我國寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展建議

呂強 馮瑄 曹桂興（中國空間技術研究院）

呂強 馮瑄 曹桂興（中國空間技術研究院）

□□衛(wèi)星通信技術投入商業(yè)運營后，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)由洲際通信、區(qū)域通信、集團或專用通信進入了全球移動衛(wèi)星通信和寬帶衛(wèi)星通信的新階段。很顯然，衛(wèi)星通信技術的發(fā)展與全球經(jīng)濟發(fā)展同步，為全球經(jīng)濟的發(fā)展和信息化作出了重要貢獻。特別是隨著未來全球信息高速公路因特網(wǎng)的飛速發(fā)展和普及，以及交互式多媒體業(yè)務的迅速增加，全球寬帶衛(wèi)星通信必然成為21世紀衛(wèi)星通信發(fā)展的熱點。

1 寬帶通信衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點

寬帶通信衛(wèi)星網(wǎng)絡是指通過衛(wèi)星進行話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻等進行處理和傳輸?shù)南到y(tǒng)，它可以提供包括通信、數(shù)字電視、數(shù)字廣播、廣域網(wǎng)互聯(lián)、遠程教學、遠程醫(yī)療、電視會議、視頻點播等多媒體業(yè)務，真正實現(xiàn)電話網(wǎng)、計算機網(wǎng)和有線電視網(wǎng)的三網(wǎng)融合。它在技術優(yōu)勢、實現(xiàn)方式、關鍵技術和應用方向等方面具有以下特點。

技術優(yōu)勢

隨著全球范圍內的因特網(wǎng)接入、交互式多媒體業(yè)務、電視會議和其他帶寬密集型應用等迅速增長，要求通信技術有更加靈活和成本低廉的寬帶解決方案，而寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑，這是因為寬帶通信衛(wèi)星本身具有的以下技術優(yōu)勢：

●覆蓋面大。1顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的波束覆蓋范圍可達數(shù)千千米。

●具有可部署性。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)既可以和地面系統(tǒng)相結合，又能繞開復雜的地面網(wǎng)建立獨立的衛(wèi)星網(wǎng)絡。獨立衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點還包括可快速部署、衛(wèi)星通信終端可即插即用、迅速實現(xiàn)全球通信。

●擁有大容量、高功率和高頻段，其容量可與陸地光纖相媲美。另外，由于地面終端已小型化，價格被大多數(shù)用戶所接受，所以能增加衛(wèi)星在通信市場中的競爭力。

●新傳輸技術的開發(fā)和應用?？沙浞职l(fā)掘衛(wèi)星傳輸不對稱性所帶來的優(yōu)勢，使帶寬按需動態(tài)分配，從而滿足廣播、多點傳送和多媒體通信需求。

●成本低廉。隨著新的寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務擴大到更多的商業(yè)、企業(yè)、政府機構和家庭用戶，以及新衛(wèi)星技術的應用，每月的接入費用將進一步降低，有利于擴大用戶數(shù)量。

●能提供一體化網(wǎng)絡。數(shù)字衛(wèi)星網(wǎng)絡因具有覆蓋面廣、易部署等特點，所以在將來有可能取代目前傳輸速率參差不齊、接入方式復雜的地面網(wǎng)絡，并提供全球寬帶主干系統(tǒng)。企業(yè)用戶還可以有選擇地把多種應用統(tǒng)一到1個衛(wèi)星網(wǎng)絡上。

實現(xiàn)方式

根據(jù)業(yè)務及信令的流向不同，寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡的實現(xiàn)方式有以下3種。

（1）通過透明轉發(fā)器以星狀網(wǎng)方式進行組網(wǎng)

模式：系統(tǒng)內通常由1個主站和若干用戶終端組成，所有業(yè)務都要流經(jīng)主站，用戶終端之間的通信需用“雙跳”完成，主站完成系統(tǒng)無線資源的分配、用戶的管理與控制、業(yè)務的路由與交換等功能，另外還提供與地面網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，提供業(yè)務接入點。

