0 引言

    從1964年在美國成立了國際通信衛(wèi)星組織INTELSAT，并于次年發(fā)射了第一顆商用通信衛(wèi)星（“Early Bird”）以來，衛(wèi)星通信技術及其應用蓬勃發(fā)展，取得了巨大的成功。除了在軍事領域中發(fā)揮著關鍵性的作用以外，衛(wèi)星通信已經(jīng)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(wǎng)絡尚未部署的偏遠地區(qū)、海上和空中提供必要的通信，為發(fā)生自然災害的區(qū)域提供寶貴的應急通信，為欠發(fā)達或人口密度低的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入等^[1]。

    衛(wèi)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(wèi)星距離地面35 786 km，只需要三顆GEO衛(wèi)星就能覆蓋全球除兩極以外的所有區(qū)域；（2）通信系統(tǒng)容量大：衛(wèi)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(yè)務和應用周期短；（4）靈活性高：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立不受地理條件限制，無論是大城市還是偏遠山區(qū)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(fā)生時仍能提供穩(wěn)定的通信；（6）通信鏈路傳輸時延大：信號在GEO衛(wèi)星與地面之間往返傳輸?shù)臅r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(wèi)星通信一直作為地面固定、無線或移動通信系統(tǒng)的一種補充通信方式^[5]。例如，早期的衛(wèi)星通信只是用在海運領域，這是由于地面通信網(wǎng)絡受限于覆蓋范圍和技術，無法在海上提供服務。衛(wèi)星通信系統(tǒng)要想在與地面通信系統(tǒng)的競爭中發(fā)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(wǎng)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(xié)議對網(wǎng)絡層進行優(yōu)化，從而使衛(wèi)星通信適合于個人移動通信和寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入；在物理層，由于衛(wèi)星通信的視距傳輸特性，限制了部分區(qū)域特別是繁華市區(qū)的用戶接入衛(wèi)星網(wǎng)絡，需要采用新的通信網(wǎng)絡架構來推進衛(wèi)星通信網(wǎng)絡和地面通信網(wǎng)絡的融合[6-8]。同時，信息通信技術的發(fā)展也促使我們從未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的角度來重新定義衛(wèi)星通信的作用。正如文獻[9]指出，未來互聯(lián)網(wǎng)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(wěn)定可靠的。地面蜂窩網(wǎng)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(lián)網(wǎng)需要構建和融合兩個基本通信網(wǎng)絡：由地面蜂窩網(wǎng)絡組成的局域網(wǎng)部分和由衛(wèi)星網(wǎng)絡組成的全局網(wǎng)部分。在這種新的通信架構下，衛(wèi)星通信將充分發(fā)揮其全球通信無縫覆蓋的優(yōu)勢而發(fā)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(wèi)星通信新技術的迅速發(fā)展和通信商業(yè)市場需求的不斷增長，極大地促進了衛(wèi)星通信業(yè)務和通信模式的創(chuàng)新發(fā)展，使當前成為衛(wèi)星通信歷史上最活躍的時期之一。本文總結了衛(wèi)星通信近期發(fā)展的幾種新技術，介紹了當前衛(wèi)星通信的頻譜資源使用情況，綜述了星地融合通信和衛(wèi)星寬帶通信，并展望了衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢。

1 衛(wèi)星通信新技術

1.1 多波束天線

    天線技術是衛(wèi)星通信的關鍵技術之一，由于衛(wèi)星通信鏈路傳輸距離很遠造成了信號衰減很大，例如，GEO衛(wèi)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(wěn)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(wèi)星通信發(fā)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(tǒng)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(wǎng)，利用中心站天線G/T值(天線增益對噪聲溫度比)高的優(yōu)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(tǒng)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(wèi)星通信天線的發(fā)展已經(jīng)轉向了多波束天線。     

    多波束天線（Multiple Beam Antenna）從2000年開始迅速發(fā)展，由于它能夠實現(xiàn)高增益的點波束覆蓋，又能在廣域覆蓋范圍中實現(xiàn)頻率復用，從而在衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)中得到廣泛應用。多波束天線與數(shù)字波束成形不同，它使用大量的點波束實現(xiàn)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(xiàn)每個子波段的復用，這與地面蜂窩通信網(wǎng)絡相似，顯著地增加了頻譜利用率和衛(wèi)星通信容量^[12-13]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wèi)星系統(tǒng)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(fā)器的功率使用效率和頻譜資源利用率，是發(fā)展大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)和增強衛(wèi)星通信市場競爭力的關鍵技術。目前，多波束天線已經(jīng)廣泛應用在移動衛(wèi)星通信業(yè)務（Inmarsat，Thuraya，ACeS，Iridium等），區(qū)域性直播星（DTV-4S，DTV-7S，Echostar-10，Echostar-14等），個人通信衛(wèi)星（ViaSat-1，Jupiter-1，Anik-F等）和軍事通信衛(wèi)星（WGS，MUOS等）^[17]。

