我国宽带通信卫星系统发展建议

2011-03-06吕强冯瑄曹桂兴中国空间技术研究院

国际太空 2011年6期

吕强冯瑄曹桂兴（中国空间技术研究院）

□□卫星通信技术投入商业运营后，经过30多年的发展，已经由洲际通信、区域通信、集团或专用通信进入了全球移动卫星通信和宽带卫星通信的新阶段。很显然，卫星通信技术的发展与全球经济发展同步，为全球经济的发展和信息化作出了重要贡献。特别是随着未来全球信息高速公路因特网的飞速发展和普及，以及交互式多媒体业务的迅速增加，全球宽带卫星通信必然成为21世纪卫星通信发展的热点。

1 宽带通信卫星网络的特点

宽带通信卫星网络是指通过卫星进行话音、数据、图像和视频等进行处理和传输的系统，它可以提供包括通信、数字电视、数字广播、广域网互联、远程教学、远程医疗、电视会议、视频点播等多媒体业务，真正实现电话网、计算机网和有线电视网的三网融合。它在技术优势、实现方式、关键技术和应用方向等方面具有以下特点。

技术优势

随着全球范围内的因特网接入、交互式多媒体业务、电视会议和其他带宽密集型应用等迅速增长，要求通信技术有更加灵活和成本低廉的宽带解决方案，而宽带卫星通信系统是解决这一问题的有效途径，这是因为宽带通信卫星本身具有的以下技术优势：

●覆盖面大。1颗地球静止轨道（GEO）卫星的波束覆盖范围可达数千千米。

●具有可部署性。宽带卫星通信系统既可以和地面系统相结合，又能绕开复杂的地面网建立独立的卫星网络。独立卫星网络的特点还包括可快速部署、卫星通信终端可即插即用、迅速实现全球通信。

●拥有大容量、高功率和高频段，其容量可与陆地光纤相媲美。另外，由于地面终端已小型化，价格被大多数用户所接受，所以能增加卫星在通信市场中的竞争力。

●新传输技术的开发和应用。可充分发掘卫星传输不对称性所带来的优势，使带宽按需动态分配，从而满足广播、多点传送和多媒体通信需求。

●成本低廉。随着新的宽带卫星数据业务扩大到更多的商业、企业、政府机构和家庭用户，以及新卫星技术的应用，每月的接入费用将进一步降低，有利于扩大用户数量。

●能提供一体化网络。数字卫星网络因具有覆盖面广、易部署等特点，所以在将来有可能取代目前传输速率参差不齐、接入方式复杂的地面网络，并提供全球宽带主干系统。企业用户还可以有选择地把多种应用统一到1个卫星网络上。

实现方式

根据业务及信令的流向不同，宽带卫星网络的实现方式有以下3种。

（1）通过透明转发器以星状网方式进行组网

模式：系统内通常由1个主站和若干用户终端组成，所有业务都要流经主站，用户终端之间的通信需用“双跳”完成，主站完成系统无线资源的分配、用户的管理与控制、业务的路由与交换等功能，另外还提供与地面网络的互联互通，提供业务接入点。

特点：采用了集中管理的方式。其主站相对比较复杂，采用大口径天线和大功率功放；而用户终端结构相对简单，天线口径和功放都比较小，便于施工安装。对机房无特殊要求，网络可以容纳的终端数达上万个，扩容方便。

（2）通过透明转发器以网状网方式进行组网

模式：系统内由1个主控站和若干用户终端构成。主控站负责全网同步、无线资源分配和帧计划下发，所有信令都要流经主控站，终端之间可以直接建立业务连接。

特点：由于终端之间需要直接互通，所以功放体积、天线口径都比较大；缺点是网络能够容纳的终端数不能太多，适合有几十个终端的网络。

（3）通过再生式转发器以网状网方式进行组网

模式：这是一种新型的卫星组网方式。系统内通常由1个主站和若干用户终端组成，用户终端之间可以直接通过卫星完成单跳通信。

特点：通过采用星上处理、星上交换和星上路由实现系统内终端的全网状通信，无线资源管理在星上完成。

采用星状网的中国农业银行会议电视及远程教育卫星网络

关键技术

宽带卫星通信系统中将采用的关键技术主要有：星上处理交换技术、频率利用率提高技术、多波束天线技术、网络管理技术、抗雨衰技术以及网络一体化技术等。

（1）星上处理交换技术

在高频段的卫星通信中，具有星上处理功能的卫星显示出其特殊的优势，星上处理技术正成为发展的趋势和关键之一。星上处理与交换的主要作用是对卫星上行链路中的传输信息进行解码、解调和复用，将这些数据信号恢复成基带信号，经基带交换后再将基带信号重新进行编码、调制和复用，并按照路由信息将其送到相应的下行链路中，传送到对应的地面站。具有星上处理能力的转发器可以使用译码后信号中的信息来进行动态路由选择或相应处理，更有效地利用卫星资源，提高系统效率。因此，有必要针对卫星链路的特点研究适合于宽带通信卫星系统的低复杂度、低误码性能的星上信号处理技术。

