摘要：衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣，對地面情況不敏感等優(yōu)勢，已經(jīng)成為地面移動通信領域重要的組成部分，尤其是在空中、海洋、荒漠戈壁等地面無線網(wǎng)絡難以覆蓋的地方。隨著科學技術的不斷進步，我國衛(wèi)星通信技術也取得了較大成就，但是與其他發(fā)達國家相比還存在一定差距。本文簡介紹衛(wèi)星通信技術，以及就目前衛(wèi)星通信技術發(fā)展現(xiàn)狀進行描述，展望其未來發(fā)展趨勢。

引言

衛(wèi)星通信定義為以衛(wèi)星作為中繼站進行無線電波發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)的一種通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個或多個地面站/手持終端以及航天器和地面站之間的通信。相較于傳統(tǒng)地面通信，衛(wèi)星通信能夠以較低的開銷實現(xiàn)較廣的無縫覆蓋，同時地理環(huán)境不對其產(chǎn)生約束。并且可使用的頻譜資源十分豐富，載波頻段可從甚高頻（Very High Frequency，VHF）到Ka 頻段，正往更高的頻段發(fā)展。除此之外，衛(wèi)星通信在島嶼、沙漠等低業(yè)務地區(qū)，船舶、飛機等地面網(wǎng)絡難以覆蓋區(qū)域得到了普遍的應用。其提供的移動通信服務具有跨度大、距離遠、機動性強、通信方式靈活等優(yōu)點，是蜂窩移動通信的必要補充和延伸。

按照衛(wèi)星的通信軌道可分為靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星。靜止軌道衛(wèi)星高度為35786km。非靜止軌道衛(wèi)星又可分為低軌、中軌和高軌衛(wèi)星。低軌衛(wèi)星高度一般在500-3000km，中軌衛(wèi)星高度在3000-10000km，高軌衛(wèi)星屬于橢圓軌道，其距離地球表面最近點為10000-21000km，最遠點為39500-50600km。

近期，衛(wèi)星通信新技術的迅速發(fā)展和通信商業(yè)市場需求的不斷增長，極大地促進了衛(wèi)星通信業(yè)務和通信模式的創(chuàng)新發(fā)展，使當前成為衛(wèi)星通信歷史上最活躍的時期之一。本文主要通過介紹衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及其衛(wèi)星通信特點，對衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀從靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)、中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹一些典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)，最后從5G衛(wèi)星通信融合、空天地海一體化通信及其智能移動通信等講述未來發(fā)展趨勢。

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

衛(wèi)星通信是指利用衛(wèi)星作為中繼，轉(zhuǎn)發(fā)移動用戶間或移動用戶與固定用戶間用于進行通信的無線電波，實現(xiàn)兩點或多點之間的移動通信。其包括空間段、地面段和用戶段。其衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成如下圖1所示。

空間段可以是地球靜止軌道衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星，作為通信中繼站，提供網(wǎng)絡用戶與信關站之間的連接。

地面段通常包括信關站、網(wǎng)絡控制中心和衛(wèi)星控制中心，用于將移動用戶接入核心網(wǎng)，以及控制整個通信網(wǎng)絡的正常營運。

用戶段由各種用戶終端組成，包括手持、車載、艦載、機載終端等。

圖1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)圖

1.2 衛(wèi)星通信特點

1) 通信覆蓋區(qū)域大，距離遠。地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星只需一顆衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)，就能實現(xiàn)1萬多公里的遠距離通信，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。

2) 機動靈活。衛(wèi)星通信不受地理條件的限制，無論是大城市還是邊遠山區(qū)、島嶼，隨地可通信。

3) 通信頻帶寬、容量大。衛(wèi)星通信信道處于微波頻率范圍，頻率資源相當豐富，并可不斷發(fā)展。

4) 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)定而可準確預算，多徑效應一般都可忽略不計。

5）災難容忍性強：在自然災害如地震、臺風發(fā)生時仍能提供穩(wěn)定的通信。

6) 通信設備的成本不隨通信距離增加而增加，因而特別適于遠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該而且可以逐步改進的方面，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備具有大功率發(fā)射機、高靈敏度接收機和高增益天線。

