宋成勇，劉 松，李敬能，趙 均

（78156 部隊，成都 610500）

1 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是天基信息傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)全球無縫覆蓋、構建天地一體信息網(wǎng)絡的重要手段。雖然衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)在這幾年也有較大的發(fā)展，但與地面通信的進步速度比起來還是相對遲緩。目前，5G 在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，5G 商業(yè)化運行將在這兩年內(nèi)逐步展開，將在不久的未來成為人類重要的信息基礎設施。在5G 部署周期內(nèi)，如果衛(wèi)星通信不能取得大幅度突破，那么會在全球范圍內(nèi)進一步邊緣化，淪落到“吃地面網(wǎng)的剩飯”。5G 時代的來臨，將給衛(wèi)星通信帶來新的機遇和挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信要融入到5G 發(fā)展的大戰(zhàn)略，為其提供基礎性、決定性的支撐，開辟衛(wèi)星通信應用的新時代。

近年來，高通量衛(wèi)星從理念逐步成為現(xiàn)實，大大改變著衛(wèi)星通信資源的瓶頸限制，低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡擺脫過去的頹勢重新崛起，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術取得重大突破性革新，這些都為衛(wèi)星通信融入5G 時代打下了堅實基礎，隨著5G 通信與衛(wèi)星通信的融合發(fā)展，必將促進衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新活力。

2 5G 時代衛(wèi)星通信的發(fā)展方向

2.1 中繼寬帶傳輸業(yè)務

利用衛(wèi)星通信廣域覆蓋、高速機動、靈活組網(wǎng)、業(yè)務綜合的先天優(yōu)勢，構建天基信息系統(tǒng)，與“地網(wǎng)”共同構建柵格化信息網(wǎng)絡，充分發(fā)揮天基信息多元匯聚、態(tài)勢融合、按需分發(fā)地特點，來實現(xiàn)視頻、物聯(lián)網(wǎng)和其他數(shù)據(jù)的高速中繼到中心站點的通信連接，為本地小區(qū)站點等提供服務，構建更加健壯的基礎通信網(wǎng)絡。

新的低軌衛(wèi)星通信重新崛起，其傳輸時延和速率都已經(jīng)能達到與地面光纖網(wǎng)絡相當?shù)男阅?，初步具備與遠程海底和地面光纜競爭的能力，我國在這方面也在積極攻關探索，技術逐步成熟。近年來，航天科技集團的鴻雁星座（低軌道衛(wèi)星）、中國衛(wèi)通的“中星16號”（GEO）以及航天五院西安分院研制“高分六號”衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)都是采用最新技術的高通量衛(wèi)星，是我國在研及在軌傳輸速率最高的衛(wèi)星。

2.2 數(shù)據(jù)回傳及分發(fā)業(yè)務

充分利用衛(wèi)星多播功能優(yōu)勢，將衛(wèi)星鏈路直接連接到5G 蜂窩基站進行補充，下一步可能直接將基站系統(tǒng)功能放在通信衛(wèi)星上，從而能夠相同的內(nèi)容（如視頻、HD/UHD 電視以及非視頻數(shù)據(jù)）進行按用戶需求分發(fā)，以及實現(xiàn)來自多個站點的聚合流量的高效回傳。通過在各站點部署若干緩存服務器，將服務內(nèi)容發(fā)布到最接近用戶的網(wǎng)絡邊緣進行緩存，然后通過衛(wèi)星直接分發(fā)，得以實現(xiàn)超低延遲應用（如使用低軌道衛(wèi)星）。這樣用戶可方便地就近獲得所需信息內(nèi)容，減小信息擁塞，提高信息流動的效率，有效解決用戶分布不均、訪問流量不均等問題，從而提高用戶服務的響應速度。通過研究衛(wèi)星分發(fā)平臺構成的異構網(wǎng)絡，可最大限度發(fā)揮衛(wèi)星通信自身優(yōu)勢，同時通過與地面網(wǎng)絡的組合，我們還需要不斷創(chuàng)新內(nèi)容提供和服務管理等方面的新技術，可提供更多的面向用戶的新服務。

2.3 寬帶移動通信業(yè)務

寬帶移動衛(wèi)星鏈路主要提供與高速機動載體上的用戶通信系統(tǒng)的連接，并能夠根據(jù)用戶需要的內(nèi)容在大地域覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)與用戶設備或傳感器的高效直接連接，以補充現(xiàn)有的地面連接，進行全天候、全地域、全時段的通信業(yè)務。

