高通量衛星通信系統的應用研究

宋傳志

摘? 要：隨著時代和科技的快速進步，信息網絡朝著以多媒體的形式更廣泛地融入人們的生產和生活中的趨勢發展。信息網絡的發展需求，進一步促使了信息技術的發展，光纖通信發展出了光傳送網絡和智能光網絡等技術，移動通信從3G網絡發展到了4G網絡和5G網絡，而衛星通信則通過采用多點波束頻率復用等技術發展出了高通量衛星通信息系統。本文通過分析高通量衛星通信系統采用的關鍵技術及其應用特點和發展方向，對其應用領域進行分析研究。

關鍵詞：高通量衛星? 頻率復用? 技術發展? 應用研究

中圖分類號：TN927.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0078-03

Abstract： With the rapid progress of epochs and science and technology， the information network is developing towards multi-media， ubiquitous， broadband and other trends. Demand for the development of information network， further to promote the development of information technology，optical fiber communication developed techniques such as optical transmission network and intelligent optical network， mobile communication from the 3G network development in 4G and 5G network， and satellite communication is through the adoption of multiple beam frequency reuse technology developed， such as high flux satellite communication information system. In this paper， the key technologies of high throughput satellite communication system and their application characteristics and development direction are analyzed and studied.

Key Words： High throughput satellite; Frequency multiplexing; Technological development; Application research

不斷擴大中的衛星通信應用領域發展趨勢，帶動著高速率傳輸服務需求的持續上升，從而加速著高通量衛星技術的前進。我們知道頻率是通信系統的基本要素，為了達到擴展通信系統帶寬容量的目的，充分發掘新的頻率資源和提高頻率使用效率成了基本手段。我國通信衛星之前使用的頻段主要集中在C頻段和Ku頻段，技術成熟易于實現，但也存在可用帶寬窄的劣勢，隨著頻率資源的枯竭，昂貴的頻率資源使得大規模發展衛星通信應用變得很難。與此同時，由于技術的發展，利用豐富的Ka頻段頻率資源變成現實，因此，發展基于Ka頻率的大容量通信衛星相較傳統的C頻段、Ku頻段通信衛星，具有多點波束、可用頻帶寬、頻率復用、單點波束增益高等技術特點優勢，可以實現數倍數十倍甚至百倍的通信容量提升。同時，還可以使得衛星通信的單位帶寬成本得到大幅降低，在帶寬容量、單位帶寬成本等方面變得更有優勢，甚至可以使得提供優惠的服務資費與地面4G和5G網絡服務抗衡變為可能，從而與地面通信網絡同臺展開競爭。為充分挖掘高通量衛星的應用價值，推動高通量衛星應用發展，本文通過對相關關鍵技術進行分析，明確技術應用特點及發展方向，分析研究在哪些典型應用領域可以使用高通量衛星通信系統。

1? 高通量衛星技術發展方向

衛星的結構空間、功率控制和質量限制等對有效載荷影響較大，同時，頻率資源需求急劇增長也使得頻率資源趨向耗盡而導致緊張的形勢，大規模的通信星座建設導致軌道資源的緊張境況，這些因素綜合在一起促進了衛星技術創新研究力度的加大。

高通量衛星通信系統由以下幾個部分組成，分別為天基衛星平臺、地面用戶終端以及地面關口站這三大部分。各部分的功能定位分別為，天基衛星平臺負責衛星信號的處理和轉發，地面用戶終端負責向各類終端用戶提供各種業務類型通信服務，地面關口站負責業務的接入和交換、運營維護以及提供各類業務的支撐服務。高通量衛星具有以下幾方面技術特點。

