S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的探索和實(shí)驗(yàn)

摘要：S頻段具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在該頻段易于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與移動(dòng)通信系統(tǒng)的硬件復(fù)用，使得移動(dòng)通信和導(dǎo)航定位服務(wù)的融合成為可能，從而有效降低終端的硬件復(fù)雜度。雖然高速率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在許多情況下表現(xiàn)出色，但在某些特定環(huán)境或應(yīng)用中，如偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋通信等，低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能更加適用。該文主要探究S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：S頻段；低信息速率；衛(wèi)星通信系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.041

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 927+.2" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-0-03

Exploration and Experiment of S-band Low Information Rate Satellite Communication System

CHANG Ke

（Xiamen Jiuhua Communication Equipment Factory， Xiamen 361000， China）

Abstract： The S-band has unique advantages， as it is easy to achieve hardware reuse between navigation and mobile communication systems， making it possible to integrate mobile communication and navigation positioning services， thereby effectively reducing the hardware complexity of terminals. Although high-speed satellite communication systems perform well in many situations， low information rate satellite communication systems may be more suitable for certain specific environments or applications， such as remote areas， ocean communication， etc. This article mainly explores the S-band low information rate satellite communication system.

Keywords： S-band; low information rate; satellite communication system

衛(wèi)星通信以其廣闊的覆蓋面、高度的穩(wěn)定性和獨(dú)立于地形的靈活性，展現(xiàn)出優(yōu)異的服務(wù)性能，尤其擅長(zhǎng)提供跨越廣闊區(qū)域和遠(yuǎn)距離的移動(dòng)通信解決方案。這種技術(shù)特性恰好契合了緊急通信系統(tǒng)的需求[1]。在我國(guó)，尤其是在地面通信基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善的邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，衛(wèi)星通信扮演著至關(guān)重要的角色，其價(jià)值無(wú)可替代。

1" "S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

S頻段（2～4 GHz）具有較好的穿透力和較大的帶寬，這使得它特別適用于中距離通信和某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在氣象觀測(cè)中，S頻段能夠穩(wěn)定地傳輸氣象數(shù)據(jù)，為氣象預(yù)測(cè)提供重要支持。由于其硬件復(fù)用的便利性，S頻段還常被用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與移動(dòng)通信系統(tǒng)的融合，為終端用戶(hù)提供更為全面的服務(wù)。低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)在某些特定的通信需求中具有不可替代的作用。盡管現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展迅速，但在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或特殊環(huán)境下，傳統(tǒng)的地面通信網(wǎng)絡(luò)可能無(wú)法覆蓋或受到嚴(yán)重限制。低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)憑借其覆蓋范圍廣、不受地理環(huán)境限制的優(yōu)勢(shì)，能夠提供穩(wěn)定可靠的通信服務(wù)，滿(mǎn)足基本的通信需求。S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有助于提升整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性和可靠性。通過(guò)對(duì)不同頻段和速率的靈活配置，可以構(gòu)建出更加適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的通信需求。低信息速率設(shè)計(jì)有助于降低系統(tǒng)的功耗和成本，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性[1]。

2" "衛(wèi)星通信線路的S頻段

早在20世紀(jì)60年代和70年代的世界無(wú)線電大會(huì)上，已經(jīng)展開(kāi)了對(duì)衛(wèi)星通信通道的深入探討。考慮到無(wú)線電頻譜資源和電磁波傳播特性，依據(jù)不同衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的需求，這些會(huì)議對(duì)衛(wèi)星通信的頻譜進(jìn)行了詳細(xì)的劃分。2006年，我國(guó)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)依據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定S頻段用于我國(guó)的無(wú)線電測(cè)定衛(wèi)星服務(wù)，如北斗導(dǎo)航系統(tǒng)即在此列。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，S頻段已被廣泛用于傳輸音頻和視頻信號(hào)。如今，衛(wèi)星通信所需頻段不斷提升，促使衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量需求不斷擴(kuò)大，同時(shí)技術(shù)也需要向更高頻率、更快傳輸速度和更優(yōu)成本效益的方向演進(jìn)。此外，S頻段的另一個(gè)特點(diǎn)是其極低的信息傳輸速率，語(yǔ)音速率范圍在600 bps至2 400 bps，而短消息速率則介于8 bps至1 200 bps之間。這一特性使其在數(shù)據(jù)回傳、秘密通信、定位服務(wù)及緊急通信等應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。S頻段的低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)在語(yǔ)音呼叫服務(wù)中也扮演了至關(guān)重要的角色[2]。

