王冬 曹晉龍 章學(xué)松

摘 要：從分析衛(wèi)星通信的特點入手，綜述了衛(wèi)星通信的衛(wèi)星平臺、可用頻率資源和主要相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，概述了典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能特點，介紹了衛(wèi)星通信的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況，并展望了發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信;移動衛(wèi)星通信;蜂窩網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)

一、引言

自1965 年美國發(fā)射第一顆商用通信衛(wèi)星以來，衛(wèi)星通信技術(shù)及其應(yīng)用取得了令人矚目的巨大成就。它實現(xiàn)了覆蓋全球豐富多彩的通信服務(wù)，不僅在軍事中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，也對人類的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了巨大影響。與微波中繼通信及其他通信方式相比，衛(wèi)星通信主要具有以下特點。

1.通信覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)：地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星距地面高度35 860 km，只需一個衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)，就能實現(xiàn)1 萬多公里的遠(yuǎn)距離通信;每一顆衛(wèi)星可覆蓋全球表面的42.4%，用3 顆GEO衛(wèi)星就可以覆蓋除兩極緯度76°以上地區(qū)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(shù)相結(jié)合構(gòu)成龐大的通信網(wǎng)：在一顆衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，不必依賴顯式的交換，只需利用衛(wèi)星中繼傳輸和多址/復(fù)用技術(shù)就能構(gòu)成擁有許多地面用戶的大型通信網(wǎng)。

3.機(jī)動靈活：衛(wèi)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(yuǎn)山區(qū)、島嶼，隨地可建;通信終端也可由飛機(jī)、汽車、艦船搭載，甚至個人隨身攜帶;建站迅速，組網(wǎng)靈活。

4.通信頻帶寬、通信容量大：衛(wèi)星通信信道處于微波頻率范圍，頻率資源相當(dāng)豐富，并可不斷發(fā)展。信道質(zhì)量好、傳輸性能穩(wěn)定：衛(wèi)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(wěn)定而可準(zhǔn)確預(yù)算，多徑效應(yīng)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(shè)備的成本不隨通信距離增加而增加，因而特別適于遠(yuǎn)距離以及人類活動稀少地區(qū)的通信。

衛(wèi)星通信也存在一些缺點和一些應(yīng)該而且可以逐步改進(jìn)的方面，這主要有以下幾點。

1） 衛(wèi)星發(fā)射和星上通信載荷的成本高：星上元器件必須采用抗強(qiáng)輻射的宇航級器件，而且LEO、GEO 衛(wèi)星的壽命一般分別只有8 年、15 年左右。

2） 衛(wèi)星鏈路傳輸衰減很大：這就要求地面和星上的通信設(shè)備具有大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)和高增益天線。

3） 衛(wèi)星鏈路傳輸時延大：GEO 衛(wèi)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(wǎng)系統(tǒng)中，小站之間進(jìn)行話音通信必須經(jīng)雙跳鏈路，那么傳輸時延達(dá)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(zhuǎn)換引起的回波干擾而使話音質(zhì)量顯著下降?；谛l(wèi)星通信的特點及其重要作用，本文將從衛(wèi)星通信的可用頻率資源、衛(wèi)星平臺、主要關(guān)鍵技術(shù)、典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面進(jìn)行介紹，綜述發(fā)展現(xiàn)狀，展望發(fā)展前景。

二、通信衛(wèi)星平臺與信道資源的發(fā)展

（一）衛(wèi)星通信的頻率資源

早期GEO 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)器的帶寬有33 MHz、36 MHz、54 MHz 等;Ku后來擴(kuò)展到800 MHz。最近十幾年Ka頻段2 GHz 帶寬得到了廣泛應(yīng)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(wèi)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(fā)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(wèi)星天線、低軌道衛(wèi)星群等技術(shù)，可使上述頻率重復(fù)使用許多次，可用頻率資源擴(kuò)大許多倍。此外采用空間激光通信技術(shù)擴(kuò)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(qiáng)。

（二）通信衛(wèi)星平臺的發(fā)展

衛(wèi)星平臺技術(shù)是推動衛(wèi)星通信應(yīng)用和增強(qiáng)市場競爭力的重要因素。目前，世界上最大的通信衛(wèi)星平臺重達(dá)7 噸、太陽能電池功率達(dá)30 kW，例如美國Loral 公司LS20.20 衛(wèi)星平臺，發(fā)射質(zhì)量5～7噸，電源功率17～30 kW，可支持150 個轉(zhuǎn)發(fā)器，2012年發(fā)射SES-4 衛(wèi)星所用該公司LS-1300 平臺，功率達(dá)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(guī)模更大，但與當(dāng)前國際先進(jìn)水平仍存在差距。

三、衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

（一）調(diào)制解調(diào)技術(shù)

衛(wèi)星通信中最常用的調(diào)制方式是QPSK、OQPSK 和π /4DQPSK 等，近年來，高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笈c轉(zhuǎn)發(fā)器資源緊缺推動了8PSK、16APSK、16QAM 等高階調(diào)制方式的研究與應(yīng)用。其中APSK調(diào)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(yù)失真法進(jìn)行幅度非線性矯正而不影響相位特性，使之在透明轉(zhuǎn)發(fā)這種高階調(diào)制信號時的功率效率不明顯降低。因此，APSK調(diào)制在衛(wèi)星電視廣播中得到應(yīng)用，在衛(wèi)星寬帶移動通信中也有很好的應(yīng)用前景。

格形編碼調(diào)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(diào)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(diào)制用于衛(wèi)星通信的國際標(biāo)準(zhǔn)早已經(jīng)形成，但因其譯碼復(fù)雜度較高，而且不大便于再級聯(lián)外碼以進(jìn)一步降低誤碼率，因此應(yīng)用并不廣泛。