特點：采用了集中管理的方式。其主站相對比較復雜，采用大口徑天線和大功率功放；而用戶終端結構相對簡單，天線口徑和功放都比較小，便于施工安裝。對機房無特殊要求，網(wǎng)絡可以容納的終端數(shù)達上萬個，擴容方便。

（2）通過透明轉發(fā)器以網(wǎng)狀網(wǎng)方式進行組網(wǎng)

模式：系統(tǒng)內由1個主控站和若干用戶終端構成。主控站負責全網(wǎng)同步、無線資源分配和幀計劃下發(fā)，所有信令都要流經(jīng)主控站，終端之間可以直接建立業(yè)務連接。

特點：由于終端之間需要直接互通，所以功放體積、天線口徑都比較大；缺點是網(wǎng)絡能夠容納的終端數(shù)不能太多，適合有幾十個終端的網(wǎng)絡。

（3）通過再生式轉發(fā)器以網(wǎng)狀網(wǎng)方式進行組網(wǎng)

模式：這是一種新型的衛(wèi)星組網(wǎng)方式。系統(tǒng)內通常由1個主站和若干用戶終端組成，用戶終端之間可以直接通過衛(wèi)星完成單跳通信。

特點：通過采用星上處理、星上交換和星上路由實現(xiàn)系統(tǒng)內終端的全網(wǎng)狀通信，無線資源管理在星上完成。

采用星狀網(wǎng)的中國農(nóng)業(yè)銀行會議電視及遠程教育衛(wèi)星網(wǎng)絡

關鍵技術

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中將采用的關鍵技術主要有：星上處理交換技術、頻率利用率提高技術、多波束天線技術、網(wǎng)絡管理技術、抗雨衰技術以及網(wǎng)絡一體化技術等。

（1）星上處理交換技術

在高頻段的衛(wèi)星通信中，具有星上處理功能的衛(wèi)星顯示出其特殊的優(yōu)勢，星上處理技術正成為發(fā)展的趨勢和關鍵之一。星上處理與交換的主要作用是對衛(wèi)星上行鏈路中的傳輸信息進行解碼、解調和復用，將這些數(shù)據(jù)信號恢復成基帶信號，經(jīng)基帶交換后再將基帶信號重新進行編碼、調制和復用，并按照路由信息將其送到相應的下行鏈路中，傳送到對應的地面站。具有星上處理能力的轉發(fā)器可以使用譯碼后信號中的信息來進行動態(tài)路由選擇或相應處理，更有效地利用衛(wèi)星資源，提高系統(tǒng)效率。因此，有必要針對衛(wèi)星鏈路的特點研究適合于寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的低復雜度、低誤碼性能的星上信號處理技術。

（2）頻率利用率提高技術

由于Ka頻段頻率資源有限，為滿足新一代寬帶通信衛(wèi)星實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸對系統(tǒng)頻帶資源的需求，需要開展對頻率利用率提高技術的研究。通過對頻率復用技術、信道編碼技術以及高階調制技術的研究，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸能力，提高系統(tǒng)頻率的利用率，可為寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸提供技術支持。

（3）波束成形技術

要想適應寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)終端小型化、業(yè)務寬帶化和服務個性化的趨勢，采用傳統(tǒng)的全球波束和區(qū)域波束天線已難以滿足需求，由于多波束天線具有能夠以高增益覆蓋較大的地面區(qū)域，且可以根據(jù)需要調整波束形狀的特點，所以正成為寬帶衛(wèi)星通信重點研究的關鍵技術。

自適應數(shù)字編碼調制模式系統(tǒng)應用示意圖

（4）網(wǎng)絡管理技術

寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)具有系統(tǒng)容量大、用戶數(shù)目多、傳輸信息量大的特點，且擁有星上處理和交換的能力，系統(tǒng)結構往往包含復雜的拓撲結構，所以寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)需要具備網(wǎng)絡管理能力，通過網(wǎng)絡管理對寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)中的資源和操作進行全面的監(jiān)視和控制。因此，必須有針對性地研發(fā)適合寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的網(wǎng)絡管理技術。