1.1 多波束天線技術

發展以相控陣天線為代表的多波束天線技術，能夠使得天線載干比得到有效提高，同時增強頻率利用效率。目前，以Ku頻段為主的常用頻段軌位的頻率應用目前已經處于飽和狀態，后續的帶寬應用受到了限制，所以，為高通量衛星應用過程為代表的下一代通信衛星主要選用Ka頻段。這是因為Ka頻段軌位頻率資源還沒有得到充分的開發，可用的帶寬較大，可以解決目前的困境。而且，相比于在用頻率、波束賦形和極化方式等都是固定不可調整的傳統通信衛星系統，高通量衛星可以實現在軌實時調整波束的工作頻率和極化方式等參數配置，靈活響應業務需求。為了進一步研究改善高通量衛星多波束載干比和增強頻率的復用效率，這里引入了一項新的應用技術--高增益多波束天線技術，該項技術的引入，可以使得高通量衛星如何實現高數據吞吐量的關鍵問題變得迎刃而解。而且通過合理應用Ka頻段天線，在獲取較高的整體收益前提下，還能有效調控地面終端的體積，實現終端的小型化，從而獲取較大的運行收益。

1.2 頻率復用技術

隨著高通量衛星得到各國越來越多的重視，越來越多的系統得到大規模興建，空間變得擁擠起來，從而會導致可用的頻率資源會變得越來越稀缺，頻率資源變得不可能獨享，而研究以頻率共用技術為主的復用技術，從而達到多星座共存的局面。所以，在高通量衛星中合理應用多波束技術，能為頻率復用提供較大的應用空間。頻率復用就是在多個覆蓋區域中，不同波束應用相同的通信頻率。如果衛星波束數量較多，頻率復用對系統也具有良好的應用價值。頻率復用系統技術是高通量衛星網絡優化高數據信息吞吐量的重點，通過頻率復用能全面提升衛星頻譜利用效率，優化數據吞吐容量。通過采用點波束和頻率復用兩種技術的結合，使得天線增益得到有效提高，從而達到實現頻率復用的目的。同時，也會帶來一些需要解決的問題，當多個波束共有同一段頻段的時候，就會引入波束間的干擾問題。一方面點波束技術能夠提高頻率的使用效率，另一方面產生的波束間干擾又降低了波束效率。因此，就要平衡設計波束的數量和頻率復用程度。

1.3 靈活有效載荷技術

高通量衛星為了達到高數據吞吐量的目標，需要盡可能地擴大可用通信帶寬，并提高頻譜效率，而這就意味著更大的發射功率。同時，常規衛星的星上設計相對簡單，一旦入軌，大部分載荷就很難進行調整，難以根據使用需求調整轉發器提供服務，造成轉發器使用效率低的問題。這里就引入了靈活有效載荷技術的概念，轉發器可以實現靈活的覆蓋，能夠在軌調整轉發器的覆蓋區域，進行動態覆蓋調整，包括波束的大小、數量及賦形;通過星上處理的方式，實現頻率和帶寬資源的靈活分配，從而實現有效載荷的頻譜資源靈活分配;通過多端口放大器等技術手段實現星上載荷功率資源的靈活分配。

2? 高通量衛星通信系統應用分析

2.1 寬帶接入

衛星通信相對地面通信網絡具有無法比擬的巨大優勢，可以無視地理條件限制，為地理位置偏遠地區提供寬帶接入服務。此類應用具有位置相對固定、用戶數量眾多和帶寬需求量大等特點，運營商可以采取針對性措施，創新運行模式。高通量衛星通信系統中設有關口站，能提供較多服務，用戶通過通信終端能獲取寬帶通信服務，實際產生的通信費用值較低。在過去傳統通信系統應用中主要是以租賃轉發器為重點，為此需要構建更全面的通信系統，通過不同的服務進行保障，在此領域中高通量衛星通信系統應用價值較高。必須注意到，雖然高通量衛星在邊遠地區寬帶接入服務方面具有一定的優勢，但在服務性價比方面相對地面通信網絡仍不具有優勢。此類應用在我國農村網絡建設中具有廣泛前景，雖然光纖傳送網和移動通信網已經發展到了成熟階段，但因為成本和地理等因素影響，還有部分國土無法實現地面通信網絡的覆蓋，而這就是衛星通信發揮補充作用的機遇。通過行政手段扶持發展，實現國家寬帶戰略，實現企業和用戶的利益雙贏。