3" "S與Ku、L頻段的對(duì)比及衛(wèi)星資源的選擇

20世紀(jì)60年代至70年代，國(guó)際電信聯(lián)合會(huì)先后舉行了多次全球無(wú)線電管制會(huì)議，對(duì)各類(lèi)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的使用頻段進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)劃。此類(lèi)通信衛(wèi)星的頻段選取主要是根據(jù)射頻資源及電磁傳輸特點(diǎn)進(jìn)行的，但受限于現(xiàn)有的頻段，其應(yīng)用范圍仍較窄。同時(shí)，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）及中國(guó)廣播主管部門(mén)根據(jù)無(wú)線電波的傳輸特點(diǎn)，對(duì)手機(jī)業(yè)務(wù)進(jìn)行了多種頻段的劃分，主要集中在3 GHz以?xún)?nèi)（如圖1所示）。

目前，我國(guó)的衛(wèi)星通信大多采用Ku、C波段，其中Ku波段是衛(wèi)星電視、廣播等業(yè)務(wù)的首選波段。而L波段則是作為無(wú)線通信的主要波段，如海洋通信衛(wèi)星、圖拉亞、銥星、全球星、Skyterra等，都是以L波段為主。特別是火星衛(wèi)星、圖拉亞、銥星以及Skyterra的客戶(hù)鏈路均采用L波段，與之相對(duì)的是，L波段為全球通信頻段，而下行鏈路則采用S波段，見(jiàn)表1。隨著時(shí)間的推移，L波段的信號(hào)活躍度將不斷增加，必然會(huì)造成L波段的資源緊缺。S波段的衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)S波段頻譜資源高效開(kāi)發(fā)與利用的一個(gè)重大契機(jī)。

4" "S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）頻段選擇：S頻段通常是指2～4 GHz的頻率范圍，在選擇這一頻段進(jìn)行低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮頻段的特性，如傳播損耗、天線尺寸以及與其他通信系統(tǒng)的兼容性。

（2）低信息速率設(shè)計(jì)：為了滿(mǎn)足特定應(yīng)用場(chǎng)景（如應(yīng)急通信、監(jiān)控監(jiān)測(cè)等）的需求，系統(tǒng)需要被設(shè)計(jì)為能夠在較低的信息速率下穩(wěn)定、可靠地工作的系統(tǒng)。這涉及到編碼、調(diào)制以及信號(hào)處理等多個(gè)方面的技術(shù)選擇和優(yōu)化。

（3）天線設(shè)計(jì)：考慮到衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，天線設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。針對(duì)S頻段，可能需要采用特定類(lèi)型的天線（如全向天線），以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)覆蓋和接收效果。同時(shí)，天線的尺寸、質(zhì)量和功率消耗等也是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。

（4）系統(tǒng)可靠性：衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常需要具備高度的可靠性，特別是在處理突發(fā)事件或進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸時(shí)。因此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮冗余備份、故障檢測(cè)與恢復(fù)等機(jī)制，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）功耗和成本：在滿(mǎn)足性能要求的前提下，應(yīng)盡量降低系統(tǒng)的功耗和成本。這可以通過(guò)優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)、采用高效的算法以及合理的供應(yīng)鏈管理等方式實(shí)現(xiàn)。

（6）兼容性與互操作性：在設(shè)計(jì)S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)，還需要考慮與其他通信系統(tǒng)的兼容性和互操作性。這有助于實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，提高通信的靈活性和便利性[3]。

5" "S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 頻段特性與選擇

S頻段通常指的是2～4 GHz的頻率范圍。這個(gè)頻段在衛(wèi)星通信中具有廣泛的應(yīng)用，特別是在氣象觀測(cè)、無(wú)線電測(cè)向和中距離通信等方面。S頻段具有較好的穿透力和較大的帶寬，適合用于構(gòu)建低信息速率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在選擇頻段時(shí)，需要考慮可用頻譜資源、與其他系統(tǒng)的兼容性以及潛在的干擾問(wèn)題。

