0 引言

    從1964年在美國成立了國際通信衛星組織INTELSAT，并于次年發射了第一顆商用通信衛星（“Early Bird”）以來，衛星通信技術及其應用蓬勃發展，取得了巨大的成功。除了在軍事領域中發揮著關鍵性的作用以外，衛星通信已經成為了人們生活中不可或缺的一部分：為人們提供豐富多彩的電視廣播和語音廣播，為地面蜂窩網絡尚未部署的偏遠地區、海上和空中提供必要的通信，為發生自然災害的區域提供寶貴的應急通信，為欠發達或人口密度低的地區提供互聯網接入等^[1]。

    衛星通信與地面通信方式相比主要具有以下特點[^2-4]：(1)覆蓋范圍廣：地球靜止軌道(GEO)衛星距離地面35 786 km，只需要三顆GEO衛星就能覆蓋全球除兩極以外的所有區域；（2）通信系統容量大：衛星頻率資源相當豐富，能提供寬帶通信服務，并可方便地向更高頻段擴展；（3）快速向市場提供服務：建立地面通信設施迅速，開展新的業務和應用周期短；（4）靈活性高：衛星通信系統的建立不受地理條件限制，無論是大城市還是偏遠山區或是海島都可建立通信，且通信距離與成本無關；（5）災難容忍性強：在自然災害如地震、臺風發生時仍能提供穩定的通信；（6）通信鏈路傳輸時延大：信號在GEO衛星與地面之間往返傳輸的時間約為0.25 s，對時間敏感度高的應用如語音通話會受到通信延遲的影響；（7）通信鏈路傳輸衰減大：通信鏈路傳輸距離很遠，造成了信號衰減較大，且高頻段（如Ku/Ka頻段）易受雨衰、雪衰等不利天氣影響；（8）信號視距傳播：采用高頻段信號通信，傳輸易受障礙物影響。

    然而，長期以來衛星通信一直作為地面固定、無線或移動通信系統的一種補充通信方式^[5]。例如，早期的衛星通信只是用在海運領域，這是由于地面通信網絡受限于覆蓋范圍和技術，無法在海上提供服務。衛星通信系統要想在與地面通信系統的競爭中發揮出更重要的作用，還需要克服自身通信特性上的一些不足。例如：對于網絡層存在的傳輸時延長、丟包率高及鏈路干擾等問題，需要采用新的算法和協議對網絡層進行優化，從而使衛星通信適合于個人移動通信和寬帶互聯網接入；在物理層，由于衛星通信的視距傳輸特性，限制了部分區域特別是繁華市區的用戶接入衛星網絡，需要采用新的通信網絡架構來推進衛星通信網絡和地面通信網絡的融合[6-8]。同時，信息通信技術的發展也促使我們從未來互聯網發展的角度來重新定義衛星通信的作用。正如文獻[9]指出，未來互聯網一定是全球“任何地方、任何時間”都無處不在，必須能為社會在緊急情況下提供必要的幫助，而且必須是穩定可靠的。地面蜂窩網絡受限于自身的局域覆蓋屬性，不能有效的滿足這些需求。因此，未來互聯網需要構建和融合兩個基本通信網絡：由地面蜂窩網絡組成的局域網部分和由衛星網絡組成的全局網部分。在這種新的通信架構下，衛星通信將充分發揮其全球通信無縫覆蓋的優勢而發展成為主導地位，不僅僅只是地面移動通信的輔助方式。

    近期，衛星通信新技術的迅速發展和通信商業市場需求的不斷增長，極大地促進了衛星通信業務和通信模式的創新發展，使當前成為衛星通信歷史上最活躍的時期之一。本文總結了衛星通信近期發展的幾種新技術，介紹了當前衛星通信的頻譜資源使用情況，綜述了星地融合通信和衛星寬帶通信，并展望了衛星通信的發展趨勢。

