衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究

賈衛(wèi)紅

（鶴壁天海電子信息系統(tǒng)有限公司 河南 鶴壁 458000）

1 引言

社會的發(fā)展大大推動了移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對移動通信服務(wù)的依賴程度越來越高，同時要求也越來越高。單純依靠地面移動通信系統(tǒng)已然無法滿足需求，發(fā)展衛(wèi)星移動通信事業(yè)非常有必要。衛(wèi)星有著巨大的覆蓋面積，僅僅需要3顆同步衛(wèi)星便可以完成除北極之外所有地區(qū)的通信服務(wù)，可以滿足人們近距離和洲際通信的需求[1]。就目前的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)來說，若是按照軌道來劃分，可以分為3種，即靜止軌道（GEO）、低軌道（LEO）、中軌道（MEO）。以其中的LEO系統(tǒng)為例來說，其擁有傳輸延時的特性，且路徑損耗小，更易實現(xiàn)全球覆蓋。在技術(shù)應(yīng)用方面，目前所使用的技術(shù)以星上處理技術(shù)、天線技術(shù)、星間鏈路為主，有很好的應(yīng)用優(yōu)勢。為更好地促進衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，進一步明確和掌握衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用要點尤為關(guān)鍵，要給予高度的重視。

2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)介紹

按照衛(wèi)星運行軌道的不同，目前實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信服務(wù)的技術(shù)主要有兩種，一種是借助LEO來實現(xiàn)全球性的移動通信，最為典型的系統(tǒng)有兩種，即全球星（Globalstar）和銥星（Iridium）；另外一種是借助GEO和大型可展開多波束天線技術(shù)來實現(xiàn)全球性的移動通信，最為典型的系統(tǒng)有兩種，即澳大利亞衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)Mobilesat系統(tǒng)、北美衛(wèi)星移動系統(tǒng)MSAT。

GEO與LEO兩種系統(tǒng)因為軌道高度有所不同，且衛(wèi)星數(shù)量與質(zhì)量方面也存在較大的差異，因而兩種系統(tǒng)有著較為顯著的風(fēng)格特點，集中體現(xiàn)在傳輸性能、系統(tǒng)性能、衛(wèi)星性能和成本經(jīng)費。在傳輸性能上，GEO的傳輸延時可以達到半毫秒量級，實時性較差，且傳輸過程中的損耗會很大，而LEO的傳輸延時可以達到10毫秒量級，有很好的實時性能力，且傳輸過程所產(chǎn)生的能耗小。在系統(tǒng)性能上，GEO的系統(tǒng)建設(shè)相對來說較為簡單，與地面對星容易，不需要一些復(fù)雜性的跟蹤控制系統(tǒng)。更為重要的一點是，借助單顆衛(wèi)星便可以有效開展業(yè)務(wù)。而LEO系統(tǒng)整體有著較高的復(fù)雜性，且難度大，需要完美的跟蹤控制系統(tǒng)。另外，只有當所有的衛(wèi)星在軌道內(nèi)運行時，才可以實現(xiàn)提供全球移動通信服務(wù)的目的。在成本費用方面，GEO的使用壽命較長，日常維護費用較低，有很高的性價比。而LEO無論是衛(wèi)星研制還是維護費用均有一定的復(fù)雜性，且所花費的費用高于GEO。總的來說，兩種衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有著各自顯著的優(yōu)勢與不足，在使用時需要充分考慮這些因素，若是要實現(xiàn)人口密集區(qū)域的移動通信服務(wù)，則可以優(yōu)先考慮使用GEO系統(tǒng)，若是要建立無縫覆蓋的移動通信系統(tǒng)，則可以優(yōu)先考慮使用LEO系統(tǒng)。

3 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用要點

3.1 星上處理技術(shù)

