衛星通信技術發展展望

王冬 曹晉龍 章學松

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;蜂窩網衛星系統

一、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。

1.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。

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：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。

3.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。

4.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，這主要有以下幾點。

1） 衛星發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 衛星的壽命一般分別只有8 年、15 年左右。

2） 衛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射機、高靈敏度接收機和高增益天線。

3） 衛星鏈路傳輸時延大：GEO 衛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系統中，小站之間進行話音通信必須經雙跳鏈路，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。

二、通信衛星平臺與信道資源的發展

（一）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。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40～60 GHz 的EHF頻段。各頻段的可用頻帶不一定連成一片，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。

（二）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，例如美國Loral 公司LS20.20 衛星平臺，發射質量5～7噸，電源功率17～30 kW，可支持150 個轉發器，2012年發射SES-4 衛星所用該公司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 平臺規模更大，但與當前國際先進水平仍存在差距。

三、衛星通信相關技術及其發展現狀

（一）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。

格形編碼調制（TCM， trellis coding modulation）在原理上是一種很好的體制;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 調制用于衛星通信的國際標準早已經形成，但因其譯碼復雜度較高，而且不大便于再級聯外碼以進一步降低誤碼率，因此應用并不廣泛。

遙感數據傳輸和大容量寬帶衛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 并行實現的高速調制解調已達到1.5 Gbit/s，已接近國際先進水平。這個速率基本上能滿足通信衛星饋送鏈路高速數據傳輸的要求。

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第四代（4G）、第五代（5G）移動通信中成為不可或缺的技術，因此人們一直想將其廣泛應用于衛星移動通信中。值得注意的是，OFDM 本來是不大適于衛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，不是頻帶效率顯著降低，就是計算復雜度很高。

對于基于多波束天線的GEO 或LEO 衛星寬帶移動通信或廣播系統而言，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。事實上在衛星與地面基站相結合的移動數字電視廣播系統中已成功應用OFDM，并已形成了國際標準和我國國家標準。然而衛星下行鏈路功率受限問題遠比地面移動通信基站嚴重，驅動多波束衛星天線的功放非線性問題更加嚴重。加之OFDM 系統抗多徑衰落效益的發揮有賴于信道信息反饋，而衛星鏈路時延大，不能及時利用信道信息反饋對各子信道的信息速率和發射功率進行自適應調整。總之，衛星下行鏈路采用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。

（二）糾錯編碼技術

各種通信業務信息傳輸的誤比特率（BER， biterror rate）都有最高限度要求，例如：聲碼話BER為10-3，視頻通信BER 為10-4，一般數據通信BER為10-6或10-7，無特殊措施的ATM（asyschronioustransfer mode）或IP（Internet protocol）數據傳輸BER為10?10，深空通信中某些數據傳輸BER 為10-14。當然一般系統不會設計為在傳輸和解調后所得數據的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。

（三）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（DSSS，direct sequencespectrum spreading）、跳變頻率（FH， frequencyhopping）、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，還可使系統的干擾容限再提升30～40dB。

四、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。

筆者認為，衛星通信接入因特網的應用，在我國近期內仍然只是對地面網絡覆蓋不足的一種重要補充。當然，衛星通信無縫覆蓋的優勢可以產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。民用衛星通信在規模和實際效益將會超過軍用衛星通信，我國衛星通信產業將由政府主導轉變為市場主導。因此，衛星通信的發展無疑是前途光明而且意義重大的。我們應該以更強的創新意識和更大的創新勇氣去迎接競爭和挑戰。