衛星通信技術的新發展論文

1寬帶衛星通信系統的現狀及發展趨勢

1.1寬帶衛星通信的基本概念寬帶衛星通信是指利用通信衛星作爲中繼站在地面站之間轉發高速率通信業務，是寬帶業務需求與現代衛星通信技術相結合的產物，也是當前衛星通信的主要發展方向之一。

作爲寬帶衛星通信系統中繼節點的寬帶通信衛星(也稱多媒體衛星)一般具有較寬的帶寬、很高的EIRP(等效全向輻射功率)和G/T(品質因數)值，並且通常具備星上處理和交換能力。利用寬帶通信衛星可以向USAT(極小口徑終端)提供雙向高速因特網接入和多媒體業務。

需要說明的是，由於衛星的帶寬容量遠小於光纖線路，後者的通信容量通常以吉比特每秒來計;而對於衛星通信來說，信道速率達到幾十兆比特每秒以上一般就可稱爲寬帶通信。

1.2寬帶衛星通信系統的發展現狀及典型應用

追溯衛星通信的發展史，其一出現就進入了寬帶應用一模擬電視傳送，近些年又應用於數字電視、衛星直播電視等(如美國的DirecTV、Echostar，歐洲Eutelsat的HotBird等)。但其“現代化”則是伴隨着IP技術的出現而出現的，尤其是因特網的廣泛使用加速了現代寬帶衛星通信的發展步伐。從20世紀90年代起，全球陸續提出了許多個寬帶衛星通信系統，其中既有采用對地靜止軌道(GSO)衛星作爲中繼節點(如美國的DirectPC和Spaceway)，也有采用非對地靜止軌道(NGS0)衛星作爲中繼節點的(如Teledesic和Skybridge)。文獻[1]給出了國際上提出的比較有代表性的寬帶衛星通信系統的主要特性並進行了分析。但是由於受到地面光纖通信網迅速發展以及“銥”系統等商業運作失敗的影響，這些被提出的系統至今沒有一個真正投入應用。

由於專門建設一個覆蓋全球的寬帶衛星通信系統需要很大的投資，市場風險極大，尤其是採用NGSO衛星星座的低軌道寬帶衛星通信系統。因此，先發射一顆寬帶GSO衛星建立一個區域性寬帶衛星通信系統來解決衛星寬帶接入問題是一種明智的選擇。基於此，泰國的Shin衛星公司(SSA)在2005年正式發射了一顆寬帶通信衛星(IPSTAR-1)來提供區域性寬帶衛星通信業務。圖1給出了IPSTAR-1衛星的波束覆蓋圖，表1給出了該衛星及系統的主要技術特性[2]。從圖1和表1看到，該系統是一個區域性寬帶衛星通信系統，能夠解決亞太地區用戶透過衛星實現寬帶接入的問題，當然其商業運作能否成功還有待時間的檢驗。

寬帶衛星通信系統的典型應用包括：娛樂(如視頻點播、電視分發、交互式遊戲、音樂應用、流媒體等)、因特網接入(如高速因特網接入、多媒體應用、遠程教學、遠程醫療等)、商業(如視頻會議、企業對企業的電子商務等)、話音和數據中繼(如IP話音、檔案傳輸等)等。

有關統計分析指出，全球目前在衛星固定通信的4200多個標準轉發器中，視頻業務約佔62%，數據業務佔24%，話音業務下降到14%;而在業務收入方面，視頻業務佔總收入的70%以上。因此可以認爲，衛星視頻業務在今後一段時間內仍將是衛星通信的主要應用領域和發展方向，衛星寬帶通信尚處在發展的培育期。

1.3寬帶衛星通信系統需解決的主要技術問題[3~7]

衛星通信內在的大覆蓋範圍、以廣播和組播模式工作的特性，使得它們能夠提供高速因特網連接和多媒體遠距離傳輸。但要發揮這些優勢，除了人們所熟知的採用大型星載可展開式天線和多波束相控陣天線、增大衛星功率和帶寬、使用更高效的星上電源系統、採用更先進的高效調製和編碼技術等常規措施外，還有下列一些技術問題需要解決：

1)寬帶衛星通信系統空中接口的標準化爲了推廣應用、降低成本，採用標準接口是發展趨勢。目前美國電信工業協會(TIA)和歐洲電信標準學會(ETSI)分別對此規定了幾個標準的接口，表2給出了其中3個空中接口標準主要技術特性的比較。

2)星上處理及交換技術

爲滿足用戶對傳輸時延、終端小型化、誤碼率等方面的要求，寬帶通信衛星採用星上處理和交換技術是一種比較好的解決辦法。傳統的通信衛星一般採用彎管式轉發器，衛星只是完成變頻、放大等基本功能，對信號不進行任何處理。爲實現波束間交換，可採用載波處理轉發器，衛星是以信號載波爲單位在射頻或中頻上對信號進行交換，但對資訊內容不進行處理。最適合寬帶衛星通信業務的是全處理轉發器，衛星不僅需要完成信號的解調、譯碼，還需要一定的信令處理和路由選擇能力，能實現資訊的星上交換(比如星載ATM交換機)。

3)衛星IP(IPoS)技術

由於衛星信道具有較大的並且可能是可變的分組往返時延(RTT)、大的時延帶寬積、前/反向信道不對稱使用、較高的信道誤碼率及信號衰落等。把爲地面網絡設計的TCP/IP直接應用於衛星通信會導致其工作效率低下，需採取一些措施予以解決，比如，在協議上進行改進或對鏈路進行分段，文獻[7]對此給予了詳細描述，並給出了許多試驗結果。

