高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展現狀與趨勢分析

文|王健 范靜 孫治國

中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部

一、前言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)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，具有重要的民用和軍用價值。自20世紀90年代以來，國際上陸續(xù)建成了以 “瑟拉亞”（Thuraya）、“國際移動衛(wèi)星”（Inmarsat）、“地網星”（TerreStar）為代表的高軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和以“銥”星（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（Orbcomm）衛(wèi)星為代表的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，大大提高了危、急、險、災情況下的通信服務水平，并在快速向多業(yè)務寬帶衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)方向發(fā)展。

2016年8月，天通一號01星成功發(fā)射，邁出了我國自主區(qū)域衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設與應用的第一步。《國家民用空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》明確提出將在“十三五”期間啟動我國全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設，《國民經濟和社會發(fā)展十三五規(guī)劃綱要》也已將“天地一體化信息網絡”列入科技創(chuàng)新2030重大工程項目。在此背景下，我國正在開展下一代高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的規(guī)劃論證和關鍵技術攻關。

本文在總結國內外高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)技術現狀基礎上，結合目前天地一體化通信網絡研究中的通信體制技術演進、星地融合移動接入、地面輔助單元技術等研究熱點，對高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的趨勢和發(fā)展方向進行探討，并提出對我國高軌移動通信衛(wèi)星的發(fā)展建議。

二、高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設現狀

1.國內外建設情況

1995年以來，國際上先后建設了十余個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，除日本技術試驗衛(wèi)星8號（ETSVIII）和Thuraya-1衛(wèi)星外，均實現了運營服務。國際高軌移動通信衛(wèi)星根據有效載荷技術水平大致可以分為三代，每一代變革經歷約8年。第一代是以移動衛(wèi)星通信（MSAT）和Inmarsat-3為代表的采用星上模擬載荷的移動通信衛(wèi)星，對移動通信支持能力較弱，用戶終端多為便攜式終端；第二代是以Thuraya和Inmarsat-4為代表的采用星上數字化載荷的移動通信衛(wèi)星，星上具備處理交換能力，能夠較好地支持手持終端和寬帶移動接入；第三代是以TerreStar-1和天地通一號衛(wèi)星（Skyterra-1）為代表的采用地基波束形成技術的移動通信衛(wèi)星，星上透明轉發(fā)，能夠廣泛支持多種移動數據業(yè)務。除Inmarsat-4衛(wèi)星系列外，第一代和第二代移動通信衛(wèi)星的主要業(yè)務是話音；第三代移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)容量和終端支持能力加倍提高，DVB-SH等業(yè)務也逐漸成為移動通信衛(wèi)星的重要業(yè)務類型。

在有效載荷技術上，國外高軌移動通信衛(wèi)星經歷了從星上模擬波束形成透明轉發(fā)，到星上數字波束形成處理交換，再到地基波束形成透明轉發(fā)的演進歷程。模擬波束形成技術和透明轉發(fā)技術廣泛應用于初期階段，以印度尼西亞格魯達一號（Garuda-1）和ETS-VIII為典型，其技術核心是MMIC或LTCC模擬波束形成矩陣，最大可形成100多個點波束，支持多種類型業(yè)務。數字波束形成與星上處理交換相結合，以Thuraya和Inmarsat-4為代表，一般采用ASIC技術實現，可形成200～300個點波束，提供靈活的波束形成、信號處理交換和單跳通信能力。地基波束形成技術通過星地一體的方式提供透明信號傳輸，降低了衛(wèi)星載荷復雜度，以TerreStar-1和SkyTerra-1為代表，能夠靈活形成超過500個點波束，單星容量相對于Thuraya和Inmarsat-4衛(wèi)星提升達5～10倍，同時滿足良好的后向兼容性（見圖1）。星上數字波束形成及交換處理、地基波束形成將成為高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，兩者各有優(yōu)勢，難以完全相互替代。

圖1 Inmarsat-4和TerreStar-1移動通信衛(wèi)星在軌構型示意圖

在衛(wèi)星平臺技術上，衛(wèi)星移動通信載荷呈現出重量大、功耗大、熱耗高且集中的特征，大型可展開網狀天線的應用更為衛(wèi)星的構型布局帶來了諸多困難，歐洲阿斯特里姆公司（Astrium）和美國波音公司分別在歐洲星3000（Eurostar-3000）和衛(wèi)星廣播業(yè)務702（BSS-702）平臺基礎上開發(fā)了移動通信衛(wèi)星專用的Eurostar-3000GM和BSS-702GEM平臺，均屬于超大型高軌衛(wèi)星平臺。國外移動通信衛(wèi)星普遍采用傾斜軌道工作模式和電推進、可展開輻射器、南北耦合熱管等技術，以解決衛(wèi)星壽命和散熱問題。

我國在2016年8月成功發(fā)射了天通一號01星，邁出了我國自主區(qū)域衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設與應用的第一步。衛(wèi)星基于東方紅四號平臺研制，形成109個點波束覆蓋我國領土、領海及周邊地區(qū)。星上透明轉發(fā)，通過信關站實現兩跳通信，同時支持5000個話音信道，可為30萬用戶提供話音、短消息、傳真和數據等服務。