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，小站之間進行話音通信必須經(jīng)雙跳鏈路，那么傳輸時延達到0.5 s，對話過程就會感到不順暢。

2、衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信軌道示意圖如下圖所示2; 按覆蓋范圍有區(qū)域系統(tǒng)和全球系統(tǒng)等。比較有代表性的系統(tǒng)有以下幾個。

圖2、衛(wèi)星通信軌道示意圖

2.1 靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)

地球靜止軌道通信衛(wèi)星的優(yōu)點是只需三顆衛(wèi)星就可覆蓋除兩極以外的全球區(qū)域，現(xiàn)已成為全球洲際及遠程通信的重要工具。對于區(qū)域移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用靜止軌道一般只需要一顆衛(wèi)星，建設成本較低，因此應用廣泛。

2.1.1 國際移動衛(wèi)星系統(tǒng)
2.1.2 ACeS 系統(tǒng)
2.1.3 Thuraya 系統(tǒng)
2.1.4 SkyTerra 系統(tǒng)
2.1.5 天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)

(限于篇幅，此處各節(jié)省略，詳見“臨菲信息技術港”電腦端完整pdf文檔)

2.2 中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)

中軌道衛(wèi)星（MEO）離地球高度約10000公里左右。軌道高度的降低可減弱高軌道衛(wèi)星通信的缺點，并能夠為用戶提供體積、重量、功率較小的移動終端設備。用較少數(shù)目的中軌道衛(wèi)星即可構成全球覆蓋的移動通信系統(tǒng)。中軌道移動通信衛(wèi)星一般采用網(wǎng)狀星座，衛(wèi)星運行軌道為傾斜軌道。

2.2.1 Odyssey 系統(tǒng)
2.2.2 ICO 系統(tǒng)

(限于篇幅，此處各節(jié)省略，詳見“臨菲信息技術港”電腦端完整pdf文檔)

2.3 低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)

在未來空地移動通信中，低軌衛(wèi)星起著越來越重要的作用。與地面通信系統(tǒng)相比，低軌衛(wèi)星的覆蓋面積更廣，更適合在沙漠、深林、高原等無人區(qū)進行全球通信；與高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，低軌衛(wèi)星具有路徑衰耗小、傳輸時延短、研制周期短、發(fā)射成本低等優(yōu)點。

2.3.1 Iridium系統(tǒng)

銥系統(tǒng)星座[6,7]由66顆軌道高度為780 km的低軌衛(wèi)星組成，如圖4所示。1998年11月開始商業(yè)運營。該系統(tǒng)可實現(xiàn)包括兩極地區(qū)的全球覆蓋。星上采用多點波束相控陣天線并進行再生處理和交換。星間具有星際鏈路，是最先進的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如下圖3所示。Iridium衛(wèi)星系統(tǒng)也于2017 年啟動了“下一代銥星”（IridiumNEXT）計劃，移動用戶的最高數(shù)據(jù)速率可達128kbps，數(shù)據(jù)用戶可達1.5Mbps，Ka 頻段固定站不低于8Mbps，Iridium Next 主要瞄準IP寬帶網(wǎng)絡化和載荷能力的可擴展、可升級，這些能力使得它能夠適應未來空間信息應用的復雜需求，但對于當前日益增多的移動互聯(lián)網(wǎng)需求，尤其是5G通訊時代的來臨，銥星二代系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力仍顯不足。

圖3、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)

