中國高軌移動通信衛星系統發展的機遇與挑戰

李殷喬 熊瑋 孫治國（中國空間技術研究院通信衛星事業部）

1 引言

衛星移動通信系統能夠為各類移動用戶提供廣覆蓋、高質量的話音、短消息、傳真和數據服務，具有重要的軍用和民用價值。自20 世紀90年代以來，國際上陸續建成了以“瑟拉亞”（Thuraya）、國際移動衛星－ 4（Inmarsat － 4）、“地網星”（Terrestar）為代表的高軌衛星移動通信系統和以“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（Orbcomm）為代表的低軌衛星移動通信系統，大大提高了廣域覆蓋和危急險災情況下的移動通信服務水平[1-2]。2016年8年，天通一號01 星成功發射，邁出了我國自主區域衛星移動通信系統建設與應用的第一步，實現了國土及周邊地區的常態覆蓋，可以為手持終端、便攜終端、載體終端和數據采集終端提供移動話音、短信和數據通信業務[3-4]。

衛星移動通信市場潛力巨大，服務對象逐漸由行業市場向大眾市場擴展，業務類型也正在從單純的移動語音和短信業務向中低速數據和融合應用發展。同時，高通量衛星（HTS）和低軌移動通信星座的快速發展也為衛星移動通信領域的技術發展和應用推廣注入了新的活力。

2 我國移動通信衛星系統發展現狀

1995年以來，國際上先后建設了十余個衛星移動通信系統，除工程試驗衛星－8（ETS-VIII）和瑟拉亞－1（Thuraya－1）衛星外，均實現了運營服務，平均每8 ～10年進行一次技術更新換代。以MSAT 和國際移動衛星－3 為代表的采用星上模擬載荷的早期移動通信衛星，對移動通信支持能力較弱，用戶終端多為便攜式終端；以“瑟拉亞”和國際移動衛星－4 為代表的成熟運行中的移動通信衛星，采用星上數字化載荷，具備處理交換能力，能夠較好的支持手持終端和寬帶移動接入；以地網星－1（Terrestar － 1）和天地－1（Skyterra－1）為代表的采用地基波束形成技術的新型移動通信衛星，星上透明轉發，能夠廣泛的支持多種移動數據業務。衛星移動通信體制也緊跟地面移動通信系統的演進，從地球靜止軌道衛星移動無線接口標準（GMR-1）逐步演進到GMR－1 Release 1 ～3，其中Release l 是基于全球移動通信系統（GSM）標準，支持電路域話音和傳真業務；Release 2 是基于通用分組無線業務（GPRS）標準，支持分組數據業務；Release 3 是基于3G 標準，但空中接口基于EDGE 技術，支持分組數據業務，最高速率可達592kbit/s。我國于1979年加入國際海事衛星組織，1998年引入“銥星”和“全球星”移動通信系統，之后又相繼引進了“亞洲蜂窩衛星”（ACeS）、“瑟拉亞”衛星移動通信系統，在應急通信方面發揮著重要作用。

近十年來，我國建設了以天通一號衛星、中星16 號衛星為代表的同步軌道移動通信衛星系統，為解決個人移動通信、小型終端高速數據傳輸等提供了有效手段，大大提高了我國衛星移動通信能力。我國低軌移動通信星座發展也已進入試驗衛星階段。

天通一號01 星于2016年8年成功發射，工作于地球同步軌道，通過百余個S 頻段收發共用點波束覆蓋我國領土、領海及周邊地區。星上透明轉發，通過信關站實現兩跳通信，同時支持5000 路話音信道，可為30 萬用戶提供話音、短消息、傳真和數據等服務，通信速率9.6～384kbit/s。衛星系統運營由中國電信負責，通過信關站與地面通信網融合，利用動態資源管理與分配技術，實現資源的高效管理[5-7]。經過近兩年的測試和試運營，中國電信于2018年5年正式面向商用市場開通“1740”衛星電話號段，填補了國內自主衛星移動通信系統空白。2018年7年，應急管理部、工業和信息化部聯合印發《關于加強災害事故應急通信保障工作的意見》，明確支持各級應急管理部門及應急救援隊伍配備和使用天通一號衛星電話，為災害事故處置提供有效的通信支持。

中星16 號衛星是我國首顆高通量通信技術試驗衛星，于2017年4年成功發射。該衛星采用26 個Ka 頻段點波束覆蓋我國中西部、東部、南部及近海，波束間頻率4 色復用加左右旋極化復用，減少同頻信號之間相互干擾。衛星轉發器帶寬340MHz，通信容量超過20Gbit/s。衛星采用多波束天線和頻率極化復用技術極大提高衛星頻率利用率，增大系統吞吐量；在移動用戶跨波束時，需切換工作頻率和極化方式，也增加了運控管理難度和終端設備復雜度[8-9]。

在低軌移動通信星座系統建設方面，我國“十一五”、“十二五”期間進行了靈巧通信試驗衛星等技術試驗[10-12]。2018年12年，我國分別發射了低軌寬帶衛星通信系統“虹云”工程和“鴻雁”星座的首發星，標志著我國低軌寬帶衛星通信系統建設實現零的突破。

