卫星移动通信发展现状及趋势

7/7卫星移动通信发展现状及趋势卫星通信关键技术最新进展

姓名：唐聪

班级：1402015

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0引言

通信卫星始于1964年，当年在美国成立了国际通信卫星组织INTELSAT。1965年，美国发射了第一颗商用通信卫星晨鸟号（“EarlyBird”）。之后，卫星通信技术及其应用蓬勃发展，取得了巨大的成功。除了在军事领域中发挥着关键性的作用以外，卫星通信还为人们提供丰富多彩的电视广播和语音广播，为地面蜂窝网络尚未部署的偏远地区、海上和空中提供必要的通信，为发生自然灾害的区域提供宝贵的应急通信，为欠发达或人口密度低的地区提供互联网接入等…但是卫星通信自身存在的弱点却使得它长期以来一直作为地面固定、无线或移动通信系统的一种补充通信方式。例如：对于网络层存在的传输时延长、丢包率高及链路干扰等问题，需要采用新的算法和协议对网络层进行优化，从而使卫星通信适合于个人移动通信和宽带互联网接入；在物理层，由于卫星通信的视距传输特性，限制了部分区域特别是繁华市区的用户接入卫星网络，需要采用新的通信网络架构来推进卫星通信网络和地面通信网络的融合。近期，卫星通信新技术的迅速发展和通信商业市场需求的不断增长，极大地促进了卫星通信业务和通信模式的创新发展，使当前成为卫星通信历史上最活跃的时期之一。

1卫星通信

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站的两个或多个地球站相互之间的无线电通信，是微波中继通信技术和航天技术结合的产物。卫星通信的特点是通信距离远，覆盖面积广，不受地理条件限制，且可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。

2卫星通信系统的特点及面临的问题

2.1卫星通信的特点

卫星通信与其他通信方式比较，有以下几个方面的特点。

(1)传输速率高；

(2)为了独立于地面网络，多数卫星宽带通信系统使用微波或激光星间链路实现卫星互连，构成空间骨干传输网络；

(3)由于卫星链路的传输损耗大，在高速传输情况下，要求用户使用具有较大口径的天线。因此，短时间内卫星宽带系统将无法支持手持终端移动中的高速通信。

(4)通信距离远，且费用与通信距离无关。从图16.2中可见，利用静止卫星，最大的通信距离达18100km左右。而且建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近、两通信站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。这在远距离通信上，比微波接力、电缆、光缆、短波通信有明显的优势。

(5)广播方式工作，可以进行多址通信。通常，其他类型的通信手段只能实现点对点通信，而卫星是以广播方式进行工作的，在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可以设置地球站，这些地球站可共用一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。另外，一颗在轨卫星，相当于在一定区域内铺设了可以到达任何一点的无数条无形电路，它为通信网络的组成，提供了高效率和灵活性。

(6)通信容量大，适用多种业务传输。卫星通信使用微波频段，可以使用的频带很宽。一般C和Ku频段的卫星带宽可达500～800MHz，而Ka频段可达几个GHz。

(7)广域复杂网络拓扑构成能力。卫星通信的高功率密度与灵活的多点波束能力加上星上交换处理技术，可按优良的价格性能比提供宽广地域范围的点对点与多点对多点的复杂的网络拓扑构成能力。

2.2功能

(1)为用户或用户群提供Internet骨干网的高速接入；

(2)作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络运营商。

2.3卫星通信发展历程

宽带卫星通信大致可分为三代：

第一代：从20世纪80年代到2004年，用户的可用速率为56～256kbit/s。

第二代：2005－2007年发射建立的系统，用户的可用速率为256kbps～5Mbps。

第三代：从2008年开始计划的系统，用户的可用速率最高可达到20Mbit/s。

2.4卫星通信面临的问题

(1)随着数据传输速率的提高，传输带宽需求也增大，Ka频段可以满足带宽和高速率传输求。

(2)Ka频段数据传输面临的最大问题是降雨衰减问题，雨衰可达20-30dB，链路设计需要留余量。

(3)在保证链路可用度的情况下，降雨储备余量会很大，并且这些储备余量只在一年中的小部分时间里是需要的，而大部分时间将会被闲置起来，没有被充分利用，造成系统资源严重浪费。