對于移動通信系統(tǒng)來說，所存在的傳輸延時、傳輸質(zhì)量不佳和系統(tǒng)容量低的問題往往會導(dǎo)致移動通信質(zhì)量受限，為很好地解決這一類問題，要求衛(wèi)星必須擁有星上交換、調(diào)制解調(diào)、波束成型等諸多的星上處理能力。目前來看，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的星上處理技術(shù)主要有3種，即星上處理交換、全透明轉(zhuǎn)發(fā)、部分處理交換。星上處理技術(shù)可以通過數(shù)字的方式來實現(xiàn)，其顯著優(yōu)勢在于有很高的資源利用率，且通信服務(wù)的實時性顯著，但也存在著一些突出的缺點，比如當前的技術(shù)體制還不夠成熟，導(dǎo)致實際應(yīng)用時的適應(yīng)性不足，且極易受到空間輻射的影響，導(dǎo)致穩(wěn)定性和可靠性較差[2]。結(jié)合當前階段我國的衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展情況來看，星上處理技術(shù)應(yīng)用在GEO衛(wèi)星系統(tǒng)上還無法有效實現(xiàn)，但要想解決衛(wèi)星通信傳輸延時這一不足，必須發(fā)展好星上處理技術(shù)。對于LEO衛(wèi)星系統(tǒng)來說，因為無法在全球范圍內(nèi)建立信關(guān)站，因而必須使用星上處理技術(shù)，以此來實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的移動通信。

3.2 天線技術(shù)

通信衛(wèi)星天線的發(fā)展經(jīng)歷了很長的時間，在此過程中出現(xiàn)了很多形式的天線，包括標準圓的簡單天線、反射器賦形的天線與多饋源波束賦形的天線、多波束成型大天線。以多波束成型大天線為例來說，當前有較為廣泛的應(yīng)用，尤其是在GEO系統(tǒng)中應(yīng)用效果良好，比如Thuraya系統(tǒng)的12.25 m口徑天線，可以產(chǎn)生250～300個波束，再比如InmarsatⅣ系統(tǒng)也采用了多波束天線。對于LEO衛(wèi)星系統(tǒng)來說，其天線設(shè)計主要有4種形式，即雙柵、但饋源、正交、反射器賦形，比如Globalstar系統(tǒng)采用了S波段的有源相控陣天線。

就目前天線技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展來看，可以有效提升頻譜利用率的途徑主要有3種，一種是利用天線的波束成形，一種是多點波束蜂窩結(jié)構(gòu)，另一種是智能天線技術(shù)。3種途徑均可以很好地實現(xiàn)頻率再利用的目標。若是選擇將天線技術(shù)與多址技術(shù)有機結(jié)合起來，勢必可以很好地提升衛(wèi)星通信上行與下行的通信能力，尤其是可以提升衛(wèi)星通信下行的通信能力。

3.3 星間鏈路技術(shù)

星間鏈路技術(shù)可以很好地連接相鄰衛(wèi)星，屬于一種通信鏈路，其優(yōu)勢在于可以將星座中的各個衛(wèi)星連接成為一體，由此可以確保系統(tǒng)內(nèi)用戶的通信鏈路不再需要地面通信網(wǎng)的支撐。通過應(yīng)用星間鏈路技術(shù)，可以大大提升整個移動通信系統(tǒng)的抗干擾能力和抗摧毀能力，能夠由此擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍[3]。就LEO衛(wèi)星系統(tǒng)來說，其因為覆蓋范圍很小，通常情況下是無法有效設(shè)置固定地球站的，而選擇使用星間鏈路技術(shù)時，可以此來對衛(wèi)星加以控制，移動用戶可以通過星間鏈路接入到地面通信網(wǎng)絡(luò)中去。目前來看，使用星間鏈路技術(shù)的只有一種系統(tǒng)，即LEO衛(wèi)星的Iridium系統(tǒng)。