3 高軌移動通信衛星發展趨勢分析

長期以來，我國通信衛星系統的發展主要立足于地球靜止軌道衛星，為國土及周邊地區提供區域通信服務。隨著我國國家利益的全球化發展戰略和信息安全的需求，構建具有全球覆蓋能力的衛星通信系統是我國未來衛星通信系統建設的必然趨勢，商業市場潛力巨大。2015年，國家發改委、財政部、國防科工局聯合下發《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015-2025年）》明確提出，統籌考慮軍民需求，按照先區域、后全球的安排，分步建設全球移動通信衛星系統。

近年來，衛星移動通信市場迅速發展擴大，各類需求的不斷提高，對高軌移動通信衛星系統的能力提出了更高的要求。根據中國電信的市場調查[2,5]，我國衛星移動通信潛在用戶數量達到1300 萬戶（行業用戶和M2M 用戶），用戶業務需求覆蓋手持終端kbit/s 量級的基本移動語音通信，以及具有不同服務質量和等級的中低速數據服務。根據移動通信衛星發展需求與趨勢，高軌移動通信衛星系統的建設發展必須著力解決如下問題：

1）拓展系統覆蓋。增加單顆衛星的波束數目和覆蓋范圍，同時構建多星組網的星座系統，擴展全球覆蓋，滿足用戶在全球范圍內的移動接入需求。

2）增強系統容量。大幅增加衛星移動通信系統可支持的用戶數量，以適應用戶規模的不斷壯大和移動物聯網時代的大量機器類通信（MTC）需求。

3）提升傳輸速率。將單信道傳輸速率提升至Mbit/s 量級，可為用戶不斷涌現的移動互聯網數據業務提供可與地面移動通信網絡相媲美的接入能力。

4）促進網系融合。在系統架構、技術體制、應用模式等方面進行優化設計，實現衛星移動通信系統與地面通信網絡系統的互聯互通和一體化融合。

同時，高軌移動通信衛星系統的發展還面臨著來自高通量通信衛星、中低軌移動通信星座以及自身技術發展瓶頸的嚴峻挑戰。

1）高通量通信衛星通過采用多波束天線、頻率復用、超寬帶轉發器等技術，大幅提升衛星數據吞吐量，再配合用戶終端、關口站的星地一體化設計，可以為飛機、輪船、火車、汽車等高速移動載體提供廣域寬帶通信服務。全球各大衛星運營商都在積極推動HTS 衛星部署，全球HTS 衛星訂單上千顆，是通信衛星領域發展最快、關注度最高的一類衛星系統[9]。

2）中低軌移動通信星座具有更低的傳輸時延、更好的全球覆蓋性，國際上“銥星”、“全球星”、“軌道通信”均已在保持頻率和星座構型持續性的條件下，由一代系統向二代系統演進，具有載荷能力更強、功能更綜合、應用定位更準確的趨勢。“另外三十億人”（O3b）中軌系統主要為大客戶提供互聯網接入服務，“一網”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等新建系統主要開展面向個人的寬帶互聯網業務。新一代中低軌系統還在北極航線的監視和通信等方面，對GEO 系統發起了強有力的挑戰。

3）高軌移動通信衛星的自身技術發展對高承載衛星平臺、星上靈活處理載荷、大口徑多波束天線、先進通信傳輸增強技術及星地一體化資源管理和運行控制提出了更高要求。同時，L 頻段、S 頻段、特高頻（UHF）頻段頻率資源的使用趨于飽和，頻譜監測和干擾控制日益復雜；大規模星載數字處理器件的空間環境防護問題，對我國星載專用集成電路（ASIC）工程化工業基礎和核心技術自主可控提出了嚴峻挑戰。

4 高軌移動通信衛星系統發展方向

我國衛星移動通信市場潛力巨大，用戶需求正在向多功能融合、寬窄帶協同、多頻段共存和天地一體化方向發展。借鑒國外發展經驗和教訓，我國高軌移動通信衛星系統技術應重點發展以下方面。

完善頂層規劃論證，推動體系協調發展

隨著衛星移動通信市場和技術的發展，單純的移動話音和短信業務已經不能滿足越來越高的數據和通信要求，未來的衛星移動通信系統將融合越來越多的其他功能。例如，“銥星”二代系統兼具航空、船舶監視功能，多個衛星移動通信系統同時支持衛星定位服務。

