文|王健 范靜 孫治國

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部

一、前言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能夠為各類移動用戶提供廣覆蓋、高質(zhì)量的話音、短消息、傳真和數(shù)據(jù)服務(wù)，具有重要的民用和軍用價值。自20世紀90年代以來，國際上陸續(xù)建成了以 “瑟拉亞”（Thuraya）、“國際移動衛(wèi)星”（Inmarsat）、“地網(wǎng)星”（TerreStar）為代表的高軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和以“銥”星（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（Orbcomm）衛(wèi)星為代表的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，大大提高了危、急、險、災(zāi)情況下的通信服務(wù)水平，并在快速向多業(yè)務(wù)寬帶衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)方向發(fā)展。

2016年8月，天通一號01星成功發(fā)射，邁出了我國自主區(qū)域衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的第一步?！秶颐裼每臻g基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》明確提出將在“十三五”期間啟動我國全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)，《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展十三五規(guī)劃綱要》也已將“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”列入科技創(chuàng)新2030重大工程項目。在此背景下，我國正在開展下一代高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的規(guī)劃論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

本文在總結(jié)國內(nèi)外高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合目前天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)研究中的通信體制技術(shù)演進、星地融合移動接入、地面輔助單元技術(shù)等研究熱點，對高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的趨勢和發(fā)展方向進行探討，并提出對我國高軌移動通信衛(wèi)星的發(fā)展建議。

二、高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

1.國內(nèi)外建設(shè)情況

1995年以來，國際上先后建設(shè)了十余個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，除日本技術(shù)試驗衛(wèi)星8號（ETSVIII）和Thuraya-1衛(wèi)星外，均實現(xiàn)了運營服務(wù)。國際高軌移動通信衛(wèi)星根據(jù)有效載荷技術(shù)水平大致可以分為三代，每一代變革經(jīng)歷約8年。第一代是以移動衛(wèi)星通信（MSAT）和Inmarsat-3為代表的采用星上模擬載荷的移動通信衛(wèi)星，對移動通信支持能力較弱，用戶終端多為便攜式終端；第二代是以Thuraya和Inmarsat-4為代表的采用星上數(shù)字化載荷的移動通信衛(wèi)星，星上具備處理交換能力，能夠較好地支持手持終端和寬帶移動接入；第三代是以TerreStar-1和天地通一號衛(wèi)星（Skyterra-1）為代表的采用地基波束形成技術(shù)的移動通信衛(wèi)星，星上透明轉(zhuǎn)發(fā)，能夠廣泛支持多種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。除Inmarsat-4衛(wèi)星系列外，第一代和第二代移動通信衛(wèi)星的主要業(yè)務(wù)是話音；第三代移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)容量和終端支持能力加倍提高，DVB-SH等業(yè)務(wù)也逐漸成為移動通信衛(wèi)星的重要業(yè)務(wù)類型。

在有效載荷技術(shù)上，國外高軌移動通信衛(wèi)星經(jīng)歷了從星上模擬波束形成透明轉(zhuǎn)發(fā)，到星上數(shù)字波束形成處理交換，再到地基波束形成透明轉(zhuǎn)發(fā)的演進歷程。模擬波束形成技術(shù)和透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)廣泛應(yīng)用于初期階段，以印度尼西亞格魯達一號（Garuda-1）和ETS-VIII為典型，其技術(shù)核心是MMIC或LTCC模擬波束形成矩陣，最大可形成100多個點波束，支持多種類型業(yè)務(wù)。數(shù)字波束形成與星上處理交換相結(jié)合，以Thuraya和Inmarsat-4為代表，一般采用ASIC技術(shù)實現(xiàn)，可形成200～300個點波束，提供靈活的波束形成、信號處理交換和單跳通信能力。地基波束形成技術(shù)通過星地一體的方式提供透明信號傳輸，降低了衛(wèi)星載荷復(fù)雜度，以TerreStar-1和SkyTerra-1為代表，能夠靈活形成超過500個點波束，單星容量相對于Thuraya和Inmarsat-4衛(wèi)星提升達5～10倍，同時滿足良好的后向兼容性（見圖1）。星上數(shù)字波束形成及交換處理、地基波束形成將成為高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，兩者各有優(yōu)勢，難以完全相互替代。