圖4、Iridium星座圖

2.3.2 Globalstar系統(tǒng)

全球星系統(tǒng)[6,8]由美國勞拉空間通信公司和高通公司提出，與“銥”星系統(tǒng)提出的時間差不多。空間段衛(wèi)星采用傾斜軌道網(wǎng)狀星座，包括48顆衛(wèi)星和6 顆備用衛(wèi)星，均勻分布在8個傾角52°的軌道平面上，軌道高度1 414 km，軌道周期113 min，實現(xiàn)了全球南北緯70°之間的覆蓋。用戶同時可視衛(wèi)星有2 ～4 顆，每顆衛(wèi)星與用戶能保持10 ～12 min 通信，然后經(jīng)軟切換至另一顆星。星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)、多波束天線，用戶鏈路采用L /S 頻段，饋電鏈路為C /X 頻段，向用戶提供尋呼、傳真、短數(shù)據(jù)和定位等業(yè)務。用戶終端有手持、車載、機載和船載等移動終端，以及半固定和固定終端。

2.3.3 Orbcomm系統(tǒng)

Orbcomm-1 衛(wèi)星組成了目前在軌星座中的大多數(shù)衛(wèi)星，共有43顆衛(wèi)星，其中發(fā)射了35顆，另外1顆FM-29被重新建造為TacSat-1，為美國軍方使用。Orbcomm-1 是一個全球無線數(shù)據(jù)和消息服務的商業(yè)系統(tǒng)，利用LEO 星座為世界上任何地方提供廉價的跟蹤、監(jiān)視和消息服務。該系統(tǒng)能夠發(fā)送和接收雙向文字或數(shù)字組成的數(shù)據(jù)包，比如雙向?qū)ず艋駿-mail，其經(jīng)濟性和短數(shù)據(jù)特性可以為傳統(tǒng)通信系統(tǒng)不能覆蓋的地區(qū)提供較為經(jīng)濟的數(shù)據(jù)服務。

2.3.4 OneWeb系統(tǒng)

OneWeb 衛(wèi)星[9]如下圖5所示，其第一代低軌星座設計方案，包含648 顆在軌衛(wèi)星與234 顆備份衛(wèi)星，總數(shù)達882顆。這些衛(wèi)星將被均勻放置在不同的極地軌道面上，距離地面1200km左右。衛(wèi)星高速運動，不同衛(wèi)星交替出現(xiàn)在上空，保障某區(qū)域的信號覆蓋。公司正在考慮增加衛(wèi)星數(shù)量，總數(shù)達到近2000 顆。開始運行后，One Web 星座不僅能覆蓋美國，亦能覆蓋全球還沒有連接互聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村邊遠地區(qū)。One Web 的目標是，到2022 年初步建成低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，到2027年建立健全的、覆蓋全球的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為每個移動終端提供約50Mbps 速率的互聯(lián)網(wǎng)接入服務。

圖5、Oneweb衛(wèi)星圖

2.3.5 Starlink系統(tǒng)

2015 年，SpaceX 向美國聯(lián)邦通信委員會提交“星鏈”(Starlink)計劃，如下圖6所示。計劃部署12000 顆衛(wèi)星，其中第一階段發(fā)射4425 顆軌道高度1100~1300km 的中軌道衛(wèi)星，第二階段發(fā)射7518 顆高度不超過346km 的低軌道衛(wèi)星，隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加，SpaceX將結(jié)合Ku/Ka雙波段芯片組和其他支持技術，逐步轉(zhuǎn)向使用Ka波段頻譜進行網(wǎng)關通信；隨著系統(tǒng)的發(fā)展，逐步引入相控陣天線。SpaceX預計2025 年最終完成12000 顆衛(wèi)星的部署，為地球上的用戶提供至少1Gbps 的寬帶服務和最高可達23Gbps 的超高速寬帶網(wǎng)絡，能提供類似光纖的網(wǎng)絡速度，且覆蓋面積大大提升。此外，整套系統(tǒng)具有很大的彈性，可以針對特定的地區(qū)，動態(tài)地集中信號到需要的地方，從而提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡服務。

圖6、Starlink星座圖

2.3.6 “鴻雁”系統(tǒng)

