卫星通信论文 【学术论文】卫星通信近期发展综述

摘要:

随着对泛在通信和高数据速率通信服务需求的不断增加，卫星通信的无缝覆盖和大通信容量优势将在新一代通信系统中发挥关键作用，卫星通信技术和信息通信产业正在发生巨大变化。本文综述了近年来卫星通信的新技术和发展热点。综述了多波束天线、星载处理和卫星频谱资源利用的发展现状。综述了星地统一通信和卫星宽带通信。分析了发展中面临的挑战，展望了卫星通信的发展前景。

中文报价格式:郝、、。引用该论文王志平，王志平，王志平.电子技术应用，2016，42 (8): 11-15，20

英文引用格式:郝、、。引用该论文王志平，王志平，王志平.电子技术应用，2016，42 (8): 11-15，20

❖

0简介

自1964年国际通信卫星组织在美国成立并于次年发射第一颗商业通信卫星(“早期鸟”)以来，卫星通信技术及其应用蓬勃发展，取得了巨大成功。除了在军事领域发挥关键作用之外，卫星通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分:为人们提供彩色电视广播和语音广播，为没有部署地面蜂窝网络的偏远地区、海上和内陆地区提供必要的通信，为发生自然灾害的地区提供宝贵的紧急通信，为不发达或人口密度低的地区提供互联网接入。

与地面通信相比，卫星通信具有以下特点[2-4]: (1)覆盖面广:地球静止轨道(GEO)卫星距地面35786km，只需三颗GEO卫星即可覆盖除两极以外的世界所有地区；(2)通信系统容量大:卫星频率资源丰富，可以提供宽带通信业务，容易扩展到更高的频段；(3)快速向市场提供服务:地面通信设施建立迅速，新业务和应用周期短；(4)灵活性高:卫星通信系统的建立不受地理条件限制，可以在大城市、偏远山区或岛屿建立通信，通信距离与成本无关；(5)容灾能力强:在地震、台风等自然灾害发生时仍能提供稳定的通信；(6)通信链路传输延迟大:GEO卫星与地面之间的信号传输时间约为0.25 s，语音通话等时间敏感性高的应用会受到通信延迟的影响；(7)通信链路传输衰减大:通信链路传输距离很长，导致信号衰减大，高频带(如Ku/Ka波段)易受雨雪衰减等恶劣天气影响；(8)信号视距传播:采用高频信号通信，传输易受障碍物影响。

然而，长期以来，卫星通信一直被视为陆地固定、无线或移动通信系统的补充通信模式。例如，早期的卫星通信只用于海上领域，因为地面通信网络受到其覆盖范围和技术的限制，不能在海上提供服务。卫星通信系统要想在与地面通信系统的竞争中发挥更大的作用，还需要克服自身通信特性的一些缺点。例如，对于网络层传输时间长、丢包率高、链路干扰等问题，需要采用新的算法和协议对网络层进行优化，使卫星通信适合个人移动通信和宽带互联网接入；在物理层，由于卫星通信的视线传输特性，一些地区的用户，特别是繁华的城市地区的用户，被限制接入卫星网络，需要一种新的通信网络架构来促进卫星通信网络和地面通信网络的融合[6-8]。同时，信息通信技术的发展也促使我们从未来互联网发展的角度重新定义卫星通信的作用。文献[9]指出，未来的互联网必须遍布世界各地，必须能够在紧急情况下为社会提供必要的帮助，必须稳定可靠。地面蜂窝网络受其自身本地覆盖特性的限制，不能有效地满足这些要求。因此，在未来，互联网需要建设和集成两个基本的通信网络:由陆地蜂窝网络组成的局域网部分和由卫星网络组成的全球网络部分。在这种新的通信架构下，卫星通信将充分发挥其无缝覆盖全球通信的优势，发展成为主导地位，而不仅仅是陆地移动通信的辅助模式。