1.2 星上處理

    傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星特別是GEO衛(wèi)星采用的是簡單的彎管式轉發(fā)器。近年來，用戶對高數(shù)據(jù)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(wèi)星的迅速發(fā)展，使得采用先進的星上處理（OBP- Onboard Processing）、星上交換技術與現(xiàn)有的綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）和因特網(wǎng)的融合變得非常有必要^[18-19]，這極大地推動了OBP技術的發(fā)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(wèi)星對接收的信號先在基帶解調解碼得到所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，然后對數(shù)據(jù)流進行交換和重新合路，再重新將信號編碼調制為新的數(shù)字調制信號；非再生式OBP是衛(wèi)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?shù)臄?shù)據(jù)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(xiàn)了IP交換，則衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面互聯(lián)網(wǎng)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(wèi)星通信系統(tǒng)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(xiàn)高數(shù)據(jù)率業(yè)務（如多媒體視頻）。此外，由于OBP技術降低了衛(wèi)星通信系統(tǒng)對發(fā)射功率的要求，這將減小衛(wèi)星轉發(fā)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(wèi)星頻譜資源

    現(xiàn)階段衛(wèi)星通信發(fā)展的主要限制因素是頻譜資源無法滿足日益增長的新業(yè)務需求，造成了頻譜擁塞和衛(wèi)星干擾越來越嚴重的問題。同時，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面移動通信系統(tǒng)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(wèi)星固定業(yè)務、衛(wèi)星移動業(yè)務和廣播業(yè)務中，還沒有完成全球統(tǒng)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(lián)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(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻譜資源共存與分配問題，5G系統(tǒng)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(wèi)星固定業(yè)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(tǒng)與衛(wèi)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(shù)據(jù)速率需求，衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wèi)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(lián)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(wèi)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(yōu)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(tǒng)和可靠的空中傳輸鏈路，通過調整通信系統(tǒng)參數(shù)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(wèi)星通信中的應用^[23]。向更高頻段的頻譜擴展推動了寬帶衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，高通量衛(wèi)星（HTS，high throughput satellite）系統(tǒng)應運而生。HTS系統(tǒng)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(fā)器，從而實現(xiàn)前所未有的帶寬和吞吐量，將大幅降低傳輸單位比特數(shù)據(jù)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(wèi)星通信發(fā)展的關鍵性因素?？梢灶A見，隨著越來越多的業(yè)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(yè)務發(fā)展變得十分困難。HTS系統(tǒng)提供的高性能服務已經(jīng)受到Ka波段頻譜稀缺的影響^[25]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的頻譜管理與規(guī)劃將在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計中起到重要的作用，為了進一步提高衛(wèi)星頻譜資源利用率，一些研究者開始設計基于衛(wèi)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(wèi)星通信以共享方式使用頻譜。

3 衛(wèi)星通信近期發(fā)展

    衛(wèi)星通信的迅速發(fā)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(yè)需求的不斷增長?，F(xiàn)階段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在嘗試異構網(wǎng)共存，提供多樣化的接入服務。未來的衛(wèi)星通信將不再只是地面通信系統(tǒng)的補充，而是與地面移動通信系統(tǒng)和寬帶因特網(wǎng)的緊密融合。星地融合通信和衛(wèi)星寬帶通信將是近期發(fā)展的熱點。

3.1 星地融合通信

    地面通信系統(tǒng)無法實現(xiàn)真正的“無縫覆蓋”，在人口密度較低的農村地區(qū)通常沒有足夠的蜂窩網(wǎng)，在海上和航空領域，更是無法通過地面網(wǎng)絡來實現(xiàn)通信。衛(wèi)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(yè)務，在市場相對較小的海上和航空領域衛(wèi)星通信將長期保持優(yōu)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(yè)務，將取決于衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面通信網(wǎng)絡融合通信（星地融合通信）。衛(wèi)星通信新技術的發(fā)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(xiàn)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(wèi)星通信所需要的視距傳播在市區(qū)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(wèi)星通信業(yè)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(wèi)星通信進入主流市場，衛(wèi)星通信運營商成功得到了電信管理部門在世界許多地區(qū)組建星地融合通信網(wǎng)絡的授權，通過增加地面部分擴展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，開啟了真正無所不在的衛(wèi)星通信，從而徹底改變了移動衛(wèi)星通信^[5]。美國的FCC（Federal Communications Commission）和歐洲的European Commission已經(jīng)授權衛(wèi)星運營商增加地面輔助基站（ATC，Ancillary Terrestrial Component）到衛(wèi)星網(wǎng)絡。星地融合通信網(wǎng)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(wèi)星通信（廣域覆蓋范圍的特性）雙方的共同優(yōu)點。例如，可以利用衛(wèi)星網(wǎng)絡的抗毀性和地面4G網(wǎng)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(wǎng)絡如圖1。