同步軌道衛(wèi)星的波束覆蓋寬，覆蓋區(qū)域固定，星座設計相對簡單。2016年8月，我國自主研制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)首星“天通一號”01星成功發(fā)射升空，將成為我國社會信息基礎設施的重要組成部分，是我國自主研發(fā)軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，真正實現(xiàn)個人衛(wèi)星移動通信。但是，同步軌道衛(wèi)星的寬波束會導致波束邊緣的地區(qū)覆蓋性不佳，特別是極地區(qū)域無法覆蓋到。新興低軌通信星座大都能夠實現(xiàn)時越來越小，與地面光纖網(wǎng)絡相當，隨著星座技術的成熟，未來用戶將大多在使用低軌衛(wèi)星實現(xiàn)寬帶移動通信業(yè)務。

2.4 混合多媒體業(yè)務

衛(wèi)星可以向家庭和辦公室提供地面寬帶以外的補充內(nèi)容，實現(xiàn)混合多媒體業(yè)務，能過網(wǎng)絡傳輸優(yōu)化，解決地面網(wǎng)絡負載過重的問題。中國衛(wèi)通與泰國信衛(wèi)星大眾有限公司開發(fā)的衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)IPSTAR，將衛(wèi)星通信與基于IP 的寬帶業(yè)務相結合，能夠與地面寬帶網(wǎng)絡相互融合，互為備份和補充，從而向用戶提供包括互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入、話音、IP 數(shù)據(jù)、視頻和多媒體在內(nèi)的綜合信息服務。隨著衛(wèi)星通信加入5G 物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等的快速發(fā)展，混合多媒體通信將迎來更加廣泛的新的個性化服務。如定于20202年發(fā)射的“簡陽星一號”將著眼寬帶互連網(wǎng)業(yè)務，實現(xiàn)基礎電信運營商5G 通信回傳業(yè)務。

3 5G 時代衛(wèi)星網(wǎng)絡的關鍵技術

3GPP 和ITU 兩個標準組織的衛(wèi)星通信標準進行深入細致研究。例如，ITU-RM.[NGAT_SAT]標準的研究，標準成果最新文件在2018年3月完成，其中對5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡的應用場景、網(wǎng)絡結構、關鍵技術等內(nèi)容進行了定義和分析。3GPP 最早在R14中開展了衛(wèi)星通信對5G 地面移動通信帶來的優(yōu)勢進行研究。隨著5G 標準的發(fā)展，目前3GPP 在SA 以及RAN 工作組中先后都將衛(wèi)星接入列為5G 的多種接入技術之一，并對衛(wèi)星網(wǎng)絡的部署方案和應用場景進行了具體研究和分析。

3.1 衛(wèi)星星座組網(wǎng)技術

在衛(wèi)星星座建設中，不同軌道高度的衛(wèi)星具有各自不同的優(yōu)勢。地球靜止軌道衛(wèi)星（GSO）能提供經(jīng)濟高效、即時的網(wǎng)絡覆蓋；中、低軌道衛(wèi)星（MEO、LEO）具有較低傳播延遲。衛(wèi)星通信星座建設要融入到5G 建設規(guī)化中去考慮，充分發(fā)揮高、中、低軌衛(wèi)星各自優(yōu)勢組建設混合型網(wǎng)絡。

在考慮制造成本方面，目前一些衛(wèi)星制造商引入三維打印和建設組裝生產(chǎn)線來生產(chǎn)小衛(wèi)星、微納衛(wèi)星等，這可使這些小衛(wèi)星的單顆制造成本遠遠低于常規(guī)大衛(wèi)星。同時，相比同步軌道衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星所需的功率和天線尺寸都要小很多，低軌道衛(wèi)星一箭多星技術已相當成熟，大大降低了衛(wèi)星建設成本。目前，全球新興低軌通信星座蓬勃發(fā)展多達幾十個，其中比較典型的是OneWeb公司、Telesat 公司和SpaceX 公司的低軌衛(wèi)星星座。目前國內(nèi)也在積極開展小衛(wèi)星及其應用技術研究，已涌現(xiàn)出多個小衛(wèi)星星座計劃，如我國航天科技集團和航天科工集團分別提出了建設300余顆的“鴻雁星座”和156顆的“虹云工程”低軌道通信衛(wèi)星星座的計劃。我們要及早謀劃和爭取頻率和軌位資源的問題，重點研究干擾分析、智能避讓、時空統(tǒng)籌應用等技術為未來潛在的發(fā)展應用需求奠定基礎。

3.2 高通量衛(wèi)星通信技術

高通量衛(wèi)星（HTS）是近年來衛(wèi)星通信領域發(fā)展的熱點，高通量衛(wèi)星系統(tǒng)利用多波束、點波束，星上波束交換、搭載寬帶有效載荷，高頻率復用和使用更高頻段來等技術，顯著提高大范圍區(qū)域的傳輸容量和傳輸速度。高通量衛(wèi)星能大幅降低每比特成本，是衛(wèi)星通信得以再次蓬勃發(fā)展的重要技術基礎。