1 衛星通信新技術

1.1 多波束天線

    天線技術是衛星通信的關鍵技術之一，由于衛星通信鏈路傳輸距離很遠造成了信號衰減很大，例如，GEO衛星的C頻段信號（3.4 GHz-4.2 GHz）的鏈路衰減通常在200 dB左右。為保證穩定可靠的通信，需要地面站采用高增益天線和高靈敏度接收機，因此天線的尺寸和成本成為限制衛星通信發展的嚴重障礙^[10]。早期采用甚小孔徑終端（VSAT，Very Small Aperture Terminal）技術來緩解這一問題，天線系統由一個大型中心站與大量的小口徑天線終端站共同構成一個星型網，利用中心站天線G/T值(天線增益對噪聲溫度比)高的優勢來彌補小站天線因天線口徑小、增益低導致鏈路余量不足的弱點^[11]。然而，VSAT天線系統的靈活性不足，并且無法利用頻率復用技術來提高頻譜效率，衛星通信天線的發展已經轉向了多波束天線。     

    多波束天線（Multiple Beam Antenna）從2000年開始迅速發展，由于它能夠實現高增益的點波束覆蓋，又能在廣域覆蓋范圍中實現頻率復用，從而在衛星通信天線系統中得到廣泛應用。多波束天線與數字波束成形不同，它使用大量的點波束實現廣域范圍覆蓋，可用帶寬被分為很多個子波段，從而在大量空間獨立的點波束之間可以實現每個子波段的復用，這與地面蜂窩通信網絡相似，顯著地增加了頻譜利用率和衛星通信容量^[12-13]。在衛星通信系統中使用多波束天線的主要問題是相鄰波束之間的干擾^[14]，文獻[15-16]提出了幾種使用多波束天線的衛星系統中使用頻譜分配技術來降低干擾的影響。

    多波束天線技術提高了轉發器的功率使用效率和頻譜資源利用率，是發展大容量衛星通信系統和增強衛星通信市場競爭力的關鍵技術。目前，多波束天線已經廣泛應用在移動衛星通信業務（Inmarsat，Thuraya，ACeS，Iridium等），區域性直播星（DTV-4S，DTV-7S，Echostar-10，Echostar-14等），個人通信衛星（ViaSat-1，Jupiter-1，Anik-F等）和軍事通信衛星（WGS，MUOS等）^[17]。

1.2 星上處理

    傳統的通信衛星特別是GEO衛星采用的是簡單的彎管式轉發器。近年來，用戶對高數據率傳輸和無縫覆蓋的交互式多媒體服務的需求快速增長，促進了寬帶通信衛星的迅速發展，使得采用先進的星上處理（OBP- Onboard Processing）、星上交換技術與現有的綜合業務數據網（ISDN）和因特網的融合變得非常有必要^[18-19]，這極大地推動了OBP技術的發展。

    OBP可分為再生式和非再生式兩種處理方式。再生式OBP是衛星對接收的信號先在基帶解調解碼得到所傳輸的數據流，然后對數據流進行交換和重新合路，再重新將信號編碼調制為新的數字調制信號；非再生式OBP是衛星對接收到的信號不進行解調解碼而直接做相應的信號處理。

    OBP最重要的作用在于支持星上交換，再生式OBP可在星上獲得各路信號所傳輸的數據流，從而能支持任何方式的交換，如ATM交換、IP交換或電路交換等。如果在星上實現了IP交換，則衛星網絡與地面互聯網的融合將變得非常簡單和方便^[10]，因而興起了星上IP交換研究與應用的熱潮，許多原計劃采用ATM交換的衛星通信系統都改用了IP交換，例如Spaceway、Astrolink、SkyBridge等^[3]。

    同時，OBP技術的使用增強了點波束天線的信號功率和方向性，從而減小了用戶終端的尺寸和靈敏度要求，使得用戶能夠使用小型且廉價的終端進行通信，并可實現高數據率業務（如多媒體視頻）。此外，由于OBP技術降低了衛星通信系統對發射功率的要求，這將減小衛星轉發器非線性特性造成的不利影響并降低相鄰信道干擾^[20]。