3卫星通信系统体系结构

3.1体系结构分类

(1)交互式宽带卫星Internet接入系统结构；

(2)非对称宽带卫星接入系统结构；

(3)宽带卫星骨干传输系统结构。

3.2应用方面

(1)面向用户和业务需求的变化：从面向节点和团体小用户到面向大量的个人用户。通信业务从之前主要以话音业务转变为以视频、数据、话音和Internet等综合业务，形成通信业务与广播、点播业务相结合。

(2)移动卫星通信方面支持手持机。

(3)在宽带多媒体卫星通信方面支持便携的小型终端：0.5m口径以下的小型化终端支持信息下载速率可达每秒几十兆比特。

4卫星通信关键技术及进展

4.1随机接入技术

随机接入技术随着移动通信系统而逐渐进步发展着。起初，随机接入技术的提出是为了解决计算机资源紧缺问题，令分散的无线电通信站自由访问中心计算机，其特点是发送与接收过程随机。随后，将随机接入技术与卫星通信系统进行

结合，依照卫星通信系统的标准及特点进行技术方案的改进，逐渐形成了较为成熟的OFDM体制。随着OFDM体制的发展，由于其实现简单、配置灵活等优点，成为新一代卫星通信系统的备选技术方案。但由于其功率受限，可能会影响卫星移动通信系统的工作效率。而作为终端与通信网进行交互的第一步，随机接入技术是影响通信系统能否正常运行的关键。通过优化随机接入信号格式，并采用卡尔曼滤波的卫星移动终端同自主定位算法等可有效提高随机接入过程的精确度，减小对于卫星移动通信系统的影响。

4.2多波束天线

天线技术是卫星通信的关键技术之一，由于卫星通信链路传输距离很远造成了信号衰减很大，为了保证稳定可靠的通信，需要地面站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成为限制卫星通信发展的严重障碍。近期卫星通信天线的发展已经转向了多波束天线。传统的天线技术为简单的标准圆或椭圆波束天线，后来随着通信卫星的发展，天线技术逐渐发展为多波束成型大天线。目前，天线技术主要用于地球同步卫星系统。例如亚洲蜂窝卫星系统采用12米口径和瑟拉亚系统的12．25米口径大天线等。而应用于低轨卫星星座系统的天线技术需具备双栅、正交、反射器赋形等特性。实际上，通过天线波束成型、多重波束蜂窝结构及智能化天线技术的应用，可有效提高频谱利用率，从而实现多重频率的再利用，满足通信能力要求。

多波束天线（MultipleBeamAntenna）从2000年开始迅速发展，由于它能够实现高增益的点波束覆盖，又能在广域覆盖范围中实现频率复用，从而在卫星通信天线系统中得到广泛应用。多波束天线与数字波束成形不同，它使用大量的点波束实现广域范围覆盖，可用带宽被分为很多个子波段，从而在大量空间独立的点波束之间可以实现每个子波段的复用，这与地面蜂窝通信网络相似，显著地增加了频谱利用率和卫星通信容量。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，使用频谱分配技术可以降低干扰的影响。多波束天线技术提高了转发器的功率使用效率和频谱资源利用率，是发展大容量卫星通信系统和增强卫星通信市场竞争力的关键技术。目前，多波束天线已经广泛应用在移动卫星通信业务（Inmarsat，Thuraya，ACeS，Iridium等），区域性直播星（DTV-4S，DTV-7S，Echostar-10，Echostar-14等），个人通信卫星（ViaSat-1，Jupiter-1，Anik-F等）和军事通信卫星（WGS，MUOS等）之中。

4.3星上处理

通过星上处理技术可以满足卫星平台的调制解调、星上交换、星载校准等，此技术的建立成功解决了卫星移动通信系统的传输时延长的问题。星上处理技术包括三种模式，即全透明转发、部分处理交换和星上交换处理。其中，全透明转发的优点是技术体制适应性强、风险小，缺点是双跳通信延时长、实时性差。星上处理交换的优点是服务实时性好、资源利用率高，缺点是技术成熟性不高、适应性差、可靠性差。而部分处理交换的优缺点介于两者之间。对于低轨卫星星座系统来说，星上处理技术是其实现全球移动通信所必需的关键技术；而对于地球同步系统而言，由于星上处理技术难度较大，暂且不适用与该系统。

传统的通信卫星特别是GEO卫星采用的是简单的弯管式转发器。近年来，用户对高数据率传输和无缝覆盖的交互式多媒体服务的需求快速增长，促进了宽带通信卫星的迅速发展，使得采用先进的星上处理（OBP-OnboardProcessing）、星上交换技术与现有的综合业务数据网（ISDN）和因特网的融合变得非常有必要，这极大地推动了OBP技术的发展。OBP可分为再生式和非再生式两种处理方式。