2.發(fā)展趨勢分析

總的來看，國際上高軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)技術發(fā)展有以下明顯特點：

1）天地一體化趨勢明顯：衛(wèi)星移動通信與地面移動通信逐步融合，通過標準化的核心網實現與地面移動通信系統(tǒng)的互連互通。通過地面輔助組件技術，使衛(wèi)星終端與地面終端合二為一，具備衛(wèi)星通信和地面通信無縫切換的能力。

2）有效載荷得到加強：Skyterra衛(wèi)星天線口徑達到22m，多波束天線技術快速發(fā)展，從模擬波束形成發(fā)展到數字波束形成和地基波束形成，波束形成能力提高到約500個，大規(guī)模星上處理交換技術得到應用，可實現單跳通信能力。

3）通信體制技術演進：衛(wèi)星移動通信體制緊跟地面移動通信系統(tǒng)演進。GMR-1（TS 101 376《地球同步軌道衛(wèi)星無線接口規(guī)范》系列標準）標準逐步演進到GMR-1 Releasel、GMR-1 Release2和GMR-1 Release3，其中Releasel是基于全球移動通信系統(tǒng)（GSM）標準，支持基本的電路域話音和傳真業(yè)務；Release2是基于通用分組無線業(yè)務（GPRS）標準，支持分組數據業(yè)務；Release3是基于3G標準，但空中接口基于EDGE技術，支持分組數據業(yè)務，最高速率可達592k比特每秒。

4）終端小型化智能化：終端類型從固定、車船機載終端向手持終端發(fā)展，逐步實現衛(wèi)星移動通信的個人化。TerreStar衛(wèi)星的GENUS智能手機終端已經與普通地面移動電話相當。

5）業(yè)務融合趨勢顯現：數據業(yè)務日漸超越話音業(yè)務，成為衛(wèi)星移動通信的主要業(yè)務類型，衛(wèi)星移動業(yè)務向寬帶化發(fā)展。

三、我國高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)

長期以來，我國通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展主要立足于地球靜止軌道衛(wèi)星，為國土及周邊地區(qū)提供區(qū)域通信服務。隨著我國國家利益的全球化發(fā)展戰(zhàn)略和信息安全的需求，構建具有全球覆蓋能力的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是我國未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設的必然趨勢，商業(yè)市場潛力巨大。

衛(wèi)星移動通信市場迅速發(fā)展擴大，各類需求不斷提高，對高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的能力提出了更高的要求。根據中國電信的市場調查，我國衛(wèi)星移動通信潛在用戶數量達到1300萬戶，用戶業(yè)務需求覆蓋手持終端k比特每秒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。考慮到現在用戶需求旺盛的情況，現在是高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展的很好的機遇。

根據移動通信衛(wèi)星發(fā)展需求與趨勢，為牢牢把握住現有的機遇，高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設發(fā)展必須著力解決如下問題：

1）拓展系統(tǒng)覆蓋：增加單顆衛(wèi)星的波束數目和覆蓋范圍，同時構建多星組網的星座系統(tǒng)，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(tǒng)容量：大幅增加衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可支持的用戶數量，以適應用戶規(guī)模的不斷壯大和移動物聯(lián)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兆比特每秒量級，可為用戶不斷涌現的移動互聯(lián)網數據業(yè)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(tǒng)架構、技術體制、應用模式等方面進行優(yōu)化設計，實現衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面通信網絡系統(tǒng)的互聯(lián)互通和一體化融合。

同時，高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展還面臨著來自高通量通信衛(wèi)星（HTS）、中低軌移動通信星座以及自身技術發(fā)展瓶頸的嚴峻挑戰(zhàn)。

1）高通量通信衛(wèi)星通過采用多波束天線、頻率復用、超寬帶轉發(fā)器等技術，大幅提升衛(wèi)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(wèi)星運營商都在積極推動HTS衛(wèi)星部署，全球HTS衛(wèi)星訂單上千顆，是通信衛(wèi)星領域發(fā)展最快、關注度最高的一類衛(wèi)星系統(tǒng)。

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Iridium、Orbcomm、Globalstar均已在保持頻率和星座構型持續(xù)性的條件下，由一代系統(tǒng)向二代系統(tǒng)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。O3b中軌系統(tǒng)主要為大客戶提供互聯(lián)網接入服務，一網公司（OneWeb）、美國太空探索技術公司（SpaceX）等新建系統(tǒng)主要開展面向個人的寬帶互聯(lián)網業(yè)務。新一代中低軌系統(tǒng)還在北極航線的監(jiān)視和通信等方面，對地球靜止軌道（GEO）系統(tǒng)發(fā)起了強有力的挑戰(zhàn)。

3）高軌移動通信衛(wèi)星的自身技術發(fā)展對高承載衛(wèi)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、UHF頻段頻率資源的使用趨于飽和，頻譜監(jiān)測和干擾控制日益復雜；大規(guī)模星載數字處理器件的空間環(huán)境防護問題，對我國星載ASIC工程化工業(yè)基礎和核心技術自主可控提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

