衛星通信的發展前景與展望

高兵　遲美德

【摘 要】從分析衛星通信的特點入手，綜述了衛星通信的衛星平臺、可用頻率資源和主要相關技術的發展狀況，概述了典型的衛星通信系統的性能特點，介紹了衛星通信的應用及產業化發展情況，并展望了發展前景。

【關鍵詞】衛星通信；移動衛星通信；星上處理；星上交換；多波束天線；蜂窩網衛星系統

1引言

自1965年美國發射第一顆商用通信衛星以來，衛星通信技術及其應用取得了令人矚目的巨大成就。它實現了覆蓋全球豐富多彩的通信服務，不僅在軍事中發揮了關鍵性作用，也對人類的生產、生活方式產生了巨大影響。與微波中繼通信及其他通信方式相比，衛星通信主要具有以下特點。

通信覆蓋區域大，通信距離遠：地球同步軌道（GEO）衛星距地面高度35 860 km，只需一個衛星中繼轉發，就能實現1萬多公里的遠距離通信；每一顆衛星可覆蓋全球表面的42.4%，用3顆GEO衛星就可以覆蓋除兩極緯度76°以上地區以外的全球表面及臨地空間；

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：在一顆衛星所覆蓋的區域內，不必依賴顯式的交換，只需利用衛星中繼傳輸和多址/復用技術就能構成擁有許多地面用戶的大型通信網。

機動靈活：衛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、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，組網靈活。

通信頻帶寬、通信容量大：衛星通信信道處于微波頻率范圍，頻率資源相當豐富，并可不斷發展。

信道質量好、傳輸性能穩定：衛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。

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的通信。衛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主要有衛星發射和星上通信載荷的成本高；衛星鏈路傳輸衰減很大；衛星鏈路傳輸時延大。

基于衛星通信的特點及其重要作用，本文將從衛星通信的可用頻率資源、衛星平臺、主要關鍵技術、典型的衛星通信系統、衛星通信應用和產業化發展等方面進行介紹，綜述發展現狀，展望發展前景。

2通信衛星平臺與信道資源的發展

2.1衛星通信的頻率資源

早期GEO衛星轉發器主要是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；每個轉發器的帶寬有33 MHz、36 MHz、54 MHz等；Ku后來擴展到800 MHz。采用天線正交極化、多波束衛星天線、低軌道衛星群等技術，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通信衛星平臺的發展

衛星平臺技術是推動衛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星平臺重達7噸、太陽能電池功率達30 kW。

3衛星通信相關技術及其發展現狀與前景

3.1調制解調技術

衛星通信中最常用的調制方式是QPSK、OQPSK和π/4DQPSK等，近年來，高速數據傳輸的需求與轉發器資源緊缺推動了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，使之在透明轉發這種高階調制信號時的功率效率不明顯降低。因此，APSK調制在衛星電視廣播中得到應用，在衛星寬帶移動通信中也有很好的應用前景。

3.2擴頻通信技術

衛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、跳變頻率、跳變時間和線性調頻等4種基本工作方式。

3.3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分各路信號來自哪個站點，并根據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，是指多個數據流的數字調制信號共享一條信道進行傳輸時的信道共享方法。

3.4星上信號處理和交換技術

3.4.1星上信號處理

早期基于GEO衛星的通信都是采用透明轉發器實現中繼傳輸，這樣提供的信道資源應用靈活性最大，轉發器可以分頻帶出租給各個用戶隨意應用。

3.4.2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的數據流，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。若在星上實現了IP交換，則衛星網與地面因特網的互聯就變得非常簡單而方便。

3.5空間激光通信技術

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，既可作為衛星間的高速傳輸鏈路，也可作為衛星與地面站之間的通信鏈路。不過后者可傳輸的信息速率不太高，而且當存在較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送，通信的雙端通過初定位和調整再經過光束的捕獲、瞄準和跟蹤建立起光鏈路進行信息傳輸。

4衛星通信的前景展望

有線電信網、計算機局域網和有線電視網已實現三網融合并入骨干網，地面移動通信蜂窩網通過其無線核心網與骨干網互聯，衛星通信網也應該是通過其無線核心網與骨干網互聯。隨著衛星通信的IP化，各種不同性質和不同業務的衛星通信終端，都將變成類似的因特網接入設備，可見IP化確實是大勢所趨。但是此處IP化不等于衛星通信網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，有利于發揮衛星通信的特點而獲得更高的衛星資源利用率和達到更高的業務質量。由于基于Ka頻段的LEO衛星群蜂窩網的發展，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，衛星通信無縫覆蓋的優勢凸現，在國際民用通信市場中確實可以占據一個不小比例。但是我國的情況略有不同。由于基于4G的地面蜂窩網在我國民用通信市場中占有比例明顯高于國外大多數國家，而衛星通信接入因特網的競爭力還遠不如4G，目前衛星通信可實現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量級。