“鴻雁”全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)由中國航天科技集團公司下屬東方紅衛(wèi)星通信有限公司提出，該系統(tǒng)將由300顆低軌道小衛(wèi)星及全球數(shù)據(jù)業(yè)務處理中心組成，具有全天候、全時段及在復雜地形條件下的實時雙向通信能力，可為用戶提供全球?qū)崟r數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務。2018 年12 月29 日，長征二號丁運載火箭成功將“鴻雁”星座首顆試驗星送入預定軌道。首發(fā)星是“鴻雁”星座的試驗星具有L/Ka 頻段的通信載荷、導航增強載荷、航空監(jiān)視載荷，可實現(xiàn)“鴻雁”星座關鍵技術在軌試驗，同時研制了地面系統(tǒng)與終端，衛(wèi)星入軌后可陸續(xù)開展衛(wèi)星移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、熱點信息廣播、導航增強、航空監(jiān)視等功能的試驗驗證，為后續(xù)的“鴻雁”星座的全面建設及運營提供有力支撐。

“鴻雁”星座還有一個重要應用就是提供航空數(shù)據(jù)業(yè)務，可支持飛機前艙的安全通信業(yè)務，為航空器追蹤及應急處理提供可靠的通信保障，同時支持后艙寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務。

2.3.7 “虹云”系統(tǒng)

“虹云”星座是中國航天科工推動商業(yè)航天發(fā)展的“五云一車”(飛云、快云、行云、虹云、騰云和飛行列車)項目之一，旨在構建覆蓋全球的低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，計劃發(fā)射156 顆衛(wèi)星，它們在距離地面1000km 的軌道上組網(wǎng)運行，以天基互聯(lián)網(wǎng)接入能力為基礎，融合低軌導航增強、多樣化遙感，實現(xiàn)通、導、遙的信息一體化，構建一個星載寬帶全球移動互聯(lián)網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡無差別的全球覆蓋。

“虹云”工程首星首次將毫米波相控陣技術應用于低軌寬帶通信衛(wèi)星，能夠利用動態(tài)波束實現(xiàn)更加靈活的業(yè)務模式。除通信主載荷外，虹云工程首星還承載了光譜測溫儀和3S (AIS/ADS-B/DCS)載荷，將實現(xiàn)高層大氣溫度探測和船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)信息、飛機廣播式自動相關監(jiān)視(ADS-B)信息和傳感器數(shù)據(jù)信息采集(DCS)，實現(xiàn)通、導、遙的信息一體化，可廣泛應用于科學研究、環(huán)境、海事、空管等領域。

3、衛(wèi)星通信未來發(fā)展趨勢

3.1 衛(wèi)星通信與5G融合

針對衛(wèi)星與地面5G 融合的問題，國際電信聯(lián)盟(ITU，International Telecommunication Union)提出了星地5G融合的4種應用場景，包括中繼到站、小區(qū)回傳、動中通及混合多播場景，并提出支持這些場景必須考慮的關鍵因素，包括多播支持、智能路由支持、動態(tài)緩存管理及自適應流支持、延時、一致的服務質(zhì)量、NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化)/SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡)兼容、商業(yè)模式的靈活性等。

3GPP 在2017 年底發(fā)布的技術報告22.822中，3GPP 工作組SA1對與衛(wèi)星相關的接入網(wǎng)協(xié)議及架構進行了評估，并計劃進一步開展基于5G 的接入研究。在這份報告中，定義了在5G 中使用衛(wèi)星接入的三大類用例，分別是連續(xù)服務、泛在服務和擴展服務，并討論了新的及現(xiàn)有服務的需求，衛(wèi)星終端特性的建立、配置與維護，以及在衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡間的切換等問題。

2017年6月，BT、Av a n t i 、SES、University of Surrey等16家企業(yè)及研究機構聯(lián)合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）聯(lián)盟，計劃在30個月內(nèi)完成衛(wèi)星與5G的無縫集成方案，并進行試用。整個項目將完成以下6個方面的工作：定義和評估將星地5G融合的網(wǎng)絡體；系結(jié)構解決方案；研究星地5G融合的商業(yè)價值主張；定義和開發(fā)星地5G融合的相關關鍵技術；在實驗室的測試環(huán)境中驗證關鍵技術；對星地5G融合的特性和用例進行演示；推進星地5G融合在3GPP和ETSI中的標準化工作。