（2）频率利用率提高技术

由于Ka频段频率资源有限，为满足新一代宽带通信卫星实现大容量数据传输对系统频带资源的需求，需要开展对频率利用率提高技术的研究。通过对频率复用技术、信道编码技术以及高阶调制技术的研究，优化数据传输能力，提高系统频率的利用率，可为宽带通信卫星系统实现大容量数据传输提供技术支持。

（3）波束成形技术

要想适应宽带通信卫星系统终端小型化、业务宽带化和服务个性化的趋势，采用传统的全球波束和区域波束天线已难以满足需求，由于多波束天线具有能够以高增益覆盖较大的地面区域，且可以根据需要调整波束形状的特点，所以正成为宽带卫星通信重点研究的关键技术。

自适应数字编码调制模式系统应用示意图

（4）网络管理技术

宽带通信卫星系统具有系统容量大、用户数目多、传输信息量大的特点，且拥有星上处理和交换的能力，系统结构往往包含复杂的拓扑结构，所以宽带卫星系统需要具备网络管理能力，通过网络管理对宽带卫星系统中的资源和操作进行全面的监视和控制。因此，必须有针对性地研发适合宽带通信卫星系统的网络管理技术。

（5）抗雨衰技术

宽带通信卫星大多工作在Ku、Ka甚至更高频段。与传统的工作频段相比，由于这些频段所具有的高频特性，因此在以往的卫星通信系统设计中可忽略或很少考虑的雨衰问题必须重新考虑。采用自适应功率调整和自适应数字编码调制（ACM）能有助于解决这个问题。在宽带通信卫星系统中，对于高频段雨衰特性及雨衰补偿技术的研究是关系到系统性能的关键之一。

（6）网络一体化技术

宽带卫星通信系统将与地面的电话网、电视网和计算机网融为一体。一旦实现全数字化，把电视、通信、计算机这些迄今相互分离的技术融为一体，使这些业务互相渗透、融合、会聚，就可形成一种广义上的网络。这也是数字化、网络化发展的必然结果。因此，研究宽带卫星通信系统与地面网络一体化的融合技术正成为重要的关键技术之一。

宽带卫星使地面广播、电视和计算机网相融

应用方向

从应用方向上讲，宽带卫星通信系统可以支持以下4类业务：人人交谈型多媒体业务；人机交互型信息检索多媒体通信业务；多媒体采集业务；多媒体消息业务。其具体表现形式如下。

（1）远程教学

通过宽带通信卫星构建的远程教学系统，彻底抛弃了中间环节，实现了端到端的宽带高速多媒体信息交互。由于卫星通信没有地域的限制，不需要地面有线网络的支持，所以是交互式教学的理想手段。

（2）远程医疗

远程医疗系统采用无中心网络形式，无地域限制，能在任意2个端点之间进行实时交互，专家可在其中一端指导现场工作。利用卫星进行远程会诊可以最大限度地发挥专家的作用。

（3）高速广域网

利用卫星构建宽带高速广域网是最快捷便利的手段。随着国民经济的发展，大企业集团的触角会越伸越长，利用卫星信道构成的企业多媒体通信网络将对集团的运作起到极大的帮助。

（4）视频会议

利用宽带通信卫星系统支持的电视会议是通过在IP协议基础上的信息传输技术来实现的，地面网络支持的电视会议可通过网关介入宽带卫星通信网络，基于IP的电视会议的宽带高速性能可实现现场实时生动再现的高质量视频会议。

（5）视频点播

视频点播（VOD）是近年来发展起来的用于家庭娱乐的多媒体信息系统，它由内容服务中心和众多用户组成。用户可以通过机顶盒来接收宽带卫星信号，进行解码运算，还原发端信息，也能通过机顶盒向中心发送指令。

（6）视频广播

利用宽带通信卫星系统可充分发挥数字视频广播（DVB）技术的特点，并能够支持在数字视频广播平台上的一切业务。

随着卫星宽带网络的发展和不断完善，其能够提供的业务正不断推陈出新，而越来越多的业务种类也必将促进卫星宽带市场的不断发展。

2 国外宽带通信卫星系统发展趋势

新一代宽带通信卫星系统发展趋势具体体现为以下几点：

●地球静止轨道宽带卫星迅速发展。由于地球静止轨道卫星通信系统比较符合以市场驱动为主导及与地面业务互补集成的原则，且研制周期较短，投资较小，因此是目前民商用宽带通信卫星系统的发展趋势。