圖1 Inmarsat-4和TerreStar-1移動通信衛(wèi)星在軌構(gòu)型示意圖

在衛(wèi)星平臺技術(shù)上，衛(wèi)星移動通信載荷呈現(xiàn)出重量大、功耗大、熱耗高且集中的特征，大型可展開網(wǎng)狀天線的應(yīng)用更為衛(wèi)星的構(gòu)型布局帶來了諸多困難，歐洲阿斯特里姆公司（Astrium）和美國波音公司分別在歐洲星3000（Eurostar-3000）和衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)702（BSS-702）平臺基礎(chǔ)上開發(fā)了移動通信衛(wèi)星專用的Eurostar-3000GM和BSS-702GEM平臺，均屬于超大型高軌衛(wèi)星平臺。國外移動通信衛(wèi)星普遍采用傾斜軌道工作模式和電推進、可展開輻射器、南北耦合熱管等技術(shù)，以解決衛(wèi)星壽命和散熱問題。

我國在2016年8月成功發(fā)射了天通一號01星，邁出了我國自主區(qū)域衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的第一步。衛(wèi)星基于東方紅四號平臺研制，形成109個點波束覆蓋我國領(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)。星上透明轉(zhuǎn)發(fā)，通過信關(guān)站實現(xiàn)兩跳通信，同時支持5000個話音信道，可為30萬用戶提供話音、短消息、傳真和數(shù)據(jù)等服務(wù)。

2.發(fā)展趨勢分析

總的來看，國際上高軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展有以下明顯特點：

1）天地一體化趨勢明顯：衛(wèi)星移動通信與地面移動通信逐步融合，通過標準化的核心網(wǎng)實現(xiàn)與地面移動通信系統(tǒng)的互連互通。通過地面輔助組件技術(shù)，使衛(wèi)星終端與地面終端合二為一，具備衛(wèi)星通信和地面通信無縫切換的能力。

2）有效載荷得到加強：Skyterra衛(wèi)星天線口徑達到22m，多波束天線技術(shù)快速發(fā)展，從模擬波束形成發(fā)展到數(shù)字波束形成和地基波束形成，波束形成能力提高到約500個，大規(guī)模星上處理交換技術(shù)得到應(yīng)用，可實現(xiàn)單跳通信能力。

3）通信體制技術(shù)演進：衛(wèi)星移動通信體制緊跟地面移動通信系統(tǒng)演進。GMR-1（TS 101 376《地球同步軌道衛(wèi)星無線接口規(guī)范》系列標準）標準逐步演進到GMR-1 Releasel、GMR-1 Release2和GMR-1 Release3，其中Releasel是基于全球移動通信系統(tǒng)（GSM）標準，支持基本的電路域話音和傳真業(yè)務(wù)；Release2是基于通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）標準，支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；Release3是基于3G標準，但空中接口基于EDGE技術(shù)，支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最高速率可達592k比特每秒。

4）終端小型化智能化：終端類型從固定、車船機載終端向手持終端發(fā)展，逐步實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信的個人化。TerreStar衛(wèi)星的GENUS智能手機終端已經(jīng)與普通地面移動電話相當。

5）業(yè)務(wù)融合趨勢顯現(xiàn)：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)日漸超越話音業(yè)務(wù)，成為衛(wèi)星移動通信的主要業(yè)務(wù)類型，衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)向?qū)拵Щl(fā)展。

三、我國高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)

長期以來，我國通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展主要立足于地球靜止軌道衛(wèi)星，為國土及周邊地區(qū)提供區(qū)域通信服務(wù)。隨著我國國家利益的全球化發(fā)展戰(zhàn)略和信息安全的需求，構(gòu)建具有全球覆蓋能力的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是我國未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)的必然趨勢，商業(yè)市場潛力巨大。