近年来，卫星通信新技术的快速发展和通信商业市场需求的不断增长，极大地推动了卫星通信业务和通信方式的创新发展，使之成为卫星通信史上最活跃的时期之一。摘要:综述了近年来卫星通信的几种新技术，介绍了目前卫星通信频谱资源的利用情况，总结了通信现状，展望了卫星通信的发展趋势。

1 .卫星通信新技术

1.1多波束天线

天线技术是卫星通信的关键技术之一。卫星通信链路传输距离长，导致信号衰减大。比如GEO卫星的C波段信号(3.4 GHz-4.2 GHz)的链路衰减一般在200 dB左右。为了保证稳定可靠的通信，地面站必须采用高增益天线和高灵敏度接收机，因此天线的尺寸和成本已经成为卫星通信发展的严重障碍[10]。在早期，VSAT(甚小孔径终端)技术被用来缓解这个问题。天线系统由一个大型中心站和大量小口径天线终端站组成星形网络。利用中心站天线的高G/T值(天线增益与噪声温度比)的优势，弥补了天线孔径小、增益低造成的链路余量不足的弱点[11]。然而，VSAT天线系统不够灵活，不能利用频率复用技术来提高频谱效率。卫星通信天线的发展已经转向多波束天线。

多波束天线自2000年以来发展迅速。由于它可以实现高增益点波束覆盖和广域覆盖下的频率复用，因此在卫星通信天线系统中得到了广泛的应用。与数字波束形成不同，多波束天线使用大量点波束来实现广域覆盖，可用带宽被划分为多个子带，使得每个子带可以在大量空独立点波束之间重用，类似于陆地蜂窝通信网络，显著提高了频谱利用率和卫星通信容量[12-13]。在卫星通信系统中使用多波束天线的主要问题是相邻波束之间的干扰[14]。参考文献[15-16]提出了几种利用多波束天线的卫星系统，利用频谱分配技术来降低干扰的影响。

多波束天线技术提高了转发器的功率效率和频谱资源利用率，是发展大容量卫星通信系统、增强卫星通信市场竞争力的关键技术。目前，多波束天线已广泛应用于移动卫星通信业务(Inmarsat、Thuraya、ACeS、铱星等)。)，区域直播卫星(DTV-4S、DTV-7S、Echostar-10、Echostar-14等。)，个人通信卫星(ViaSat-1，Jupiter-1，Anik-)

1.2车载处理

传统的通信卫星，尤其是GEO卫星，使用的是简单的肘形转发器。近年来，用户对高数据速率传输和无缝覆盖的交互式多媒体服务的需求迅速增加，推动了宽带通信卫星的快速发展，使得有必要采用先进的OBP星载处理和星载交换技术与现有的综合业务数字网和互联网[[18-19]相结合，极大地促进了OBP技术的发展。

OBP可分为再生和非再生治疗方法。再生OBP是指卫星在基带对接收信号进行解调和解码，得到发射的数据流，然后对数据流进行交换和重组，再将信号编码调制成新的数字调制信号；非再生OBP意味着卫星不解调和解码接收信号，而是直接处理相应的信号。

OBP最重要的作用是支持车载转换。再生OBP可以获得船上各种信号传输的数据流，从而支持任何类型的交换，如自动柜员机交换、IP交换或电路交换。如果在卫星上实现IP交换，卫星网络和地面互联网的融合将变得非常简单和方便[[10]，这导致了卫星上IP交换的研究和应用热潮。许多原本打算采用ATM交换的卫星通信系统，已经切换到IP交换，如Spaceway、Astrolink、SkyBridge等。

同时，OBP技术的使用增强了点波束天线的信号功率和方向性，从而降低了用户终端的尺寸和灵敏度要求，使用户能够使用小而便宜的终端进行通信，实现高数据速率服务(如多媒体视频)。此外，由于OBP技术降低了卫星通信系统对发射功率的要求，它将减少卫星转发器的非线性特性造成的不利影响，并减少相邻信道干扰[[20]。