4)服務質量(QoS)

保證用戶得到所需要的QoS是寬帶衛星通信業務成功的關鍵，包括以下幾個方面：

時延：把分組從發送方傳輸到接收方所需的時間;

時延抖動：端一端傳輸時延的變化程度;吞吐量：2個端點之間能夠維持的最大數據傳輸速率;

丟包率：未成功傳輸分組數與總傳輸分組數的比例;

可靠性：網絡可用度的百分比，主要決定如降雨和大氣這樣的環境參數。

5）降雨損耗

目前，寬帶衛星通信系統主要採用Ka、Ku頻段以獲得較寬的可用帶寬和較小的地面站天線口徑，但這些頻帶的電波傳播特性受降雨衰耗的影響較大。根據實驗和實際應用的結果，採用上行鏈路功率控制(UPC)和自適應編碼調製可以基本解決這個問題。比如NASA的ACTS衛星採用了RS碼和卷積碼級聯，晴朗天氣情況下，其誤比特率可達到10—12,有雨衰的情況下，至少99%的時間可以達到。

2衛星移動通信系統的發展現狀及關鍵技術

2.1衛星移動通信的基本概念

衛星移動通信是指利用通信衛星作中繼站實現移動用戶之間或移動用戶與固定用戶之間相互通信的一種通信方式。它是傳統的衛星固定通信與地面移動通信交叉結合的`產物。從表現形式來看，它既是一個提供移動業務的衛星通信系統，又是一個採用衛星作中繼站的移動通信系統，所利用的衛星既可以是GSO衛星，也可以是NGSO衛星，如中等高度地球軌道(MEO)、低高度地球軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO)衛星等。

雖然世界上地面通信網絡已趨於完善，但受地理條件和經濟因素的限制，地面蜂窩系統不可能達到全球無縫覆蓋。以我國爲例，在偏遠地區，地面網絡的廣泛覆蓋仍然遙遙無期;在沿海島嶼衆多的地方，建設地面網絡非常困難;在發達地區的某些偏遠地方同樣沒有地面蜂窩網的覆蓋;野外勘探，飛機，遠洋運輸船隻，遠離城市的旅遊探險者，以及緊急搜尋、救援人員等都需要一種不受地域、天氣限制的移動通信手段;西部地區疆域廣闊，但多爲荒漠和戈壁，人煙稀少，衛星移動通信將顯示出獨具的優勢;尤其是發生重大毀滅性自然災害的地區，地面網絡多數會遭到破壞，而衛星移動通信可能是惟一倖存的通信手段。所以，衛星移動通信是一種大有可爲的通信方式，具有廣闊的應用前景。

需要指出的是，衛星移動通信系統是作爲地面蜂窩系統的補充而存在的，主要用於滿足低業務密度的應用環境。衛星波束如同能覆蓋許多個不同類型蜂窩小區的“傘”，可用來覆蓋相鄰地面蜂窩網之間的縫隙、地面蜂窩網不能覆蓋的區域、爲暫時過載的小區提供補充通信業務等。

2.2國內外發展概況

至今我國尚無自建的民用衛星移動通信系統，國際上目前可以使用的衛星移動通信系統主要包括：

1)對地靜止軌道(GS0)衛星移動通信系統

提供全球覆蓋的衛星移動通信系統有國際海事衛星(Inmarsat)系統;提供區域覆蓋的衛星移動通信系統有北美移動衛星(MSAT)系統、亞洲蜂窩衛星(ACeS)系統、瑟拉亞衛星(Thuraya)系統;提供國內覆蓋的衛星移動通信系統有日本衛星(N-STAR)系統和澳大利亞衛星(Optus)系統等。其中波束覆蓋我國的系統有Inmarsat和ACeS。

國際海事衛星(Inmarsat)系統是由國際海事組織經營的全球衛星移動通信系統。自1982年開始經營以來，全球使用該系統的國家已超過160個，用戶從初期的900多個海上用戶已發展到今天包括陸地和航空在內的29萬多個用戶。爲了滿足不斷增長業務的需要，已開始發射第四代海事衛星。第四代衛星爲1個全球波束、19個寬波束和228個點波束。提供用戶終端的衛星等效全向輻射功率強度爲67dBW(點波束)，其IP業務最高速率可達432kbit/s，可應用於互聯網、移動多媒體、電視會議等多種業務。

2)非靜止軌道(NGSO)衛星移動通信系統

提出的方案很多，真正發射組網進行運營的只有3個：銥(Iridium)、全球星(Globalstar)和軌道通信(Orbcomm)系統。銥系統是由美國Motorola公司提出的世界上第一個低軌道全球衛星移動通信系統，其基本目標是向攜帶有手持式移動電話的銥用戶提供全球個人通信能力。銥系統衛星星座由66顆低軌道衛星組成，軌道高度780km。銥衛星採用星上處理和交換技術、多波束天線、星際鏈路等新技術，提供話音、數據、傳真和尋呼等業務，用戶終端有單模手機、雙模手機和尋呼機。耗資59億美元開發的銥系統於1998年11月開始商業運營，1999年8月13日申請破產保護。2000年12月新銥星公司成立，用2100萬美元購買了投資近50億美元的銥星公司，2001年3月重新開始提供全球通信服務。目前有超過12萬用戶，並且以每月新增2000?3000個用戶的速度在增長，在2003年上半年實現收支平衡。在1997年5月到2002年6月期間共發射了95顆衛星，其中11顆失效，4顆隕落，66顆工作，14顆在軌備份，能夠連續工作到2014年而無需發送額外的衛星。