衛(wèi)星移動通信市場迅速發(fā)展擴大，各類需求不斷提高，對高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的能力提出了更高的要求。根據(jù)中國電信的市場調(diào)查，我國衛(wèi)星移動通信潛在用戶數(shù)量達到1300萬戶，用戶業(yè)務(wù)需求覆蓋手持終端k比特每秒量級的基本移動語音通信，以及具有不同服務(wù)質(zhì)量和等級的中低速數(shù)據(jù)服務(wù)。考慮到現(xiàn)在用戶需求旺盛的情況，現(xiàn)在是高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展的很好的機遇。

根據(jù)移動通信衛(wèi)星發(fā)展需求與趨勢，為牢牢把握住現(xiàn)有的機遇，高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展必須著力解決如下問題：

1）拓展系統(tǒng)覆蓋：增加單顆衛(wèi)星的波束數(shù)目和覆蓋范圍，同時構(gòu)建多星組網(wǎng)的星座系統(tǒng)，擴展全球覆蓋，滿足用戶在全球范圍內(nèi)的移動接入需求。

2）增強系統(tǒng)容量：大幅增加衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可支持的用戶數(shù)量，以適應(yīng)用戶規(guī)模的不斷壯大和移動物聯(lián)網(wǎng)時代的大量機器類通信（MTC）需求。

3）提升傳輸速率：將單信道傳輸速率提升至兆比特每秒量級，可為用戶不斷涌現(xiàn)的移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供可與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)相媲美的接入能力。

4）促進網(wǎng)系融合：在系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)體制、應(yīng)用模式等方面進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)互通和一體化融合。

同時，高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展還面臨著來自高通量通信衛(wèi)星（HTS）、中低軌移動通信星座以及自身技術(shù)發(fā)展瓶頸的嚴峻挑戰(zhàn)。

1）高通量通信衛(wèi)星通過采用多波束天線、頻率復(fù)用、超寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器等技術(shù)，大幅提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)吞吐量，再配合用戶終端、關(guān)口站的星地一體化設(shè)計，可以為飛機、輪船、火車、汽車等高速移動載體提供廣域?qū)拵ㄐ欧?wù)。全球各大衛(wèi)星運營商都在積極推動HTS衛(wèi)星部署，全球HTS衛(wèi)星訂單上千顆，是通信衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展最快、關(guān)注度最高的一類衛(wèi)星系統(tǒng)。

2）中低軌移動通信星座具有更低的傳輸時延、更好的全球覆蓋性，國際上Iridium、Orbcomm、Globalstar均已在保持頻率和星座構(gòu)型持續(xù)性的條件下，由一代系統(tǒng)向二代系統(tǒng)演進，具有載荷能力更強、功能更綜合、應(yīng)用定位更準確的趨勢。O3b中軌系統(tǒng)主要為大客戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，一網(wǎng)公司（OneWeb）、美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）等新建系統(tǒng)主要開展面向個人的寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。新一代中低軌系統(tǒng)還在北極航線的監(jiān)視和通信等方面，對地球靜止軌道（GEO）系統(tǒng)發(fā)起了強有力的挑戰(zhàn)。

3）高軌移動通信衛(wèi)星的自身技術(shù)發(fā)展對高承載衛(wèi)星平臺、星上靈活處理載荷、大口徑多波束天線、先進通信傳輸增強技術(shù)及星地一體化資源管理和運行控制提出了更高要求。同時，L頻段、S頻段、UHF頻段頻率資源的使用趨于飽和，頻譜監(jiān)測和干擾控制日益復(fù)雜；大規(guī)模星載數(shù)字處理器件的空間環(huán)境防護問題，對我國星載ASIC工程化工業(yè)基礎(chǔ)和核心技術(shù)自主可控提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

