向先進寬帶系統(tǒng)(AWS)過渡的橋梁。它可通過雙向、點對點、點播和多播等方式，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。衛(wèi)星發(fā)射重量5.9噸，電源功率13 kW。據(jù)www.arospace-technology.com報導，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幅方向可調的Ka頻段(30～31 GHz/20.2～21.2 GHz)全雙工點波束天線，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使用的，總共達到4.875 GHz，被劃分為39個獨立的信道，每信道125 MHz；每條信道又通過星上數(shù)字信道化器劃分為48個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現(xiàn)程控電路交換，并能支持組播和廣播業(yè)務。每顆星的總通信容量最高可達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)項目已終止，而WGS系統(tǒng)是公認的成功典范，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是美國軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術GEO中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的簡稱，該系統(tǒng)是美軍旨在建立核戰(zhàn)爭條件下頑存的抗干擾、高可靠的三軍通用戰(zhàn)略戰(zhàn)術通信系統(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，能在任何情況下滿足各軍兵種的通信需求，既支持戰(zhàn)略應急通信，也廣泛支持戰(zhàn)術通信和情報圖像分發(fā)。可以為部隊提供方便的呼叫方式，尤其可以為大量戰(zhàn)術用戶提供實時、保密、抗干擾的通信服務，通信波束覆蓋“全球”。

Milstar系統(tǒng)開始于20世紀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，總容量為0.5 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，通信總容量也提高到48 Mbit/s。首次采用寬頻率范圍(2 GHz)、高速(1萬跳/秒以上)跳頻技術，具有極強的抗干擾能力。

5 衛(wèi)星通信的應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

5.1 衛(wèi)星通信在軍事上的應用

衛(wèi)星通信具有如前所述的特點和特別優(yōu)勢，使之在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用日益突出，特別是信息化條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍用通信衛(wèi)星依賴程度越來越高。美英聯(lián)軍在伊拉克戰(zhàn)爭的迅速取勝，其中衛(wèi)星通信就起了決定性作用。當時調動了 50多顆衛(wèi)星投入戰(zhàn)爭，包括臨時征用的商業(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)。此后世界各強國紛紛加快了發(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，不但技術先進，還具有可持續(xù)發(fā)展性。正在積極構建的下一代軍事衛(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)，承擔了美國國防部90%的寬帶衛(wèi)星通信需求，可為美軍提供視頻、遠程會議、數(shù)據(jù)傳輸和高分辨率成像等通信服務，還支持美軍新型無人機的數(shù)據(jù)傳輸，使各種平臺、陸?？詹筷犇軌蚩焖俚卦L問信息。

窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要為移動中的作戰(zhàn)單元提供點到點的鏈接通信能力，其用戶采用低增益天線的小型終端，主要包括美國艦隊衛(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)，預計到2015年5顆衛(wèi)星實現(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)強調抗干擾、隱蔽性和核生存性，可能提供保護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)，其通信能力超過目前5顆Milstar之和。此外美軍還引入先進的商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為軍事通信的補充。美國防部提出建立一個面向增強型C4I系統(tǒng)的、可互通的、面向21世紀的新一代軍事衛(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，可支持機動、靈活的跨區(qū)作戰(zhàn)，提供穩(wěn)定和完全的綜合業(yè)務。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，同時還具有超強的抗干擾、抗竊聽能力。系統(tǒng)提供UHF、SHF和EHF的3個頻段的通信能力，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通信。衛(wèi)星吞吐量達數(shù)百Mbit/s，可支持多媒體業(yè)務，同時還具有增強的抗核/電磁輻射加固性能。

我國于 2000年發(fā)射基于東方紅三號平臺的軍用通信衛(wèi)星，開始了軍用通信網(wǎng)絡的自主建設。后來逐步發(fā)展，建立了戰(zhàn)略衛(wèi)星通信系統(tǒng)和戰(zhàn)術衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通信容量不斷增大，技術上努力趕超國際先進水平，特別是在最近 10年取得了顯著的進步和巨大的成效。

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)營的VSAT網(wǎng)，21世紀初第一期工程建設除昆明主站之外有2 214個遠端小站，包括省外2 090個小站，兼有電話、雙向數(shù)據(jù)業(yè)務，覆蓋全國范圍、橫跨多個行業(yè)。目前，我國已建有銀行、民航、水電、氣象、海關、鐵路、物流管理、公安等許多專用VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)。不過由于地面通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，使這些VSAT終端大多數(shù)都被閑置，以致運營商很難經(jīng)營。在西部大開發(fā)、村村通電話工程的支持下，配備過數(shù)以萬計的衛(wèi)星電話通信終端，其中新疆農(nóng)村就有數(shù)千個。全球星手機在我國公開銷售多年，擁有一批個人衛(wèi)星通信用戶。