3.2 空天地海一體化通信

空天地海一體化通信的目標是擴展通信覆蓋廣度和深度，也即在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的基礎上分別與衛(wèi)星通信（非陸地通信）和深海遠洋通信（水下通信）深度融合?？仗斓睾Ｒ惑w化網(wǎng)絡是以地面網(wǎng)絡為基礎、以空間網(wǎng)絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基（衛(wèi)星通信網(wǎng)絡）、空基（飛機、熱氣球、無人機等通信網(wǎng)絡）、陸基（地面蜂窩網(wǎng)絡）、?；êＱ笏?a href="http://www.socialnewsupdate.com/v/tag/1252/" target="_blank">無線通信+近海沿岸無線網(wǎng)絡+遠洋船只/懸浮島嶼等構成的網(wǎng)絡）等各類用戶的活動提供信息保障的基礎設施。從基本的構成上，空天地海一體化通信系統(tǒng)可以包括兩個子系統(tǒng)組成：陸地移動通信網(wǎng)絡與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡結(jié)合的天地一體化子系統(tǒng)、陸地移動通信網(wǎng)絡與深海遠洋通信網(wǎng)絡結(jié)合的深海遠洋（水下通信）通信子系統(tǒng)。

圖7、空天地一體化

3.3 多種功能融合

目前，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要面向用戶提供全球或區(qū)域范圍的話音、短信、數(shù)據(jù)等移動通信服務。隨著通信的發(fā)展需要，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)將融合融合導航增強、多樣化遙感，實現(xiàn)通、導、遙的信息一體化。這樣衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)終端可同時支持衛(wèi)星移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、熱點信息廣播、導航增強、航空監(jiān)視等服務。因此，未來的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)必將擴展它的業(yè)務范圍，實現(xiàn)多種功能的融合發(fā)展。

3.4 更高頻段，更寬帶寬

未來的衛(wèi)星通信會向著激光鏈路的方向發(fā)展，這主要是因為用激光進行衛(wèi)星間通信開辟了全新的通信頻道, 使衛(wèi)星間通信容量大為增加, 而衛(wèi)星通信設備的體積和重量卻大大減小, 同時也增加了衛(wèi)星通信的保密性。小衛(wèi)星星座間激光星間鏈路用來支持大型節(jié)點的高速數(shù)據(jù)或國際干線間的點到點傳輸?？梢灶A見, 衛(wèi)星光通信將成為超大容量衛(wèi)星通信的主要途徑。

3.5 智能衛(wèi)星通信

6G為“人工智能+地面通信+衛(wèi)星網(wǎng)絡”?；?a href="http://www.socialnewsupdate.com/soft/data/42-102/" target="_blank">AI技術構建6G網(wǎng)絡將是必然的選擇，地面通信與衛(wèi)星通信之間采用智能動態(tài)頻譜共享技術可以更好的提高頻譜效率，同時采用智能無縫切換技術以及智能干擾消除技術實現(xiàn)真正的天空地海智慧通信。而“智慧”將是6G網(wǎng)絡的內(nèi)在特征，即所謂“智慧連接”可以表現(xiàn)為通信系統(tǒng)內(nèi)在的全智能化：網(wǎng)元與網(wǎng)絡架構的智能化、連接對象的智能化（終端設備智能化）、承載的信息支撐智能化業(yè)務。

可以預見, 若把6G定義為智能移動通信V1.0，那么7G將為智能移動通信V2.0。同時人工智能將對7G移動通信發(fā)生顛覆式革命。對OSI（Open System Interconnection，即開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型把整個通信網(wǎng)絡分為7層，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，為提高各協(xié)議兼容（地面和衛(wèi)星），進而整體建立強大的智能協(xié)議體系?；?a target="_blank">深度學習的行為分析可以針對每一層通信網(wǎng)的特點，個性化定制相應的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，從而提高網(wǎng)絡整體的適應性，也就是改善了切身的通信體驗。

4.結(jié)束語

（略）

參考文獻

（略）

本文作者：谷林海，航天恒星科技有限公司