（5）抗雨衰技術

寬帶通信衛(wèi)星大多工作在Ku、Ka甚至更高頻段。與傳統(tǒng)的工作頻段相比，由于這些頻段所具有的高頻特性，因此在以往的衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計中可忽略或很少考慮的雨衰問題必須重新考慮。采用自適應功率調整和自適應數(shù)字編碼調制（ACM）能有助于解決這個問題。在寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)中，對于高頻段雨衰特性及雨衰補償技術的研究是關系到系統(tǒng)性能的關鍵之一。

（6）網(wǎng)絡一體化技術

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)將與地面的電話網(wǎng)、電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)融為一體。一旦實現(xiàn)全數(shù)字化，把電視、通信、計算機這些迄今相互分離的技術融為一體，使這些業(yè)務互相滲透、融合、會聚，就可形成一種廣義上的網(wǎng)絡。這也是數(shù)字化、網(wǎng)絡化發(fā)展的必然結果。因此，研究寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡一體化的融合技術正成為重要的關鍵技術之一。

寬帶衛(wèi)星使地面廣播、電視和計算機網(wǎng)相融

應用方向

從應用方向上講，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以支持以下4類業(yè)務：人人交談型多媒體業(yè)務；人機交互型信息檢索多媒體通信業(yè)務；多媒體采集業(yè)務；多媒體消息業(yè)務。其具體表現(xiàn)形式如下。

（1）遠程教學

通過寬帶通信衛(wèi)星構建的遠程教學系統(tǒng)，徹底拋棄了中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了端到端的寬帶高速多媒體信息交互。由于衛(wèi)星通信沒有地域的限制，不需要地面有線網(wǎng)絡的支持，所以是交互式教學的理想手段。

（2）遠程醫(yī)療

遠程醫(yī)療系統(tǒng)采用無中心網(wǎng)絡形式，無地域限制，能在任意2個端點之間進行實時交互，專家可在其中一端指導現(xiàn)場工作。利用衛(wèi)星進行遠程會診可以最大限度地發(fā)揮專家的作用。

（3）高速廣域網(wǎng)

利用衛(wèi)星構建寬帶高速廣域網(wǎng)是最快捷便利的手段。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，大企業(yè)集團的觸角會越伸越長，利用衛(wèi)星信道構成的企業(yè)多媒體通信網(wǎng)絡將對集團的運作起到極大的幫助。

（4）視頻會議

利用寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)支持的電視會議是通過在IP協(xié)議基礎上的信息傳輸技術來實現(xiàn)的，地面網(wǎng)絡支持的電視會議可通過網(wǎng)關介入寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，基于IP的電視會議的寬帶高速性能可實現(xiàn)現(xiàn)場實時生動再現(xiàn)的高質量視頻會議。

（5）視頻點播

視頻點播（VOD）是近年來發(fā)展起來的用于家庭娛樂的多媒體信息系統(tǒng)，它由內容服務中心和眾多用戶組成。用戶可以通過機頂盒來接收寬帶衛(wèi)星信號，進行解碼運算，還原發(fā)端信息，也能通過機頂盒向中心發(fā)送指令。

（6）視頻廣播

利用寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)可充分發(fā)揮數(shù)字視頻廣播（DVB）技術的特點，并能夠支持在數(shù)字視頻廣播平臺上的一切業(yè)務。

隨著衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展和不斷完善，其能夠提供的業(yè)務正不斷推陳出新，而越來越多的業(yè)務種類也必將促進衛(wèi)星寬帶市場的不斷發(fā)展。

2 國外寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展趨勢

新一代寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展趨勢具體體現(xiàn)為以下幾點：

●地球靜止軌道寬帶衛(wèi)星迅速發(fā)展。由于地球靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)比較符合以市場驅動為主導及與地面業(yè)務互補集成的原則，且研制周期較短，投資較小，因此是目前民商用寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