就星間鏈路技術(shù)的應(yīng)用形式來說，其主要有兩種形式，即激光通信和微波通信，以微波通信技術(shù)的應(yīng)用最為常見。微波通信技術(shù)雖然有著較為廣泛的應(yīng)用，但實際應(yīng)用時也存在著一些較為明顯的不足，比如應(yīng)用過程中極易受到頻帶寬度、體積、價格等多方面因素的影響，因而無法大限度地去提升傳輸速率。對于激光通信來說，其也有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，所擁有的寬廣頻譜帶寬可以很好地提升衛(wèi)星通信的潛在容量，在減少衛(wèi)星載荷體積和重量中發(fā)揮著重要的作用[4]。更為重要的一點是，目前所使用的激光通信技術(shù)可以實現(xiàn)廣域大跨越的單跳連接，能夠減小通信延時。但激光通信技術(shù)在應(yīng)用時的缺點也是十分顯著的，比如若是選用激光星間鏈路技術(shù)，則要求有著十分良好的衛(wèi)星姿態(tài)控制能力，尤其是要確保衛(wèi)星姿態(tài)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，原因在于衛(wèi)星姿態(tài)一旦不穩(wěn)定則極易導(dǎo)致移動通信發(fā)生中斷。

4 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的未來發(fā)展

對于一個國家來說，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)屬于國家通信和航天領(lǐng)域高度發(fā)展的重要標志，同時也是一個國家通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的補充手段，是必須擁有的尖端技術(shù)。目前來看，雖然近些年來我國在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)事業(yè)上取得了很好的成效，但與發(fā)達國家相比還存在著很大的差距，且星上數(shù)字處理技術(shù)被一些國家所壟斷。總的來說，我國目前還沒有建設(shè)出自主研發(fā)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，可以覆蓋到我國的GEO衛(wèi)星有Aces和Inmarsat系統(tǒng)，但是因為衛(wèi)星的用戶鏈路多采用L/S波段，如何搶占有限的空間資源與業(yè)務(wù)尤為關(guān)鍵。因此，必須進一步加大衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的自主研發(fā)力度，建設(shè)屬于自己的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。結(jié)合我國當前在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)中的諸多因素，今后衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)該有一個明確的方向。

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)思路上，要將區(qū)域覆蓋作為重點，將兼顧全球作為輔，將寬帶業(yè)務(wù)作為重點發(fā)展業(yè)務(wù)，并綜合利用LEO和GEO衛(wèi)星，更好地支持小型的手持終端，確保可以實現(xiàn)實時語音服務(wù)。另外，要將滿足軍事通信作為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的重要目標之一，前期的投資可以依靠軍隊，后續(xù)的發(fā)展可以通過商用來實現(xiàn)。按照當前我國在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)上所取得的成就來說，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展是有著很好的技術(shù)支撐和資金支撐的，提供服務(wù)的能力也大大增強。今后要將衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的建設(shè)工作放在4個點上：（1）促進衛(wèi)星系統(tǒng)獨立建網(wǎng)；（2）促進衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可以與地面網(wǎng)絡(luò)有更好的融合；（3）拓寬業(yè)務(wù)；（4）發(fā)展好個人移動衛(wèi)星通信。在衛(wèi)星系統(tǒng)獨立建網(wǎng)上，今后要降低對地面電信網(wǎng)的依賴程度，并最終不去依賴地面電信網(wǎng)，確保可以直接向公眾提供通信服務(wù)。在多業(yè)務(wù)開發(fā)上，目前衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)已然呈現(xiàn)出多元化的特點，兼容多種服務(wù)的綜合衛(wèi)星業(yè)務(wù)可以為人們提供更多的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，在地面業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用。更為重要的一點是，將衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)聯(lián)合使用時，可以打造一種覆蓋全球的海陸空立體通信網(wǎng)絡(luò)體系。在個人移動衛(wèi)星通信發(fā)展上，要發(fā)揮好衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣泛、可靠性強、傳輸效率高的優(yōu)勢，進一步發(fā)展好移動通信業(yè)務(wù)，更好地保證個人移動衛(wèi)星通信的安全性與穩(wěn)定性。就當前階段個人移動衛(wèi)星通信的發(fā)展情況來說，在民用領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在遠洋運輸、航海、石油天然氣勘探、遠程教育、科學(xué)考察、林業(yè)病蟲害監(jiān)測中的應(yīng)用十分普遍和有效。

5 結(jié)語

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)對于一個國家的發(fā)展尤為重要，必須積極做好衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的建設(shè)工作。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，其大大提升了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的實用性和應(yīng)用效率，對推動衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展有重要的意義。今后要認清楚衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)，進一步加大對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的研究力度，以此發(fā)揮好衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢。