衛(wèi)星通信技術的新發(fā)展論文
1寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.1寬帶衛(wèi)星通信的基本概念寬帶衛(wèi)星通信是指利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面站之間轉(zhuǎn)發(fā)高速率通信業(yè)務，是寬帶業(yè)務需求與現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術相結合的產(chǎn)物，也是當前衛(wèi)星通信的主要發(fā)展方向之一。
作為寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中繼節(jié)點的寬帶通信衛(wèi)星(也稱多媒體衛(wèi)星)一般具有較寬的帶寬、很高的EIRP(等效全向輻射功率)和G/T(品質(zhì)因數(shù))值，并且通常具備星上處理和交換能力。利用寬帶通信衛(wèi)星可以向USAT(極小口徑終端)提供雙向高速因特網(wǎng)接入和多媒體業(yè)務。
需要說明的是，由于衛(wèi)星的帶寬容量遠小于光纖線路，后者的通信容量通常以吉比特每秒來計;而對于衛(wèi)星通信來說，信道速率達到幾十兆比特每秒以上一般就可稱為寬帶通信。
1.2寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及典型應用
追溯衛(wèi)星通信的發(fā)展史，其一出現(xiàn)就進入了寬帶應用一模擬電視傳送，近些年又應用于數(shù)字電視、衛(wèi)星直播電視等(如美國的DirecTV、Echostar，歐洲Eutelsat的HotBird等)。但其“現(xiàn)代化”則是伴隨著IP技術的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，尤其是因特網(wǎng)的廣泛使用加速了現(xiàn)代寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展步伐。從20世紀90年代起，全球陸續(xù)提出了許多個寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中既有采用對地靜止軌道(GSO)衛(wèi)星作為中繼節(jié)點(如美國的DirectPC和Spaceway)，也有采用非對地靜止軌道(NGS0)衛(wèi)星作為中繼節(jié)點的(如Teledesic和Skybridge)。文獻[1]給出了國際上提出的比較有代表性的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要特性并進行了分析。但是由于受到地面光纖通信網(wǎng)迅速發(fā)展以及“銥”系統(tǒng)等商業(yè)運作失敗的影響，這些被提出的系統(tǒng)至今沒有一個真正投入應用。
由于專門建設一個覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要很大的投資，市場風險極大，尤其是采用NGSO衛(wèi)星星座的低軌道寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此，先發(fā)射一顆寬帶GSO衛(wèi)星建立一個區(qū)域性寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)來解決衛(wèi)星寬帶接入問題是一種明智的選擇�；诖耍﹪腟hin衛(wèi)星公司(SSA)在2005年正式發(fā)射了一顆寬帶通信衛(wèi)星(IPSTAR-1)來提供區(qū)域性寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務。圖1給出了IPSTAR-1衛(wèi)星的波束覆蓋圖，表1給出了該衛(wèi)星及系統(tǒng)的主要技術特性[2]。從圖1和表1看到，該系統(tǒng)是一個區(qū)域性寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠解決亞太地區(qū)用戶通過衛(wèi)星實現(xiàn)寬帶接入的問題，當然其商業(yè)運作能否成功還有待時間的檢驗。
寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的典型應用包括：娛樂(如視頻點播、電視分發(fā)、交互式游戲、音樂應用、流媒體等)、因特網(wǎng)接入(如高速因特網(wǎng)接入、多媒體應用、遠程教學、遠程醫(yī)療等)、商業(yè)(如視頻會議、企業(yè)對企業(yè)的.電子商務等)、話音和數(shù)據(jù)中繼(如IP話音、文件傳輸?shù)?等。
有關統(tǒng)計分析指出，全球目前在衛(wèi)星固定通信的4200多個標準轉(zhuǎn)發(fā)器中，視頻業(yè)務約占62%，數(shù)據(jù)業(yè)務占24%，話音業(yè)務下降到14%;而在業(yè)務收入方面，視頻業(yè)務占總收入的70%以上。因此可以認為，衛(wèi)星視頻業(yè)務在今后一段時間內(nèi)仍將是衛(wèi)星通信的主要應用領域和發(fā)展方向，衛(wèi)星寬帶通信尚處在發(fā)展的培育期。
1.3寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)需解決的主要技術問題[3~7]
衛(wèi)星通信內(nèi)在的大覆蓋范圍、以廣播和組播模式工作的特性，使得它們能夠提供高速因特網(wǎng)連接和多媒體遠距離傳輸。但要發(fā)揮這些優(yōu)勢，除了人們所熟知的采用大型星載可展開式天線和多波束相控陣天線、增大衛(wèi)星功率和帶寬、使用更高效的星上電源系統(tǒng)、采用更先進的高效調(diào)制和編碼技術等常規(guī)措施外，還有下列一些技術問題需要解決：
1)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)空中接口的標準化為了推廣應用、降低成本，采用標準接口是發(fā)展趨勢。目前美國電信工業(yè)協(xié)會(TIA)和歐洲電信標準學會(ETSI)分別對此規(guī)定了幾個標準的接口，表2給出了其中3個空中接口標準主要技術特性的比較。
2)星上處理及交換技術
為滿足用戶對傳輸時延、終端小型化、誤碼率等方面的要求，寬帶通信衛(wèi)星采用星上處理和交換技術是一種比較好的解決辦法。傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星一般采用彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星只是完成變頻、放大等基本功能，對信號不進行任何處理。為實現(xiàn)波束間交換，可采用載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星是以信號載波為單位在射頻或中頻上對信號進行交換，但對信息內(nèi)容不進行處理。最適合寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務的是全處理轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星不僅需要完成信號的解調(diào)、譯碼，還需要一定的信令處理和路由選擇能力，能實現(xiàn)信息的星上交換(比如星載ATM交換機)。
3)衛(wèi)星IP(IPoS)技術
由于衛(wèi)星信道具有較大的并且可能是可變的分組往返時延(RTT)、大的時延帶寬積、前/反向信道不對稱使用、較高的信道誤碼率及信號衰落等。把為地面網(wǎng)絡設計的TCP/IP直接應用于衛(wèi)星通信會導致其工作效率低下，需采取一些措施予以解決，比如，在協(xié)議上進行改進或?qū)︽溌愤M行分段，文獻[7]對此給予了詳細描述，并給出了許多試驗結果。
4)服務質(zhì)量(QoS)
保證用戶得到所需要的QoS是寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務成功的關鍵，包括以下幾個方面：
時延：把分組從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗剿璧臅r間;
時延抖動：端一端傳輸時延的變化程度;吞吐量：2個端點之間能夠維持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率;
丟包率：未成功傳輸分組數(shù)與總傳輸分組數(shù)的比例;
可靠性：網(wǎng)絡可用度的百分比，主要決定如降雨和大氣這樣的環(huán)境參數(shù)。
5）降雨損耗
目前，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用Ka、Ku頻段以獲得較寬的可用帶寬和較小的地面站天線口徑，但這些頻帶的電波傳播特性受降雨衰耗的影響較大。根據(jù)實驗和實際應用的結果，采用上行鏈路功率控制(UPC)和自適應編碼調(diào)制可以基本解決這個問題。比如NASA的ACTS衛(wèi)星采用了RS碼和卷積碼級聯(lián)，晴朗天氣情況下，其誤比特率可達到10—12,有雨衰的情況下，至少99%的時間可以達到。
2衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術
2.1衛(wèi)星移動通信的基本概念
衛(wèi)星移動通信是指利用通信衛(wèi)星作中繼站實現(xiàn)移動用戶之間或移動用戶與固定用戶之間相互通信的一種通信方式。它是傳統(tǒng)的衛(wèi)星固定通信與地面移動通信交叉結合的產(chǎn)物。從表現(xiàn)形式來看，它既是一個提供移動業(yè)務的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是一個采用衛(wèi)星作中繼站的移動通信系統(tǒng)，所利用的衛(wèi)星既可以是GSO衛(wèi)星，也可以是NGSO衛(wèi)星，如中等高度地球軌道(MEO)、低高度地球軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星等。