2 衛星頻譜資源

    現階段衛星通信發展的主要限制因素是頻譜資源無法滿足日益增長的新業務需求，造成了頻譜擁塞和衛星干擾越來越嚴重的問題。同時，衛星通信系統與地面移動通信系統之間對頻譜資源的競爭也越來越激烈。2015年11月，在日內瓦召開的世界無線電通信大會(WRC-15，World Radiocommunication Conference 2015)決定，對于C、Ku或Ka頻段的衛星固定業務、衛星移動業務和廣播業務中，還沒有完成全球統一的頻段將被納入新的WRC-19的議題，計劃將從中選擇適合的頻譜分配給未來的IMT/5G使用。2016年2月，在北京召開了國際電信聯盟無線通信部門5D工作組（ITU-R-WP5D）會議，重點討論了5G通信系統與衛星通信系統的頻譜資源共存與分配問題，5G系統在6 GHz以下的候選頻譜中，3 400 MHz-3 600 MHz和4 800 MHz-4 990 MHz與目前的衛星固定業務之間存在一定的干擾問題；在6 GHz以上的頻段將在2019年世界無線電通信大會(WRC-19)中展開討論。未來的地面通信系統與衛星通信在高頻段的頻譜資源競爭將會更加激烈。

    為了適應不斷增加的帶寬和數據速率需求，衛星通信系統需要從目前普遍使用的C/Ku頻段(各有500 MHz帶寬)向頻率更高的Ka(2.5 GHz帶寬)、Q/V(各有10 GHz帶寬)甚至更高的頻段擴展。近幾年，衛星通信頻譜資源擴展使用最廣泛的是Ka頻段，目前國際電信聯盟(ITU，International Telecommunication Union)為Ka頻段的頻譜使用劃分為三段：17.3-17.7 GHz，17.7-19.7 GHz和27.5-29.5 GHz，詳細分配情況如表1。

    衛星通信中使用Ka頻段與Ku頻段或其他較低的頻段相比，具有一些顯著優勢。Ka頻段不僅具有更多的可用帶寬，而且與同類尺寸的低頻段天線相比Ka頻段天線具有更高的增益。Ka頻段的缺點是容易受到不利天氣的影響，嚴重的雨衰和雪衰會導致通信質量大幅下降。因此，需要設計適合的地面通信系統和可靠的空中傳輸鏈路，通過調整通信系統參數如自適應編碼調制（ACM，Adaptive Coding Modulation）可以減輕雨衰對通信造成的影響^[21-22]。

    目前，正在對40～60 GHz的EHF（extremely high frequency）頻段展開研究，探索該高頻段在衛星通信中的應用^[23]。向更高頻段的頻譜擴展推動了寬帶衛星通信的快速發展，高通量衛星（HTS，high throughput satellite）系統應運而生。HTS系統結合了頻譜復用和點波束天線技術，采用高階調制，使用超寬帶轉發器，從而實現前所未有的帶寬和吞吐量，將大幅降低傳輸單位比特數據的價格^[24]。

    盡管頻譜資源在不斷地向更高頻段擴展，但有限的頻譜資源始終是限制衛星通信發展的關鍵性因素。可以預見，隨著越來越多的業務和應用在Ka頻段廣泛使用，頻譜擁堵將使未來的Ka頻段的業務發展變得十分困難。HTS系統提供的高性能服務已經受到Ka波段頻譜稀缺的影響^[25]。衛星通信網絡的頻譜管理與規劃將在衛星通信系統設計中起到重要的作用，為了進一步提高衛星頻譜資源利用率，一些研究者開始設計基于衛星Ka頻段分配的認知無線電^[26]，在干擾可接收的條件下允許衛星通信以共享方式使用頻譜。

