卫星通信技术发展展望

王冬 曹晋龙 章学松

摘 要：从分析卫星通信的特点入手，综述了卫星通信的卫星平台、可用频率资源和主要相关技术的发展状况，概述了典型的卫星通信系统的性能特点，介绍了卫星通信的应用及产业化发展情况，并展望了发展前景。

关键词：卫星通信;移动卫星通信;蜂窝网卫星系统

一、引言

自1965 年美国发射第一颗商用通信卫星以来，卫星通信技术及其应用取得了令人瞩目的巨大成就。它实现了覆盖全球丰富多彩的通信服务，不仅在军事中发挥了关键性作用，也对人类的生产、生活方式产生了巨大影响。与微波中继通信及其他通信方式相比，卫星通信主要具有以下特点。

1.通信覆盖区域大，通信距离远：地球同步轨道（GEO）卫星距地面高度35 860 km，只需一个卫星中继转发，就能实现1 万多公里的远距离通信;每一颗卫星可覆盖全球表面的42.4%，用3 颗GEO卫星就可以覆盖除两极纬度76°以上地区以外的全球表面及临地空间。

2.可将其广播性与各种多址连接技术相结合构成庞大的通信网：在一颗卫星所覆盖的区域内，不必依赖显式的交换，只需利用卫星中继传输和多址/复用技术就能构成拥有许多地面用户的大型通信网。

3.机动灵活：卫星通信的建立不受地理条件的限制，无论是大城市还是边远山区、岛屿，随地可建;通信终端也可由飞机、汽车、舰船搭载，甚至个人随身携带;建站迅速，组网灵活。

4.通信頻带宽、通信容量大：卫星通信信道处于微波频率范围，频率资源相当丰富，并可不断发展。信道质量好、传输性能稳定：卫星通信链路一般都是自由空间传播的视距通信，传输损耗很稳定而可准确预算，多径效应一般都可忽略不计，除非是采用很低增益天线的移动通信或个人通信终端。通信设备的成本不随通信距离增加而增加，因而特别适于远距离以及人类活动稀少地区的通信。

卫星通信也存在一些缺点和一些应该而且可以逐步改进的方面，这主要有以下几点。

1） 卫星发射和星上通信载荷的成本高：星上元器件必须采用抗强辐射的宇航级器件，而且LEO、GEO 卫星的寿命一般分别只有8 年、15 年左右。

2） 卫星链路传输衰减很大：这就要求地面和星上的通信设备具有大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。

3） 卫星链路传输时延大：GEO 卫星与地面之间往返传输时间为239～278 ms;在基于中心站的星形网系统中，小站之间进行话音通信必须经双跳链路，那么传输时延达到0.5 s，对话过程就会感到不顺畅，而且如果没有良好的回音抑制措施，就会因二-四线制转换引起的回波干扰而使话音质量显著下降。基于卫星通信的特点及其重要作用，本文将从卫星通信的可用频率资源、卫星平台、主要关键技术、典型的卫星通信系统、卫星通信应用和产业化发展等方面进行介绍，综述发展现状，展望发展前景。

二、通信卫星平台与信道资源的发展

（一）卫星通信的频率资源

早期GEO 卫星转发器主要是C 和Ku 频段，各有500 MHz 带宽，其上行分别位于6 GHz、14 GHz附近，下行分别位于4 GHz、12 GHz 附近;每个转发器的带宽有33 MHz、36 MHz、54 MHz 等;Ku后来扩展到800 MHz。最近十几年Ka频段2 GHz 带宽得到了广泛应用，上行、下行分别位于20 GHz、30 GHz 附近。此外还有UHF、L 和S 频段各有15～30 MHz 的带宽可用于卫星移动通信，分别位于0.4 GHz、1.6 GHz、2 GHz 左右。目前，正在开发40～60 GHz 的EHF频段。各频段的可用频带不一定连成一片，采用天线正交极化、多波束卫星天线、低轨道卫星群等技术，可使上述频率重复使用许多次，可用频率资源扩大许多倍。此外采用空间激光通信技术扩展信道资源，特别是星际激光通信链路，其容量可与光纤通信相比拟，而抗干扰抗截获能力更强。

（二）通信卫星平台的发展

卫星平台技术是推动卫星通信应用和增强市场竞争力的重要因素。目前，世界上最大的通信卫星平台重达7 吨、太阳能电池功率达30 kW，例如美国Loral 公司LS20.20 卫星平台，发射质量5～7吨，电源功率17～30 kW，可支持150 个转发器，2012年发射SES-4 卫星所用该公司LS-1300 平台，功率达20 kW。我国自主研制的最大平台是东方红4 号平台，重5 150 kg、太阳能电池功率为10.5 kW，处于实验阶段的东5 平台规模更大，但与当前国际先进水平仍存在差距。

三、卫星通信相关技术及其发展现状

（一）调制解调技术

卫星通信中最常用的调制方式是QPSK、OQPSK 和π /4DQPSK 等，近年来，高速数据传输的需求与转发器资源紧缺推动了8PSK、16APSK、16QAM 等高阶调制方式的研究与应用。其中APSK调制因其星座中所含幅度和相位信息是变量可分离的，可以采用简单的预失真法进行幅度非线性矫正而不影响相位特性，使之在透明转发这种高阶调制信号时的功率效率不明显降低。因此，APSK调制在卫星电视广播中得到应用，在卫星宽带移动通信中也有很好的应用前景。