國際移動衛星公司的前四代衛星系統都采用L頻段，以國際移動衛星－4 星座為基礎，構建了目前唯一的全球性L 頻段衛星通信網絡，積累了大量穩定的用戶群。國際移動衛星－4 投入運營不到三年，在2008年就啟動了國際移動衛星－5 系統研發，將L 頻段業務拓展到Ka 頻段，以該頻段的甚小孔徑終端（VSAT）業務作為未來新的收入增長點，構建全球寬帶移動衛星通信網絡，即“全球快車”（Global Express）。從2013年12年－ 2015年8年，國際移動衛星－5 星座3 顆衛星發射入軌完成組網，屬于典型的高通量衛星。“全球快車”系統建設與布局，在一定程度上顯現出當前國外寬帶和窄帶移動通信衛星市場加速融合的發展趨勢。網絡服務設備根據用戶需求和網絡運行情況自動選擇網絡路由，實現L 頻段高可靠性和Ka 頻段高帶寬、高速率的優勢互補，為用戶提供獨特的混合應用解決方案，使得用戶在偏遠和惡劣環境下的通信能力達到前所未有的適應性、靈活性和可靠性。

另外，高軌衛星和中低軌衛星在設計思想、技術手段、應用領域等方面都存在明顯差別，分別代表了衛星移動通信領域內的兩個發展方向，各有其優勢和不足，必將互為補充、協調發展。高軌衛星應以我國及周邊地區為主要覆蓋范圍，逐步向全球發展，提供高可靠通信和大用戶容量。中低軌衛星考慮發展寬帶互聯接入能力，滿足全球動態調配和區域寬帶通信服務。

加強星地一體設計，優化系統應用能力

星地一體設計應站在系統高度，從用戶、應用和運營的角度出發，通過空間段衛星、地面段運控系統和用戶段終端設備的協同規劃、統籌設計，達到星地指標合理分配、能力均衡，使系統應用能力最大化。

多輸入多輸出（MIMO）技術已成功應用于地面4G 蜂窩網絡、IEEE 802.11 無線局域網絡等系統中，可以在不增加傳輸功率和帶寬的情況下增強無線鏈路傳輸能力。現有的移動通信衛星系統中，用戶鏈路采用單極化進行通信。利用雙極化通道（左旋/右旋圓極化或水平/垂直線極化）構建2×2 的MIMO 傳輸信道，在雙極化用戶鏈路信道上同時進行用戶信息的傳輸，可獲得MIMO 分集或復用增益，增強系統的傳輸可靠性和通信速率。為實現衛星移動通信雙極化MIMO 傳輸，需要設計相應的導頻對交叉極化信道進行測量。

為改善對小型化手持終端的通信傳輸能力，高軌移動通信衛星需提升衛星本身的接收G/T 值。衛星G/T 值的提升主要通過增大衛星天線的口徑、提高波束的增益。但是，受限于衛星平臺能力和火箭運載能力，衛星天線口徑不可能無限制的增大。考慮通過多顆衛星重疊覆蓋同一區域，該區域內的用戶上行信號由兩顆衛星分別接收后進行分集合并處理，這樣可獲得多星鏈路分集增益，等效地提升了多星協作傳輸系統整體的接收G/T 值。通過多星協作傳輸增強，可以在保持單顆衛星的天線口徑和波束增益不變的前提下，增強對小型化終端的傳輸服務能力，減小了空間段的建設成本和建設周期。多星協作傳輸增強技術必須基于多星的地面統一資源管理，并且需要控制多星之間的信號同步。

借鑒地面先進技術，加速業務融合應用

高軌移動通信衛星系統的發展應面向星地一體化趨勢，加速實現與地面移動通信網絡的融合應用。地面輔助單元（ATC）或增補地面單元（CGC）技術，是在衛星通信系統中增設地面輔助基站，用于解決衛星通信在受遮擋場景以及建筑內部性能不佳的問題，衛星和大量ATC 基站組合在一起可以實現大區域無縫覆蓋，即使沒有衛星，用戶在大量ATC 基站覆蓋的服務區仍然能夠享受移動通信服務。一般而言，地面ATC 基站和衛星共用同一段頻率資源，采用相同的空口信號格式和通信體制，并且共同連接到統一的核心網進行網絡管理。用戶終端可以根據信號強度等判決準則，在地面ATC 網絡和衛星網絡間實現無感切換。ATC 技術的工程應用必須獲得頻譜管理部門的批準，允許將衛星通信頻段應用于地面通信網絡中。

隨著第五代移動通信（5G）標準化工作的逐步深入，5G 核心技術逐漸凸顯，未來的5G 系統將會構建在以大規模天線、新型多址、新型調制編碼、超密集組網、全雙工、高頻段通信等為核心的新空口技術（5G NR）和以網絡功能切片化為代表的網絡演進架構之上。針對衛星系統的特點，在5G 衛星通信標準設計時，需重點考慮傳輸信道、頻率計劃、鏈路預算、移動性管理等問題。通過5G 標準化中對衛星通信的研究，可促進高軌衛星移動通信網絡和地面蜂窩通信網絡的系統架構和技術體制的融合[13-15]。

5 結束語

本文綜述了國內外高軌移動通信衛星發展現狀和技術基礎，我國高軌移動通信衛星發展既有大量機遇，又將面臨一系列挑戰，從趨勢上看，用戶需求正在向多功能融合、寬窄帶協同、多頻段共存和天地一體化方向發展，以多體系協調發展、星地一體應用能力設計、多業務融合應用為特征的技術群是高軌移動通信衛星系統技術的重點發展方向。