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

    同時，星地融合通信系統(tǒng)也面臨著一些挑戰(zhàn)：

    (1)無縫切換：通信網(wǎng)絡融合的基本需求就是在移動衛(wèi)星通信和地面通信網(wǎng)絡之間實現(xiàn)無縫切換，設計一個可靠的切換機制必須考慮衛(wèi)星通信和地面通信系統(tǒng)在發(fā)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(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡接收的信號強度降低到預設門限的概率，來實現(xiàn)無縫切換。

    (2)通信兼容：兼容性要求同一設備能在衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)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(wǎng)絡的主要問題之一，在網(wǎng)絡內部或衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)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?shù)竭_衛(wèi)星，星地融合通信運營商需要同時在空管基站和衛(wèi)星網(wǎng)關中采用干擾消除技術^[31-32]。此外，設計優(yōu)化的頻譜管理策略，提高衛(wèi)星部分和地面部分的頻率復用效率，也是降低星地網(wǎng)絡之間干擾的有效方法。

3.2 衛(wèi)星寬帶通信

    對于互聯(lián)網(wǎng)接入而言，衛(wèi)星通信通常被作為傳統(tǒng)的接入網(wǎng)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(yè)對高數(shù)據(jù)率傳輸業(yè)務和寬帶多媒體應用的需求空前增長，同時衛(wèi)星通信技術快速發(fā)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(wèi)星鏈路的TCP性能^[34-36]，使衛(wèi)星寬帶通信成為現(xiàn)實。

    隨著寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和空間組網(wǎng)技術的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)逐漸從地面網(wǎng)絡擴展到空間網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信逐步進入互聯(lián)網(wǎng)應用時代?？臻g網(wǎng)絡是以同步或中低軌道衛(wèi)星等空間平臺為載體，通過一體化互聯(lián)網(wǎng)支持實時采集、傳輸和處理大數(shù)據(jù)，為用戶提供更大范圍和更高質量的互聯(lián)網(wǎng)服務。Google公司于2014年宣布將投資10億美元發(fā)射180顆低軌小衛(wèi)星，提供互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務；近期，OneWeb公司啟動世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，將發(fā)射648顆衛(wèi)星建立一個覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡，后續(xù)還將發(fā)射2 400顆衛(wèi)星，以提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務。

    目前正在應用的典型衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)是國際海事衛(wèi)星公司（Inmarsat）的Global Xpress全球移動衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)[37]。Global Xpress是世界第一個商用高速寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，運行在Ka頻段，由三顆GEO衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星提供89個Ka點波束。從2013年12月發(fā)射第一顆衛(wèi)星Inmarsat-5 F1到2015年8月成功發(fā)射第三顆衛(wèi)星Inmarsat-5 F1以來，Global Xpress的三顆衛(wèi)星提供全球超過99%覆蓋區(qū)域的高速移動寬帶通信業(yè)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡發(fā)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(lián)網(wǎng)，其中90%人口生活在發(fā)展中國家。工信部發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明^[40]，截至2015年8月底，我國尚有約5萬個未通寬帶網(wǎng)絡的行政村，農村寬帶家庭普及率比城市地區(qū)低約40個百分點。構建衛(wèi)星寬帶通信網(wǎng)絡有望改變這一局面。由于衛(wèi)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(qū)域和快速提供通信服務，可以預見，衛(wèi)星通信系統(tǒng)將擴展高質量的電信網(wǎng)絡，實現(xiàn)無處不在的寬帶網(wǎng)絡接入，在全球寬帶通信服務中發(fā)揮重要的作用。

4 結束語

    衛(wèi)星通信技術近期發(fā)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(fā)性業(yè)務接入技術、資源預留算法、星上處理、網(wǎng)絡融合和低成本移動終端，從而確保衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面蜂窩系統(tǒng)的無縫融合，提供穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星寬帶通信服務，同時有效地利用衛(wèi)星軌道和頻譜資源。

    衛(wèi)星通信在未來信息通信系統(tǒng)中的發(fā)揮著關鍵的作用，衛(wèi)星通信的無縫覆蓋和大容量的優(yōu)勢將產生巨大的經(jīng)濟價值和社會效益，其發(fā)展前景非常具有吸引力。同時，衛(wèi)星通信也面臨著很大的挑戰(zhàn)。例如，衛(wèi)星軌道和頻譜資源正越來越緊缺、衛(wèi)星干擾越來越頻繁、通信網(wǎng)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(wèi)星寬帶通信中的帶寬管理和服務質量控制等。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡也需要重新考慮如何增強交互性、動態(tài)性、情景感知以及網(wǎng)絡融合效率等方面問題。

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