卫星通信的发展前景与展望

【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；星上处理；星上交换；多波束天线；蜂窝网卫星系统
1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。
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；
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。
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。
通信频带宽、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主要有卫星发射和星上通信载荷的成本高；卫星链路传输衰减很大；卫星链路传输时延大。
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。
2通信卫星平台与信道资源的发展
2.1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。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。
2.2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。
3卫星通信相关技术及其发展现状与前景
3.1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。
3.2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、跳变频率、跳变时间和线性调频等4种基本工作方式。
3.3多址和复用技术
所谓多址（multiple access）是指某个站从它接收到的多路信号中区分各路信号来自哪个站点，并根据需要选择其中一路或几路进行接收处理；也可以是某一站以某种信道复用方式广播地发送多路信号，让其他各站能按需选择其中一路或几路信号进行接收处理。所谓复用即多路复用，是指多个数据流的数字调制信号共享一条信道进行传输时的信道共享方法。
3.4星上信号处理和交换技术
3.4.1星上信号处理
早期基于GEO卫星的通信都是采用透明转发器实现中继传输，这样提供的信道资源应用灵活性最大，转发器可以分频带出租给各个用户随意应用。
3.4.2星上交换
OBP最重要的作用在于支持星上交换。再生式OBP可在星上获得各路信号所传输的数据流，因此能支持任何方式的交换，如ATM交换、IP交换或程控电路交换等。若在星上实现了IP交换，则卫星网与地面因特网的互联就变得非常简单而方便。
3.5空间激光通信技术
空间激光通信技术是指用激光束作为信息载体在自由空间进行通信，既可作为卫星间的高速传输链路，也可作为卫星与地面站之间的通信链路。不过后者可传输的信息速率不太高，而且当存在较浓的云雾或降雨时无法通信。携带信息的电信号调制到光束上发送，通信的双端通过初定位和调整再经过光束的捕获、瞄准和跟踪建立起光链路进行信息传输。
4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。由于基于Ka频段的LEO卫星群蜂窝网的发展，不仅使可用频率资源和通信容量大幅度增长，而且使用户终端的成本大大降低，卫星通信无缝覆盖的优势凸现，在国际民用通信市场中确实可以占据一个不小比例。但是我国的情况略有不同。由于基于4G的地面蜂窝网在我国民用通信市场中占有比例明显高于国外大多数国家，而卫星通信接入因特网的竞争力还远不如4G，目前卫星通信可实现的可用频率资源的地域覆盖密度，比4G的覆盖密度低几个数量级。

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