2卫星频谱资源

目前，卫星通信发展的主要限制因素是频谱资源不能满足日益增长的新业务需求，导致频谱拥塞和卫星干扰问题日益严重。与此同时，卫星通信系统和地面移动通信系统之间对频谱资源的竞争也越来越激烈。2015年11月，在日内瓦举行的世界无线电通信大会(2015年11月15日至16日，WRC)决定，在C、Ku或Ka频段的卫星固定业务、卫星移动业务和广播业务中，尚未完成全球统一的频段将被纳入新WRC-19的议题，并计划从中选择合适的频谱，未来分配给IMT/5G。2016年2月，ITU-R-WP5D在北京举行，重点关注5G通信系统与卫星通信系统之间的频谱资源共存与分配。在6 GHz以下的候选频谱中，3 400 MHz-3 600 MHz和4 800 MHz-4 990 MHz与目前的卫星固定业务之间存在一些干扰问题；6千兆赫以上的频带将在2019年世界无线电通信会议(WRC-19)上讨论。未来，地面通信系统和卫星通信在高频波段的频谱资源竞争将更加激烈。

为了满足日益增长的带宽和数据速率的需求，卫星通信系统需要从常用的C/Ku频带(每个具有500 MHz带宽)扩展到更高的频率Ka(2.5 GHz带宽)、Q/V(每个具有10 GHz带宽)甚至更高的频带。近年来，Ka频段是卫星通信中使用最广泛的频谱资源。目前，国际电信联盟(ITU)将Ka频段的频谱使用分为17.3-17.7 GHz、17.7-19.7 GHz和27.5-29.5 GHz三个区段。详细分布见表1。

与Ku频段或其他低频段相比，卫星通信中使用的Ka频段具有明显的优势。Ka波段天线不仅可用带宽更大，而且比同尺寸的低波段天线增益更高。Ka频段的缺点是容易受到恶劣天气的影响，雨雪严重下降会导致通信质量显著下降。因此，有必要在空设计合适的地面通信系统和可靠的传输链路。通过调整自适应编码调制(ACM)等通信系统参数，可以减少降雨衰减对通信的影响[21-22]。

目前，正在研究40 ~ 60千兆赫的EHF(极高频率)频带，以探索这一高频带在卫星通信中的应用[23]。随着宽带卫星通信的快速发展，高通量卫星系统应运而生。HTS系统结合频谱复用和点波束天线技术，采用高阶调制，使用超宽带应答机，从而实现前所未有的带宽和吞吐量，将大大降低传输单位比特数据的价格。

虽然频谱资源正在向更高的频段扩展，但有限的频谱资源始终是制约卫星通信发展的关键因素。可以预见，随着越来越多的业务和应用在Ka波段的广泛应用，频谱拥塞将使得未来Ka波段业务的发展非常困难。HTS系统提供的高性能服务受到了Ka波段频谱稀缺的影响[25]。卫星通信网络的频谱管理和规划将在卫星通信系统的设计中发挥重要作用。为了进一步提高卫星频谱资源的利用率，一些研究人员开始设计基于卫星Ka波段分配的认知无线电[26]，允许卫星通信在可接受干扰的情况下共享使用频谱。

3卫星通信的最新发展

卫星通信的快速发展得益于通信技术、信号处理技术、通信设备制造水平的提高和通信业务需求的不断增加。目前，卫星通信系统正试图与异构网络共存，提供多样化的接入服务。未来，卫星通信不仅是地面通信系统的补充，还将与地面移动通信系统和宽带互联网紧密结合。星地统一通信和卫星宽带通信将是近期发展的热点。

3.1星统一通信

地面通信系统无法实现真正的无缝覆盖。在人口密度低的农村地区，通常没有足够的蜂窝网络，在海洋和导航空领域，无法通过陆地网络实现通信。卫星通信成功的关键是它的广域覆盖和向市场快速提供新服务。卫星通信将在市场相对较小的海洋和航空空领域长期保持主导地位，但对于市场巨大的陆地领域，如固定、移动通信和广播服务，将依靠卫星网和地面通信网统一通信(unified communication)。多波束天线和星载处理等新卫星通信技术的发展，正在使星地统一通信成为现实[27]。

长期以来，由于地面蜂窝移动通信可以提供可靠且价格合理的服务，而卫星通信所需的视线传播在城市地区难以保证，激烈的市场竞争和自身通信特性的限制导致了移动卫星通信服务的普及率较低。21世纪初，为了克服上述一些问题，帮助卫星通信进入主流市场，卫星通信运营商成功获得电信管理部门的授权，在世界许多地方建立了星地统一通信网络，并通过增加地面部分扩大卫星通信网络，开辟了真正无处不在的卫星通信，从而彻底改变了移动卫星通信[5]。美国联邦通信委员会(FCC)和欧洲委员会已经授权卫星运营商向卫星网络添加ATC(辅助地面组件)。星地统一通信网将综合利用地面蜂窝移动通信(频率复用和非视距传播特性)和卫星通信(广域覆盖特性)的共同优势。比如卫星网络的生存能力和地面4G网络的高效率，可以用来为天灾人祸提供应急通信[28]。典型的卫星对地面统一通信网络如图1所示。

星地统一通信系统的主要优势是补充移动卫星通信的覆盖盲区，增加卫星通信容量，实现无处不在的数字通信。从通信发展趋势来看，5G通信未来的发展应该是多层次的异构网络，包括地面蜂窝2G/3G、4G、局域网、地面广播和卫星通信网络。星地通信网络融合的关键是卫星通信和地面通信系统与其他通信系统的协作，使系统获得最佳的使用效率和用户体验。

同时，星地统一通信系统也面临着一些挑战:

(1)无缝切换:通信网络融合的基本要求是实现移动卫星通信与地面通信网络的无缝切换。为了设计可靠的切换机制，必须考虑卫星通信和地面通信系统之间的传输功率和传输延迟之间的差异。文献[29]提出了一种自适应切换算法，通过估计卫星和地面通信网络的接收信号强度降低到预设阈值的概率，可以实现无缝切换。

(2)通信兼容性:兼容性要求卫星和地面通信网络可以使用相同的设备，需要重新设计空中的接口和两者的物理层，以保证用户终端具有相同的使用频率和基带芯片[30]。

(3)干扰:干扰是星地统一通信网的主要问题之一，网内或星地通信网之间可能存在干扰。最严重的干扰是地面用户使用相同的上行频率向卫星发射，星地统一通信运营商需要在空管基站和卫星网关同时采用干扰抵消技术[31-32]。此外，设计优化的频谱管理策略来提高卫星和地面部分的频率复用效率也是减少卫星和地面网络之间干扰的有效方法。

3.2卫星宽带通信

就互联网接入而言，当传统接入网络(如3G、电缆或ADSL)无法为用户提供服务时，卫星通信通常被用作补充通信模式[33]。近年来，通信行业对高数据速率传输服务和宽带多媒体应用的需求在空之前已经增加。同时，卫星通信技术发展迅速，多波束天线、星载处理、频谱复用技术等，特别是新TCP版本和改进的TCP加速机制，显著提高了基于卫星链路的TCP性能[34-36]，使卫星宽带通信成为现实。

随着宽带卫星通信系统和空之间组网技术的发展，互联网逐渐从地面网络扩展到空之间的网络，卫星通信逐渐进入互联网应用时代。空之间的网络基于同步或中低轨道卫星等平台。空，支持通过集成互联网实时采集、传输和处理大数据，为用户提供更广泛、更优质的互联网服务。谷歌2014年宣布，将投资10亿美元发射180颗低轨小卫星，提供互联网服务；近日，OneWeb启动了全球最大的卫星互联网项目，将发射648颗卫星构建全球低轨卫星网络，未来将发射2400颗卫星提供宽带互联网接入服务。