當前在軌應用的高通量衛(wèi)星主要以靜止軌道衛(wèi)星為主，但非靜止軌道星座技術近年也有了較大發(fā)展，將在5G 時代提供大容量、低延遲、全球覆蓋的服務發(fā)揮獨特的作用。目前披露的商業(yè)低軌通信星座計劃大多采用高頻段頻率，C 頻段和Ku 頻段資源日趨緊張，因此目前高通衛(wèi)星越來越多地向Ka 頻段發(fā)展，甚至更高的V 頻段（40 ～75GHz）、太赫茲以及激光等頻段發(fā)展。

3.3 衛(wèi)星系統(tǒng)地面段技術

以3GPP 和GPP2所主導的下一代移動通信網(wǎng)絡都將采用IP作為其核心網(wǎng)承載技術，并逐步實現(xiàn)全網(wǎng)的IP 化。衛(wèi)星通信系統(tǒng)要融入5G 通信，衛(wèi)星通信系統(tǒng)地面段的全IP 化必將是未來的發(fā)展趨勢。

從網(wǎng)絡應用來說，將5G 地面先進技術應用于衛(wèi)星網(wǎng)絡中，主要包括服務內(nèi)容、網(wǎng)絡切片、移動邊緣計算、IP 化互操作和資源虛擬化等，以便衛(wèi)星網(wǎng)絡透明地支持端到端系統(tǒng)服務。隨著研究深入，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡平臺等將在地面網(wǎng)絡架構中實現(xiàn)標準化、IP 化，從而實現(xiàn)與其他網(wǎng)絡的產(chǎn)IP 化互操作。同時，地面體系結構的虛擬化技術以及硬件產(chǎn)品向固件和軟件應用的轉變，使得地面基礎設施結構變得簡單和經(jīng)濟有效，業(yè)務提供更加動態(tài)。例如，Kratos 推出了一套名為SpectralNet 的數(shù)字中頻產(chǎn)品，它通過在IP 網(wǎng)絡上傳輸數(shù)字射頻信號，從而擺脫了射頻傳輸?shù)木嚯x限制。在這個過程中，頻率和定時信息得以保存，射頻信號在遠端可以被完整恢復出來。通過SpectralNet 數(shù)字中頻這類功能，用戶就可以利用他們現(xiàn)有的信號處理設備（如中心站、調(diào)制器、加解密設備等），只要能夠連接到IP 網(wǎng)絡，它們就能就地提供這些新的服務。

衛(wèi)星通信地面段應用只有主動適應地面通信系統(tǒng)協(xié)議標準的規(guī)范化，實現(xiàn)衛(wèi)星通信與5G 地面系統(tǒng)的充分融合，不斷取長補短，充分釋放自身優(yōu)勢潛能。隨著衛(wèi)星載荷的IP 化、靈活化和軟件化，也將不斷促進地面系統(tǒng)更新升級，功能更加強大、更加智能，深度融合在一起。

3.4 相控陣天線技術

近年來，相控陣技術在軍用和民用領域獲得了廣泛應用。采用有源相控陣技術可很好地滿足衛(wèi)星通信中提高星座系統(tǒng)的單星波束覆蓋范圍。同時對于星座系統(tǒng)來說，其通道數(shù)量一般較多，星載有源相控陣需要有比較大的增益滿足用戶終端發(fā)射功率小、業(yè)務帶寬大的要求。隨著新型相控陣天線技術的突破發(fā)展，將降低新型移動衛(wèi)星通信終端成本，降低了尺寸、重量和功率要求，適合移動平臺的衛(wèi)星通信應用場景。

隨著5G 通信系統(tǒng)研究發(fā)展，特別是5G 無線通信領域Massive MIMO（大規(guī)模多入多出）天線的應用，把相控陣技術推向了廣泛應用的特別高度，成為各國爭相研發(fā)的重點，技術創(chuàng)新研究層出不窮。中國工程院院士李世東教授研究采用“空間優(yōu)化采樣法”設計制造新一代相控陣天線產(chǎn)品，如超薄S 波段相控陣（衛(wèi)星通信）動中通天線、5G 無線通信Massive MIMO 基站天線和Ka 波段環(huán)形超稀疏相控陣天線，這些產(chǎn)品可使通信終端的天線制造成本降低50%，并且能有效解決困擾我們的散熱等難題。

總之，隨著5G 通信時代的到來，衛(wèi)星通信不斷發(fā)揮衛(wèi)星通信廣覆蓋、高容量、組網(wǎng)靈活、接入低成本、容災抗毀能力強的特點，與地面信息網(wǎng)絡、全球信息柵格等優(yōu)勢互補、緊密融合，構建出天地一體化信息通信網(wǎng)絡，更好地適應滿足5G 通信廣覆蓋、高速率、超密度連接通信的需求，實現(xiàn)信息在全球范圍內(nèi)的傳輸和交互，必將促進全球信息產(chǎn)業(yè)的更大更新發(fā)展。