●衛(wèi)星技術正向高頻段（Ka頻段和Q/V高頻段）、大功率、大容量（可攜載的轉發(fā)器數(shù)達50臺以上，支持每秒數(shù)十吉比特數(shù)據(jù)容量）發(fā)展。

●新技術融合。寬帶衛(wèi)星通信是一項融合各種高技術于一體的新產(chǎn)業(yè)，新方法和新技術正不斷運用到寬帶通信衛(wèi)星中。

●衛(wèi)星業(yè)務綜合化。由于應用數(shù)字技術可靈活地組合多種業(yè)務，所以能將通信、電視、聲音廣播、數(shù)據(jù)廣播、因特網(wǎng)和視頻點播等功能集于衛(wèi)星一體。

●頻道資源的國際化、媒體廣播的無國境化。因特網(wǎng)的廣泛普及，多頻道直播衛(wèi)星的急劇發(fā)展，將使不同的文化媒體廣泛交流與融合，它勢必會引發(fā)資源的國際化和媒體廣播的無國境化。

●網(wǎng)絡一體化。寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)將與地面的電話網(wǎng)、電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)融為一體，實現(xiàn)全數(shù)字化，電視、通信、計算機等目前相分離的技術也將融為一體。這是數(shù)字化、網(wǎng)絡化發(fā)展的必然結果。

3 我國寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)研究現(xiàn)狀、應對策略及建議

研究現(xiàn)狀

國內在寬帶技術研究及利用現(xiàn)有的常規(guī)通信衛(wèi)星進行寬帶通信的研究方面開展得比較普遍，也取得了很多成果，但對專用寬帶通信衛(wèi)星及系統(tǒng)方面的研究和應用相對較少。

在技術方面，Ka頻段關鍵載荷設備也已在已有型號項目上經(jīng)過應用，技術成熟?！笆晃濉逼陂g完成了寬帶多媒體系統(tǒng)設計，完成了星載處理交換機和星載Ka頻段多波束天線等關鍵載荷設備的研制，并搭建了寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)的半物理演示驗證系統(tǒng)，為寬帶多媒體衛(wèi)星的立項做好了技術儲備。在應用方面，現(xiàn)有的甚小孔徑終端（VSAT）網(wǎng)絡所涉及的領域已遍布國民經(jīng)濟的各個主要方面，如：深圳證券遠程交易網(wǎng)絡對證券業(yè)的發(fā)展起到了重要作用；中國教育衛(wèi)星寬帶傳輸網(wǎng)為改善農(nóng)村及偏遠地區(qū)的教育事業(yè)作出了重大貢獻。以上應用都是基于租用商用轉發(fā)器的形式開展的，但我國至今仍沒有建立起專門意義上的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，也未實現(xiàn)大規(guī)模應用。

應對策略

我國寬帶通信衛(wèi)星在開發(fā)和應用上落后于國外發(fā)達國家，而應用市場和潛力卻很巨大，因此國外寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務對我國應用市場領域大有滲透之勢。面對如此形勢，我們應該從以下幾方面應對：

●充分認識到我國寬帶多媒體衛(wèi)星通信業(yè)務市場既有巨大潛力，同時也面臨著嚴峻的考驗。隨著信息經(jīng)濟全球化的到來，我國應以市場經(jīng)濟運作為主體，與國際市場接軌為目標，轉變觀念，抓住機遇，從傳統(tǒng)的事業(yè)管理觀念轉變到產(chǎn)業(yè)管理的全新觀念上來。要正視現(xiàn)實，面對挑戰(zhàn)，大力開發(fā)和扶持我國的寬帶多媒體衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)。

●民用和商用寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展既要滿足大容量、低成本的需求，同時，為適應寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)終端小型化、業(yè)務寬帶化和服務個性化的趨勢，也要研究和解決包括多點波束天線技術、大功率、大容量、高頻段和長壽命等衛(wèi)星制造技術，以及最先進的無線傳輸性能提高技術。

●鑒于寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)復雜，研制難度較大，所以要從國家層面加大對其系統(tǒng)開發(fā)和關鍵技術的研發(fā)支持力度。對于在研項目，要加快其立項步伐，盡早在國外運營商滲透到我國衛(wèi)星寬帶業(yè)務領域之前，建立和完善我國自己的寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)和應用市場。