2.2 中繼通信

針對基于遠端數據接入重點網絡，且對接入點沒有明確要求的中繼通信，可以解決邊遠地區移動通信網絡基站的中繼接入問題，具有使用成本低、快速部署、靈活機動等優勢。針對實際覆蓋區域廣、位置相對固定且對通信質量及帶寬有較高要求的情況，可以為固定骨干節點提供寬帶數據通信，或者為重要骨干通信提供備份信道。與傳統中繼手段相比，在中繼站的維護、建設和應用等各類費用中，高通量衛星中繼站總體費用較低，性價比較高。相對于家庭寬帶用戶的寬帶接入服務，企業團體等集團的基站中繼，高通量衛星系統的建設項目成本、建設發展速度、受益人群以及社會經濟效益的優勢更加明顯。此外，還可為政府部門等特殊需求用戶建設專用通信網，提供保密性高的安全通信業務。

2.3 移動通信

衛星終端天線技術一直是限制衛星通信普及的因素之一，隨著與之相關技術的發展，為解決飛機、船只、高鐵和機動車輛等移動平臺通過衛星接入互聯網提供了有效的手段，而且受到地面通信網絡的挑戰較小。基于Ka頻段的高通量衛星通信系統，因為飛機大部分時間飛行在平流層，可以忽略Ka頻段的雨衰限制，為用戶提供寬帶接入解決方案。而且，隨著高通量衛星的快速發展，星座建設逐步趨于完善，衛星信號覆蓋范圍趨于無縫銜接，高通量衛星的優勢會越來越突出。

2.4 應急通信

在自然災害或者突發事件中，提供應急通信。應急通信的特點有突發性和緊急性，Ku頻段衛星通信系統具有通信容量大、終端小巧便攜、機動性高等特征，決定其相對于其他各類通信系統更適合在應急救援和視頻直播等場景中廣泛應用。可以在惡劣條件下進入災區，快速建立通信鏈路，操作相對簡單，需要的保障人員少。與傳統衛星通信系統相比，由于可以直接接入地面IP網絡，簡化用戶操作程序，保障了應急救援的高時效性。

2.5 軍事通信

現代軍事行動中通信保障對衛星通信的需求越來越大，在日常執勤訓練、遂行多樣化軍事行動以及演習作戰等任務中，都離不開衛星通信的有力保障。而且，隨著國家軍民融合的深入發展，將商用衛星服務引入軍用衛星通信保障中，占據的比重也越來越大。以外軍為例，據報道，美軍租用商業衛星保障占整個衛星通信保障量的80%以上。引入商用衛星服務，可以起到緩解軍用衛星資源緊張的局面，優化保障手段，還可以節約經費的使用。

此外，在第六代移動通信技術中，融合了高通量衛星技術，從而實現真正的“萬物互聯”。

3? 結語

高通量衛星已經成為下一代衛星通信的一個代表性發展方向，隨著各項關鍵技術的突破，可以在寬帶接入，中繼基站，移動通信和應急通信的典型應用場景大展手腳，在實際應用中得到全面發展。高通量衛星能全面優化頻率資源使用效率，使得衛星頻率資源不僅限于Ka頻段，朝著更全面的頻段與帶寬發展，因此，未來會有更廣闊的發展空間。結合市場的發展需求，根據業務應用需求設計出有效載荷，根據用戶和應用環境的實況選擇出合理的業務頻段，根據市場區域和用戶特點規劃出高效的系統架構，從而設計出符合市場發展的高通量衛星通信系統，充分發揮出其在社會效益和經濟效益中的獨有優勢。

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