四、我國高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展建議

我國衛(wèi)星移動通信市場潛力巨大，用戶需求正在向多功能融合、寬窄帶協(xié)同、多頻段共存和天地一體化方向發(fā)展。借鑒國外發(fā)展經(jīng)驗和教訓(xùn)，我國高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展應(yīng)重點考慮以下幾個方面的問題。

（1）加強用戶需求分析，完善頂層規(guī)劃論證，推動體系協(xié)調(diào)發(fā)展

隨著衛(wèi)星移動通信市場和技術(shù)的發(fā)展，單純的移動話音和短信業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足越來越高的數(shù)據(jù)和通信要求，未來的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)將融合越來越多的其他功能。例如，銥星二代系統(tǒng)兼具航空、船舶監(jiān)視功能，多個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)同時支持衛(wèi)星定位服務(wù)。

國際移動衛(wèi)星公司的前四代衛(wèi)星系統(tǒng)都采用L頻段，以Inmarsat-4星座為基礎(chǔ)，構(gòu)建了目前唯一的全球性L頻段衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，積累了大量穩(wěn)定的用戶群。Inmarsat-4投入運營不到三年，在2008年就啟動了Inmarsat-5系統(tǒng)研發(fā)，將L頻段業(yè)務(wù)拓展到Ka頻段，以該頻段的VSAT業(yè)務(wù)作為未來新的收入增長點，構(gòu)建全球?qū)拵б苿有l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，即Global Xpress。從2013年12月到2015年8月，Inmarsat-5星座3顆衛(wèi)星發(fā)射入軌完成組網(wǎng)，屬于典型的高通量衛(wèi)星。Global Xpress系統(tǒng)建設(shè)與布局，在一定程度上顯現(xiàn)出當前國外寬帶和窄帶移動通信衛(wèi)星市場加速融合的發(fā)展趨勢。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)備根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)運行情況自動選擇網(wǎng)絡(luò)路由，實現(xiàn)L頻段高可靠性和Ka頻段高帶寬、高速率的優(yōu)勢互補，為用戶提供獨特的混合應(yīng)用解決方案，使得用戶在偏遠和惡劣環(huán)境下的通信能力達到前所未有的適應(yīng)性、靈活性和可靠性。

另外，高軌衛(wèi)星和中低軌衛(wèi)星在設(shè)計思想、技術(shù)手段、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都存在明顯差別，分別代表了衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域內(nèi)的兩個發(fā)展方向，各有其優(yōu)勢和不足，必將互為補充、協(xié)調(diào)發(fā)展。高軌衛(wèi)星應(yīng)以我國及周邊地區(qū)為主要覆蓋范圍，逐步向全球發(fā)展，提供高可靠通信和大用戶容量。中低軌衛(wèi)星考慮發(fā)展寬帶互聯(lián)接入能力，滿足全球動態(tài)調(diào)配和區(qū)域?qū)拵ㄐ欧?wù)。

（2）加強星地一體設(shè)計，優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用能力

星地一體設(shè)計應(yīng)站在系統(tǒng)高度，從用戶、應(yīng)用和運營的角度出發(fā)，通過空間段衛(wèi)星、地面段運控系統(tǒng)和用戶段終端設(shè)備的協(xié)同規(guī)劃、統(tǒng)籌設(shè)計，達到星地指標合理分配、能力均衡，使系統(tǒng)應(yīng)用能力最大化。

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)已成功應(yīng)用于地面4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、IEEE 802.11無線局域網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中，可以在不增加傳輸功率和帶寬的情況下增強無線鏈路傳輸能力?，F(xiàn)有的移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)中，用戶鏈路采用單極化進行通信。利用雙極化通道（左旋/右旋圓極化或水平/垂直線極化）構(gòu)建2×2的MIMO傳輸信道，在雙極化用戶鏈路信道上同時進行用戶信息的傳輸，可獲得MIMO分集或復(fù)用增益，增強系統(tǒng)的傳輸可靠性和通信速率。為實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信雙極化MIMO傳輸，需要設(shè)計相應(yīng)的導(dǎo)頻對交叉極化信道進行測量。