2003年，啟動的全國農(nóng)村中小學現(xiàn)代遠程教育工程計劃用5年時間投資10億元。中國教育電視臺運營的中國教育衛(wèi)星寬帶傳輸系統(tǒng)，擁有數(shù)十萬個用戶終端，將衛(wèi)星遠程教育教學覆蓋到全國 53萬余所農(nóng)村中學，在幫助邊遠地區(qū)培訓中小學教師方面發(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機的PCI插件板(或機頂盒)配合 PC機就可以構成，價格十分低廉，而其下載速率可達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》2011年12期報道，中國空間研究院航天恒星科技有限公司開發(fā)成功一個支持大規(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等標準，采用8PSK、16APSK、32APSK，ACM方式補償雨衰影響。其下行速率可達70 Mbit/s、回傳速率達2 Mbit/s，可應用于數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)接入、交互式遠程教育、視頻會議、應急通信等場合。

中電科技集團54所于2006年研制成功一個基于 GEO衛(wèi)星 Ku或 Ka頻段透明轉發(fā)器的MF-TDMA系統(tǒng)。轉發(fā)器頻帶劃分 32個子帶，每個子帶的每幀劃分為多個時隙，最多可提供幾百條子信道。既可構成網(wǎng)狀網(wǎng)，也可構成星狀網(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[54]。

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

5.3 關于衛(wèi)星通信的設備標準化和產(chǎn)業(yè)化

1) 衛(wèi)星通信設備部件的標準化

由于衛(wèi)星信道一般是非常穩(wěn)定而且可預測的微波信道，因此衛(wèi)星地面站設備的各部件很早就實現(xiàn)了國際性的標準化。例如，各個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準部件；基帶調制解調器也有許多公司生產(chǎn)的通用性較強的產(chǎn)品；只有70 MHz的中頻放大器一般需要自行研制。這些標準部件在10年前全為進口商品，最近幾年已有多個廠家可以生產(chǎn)。

2) 重要的國際標準協(xié)議[55]

國際電聯(lián)(ITU)將衛(wèi)星通信業(yè)務主要分為衛(wèi)星廣播業(yè)務(BSS)、衛(wèi)星固定業(yè)務(FSS)和衛(wèi)星移動業(yè)務(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)務的特點和應用，介紹ITU和歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)制訂的相關國際標準。

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

交互通信的核心標準為DVB-RCS(EN 301790)，是目前唯一的由多廠商倡導的VSAT標準，它可實現(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DVB- RCS網(wǎng)絡，終端數(shù)達 8萬個以上。后來又推出了支持 DVB-S2的DVB-RCS2 (TS 101 545)，做出與DVB-S2相應的改進，并規(guī)定了交互通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡層的架構、功能和管理。

為了支持寬帶業(yè)務，美國電信工業(yè)協(xié)會(TIA)首先制定衛(wèi)星寬帶通信標準(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個標準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)標準TS102429，并已應用于歐洲寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星交互通信系統(tǒng)中，除了上述總體設計標準，ETSI還制定了一系列地面系統(tǒng)標準，如EN301428、EN301427。MSS主要應用于移動通信、衛(wèi)星移動電話及衛(wèi)星移動電視等領域。其中 ETSI針對移動地球站制定的系列標準 EN300721、EN301473主要規(guī)定其EIRP、帶外抑制等性能指標及測試方法，同時也對其監(jiān)控和管理做出了要求。關于衛(wèi)星移動電話方面，ETSI制定了完善的基于GEO衛(wèi)星的GMR系列標準GMR-1 (TS101376)、GMR-2(TS101377)，分別從不同技術層面對 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的補充，涵蓋GEO、MEO和LEO 3種軌道衛(wèi)星，ETSI也分別對具體技術及組播業(yè)務制定了相關的標準，如 TS101851、TS102442。

作為新興應用的衛(wèi)星移動電視，ETSI分別制定了DVB-SH標準EN302583和SDR標準EN302550，兩者在工作頻段、調制方式和編碼形式上不同，都可為用戶提供廣播服務。目前，美國全球通信公司的 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標準，而美國WorldSpace公司的Afristar和Asiastar 2顆衛(wèi)星采用了SDR標準。作為DVB-SH的擴展，ETSI還制定了適于S頻段移動交互多媒體通信的標準TS102721。