目前应用的典型卫星宽带系统是国际海事卫星组织的全球快速全球移动卫星宽带系统[37]。Global Xpress是全球首个商用高速宽带卫星通信网络，工作在Ka频段，由三颗GEO卫星组成，每颗卫星提供89 Ka点波束。从2013年12月发射第一颗卫星Inmarsat-5 F1到2015年8月成功发射第三颗卫星Inmarsat-5 F1，Global Xpress的三颗卫星提供了覆盖全球99%以上覆盖区域的高速移动宽带通信服务。Global Xpress在容量、吞吐量、用户终端成本和通话成本方面取得了显著改善。该系统使用Ka波段(2.5 GHz的可用频谱资源)，是Ku波段带宽的5倍。它通过60厘米的小型终端支持高达50 Mb/s的下行链路和5 Mb/s的上行链路高数据速率[38]。前向链路采用时分多址接入，回程链路采用自适应调制和编码，并采用功率控制和分集技术来补偿衰落带来的影响，从而提高信道利用率。

虽然通信技术和宽带网络的发展水平有了显著提高，但宽带通信的普及程度仍然相对较弱。根据国际电联2015年9月发布的研究报告，[39]地球上仍有40亿人无法访问互联网，其中90%生活在发展中国家。工业和信息化部发布的统计数据显示[40]，截至2015年8月底，中国仍有约5万个行政村没有接入宽带网络，农村宽带家庭普及率比城市低约40个百分点。卫星宽带通信网的建设有望改变这种局面。由于卫星通信覆盖面广、性价比高，特别是在中低人口密度地区，提供通信服务快，可以预见，卫星通信系统将扩展高质量的电信网络，实现泛在宽带网络接入，在全球宽带通信服务中发挥重要作用。

4结束语

卫星通信技术近期发展的关键是高效的功率利用和带宽调制、传输链路的自适应编码和调制、突发业务接入技术的改进、资源预留算法、星上处理、网络融合和低成本移动终端，以保证卫星网络和地面蜂窝系统的无缝融合，提供稳定可靠的卫星宽带通信服务，有效利用卫星轨道和频谱资源。

卫星通信在未来的信息通信系统中起着关键的作用。卫星通信的无缝覆盖和大容量优势将带来巨大的经济价值和社会效益，其发展前景非常诱人。同时，卫星通信也面临着巨大的挑战。例如，卫星轨道和频谱资源越来越稀缺，卫星干扰越来越频繁，通信网络融合中的高效切换技术和频谱分配策略需要进一步完善，卫星宽带通信中的带宽管理和服务质量控制等。卫星通信网络还需要重新考虑如何增强交互性、动态性、上下文感知和网络融合效率。

引用

[1]佩尔顿·J·N .卫星通信概述[[J]。《航空航天进展》，2003，202:1-18。

[2]罗迪D .卫星通信[M]。麦格劳-希尔教授医学/技术，2006:46-57。

[3] LUTZ E，WERNER M，JAHN A .卫星系统用于个人和宽带通信[M]。柏林:斯普林格，2012:68-80。

[4][[J]。《电气和电子工程师协会学报》，2011，99(11):1840-1857。

个人卫星通信:技术和挑战[[]。无线通信，IEEE，2012，19(6):28-35。

[6][.星际互联网:现状与研究挑战[J].[.计算机网络，2003，43(2):75-112。

[7]尼采C，克鲁克申克H，法瑞尔S，等.延迟和中断容忍网络(DTN):未来卫星网络应用的替代解决方案[J].《电气和电子工程师协会学报》，2011，99(11):80-97。

[8] TALEB T，HADJADJ-AOUL Y，AHMED T .融合卫星和地面网络的挑战、机遇和解决方案[J]。无线通信，IEEE，2011，18(1):46-52。

[9]对FP7的综合卫星通信倡议[M]。卫星通信和导航系统。斯普林格美国，2008:629-632。

[1]易克初，李毅，孙华晨，等.卫星通信的发展现状及展望[J].北京:中国科学技术出版社，2003 .通信杂志，2015，36 (6): 17-33。

11-40省略