遙感數(shù)據(jù)傳輸和大容量寬帶衛(wèi)星通信中對于高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)有迫切需求，目前我國基于FPGA 并行實現(xiàn)的高速調(diào)制解調(diào)已達(dá)到1.5 Gbit/s，已接近國際先進(jìn)水平。這個速率基本上能滿足通信衛(wèi)星饋送鏈路高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)作為一種多載波調(diào)制方式，由于其抗多徑衰落能力強(qiáng)而在地面蜂窩網(wǎng)第四代（4G）、第五代（5G）移動通信中成為不可或缺的技術(shù)，因此人們一直想將其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星移動通信中。值得注意的是，OFDM 本來是不大適于衛(wèi)星下行鏈路這種功率嚴(yán)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(chǎn)生多載波互調(diào)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(fù)雜度很高。

對于基于多波束天線的GEO 或LEO 衛(wèi)星寬帶移動通信或廣播系統(tǒng)而言，因其多徑衰落非常嚴(yán)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(yán)重，采用OFDM技術(shù)有其合理性。事實上在衛(wèi)星與地面基站相結(jié)合的移動數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中已成功應(yīng)用OFDM，并已形成了國際標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)。然而衛(wèi)星下行鏈路功率受限問題遠(yuǎn)比地面移動通信基站嚴(yán)重，驅(qū)動多波束衛(wèi)星天線的功放非線性問題更加嚴(yán)重。加之OFDM 系統(tǒng)抗多徑衰落效益的發(fā)揮有賴于信道信息反饋，而衛(wèi)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(fā)射功率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整?？傊?，衛(wèi)星下行鏈路采用OFDM 體制只是當(dāng)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(shù)

各種通信業(yè)務(wù)信息傳輸?shù)恼`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(shù)據(jù)通信BER為10-6或10-7，無特殊措施的ATM（asyschronioustransfer mode）或IP（Internet protocol）數(shù)據(jù)傳輸BER為10?10，深空通信中某些數(shù)據(jù)傳輸BER 為10-14。當(dāng)然一般系統(tǒng)不會設(shè)計為在傳輸和解調(diào)后所得數(shù)據(jù)的BER 就能達(dá)到上述要求，因為這需要很高的鏈路信噪比，嚴(yán)重浪費發(fā)射功率。而采用糾錯編碼（即信道編碼）技術(shù)與調(diào)制相結(jié)合，只需付出很小的頻帶效率代價就能使BER 降低若干個數(shù)量級。相應(yīng)地達(dá)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(yīng)的編碼增益。

（三）擴(kuò)頻通信技術(shù)

衛(wèi)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(kuò)頻技術(shù)克服，因此擴(kuò)頻通信主要用于隱蔽通信和抗干擾軍事通信。

擴(kuò)頻主要有直接序列擴(kuò)頻（DSSS，direct sequencespectrum spreading）、跳變頻率（FH， frequencyhopping）、跳變時間和線性調(diào)頻等4 種基本工作方式。這里主要介紹DSSS和FH

DSSS 系統(tǒng)中每個符號用一個長度為N 的偽隨機(jī)序列表示，可使其信號的頻帶擴(kuò)展N 倍，接收端采用同樣的序列進(jìn)行相關(guān)接收解擴(kuò)，因而可使解擴(kuò)之后的信噪比提高到解擴(kuò)之前的N 倍，即可獲得N倍的解擴(kuò)處理增益。N 可以很大，例如，GPS 中P碼信號的擴(kuò)頻倍數(shù)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(jìn)行通信，可使通信信號具有很強(qiáng)的隱蔽性，并使系統(tǒng)具有很高的干擾容限，例如，允許信干比達(dá)50 dB。如果在接收端解擴(kuò)之前配合某種自適應(yīng)信號處理算法，例如，自適應(yīng)陷波、幅度非線性處理或自適應(yīng)空間陷波等，還可使系統(tǒng)的干擾容限再提升30～40dB。

四、衛(wèi)星通信的前景展望

有線電信網(wǎng)、計算機(jī)局域網(wǎng)和有線電視網(wǎng)已實現(xiàn)三網(wǎng)融合并入骨干網(wǎng)，地面移動通信蜂窩網(wǎng)通過其無線核心網(wǎng)與骨干網(wǎng)互聯(lián)，衛(wèi)星通信網(wǎng)也應(yīng)該是通過其無線核心網(wǎng)與骨干網(wǎng)互聯(lián)。隨著衛(wèi)星通信的IP 化，各種不同性質(zhì)和不同業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信終端，都將變成類似的因特網(wǎng)接入設(shè)備，可見IP 化確實是大勢所趨。但是此處IP 化不等于衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)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(fā)揮衛(wèi)星通信的特點而獲得更高的衛(wèi)星資源利用率和達(dá)到更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

筆者認(rèn)為，衛(wèi)星通信接入因特網(wǎng)的應(yīng)用，在我國近期內(nèi)仍然只是對地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的一種重要補(bǔ)充。當(dāng)然，衛(wèi)星通信無縫覆蓋的優(yōu)勢可以產(chǎn)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(wèi)星通信在規(guī)模和實際效益將會超過軍用衛(wèi)星通信，我國衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)將由政府主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲋鲗?dǎo)。因此，衛(wèi)星通信的發(fā)展無疑是前途光明而且意義重大的。我們應(yīng)該以更強(qiáng)的創(chuàng)新意識和更大的創(chuàng)新勇氣去迎接競爭和挑戰(zhàn)。