針對BSS、FSS、MSS的共性內容，ETSI也制定一系列標準，如：TR103124、TR103166。這些標準對我國開展衛(wèi)星通信應用有借鑒意義。

3) 關于衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展

衛(wèi)星通信在國外特別是一些發(fā)達國家中早已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，甚至軍事通信應用都是在市場化的環(huán)境下運作的，早已形成由多個國際競爭力很強的公司牽頭的產(chǎn)業(yè)鏈。前面介紹那些典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，就是在市場競爭中涌現(xiàn)的許多產(chǎn)品中的幾個代表。

我國衛(wèi)星通信的發(fā)展主要是國家投資軍用衛(wèi)星通信而帶動起來的，雖然也形成過有上百個公司參與的產(chǎn)業(yè)鏈，包括各種部件和系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)、應用工程的設計和安裝維護、衛(wèi)星網(wǎng)絡的運營等，但是沒有像電信行業(yè)那樣出現(xiàn)具有國際競爭力的大型企業(yè)。

我國在衛(wèi)星通信市場競爭方面還有一些其他的短板，例如，衛(wèi)星多波束天線技術、Ka波段及更高頻段的設備制造、航天級FPGA芯片制造技術等。此外我國所擁有的重要專利太少，這些都將使我們在國際市場競爭中處于不利地位。而目前用于接入互聯(lián)網(wǎng)的寬帶衛(wèi)星發(fā)展勢頭很猛，在民用通信中的市場占有率迅速上升，因此很有必要就即將到來的市場競爭有關問題進行深入討論。例如，衛(wèi)星通信在民用通信市場中占有份額的增長是否即將出現(xiàn)前所未有的大飛躍而達到相當大的比例、我國的這塊市場是否不得不完全被國外公司占領、我國在這方面的國際競爭力差距是否可能導致一場嚴重危機等。

6 衛(wèi)星通信的前景展望

有線電信網(wǎng)、計算機局域網(wǎng)和有線電視網(wǎng)已實現(xiàn)三網(wǎng)融合并入骨干網(wǎng)，地面移動通信蜂窩網(wǎng)通過其無線核心網(wǎng)與骨干網(wǎng)互聯(lián)，衛(wèi)星通信網(wǎng)也應該是通過其無線核心網(wǎng)與骨干網(wǎng)互聯(lián)。隨著衛(wèi)星通信的IP化，各種不同性質和不同業(yè)務的衛(wèi)星通信終端，都將變成類似的因特網(wǎng)接入設備，可見IP化確實是大勢所趨。但是此處IP化不等于衛(wèi)星通信網(wǎng)內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)星通信的特點而獲得更高的衛(wèi)星資源利用率和達到更高的業(yè)務質量。

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，而且使用戶終端的成本大大降低，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢凸現(xiàn)，在國際民用通信市場中確實可以占據(jù)一個不小比例。但是我國的情況略有不同。由于基于4G的地面蜂窩網(wǎng)在我國民用通信市場中占有比例明顯高于國外大多數(shù)國家，而衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的競爭力還遠不如 4G，目前衛(wèi)星通信可實現(xiàn)的可用頻率資源的地域覆蓋密度，比4G的覆蓋密度低幾個數(shù)量級。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，還提出將來擴大到4 000顆衛(wèi)星的雄心勃勃計劃(參見紐約時報 2015年 1月 27日，http://www.jiemian.com/article/229397.html)，該公司很可能在國際民用通信市場中占相當大的份額，但預計近期還不大可能在我國市場中占很大份額。

筆者認為，衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的應用，在我國近期內仍然只是對地面網(wǎng)絡覆蓋不足的一種重要補充。當然，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢可以產(chǎn)生很高的實用價值和社會效益，這是無法用市場份額大小衡量的。民用衛(wèi)星通信在規(guī)模和實際效益將會超過軍用衛(wèi)星通信，我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)將由政府主導轉變?yōu)槭袌鲋鲗АＲ虼?，衛(wèi)星通信的發(fā)展無疑是前途光明而且意義重大的。我們應該以更強的創(chuàng)新意識和更大的創(chuàng)新勇氣去迎接競爭和挑戰(zhàn)。

7 結束語

本文綜述了衛(wèi)星通信的近期發(fā)展，包括衛(wèi)星平臺、頻率資源和主要相關技術、衛(wèi)星通信的應用和產(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，討論了產(chǎn)業(yè)化與標準化方面的一些問題，展望了衛(wèi)星通信及其應用的發(fā)展前景。

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