●卫星技术正向高频段（Ka频段和Q/V高频段）、大功率、大容量（可携载的转发器数达50台以上，支持每秒数十吉比特数据容量）发展。

●新技术融合。宽带卫星通信是一项融合各种高技术于一体的新产业，新方法和新技术正不断运用到宽带通信卫星中。

●卫星业务综合化。由于应用数字技术可灵活地组合多种业务，所以能将通信、电视、声音广播、数据广播、因特网和视频点播等功能集于卫星一体。

●频道资源的国际化、媒体广播的无国境化。因特网的广泛普及，多频道直播卫星的急剧发展，将使不同的文化媒体广泛交流与融合，它势必会引发资源的国际化和媒体广播的无国境化。

●网络一体化。宽带卫星系统将与地面的电话网、电视网和计算机网融为一体，实现全数字化，电视、通信、计算机等目前相分离的技术也将融为一体。这是数字化、网络化发展的必然结果。

3 我国宽带通信卫星系统研究现状、应对策略及建议

研究现状

国内在宽带技术研究及利用现有的常规通信卫星进行宽带通信的研究方面开展得比较普遍，也取得了很多成果，但对专用宽带通信卫星及系统方面的研究和应用相对较少。

在技术方面，Ka频段关键载荷设备也已在已有型号项目上经过应用，技术成熟。“十一五”期间完成了宽带多媒体系统设计，完成了星载处理交换机和星载Ka频段多波束天线等关键载荷设备的研制，并搭建了宽带多媒体卫星系统的半物理演示验证系统，为宽带多媒体卫星的立项做好了技术储备。在应用方面，现有的甚小孔径终端（VSAT）网络所涉及的领域已遍布国民经济的各个主要方面，如：深圳证券远程交易网络对证券业的发展起到了重要作用；中国教育卫星宽带传输网为改善农村及偏远地区的教育事业作出了重大贡献。以上应用都是基于租用商用转发器的形式开展的，但我国至今仍没有建立起专门意义上的宽带卫星通信系统，也未实现大规模应用。

应对策略

我国宽带通信卫星在开发和应用上落后于国外发达国家，而应用市场和潜力却很巨大，因此国外宽带卫星通信业务对我国应用市场领域大有渗透之势。面对如此形势，我们应该从以下几方面应对：

●充分认识到我国宽带多媒体卫星通信业务市场既有巨大潜力，同时也面临着严峻的考验。随着信息经济全球化的到来，我国应以市场经济运作为主体，与国际市场接轨为目标，转变观念，抓住机遇，从传统的事业管理观念转变到产业管理的全新观念上来。要正视现实，面对挑战，大力开发和扶持我国的宽带多媒体卫星通信产业。

●民用和商用宽带通信卫星系统的发展既要满足大容量、低成本的需求，同时，为适应宽带通信卫星系统终端小型化、业务宽带化和服务个性化的趋势，也要研究和解决包括多点波束天线技术、大功率、大容量、高频段和长寿命等卫星制造技术，以及最先进的无线传输性能提高技术。

●鉴于宽带通信卫星系统复杂，研制难度较大，所以要从国家层面加大对其系统开发和关键技术的研发支持力度。对于在研项目，要加快其立项步伐，尽早在国外运营商渗透到我国卫星宽带业务领域之前，建立和完善我国自己的宽带通信卫星系统和应用市场。

另外，美国、欧洲、日本以及其他国家和地区在该领域所取得的成功经验也是值得我们借鉴的，引进他们的先进技术和运营机制，再结合我国实情，发展具有中国特色的宽带通信卫星系统。

发展建议

通过对国外宽带通信卫星系统的研究，并借鉴国外相关领域的发展经验，在全面分析我国地球静止轨道宽带通信系统的技术发展现状的基础上，笔者提出以下对发展我国地球静止轨道宽带通信系统设想及建议。

（1）系统设想

●应用需求。用1颗地球静止轨道卫星覆盖中国大陆及周边海域，为政府部门、商业公司、个人及家庭、公共和私立机构等提供宽带通信业务，带宽达到4GHz。

●系统组成。由空间段的卫星、地面段的运行控制中心和用户终端构成宽带卫星通信系统。该系统拟采用由1个中心节点和多个分支节点组成的星形网络。宽带通信卫星使用多点波束技术、频率复用技术、大功率技术等实现大规模小型终端的宽带接入。

●系统指标。工作频段：Ka（30/20GHz）；服务区：中国大陆及周边；应用体制：数字电视广播；通信体制：调频时分多址/时分多路（MFTDMA/TDM）；调制方式：前向为QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，返向为QPSK；信道编码：前向为BCH/LDPC，返向为Turbo码；终端数据率：上行为2Mbit/s；下行为10Mbit/s；终端口径：0.74m。

●卫星方案。采用大型地球静止轨道通信卫星平台；三轴稳定；服务寿命为12～15年；卫星发射质量为5200～5400kg；有效载荷功率为8kW；有效载荷质量为550kg；由长征-3B火箭发射；有效载荷包含多波束用户链路和馈电链路有效载荷，用户链路实现终端用户的宽带接入，馈电链路实现宽带数据下载。