3 衛星通信近期發展

    衛星通信的迅速發展得益于通信技術、信號處理技術、通信設備制造水平的進步和通信商業需求的不斷增長。現階段的衛星通信系統正在嘗試異構網共存，提供多樣化的接入服務。未來的衛星通信將不再只是地面通信系統的補充，而是與地面移動通信系統和寬帶因特網的緊密融合。星地融合通信和衛星寬帶通信將是近期發展的熱點。

3.1 星地融合通信

    地面通信系統無法實現真正的“無縫覆蓋”，在人口密度較低的農村地區通常沒有足夠的蜂窩網，在海上和航空領域，更是無法通過地面網絡來實現通信。衛星通信獲得成功的關鍵是它的廣域覆蓋和快速向市場提供新業務，在市場相對較小的海上和航空領域衛星通信將長期保持優勢地位，但是對于市場龐大的陸地領域，如：固定、移動通信和廣播業務，將取決于衛星網絡與地面通信網絡融合通信（星地融合通信）。衛星通信新技術的發展，如多波束天線和星上處理等技術正在使星地融合通信成為現實^[27]。

    長期以來，由于地面蜂窩移動通信能夠提供可靠且價格合理的服務，而衛星通信所需要的視距傳播在市區難以保證，激烈的市場競爭和自身通信特性的限制導致移動衛星通信業務普及率很低。在21世紀初，為了克服上述的一些問題，并幫助衛星通信進入主流市場，衛星通信運營商成功得到了電信管理部門在世界許多地區組建星地融合通信網絡的授權，通過增加地面部分擴展衛星通信網絡，開啟了真正無所不在的衛星通信，從而徹底改變了移動衛星通信^[5]。美國的FCC（Federal Communications Commission）和歐洲的European Commission已經授權衛星運營商增加地面輔助基站（ATC，Ancillary Terrestrial Component）到衛星網絡。星地融合通信網絡將會綜合利用地面蜂窩移動通信（頻率復用和非視距傳播的特性）和衛星通信（廣域覆蓋范圍的特性）雙方的共同優點。例如，可以利用衛星網絡的抗毀性和地面4G網絡的高效性，來為自然或人為災害提供應急通信^[28]。典型的星地融合通信網絡如圖1。

    星地融合通信系統的主要優點是補充移動衛星通信的覆蓋盲區、增加衛星通信容量、實現無處不在的數字通信。從通信發展趨勢來看，未來5G通信的發展應該是多層次的異構網，包括地面蜂窩2G/3G、4G、陸地LAN（Local Area Networks）、地面廣播和衛星通信網。星地通信網絡融合的關鍵是衛星通信和地面通信系統與其他通信系統之間的協作，從而使得系統獲得最佳的使用效率和用戶體驗。

    同時，星地融合通信系統也面臨著一些挑戰：

    (1)無縫切換：通信網絡融合的基本需求就是在移動衛星通信和地面通信網絡之間實現無縫切換，設計一個可靠的切換機制必須考慮衛星通信和地面通信系統在發射功率和傳輸時延之間的差異。文獻[29]提出了自適應切換算法，通過估計衛星和地面通信網絡接收的信號強度降低到預設門限的概率，來實現無縫切換。

    (2)通信兼容：兼容性要求同一設備能在衛星和地面通信網絡中通用，需要重新設計空中接口和兩者的物理層，從而保證用戶終端具有相同的使用頻率和基帶芯片^[30]。

    (3)干擾：干擾是星地融合通信網絡的主要問題之一，在網絡內部或衛星與地面通信網絡之間可能存在著干擾。最嚴重的干擾是地面用戶使用相同的上行頻率傳輸到達衛星，星地融合通信運營商需要同時在空管基站和衛星網關中采用干擾消除技術^[31-32]。此外，設計優化的頻譜管理策略，提高衛星部分和地面部分的頻率復用效率，也是降低星地網絡之間干擾的有效方法。