格形编码调制（TCM， trellis coding modulation）在原理上是一种很好的体制;它将信道编码与调制融合在一起，因而几乎不付出频带效率和功率效率降低的代价，就能获得5 dB 左右的编码增益。TCM 调制用于卫星通信的国际标准早已经形成，但因其译码复杂度较高，而且不大便于再级联外码以进一步降低误码率，因此应用并不广泛。

遥感数据传输和大容量宽带卫星通信中对于高速调制解调技术有迫切需求，目前我国基于FPGA 并行实现的高速调制解调已达到1.5 Gbit/s，已接近国际先进水平。这个速率基本上能满足通信卫星馈送链路高速数据传输的要求。

正交频分复用（OFDM）技术作为一种多载波调制方式，由于其抗多径衰落能力强而在地面蜂窝网第四代（4G）、第五代（5G）移动通信中成为不可或缺的技术，因此人们一直想将其广泛应用于卫星移动通信中。值得注意的是，OFDM 本来是不大适于卫星下行链路这种功率严重受限的场合，因为其峰平功率比（PAPR）高，在功放非线性条件下容易产生多載波互调干扰而使链路特性变差。虽已研究出多种方法来克服这个缺点，但没有一种办法是不需付出巨大代价就能完全解决这个问题的，不是频带效率显著降低，就是计算复杂度很高。

对于基于多波束天线的GEO 或LEO 卫星宽带移动通信或广播系统而言，因其多径衰落非常严重，目前下行链路不得不采用OFDM 体制。其移动式终端的天线增益很低，例如，L 或S 频段天线的增益一般只有2～3dB，这种半球波束天线可接收到的多径信号分量多，多径衰落非常严重，采用OFDM技术有其合理性。事实上在卫星与地面基站相结合的移动数字电视广播系统中已成功应用OFDM，并已形成了国际标准和我国国家标准。然而卫星下行链路功率受限问题远比地面移动通信基站严重，驱动多波束卫星天线的功放非线性问题更加严重。加之OFDM 系统抗多径衰落效益的发挥有赖于信道信息反馈，而卫星链路时延大，不能及时利用信道信息反馈对各子信道的信息速率和发射功率进行自适应调整。总之，卫星下行链路采用OFDM 体制只是当前的无奈之举，而非理想的选择，我们很有必要探索出一种新的传输方式来取代它，因为其中约有30%左右的频带效率和10 dB 左右的链路信噪比增益的潜力是有可能挖掘出来的。

（二）纠错编码技术

各种通信业务信息传输的误比特率（BER， biterror rate）都有最高限度要求，例如：声码话BER为10-3，视频通信BER 为10-4，一般数据通信BER为10-6或10-7，无特殊措施的ATM（asyschronioustransfer mode）或IP（Internet protocol）数据传输BER为10?10，深空通信中某些数据传输BER 为10-14。当然一般系统不会设计为在传输和解调后所得数据的BER 就能达到上述要求，因为这需要很高的链路信噪比，严重浪费发射功率。而采用纠错编码（即信道编码）技术与调制相结合，只需付出很小的频带效率代价就能使BER 降低若干个数量级。相应地达到指定BER 要求的链路信噪比就可降低几dB，甚至十几dB，也就是可获得相应的编码增益。

（三）扩频通信技术

卫星通信信道开放性的特点带来的隐蔽性差、抗干扰能力弱等缺点，可采用扩频技术克服，因此扩频通信主要用于隐蔽通信和抗干扰军事通信。

扩频主要有直接序列扩频（DSSS，direct sequencespectrum spreading）、跳变频率（FH， frequencyhopping）、跳变时间和线性调频等4 种基本工作方式。这里主要介绍DSSS和FH

DSSS 系统中每个符号用一个长度为N 的伪随机序列表示，可使其信号的频带扩展N 倍，接收端采用同样的序列进行相关接收解扩，因而可使解扩之后的信噪比提高到解扩之前的N 倍，即可获得N倍的解扩处理增益。N 可以很大，例如，GPS 中P码信号的扩频倍数N=204 600，即具有53 dB 的处理增益。因此它可以在接收信号信干噪比很低的条件下进行通信，可使通信信号具有很强的隐蔽性，并使系统具有很高的干扰容限，例如，允许信干比达50 dB。如果在接收端解扩之前配合某种自适应信号处理算法，例如，自适应陷波、幅度非线性处理或自适应空间陷波等，还可使系统的干扰容限再提升30～40dB。

四、卫星通信的前景展望

有线电信网、计算机局域网和有线电视网已实现三网融合并入骨干网，地面移动通信蜂窝网通过其无线核心网与骨干网互联，卫星通信网也应该是通过其无线核心网与骨干网互联。随着卫星通信的IP 化，各种不同性质和不同业务的卫星通信终端，都将变成类似的因特网接入设备，可见IP 化确实是大势所趋。但是此处IP 化不等于卫星通信网内部的传输与交换全部IP 化，保留部分特别的传输和交换方式，有利于发挥卫星通信的特点而获得更高的卫星资源利用率和达到更高的业务质量。

笔者认为，卫星通信接入因特网的应用，在我国近期内仍然只是对地面网络覆盖不足的一种重要补充。当然，卫星通信无缝覆盖的优势可以产生很高的实用价值和社会效益，这是无法用市场份额大小衡量的。民用卫星通信在规模和实际效益将会超过军用卫星通信，我国卫星通信产业将由政府主导转变为市场主导。因此，卫星通信的发展无疑是前途光明而且意义重大的。我们应该以更强的创新意识和更大的创新勇气去迎接竞争和挑战。