另外，美國、歐洲、日本以及其他國家和地區(qū)在該領域所取得的成功經(jīng)驗也是值得我們借鑒的，引進他們的先進技術和運營機制，再結合我國實情，發(fā)展具有中國特色的寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

發(fā)展建議

通過對國外寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)的研究，并借鑒國外相關領域的發(fā)展經(jīng)驗，在全面分析我國地球靜止軌道寬帶通信系統(tǒng)的技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，筆者提出以下對發(fā)展我國地球靜止軌道寬帶通信系統(tǒng)設想及建議。

（1）系統(tǒng)設想

●應用需求。用1顆地球靜止軌道衛(wèi)星覆蓋中國大陸及周邊海域，為政府部門、商業(yè)公司、個人及家庭、公共和私立機構等提供寬帶通信業(yè)務，帶寬達到4GHz。

●系統(tǒng)組成。由空間段的衛(wèi)星、地面段的運行控制中心和用戶終端構成寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)擬采用由1個中心節(jié)點和多個分支節(jié)點組成的星形網(wǎng)絡。寬帶通信衛(wèi)星使用多點波束技術、頻率復用技術、大功率技術等實現(xiàn)大規(guī)模小型終端的寬帶接入。

●系統(tǒng)指標。工作頻段：Ka（30/20GHz）；服務區(qū)：中國大陸及周邊；應用體制：數(shù)字電視廣播；通信體制：調頻時分多址/時分多路（MFTDMA/TDM）；調制方式：前向為QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，返向為QPSK；信道編碼：前向為BCH/LDPC，返向為Turbo碼；終端數(shù)據(jù)率：上行為2Mbit/s；下行為10Mbit/s；終端口徑：0.74m。

●衛(wèi)星方案。采用大型地球靜止軌道通信衛(wèi)星平臺；三軸穩(wěn)定；服務壽命為12～15年；衛(wèi)星發(fā)射質量為5200～5400kg；有效載荷功率為8kW；有效載荷質量為550kg；由長征-3B火箭發(fā)射；有效載荷包含多波束用戶鏈路和饋電鏈路有效載荷，用戶鏈路實現(xiàn)終端用戶的寬帶接入，饋電鏈路實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)下載。

（2）建議

建議推動其在教育、醫(yī)療等行業(yè)中的廣泛應用，利用公益性行業(yè)應用，積極探索運營的模式，并為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做好準備。對于我國衛(wèi)星寬帶接入產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議：

第一步，行業(yè)起步、新舊共存。首先，必須在遠程教育、遠程醫(yī)療等重點行業(yè)上取得突破，為我國的社會經(jīng)濟發(fā)展解決現(xiàn)實問題。同時，要與目前廣泛存在的VSAT等用戶設備能夠共存。

第二步，容量增強、行業(yè)滲透。一方面需要盡量提高空間管道傳輸能力；另一方面需要通過系統(tǒng)技術盡可能高效利用空間有效資源。其次，由存在迫切需求的行業(yè)應用，通過需求牽引、增值業(yè)務開發(fā)等方式滲透到較為普遍的行業(yè)應用之中。

第三步，業(yè)務拓展，發(fā)展應用。當業(yè)務拓展到一定的成熟階段，原有潛在的商業(yè)利益與應用價值將得到顯現(xiàn)，這可極大刺激地面應用的設備制造商以及業(yè)務提供商加快所屬業(yè)務領域的發(fā)展。采取擴容與系統(tǒng)換代等方式推動空間段和地面段制造規(guī)模，形成可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈。

4 結語

寬帶衛(wèi)星通信在未來的軍事、民用、商業(yè)等各個領域將扮演越來越重要的角色，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，國家安全的需要和科技水平的提高，建立我國自主的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)不僅是必要的，而且也是可行的。在國家相關部門的領導和支持下，我國必將走出一條具有中國特色的寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展之路?！?/p>