3.2 衛星寬帶通信

    對于互聯網接入而言，衛星通信通常被作為傳統的接入網絡（如3G、電纜或ADSL）無法為用戶提供服務情況下的一種補充通信方式^[33]。近幾年來，通信行業對高數據率傳輸業務和寬帶多媒體應用的需求空前增長，同時衛星通信技術快速發展，如多波束天線、星上處理、頻譜復用技術，尤其是新的TCP版本和改進的TCP加速機制，顯著提高了基于衛星鏈路的TCP性能^[34-36]，使衛星寬帶通信成為現實。

    隨著寬帶衛星通信系統和空間組網技術的發展，互聯網逐漸從地面網絡擴展到空間網絡，衛星通信逐步進入互聯網應用時代。空間網絡是以同步或中低軌道衛星等空間平臺為載體，通過一體化互聯網支持實時采集、傳輸和處理大數據，為用戶提供更大范圍和更高質量的互聯網服務。Google公司于2014年宣布將投資10億美元發射180顆低軌小衛星，提供互聯網業務；近期，OneWeb公司啟動世界上最大的衛星互聯網計劃，將發射648顆衛星建立一個覆蓋全球的低軌道衛星網絡，后續還將發射2 400顆衛星，以提供寬帶互聯網接入服務。

    目前正在應用的典型衛星寬帶系統是國際海事衛星公司（Inmarsat）的Global Xpress全球移動衛星寬帶系統[37]。Global Xpress是世界第一個商用高速寬帶衛星通信網絡，運行在Ka頻段，由三顆GEO衛星組成，每顆衛星提供89個Ka點波束。從2013年12月發射第一顆衛星Inmarsat-5 F1到2015年8月成功發射第三顆衛星Inmarsat-5 F1以來，Global Xpress的三顆衛星提供全球超過99%覆蓋區域的高速移動寬帶通信業務。Global Xpress在容量、吞吐量、用戶終端成本和通話費用方面有了顯著的改善。系統使用Ka波段（2.5 GHz可用頻譜資源），是Ku波段帶寬的5倍，通過60 cm小終端支持下行高達50 Mb/s和上行5 Mb/s的高數據率[38]，前向鏈路采用了TDMA接入，回傳鏈路采用了自適應調制和編碼，以及采用了功率控制和分集技術等來彌補衰落造成的影響，提高了信道利用率。

    通信技術和寬帶網絡發展水平雖然有顯著的提升，但寬帶通信的普及程度還相對比較薄弱。ITU在2015年9月份公布的研究報告顯示^[39]，地球上仍有40億人無法接入互聯網，其中90%人口生活在發展中國家。工信部發布的統計數據表明^[40]，截至2015年8月底，我國尚有約5萬個未通寬帶網絡的行政村，農村寬帶家庭普及率比城市地區低約40個百分點。構建衛星寬帶通信網絡有望改變這一局面。由于衛星通信具有廣泛的覆蓋范圍，較高的成本效率尤其是在低或中等的人口密度的區域和快速提供通信服務，可以預見，衛星通信系統將擴展高質量的電信網絡，實現無處不在的寬帶網絡接入，在全球寬帶通信服務中發揮重要的作用。

4 結束語

    衛星通信技術近期發展的關鍵是高效的功率利用和帶寬調制、傳輸鏈路的自適應編碼調制、完善突發性業務接入技術、資源預留算法、星上處理、網絡融合和低成本移動終端，從而確保衛星網絡與地面蜂窩系統的無縫融合，提供穩定可靠的衛星寬帶通信服務，同時有效地利用衛星軌道和頻譜資源。

    衛星通信在未來信息通信系統中的發揮著關鍵的作用，衛星通信的無縫覆蓋和大容量的優勢將產生巨大的經濟價值和社會效益，其發展前景非常具有吸引力。同時，衛星通信也面臨著很大的挑戰。例如，衛星軌道和頻譜資源正越來越緊缺、衛星干擾越來越頻繁、通信網絡融合中高效切換技術和頻譜分配策略需要進一步的完善、衛星寬帶通信中的帶寬管理和服務質量控制等。衛星通信網絡也需要重新考慮如何增強交互性、動態性、情景感知以及網絡融合效率等方面問題。

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