5.2 系統(tǒng)需求分析

在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)之前，需要明確系統(tǒng)的具體需求。這包括確定通信的覆蓋范圍、通信容量、信息速率、傳輸時(shí)延以及可靠性等要求。同時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)的成本、功耗以及可維護(hù)性等因素。這些需求將直接影響系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、通信協(xié)議選擇以及地面設(shè)施的配置。

5.3 硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星設(shè)計(jì)：衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸。在設(shè)計(jì)衛(wèi)星時(shí)，需要考慮其軌道、姿態(tài)控制、載荷配置以及電源供應(yīng)等因素。此外，還需要根據(jù)S頻段的特性，設(shè)計(jì)合適的收發(fā)信機(jī)、天線以及調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備。地面站設(shè)計(jì)：地面站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面用戶(hù)之間的接口。地面站需要配備相應(yīng)的收發(fā)設(shè)備、處理設(shè)備以及控制設(shè)備等，以實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的通信連接。同時(shí)，地面站還需要具備足夠的容量和靈活性，以支持多個(gè)用戶(hù)同時(shí)接入和通信[4]。

5.4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，它規(guī)定了通信雙方如何進(jìn)行信息交互和傳輸。在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)，需要考慮S頻段的特點(diǎn)以及系統(tǒng)的具體需求。例如，可以采用低信息速率的編碼和調(diào)制方式，以降低傳輸誤碼率和提高通信質(zhì)量。此外，還需要設(shè)計(jì)合適的信道接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等，以支持系統(tǒng)的正常運(yùn)行和維護(hù)。

5.5 地面設(shè)施配置

地面設(shè)施包括地面站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心以及用戶(hù)終端等。這些設(shè)施的配置需要根據(jù)系統(tǒng)的覆蓋范圍、通信容量以及用戶(hù)需求來(lái)確定。例如，可以在不同的地理位置建立地面站，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆蓋和更可靠的通信連接。同時(shí)，還需要建立高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

5.6 測(cè)試與驗(yàn)證

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證以確保其性能和可靠性。這包括在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)各個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以及在實(shí)際場(chǎng)景中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通信測(cè)試。通過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問(wèn)題，從而確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行和性能穩(wěn)定。

6" "衛(wèi)星通信系統(tǒng)在應(yīng)急通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)在當(dāng)前的通信技術(shù)領(lǐng)域中扮演著重要的角色，尤其在滿(mǎn)足特定通信需求，如應(yīng)急通信、搶險(xiǎn)救災(zāi)等場(chǎng)景中，具有不可替代的作用。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的增長(zhǎng)，這一系統(tǒng)也面臨著一些挑戰(zhàn)。考慮到S波段資源利用目前尚不夠充分，未來(lái)有望看到更多的研究和投資聚焦于S頻段的有效利用。通過(guò)優(yōu)化頻譜管理和技術(shù)手段，S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率和更可靠的通信性能。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求也在不斷增加。這些技術(shù)可以與S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆蓋、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的時(shí)延。例如，通過(guò)引入智能天線技術(shù)、自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)等，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能。隨著全球衛(wèi)星通信市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)也需要不斷創(chuàng)新和提升自身的競(jìng)爭(zhēng)力。這可能包括開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用場(chǎng)景、優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、降低成本等方面。我們也需要關(guān)注一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。例如，隨著更多衛(wèi)星進(jìn)入太空，軌道資源日趨緊張，這可能對(duì)S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的部署和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。此外，網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全問(wèn)題也不容忽視，需要采取有效的措施來(lái)保障系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

7" "結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)今信息化社會(huì)中，為了保證無(wú)線通信系統(tǒng)的無(wú)縫覆蓋，衛(wèi)星通信已經(jīng)是必不可少的一項(xiàng)技術(shù)手段。本文在對(duì)S波段衛(wèi)星通信進(jìn)行探究的同時(shí)，詳細(xì)地研究了S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為S頻段的衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份綿薄之力。

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