四、我國高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展建議

我國衛(wèi)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(xié)同、多頻段共存和天地一體化方向發(fā)展。借鑒國外發(fā)展經驗和教訓，我國高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設發(fā)展應重點考慮以下幾個方面的問題。

（1）加強用戶需求分析，完善頂層規(guī)劃論證，推動體系協(xié)調發(fā)展

隨著衛(wèi)星移動通信市場和技術的發(fā)展，單純的移動話音和短信業(yè)務已經不能滿足越來越高的數據和通信要求，未來的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)將融合越來越多的其他功能。例如，銥星二代系統(tǒng)兼具航空、船舶監(jiān)視功能，多個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)同時支持衛(wèi)星定位服務。

國際移動衛(wèi)星公司的前四代衛(wèi)星系統(tǒng)都采用L頻段，以Inmarsat-4星座為基礎，構建了目前唯一的全球性L頻段衛(wèi)星通信網絡，積累了大量穩(wěn)定的用戶群。Inmarsat-4投入運營不到三年，在2008年就啟動了Inmarsat-5系統(tǒng)研發(fā)，將L頻段業(yè)務拓展到Ka頻段，以該頻段的VSAT業(yè)務作為未來新的收入增長點，構建全球寬帶移動衛(wèi)星通信網絡，即Global Xpress。從2013年12月到2015年8月，Inmarsat-5星座3顆衛(wèi)星發(fā)射入軌完成組網，屬于典型的高通量衛(wèi)星。Global Xpress系統(tǒng)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(wèi)星市場加速融合的發(fā)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(yōu)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(huán)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(wèi)星和中低軌衛(wèi)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(wèi)星移動通信領域內的兩個發(fā)展方向，各有其優(yōu)勢和不足，必將互為補充、協(xié)調發(fā)展。高軌衛(wèi)星應以我國及周邊地區(qū)為主要覆蓋范圍，逐步向全球發(fā)展，提供高可靠通信和大用戶容量。中低軌衛(wèi)星考慮發(fā)展寬帶互聯(lián)接入能力，滿足全球動態(tài)調配和區(qū)域寬帶通信服務。

（2）加強星地一體設計，優(yōu)化系統(tǒng)應用能力

星地一體設計應站在系統(tǒng)高度，從用戶、應用和運營的角度出發(fā)，通過空間段衛(wèi)星、地面段運控系統(tǒng)和用戶段終端設備的協(xié)同規(guī)劃、統(tǒng)籌設計，達到星地指標合理分配、能力均衡，使系統(tǒng)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(tǒng)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(wèi)星系統(tǒng)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(tǒng)的傳輸可靠性和通信速率。為實現衛(wèi)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(wèi)星需提升衛(wèi)星本身的接收G/T值。衛(wèi)星G/T值的提升主要通過增大衛(wèi)星天線的口徑、提高波束的增益。但是，受限于衛(wèi)星平臺能力和火箭運載能力，衛(wèi)星天線口徑不可能無限制地增大。考慮通過多顆衛(wèi)星重疊覆蓋同一區(qū)域，該區(qū)域內的用戶上行信號由兩顆衛(wèi)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(xié)作傳輸系統(tǒng)整體的接收G/T值。通過多星協(xié)作傳輸增強，可以在保持單顆衛(wèi)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(xié)作傳輸增強技術必須基于多星的地面統(tǒng)一資源管理，并且需要控制多星之間的信號同步（見圖2）。

圖2 多星協(xié)作傳輸增強系統(tǒng)示意圖

（3）借鑒地面先進技術，加速業(yè)務融合應用

高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)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(wèi)星通信系統(tǒng)中增設地面輔助基站，用于解決衛(wèi)星通信在受遮擋場景以及建筑內部性能不佳的問題，衛(wèi)星和大量ATC基站組合在一起可以實現大區(qū)域無縫覆蓋，即使沒有衛(wèi)星，用戶在大量ATC基站覆蓋的服務區(qū)仍然能夠享受移動通信服務。一般而言，地面ATC基站和衛(wèi)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(tǒng)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(wèi)星網絡間實現無感切換。終端在系統(tǒng)的控制下能夠自動在ATN和SBN之間進行無縫切換，終端用戶不會感覺到是通過ATC基站還是通過衛(wèi)星進行通信。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(wèi)星通信頻段應用于地面通信網絡中。

隨著第五代（5G）移動通信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(tǒng)將會構建在以大規(guī)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(wèi)星系統(tǒng)的特點，在5G衛(wèi)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(wèi)星通信的研究，可促進高軌衛(wèi)星移動通信網絡和地面蜂窩通信網絡的系統(tǒng)架構和技術體制的融合。

五、結束語

本文基于國內外技術發(fā)展現狀和高軌移動通信衛(wèi)星技術基礎，分析了我國高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展面臨的機遇和挑戰(zhàn)，根據用戶需求正在向多功能融合、寬窄帶協(xié)同、多頻段共存和天地一體化方向發(fā)展的趨勢，探討了以多體系協(xié)調發(fā)展、星地一體應用能力設計、多業(yè)務融合應用為特征的高軌移動通信衛(wèi)星技術發(fā)展方向。