雖然世界上地面通信網(wǎng)絡已趨于完善，但受地理條件和經(jīng)濟因素的限制，地面蜂窩系統(tǒng)不可能達到全球無縫覆蓋。以我國為例，在偏遠地區(qū)，地面網(wǎng)絡的廣泛覆蓋仍然遙遙無期;在沿海島嶼眾多的地方，建設地面網(wǎng)絡非常困難;在發(fā)達地區(qū)的某些偏遠地方同樣沒有地面蜂窩網(wǎng)的覆蓋;野外勘探，飛機，遠洋運輸船只，遠離城市的旅游探險者，以及緊急搜索、救援人員等都需要一種不受地域、天氣限制的移動通信手段;西部地區(qū)疆域廣闊，但多為荒漠和戈壁，人煙稀少，衛(wèi)星移動通信將顯示出獨具的優(yōu)勢;尤其是發(fā)生重大毀滅性自然災害的地區(qū)，地面網(wǎng)絡多數(shù)會遭到破壞，而衛(wèi)星移動通信可能是惟一幸存的通信手段。所以，衛(wèi)星移動通信是一種大有可為的通信方式，具有廣闊的應用前景。
需要指出的是，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是作為地面蜂窩系統(tǒng)的補充而存在的，主要用于滿足低業(yè)務密度的應用環(huán)境。衛(wèi)星波束如同能覆蓋許多個不同類型蜂窩小區(qū)的“傘”，可用來覆蓋相鄰地面蜂窩網(wǎng)之間的縫隙、地面蜂窩網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域、為暫時過載的小區(qū)提供補充通信業(yè)務等。
2.2國內(nèi)外發(fā)展概況
至今我國尚無自建的民用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，國際上目前可以使用的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要包括：
1)對地靜止軌道(GS0)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)
提供全球覆蓋的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有國際海事衛(wèi)星(Inmarsat)系統(tǒng);提供區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有北美移動衛(wèi)星(MSAT)系統(tǒng)、亞洲蜂窩衛(wèi)星(ACeS)系統(tǒng)、瑟拉亞衛(wèi)星(Thuraya)系統(tǒng);提供國內(nèi)覆蓋的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有日本衛(wèi)星(N-STAR)系統(tǒng)和澳大利亞衛(wèi)星(Optus)系統(tǒng)等。其中波束覆蓋我國的系統(tǒng)有Inmarsat和ACeS。
國際海事衛(wèi)星(Inmarsat)系統(tǒng)是由國際海事組織經(jīng)營的全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。自1982年開始經(jīng)營以來，全球使用該系統(tǒng)的國家已超過160個，用戶從初期的900多個海上用戶已發(fā)展到今天包括陸地和航空在內(nèi)的29萬多個用戶。為了滿足不斷增長業(yè)務的需要，已開始發(fā)射第四代海事衛(wèi)星。第四代衛(wèi)星為1個全球波束、19個寬波束和228個點波束。提供用戶終端的衛(wèi)星等效全向輻射功率強度為67dBW(點波束)，其IP業(yè)務最高速率可達432kbit/s，可應用于互聯(lián)網(wǎng)、移動多媒體、電視會議等多種業(yè)務。
2)非靜止軌道(NGSO)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)
提出的方案很多，真正發(fā)射組網(wǎng)進行運營的只有3個：銥(Iridium)、全球星(Globalstar)和軌道通信(Orbcomm)系統(tǒng)。銥系統(tǒng)是由美國Motorola公司提出的世界上第一個低軌道全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，其基本目標是向攜帶有手持式移動電話的銥用戶提供全球個人通信能力。銥系統(tǒng)衛(wèi)星星座由66顆低軌道衛(wèi)星組成，軌道高度780km。銥衛(wèi)星采用星上處理和交換技術、多波束天線、星際鏈路等新技術，提供話音、數(shù)據(jù)、傳真和尋呼等業(yè)務，用戶終端有單模手機、雙模手機和尋呼機。耗資59億美元開發(fā)的銥系統(tǒng)于1998年11月開始商業(yè)運營，1999年8月13日申請破產(chǎn)保護。2000年12月新銥星公司成立，用2100萬美元購買了投資近50億美元的銥星公司，2001年3月重新開始提供全球通信服務。目前有超過12萬用戶，并且以每月新增2000?3000個用戶的速度在增長，在2003年上半年實現(xiàn)收支平衡。在1997年5月到2002年6月期間共發(fā)射了95顆衛(wèi)星，其中11顆失效，4顆隕落，66顆工作，14顆在軌備份，能夠連續(xù)工作到2014年而無需發(fā)送額外的衛(wèi)星。
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