為改善對小型化手持終端的通信傳輸能力，高軌移動通信衛(wèi)星需提升衛(wèi)星本身的接收G/T值。衛(wèi)星G/T值的提升主要通過增大衛(wèi)星天線的口徑、提高波束的增益。但是，受限于衛(wèi)星平臺能力和火箭運載能力，衛(wèi)星天線口徑不可能無限制地增大?？紤]通過多顆衛(wèi)星重疊覆蓋同一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的用戶上行信號由兩顆衛(wèi)星分別接收后進行分集合并處理，這樣可獲得多星鏈路分集增益，等效地提升了多星協(xié)作傳輸系統(tǒng)整體的接收G/T值。通過多星協(xié)作傳輸增強，可以在保持單顆衛(wèi)星的天線口徑和波束增益不變的前提下，增強對小型化終端的傳輸服務(wù)能力，減小了空間段的建設(shè)成本和建設(shè)周期。多星協(xié)作傳輸增強技術(shù)必須基于多星的地面統(tǒng)一資源管理，并且需要控制多星之間的信號同步（見圖2）。

圖2 多星協(xié)作傳輸增強系統(tǒng)示意圖

（3）借鑒地面先進技術(shù)，加速業(yè)務(wù)融合應(yīng)用

高軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)面向星地一體化趨勢，加速實現(xiàn)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用。地面輔助單元（ATC）或增補地面單元（CGC）技術(shù)，是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中增設(shè)地面輔助基站，用于解決衛(wèi)星通信在受遮擋場景以及建筑內(nèi)部性能不佳的問題，衛(wèi)星和大量ATC基站組合在一起可以實現(xiàn)大區(qū)域無縫覆蓋，即使沒有衛(wèi)星，用戶在大量ATC基站覆蓋的服務(wù)區(qū)仍然能夠享受移動通信服務(wù)。一般而言，地面ATC基站和衛(wèi)星共用同一段頻率資源，采用相同的空口信號格式和通信體制，并且共同連接到統(tǒng)一的核心網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)管理。用戶終端可以根據(jù)信號強度等判決準則，在地面ATC網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)無感切換。終端在系統(tǒng)的控制下能夠自動在ATN和SBN之間進行無縫切換，終端用戶不會感覺到是通過ATC基站還是通過衛(wèi)星進行通信。ATC技術(shù)的工程應(yīng)用必須獲得頻譜管理部門的批準，允許將衛(wèi)星通信頻段應(yīng)用于地面通信網(wǎng)絡(luò)中。

隨著第五代（5G）移動通信標準化工作的逐步深入，5G核心技術(shù)逐漸凸顯，未來的5G系統(tǒng)將會構(gòu)建在以大規(guī)模天線、新型多址、新型調(diào)制編碼、超密集組網(wǎng)、全雙工、高頻段通信等為核心的新空口技術(shù)（5G NR）和以網(wǎng)絡(luò)功能切片化為代表的網(wǎng)絡(luò)演進架構(gòu)之上。針對衛(wèi)星系統(tǒng)的特點，在5G衛(wèi)星通信標準設(shè)計時，需重點考慮傳輸信道、頻率計劃、鏈路預(yù)算、移動性管理等問題。通過5G標準化中對衛(wèi)星通信的研究，可促進高軌衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)和地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)體制的融合。

五、結(jié)束語

本文基于國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和高軌移動通信衛(wèi)星技術(shù)基礎(chǔ)，分析了我國高軌移動通信衛(wèi)星發(fā)展面臨的機遇和挑戰(zhàn)，根據(jù)用戶需求正在向多功能融合、寬窄帶協(xié)同、多頻段共存和天地一體化方向發(fā)展的趨勢，探討了以多體系協(xié)調(diào)發(fā)展、星地一體應(yīng)用能力設(shè)計、多業(yè)務(wù)融合應(yīng)用為特征的高軌移動通信衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方向。