再生式OBP是卫星对接收的信号先在基带解调解码得到所传输的数据流，然后对数据流进行交换和重新合路，再重新将信号编码调制为新的数字调制信号；非再生式OBP是卫星对接收到的信号不进行解调解码而直接做相应的信号处理。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，从而能支持任何方式的交换，如ATM交换、IP交换或电路交换等。如果在星上实现了IP交换，则卫星网络与地面互联网的融合将变得非常简单和方便，因而兴起了星上IP交换研究与应用的热潮，许多原计划采用ATM交换的卫星通信系统都改用了IP交换，例如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，从而减小了用户终端的尺寸和灵敏度要求，使得用户能够使用小型且廉价的终端进行通信，并可实现高数据率业务（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，这将减小卫星转发器非线性特性造成的不利影响并降低相邻信道干扰。

4.4星间链路

通过连接相邻卫星间的通信链路，使得卫星间成为一体的通信系统，此系统内可满足用户通信脱离地面通信网而自行建立通信链路。星问链路的建立既扩大了系统覆盖范围，又提高了系统抗干扰能力，有效提高全球无缝网络的管理。考虑到低轨卫星星座覆盖范围小的情况，星间链路正好可以弥补这一缺点，是低轨卫星星座实现地面对卫星控制的有效方法，也是移动用户接入地面的唯一办法。星间链路的实现方式有两种，较微波通信来说，激光通讯具有频谱带宽的优点，这可以弥补微波通信不能无限制提高传输速率及容量的缺点。激光通信的优点是可以提升卫星通信容量、增加保密能力、减小通讯延时。但它也有缺点，就是对卫星的姿态控制要求高，这种强的依赖性会增加通信中断的可能性。

4.5卫星频谱资源

现阶段卫星通信发展的主要限制因素是频谱资源无法满足日益增长的新业务需求，造成了频谱拥塞和卫星干扰越来越严重的问题。同时，卫星通信系统与地面移动通信系统之间对频谱资源的竞争也越来越激烈。为了适应不断增加的带宽和数据速率需求，卫星通信系统需要从目前普遍使用的C/Ku频段(各有500MHz带宽)向频率更高的Ka(2.5GHz带宽)、Q/V(各有10GHz带宽)甚至更高的频段扩展。卫星通信中使用Ka频段与Ku频段或其他较低的频段相比，具有一些显著优势。Ka频段不仅具有更多的可用带宽，而且与同类尺寸的低频段天线相比Ka频段天线具有更高的增益。Ka频段的缺点是容易受到不利天气的影响，严重的雨衰和雪衰会导致通信质量大幅下降。因此，需要设计适合的地面通信系统和可靠的空中传输链路，通过调整通信系统参数可以减轻雨衰对通信造成的影响。向更高频段的频谱扩展推动了宽带卫星通信的快速发展，高通量卫星（HTS）系统应运而生。HTS系统结合了频谱复用和点波束天线技术，采用高阶调制，使用超宽带转发器，从而实现前所未有的带宽和吞吐量，将大幅降低传输单位比特数据的价格。尽管频谱资源在不断地向更高频段扩展，但有限的频谱资源始终是限制卫星通信发展的关键性因素。可以预见，随着越来越多的业务和应用在Ka频段广泛使用，频谱拥堵将使未来的Ka频段的业务发展变得十分困难。HTS系统提供的高性能服务已经受到Ka波段频谱稀缺的影响。卫星通信网络的频谱管理与规划将在卫星通信系统设计中起到重要的作用，为了进一步提高卫星频谱资源利用率，一些研究者开始设计基于卫星Ka频段分配的认知无线电，在干扰可接收的条件下允许卫星通信以共享方式使用频谱。

4.6星地融合通信

地面通信系统无法实现真正的“无缝覆盖”，在人口密度较低的农村地区通常没有足够的蜂窝网，在海上和航空领域，更是无法通过地面网络来实现通信。卫星通信获得成功的关键是它的广域覆盖和快速向市场提供新业务，在市场相对较小的海上和航空领域卫星通信将长期保持优势地位，但是对于市场庞大的陆地领域，将取决于卫星网络与地面通信网络融合通信，此即：星地融合通信。

21世纪初，卫星通信运营商成功得到了电信管理部门在世界许多地区组建星地融合通信网络的授权，通过增加地面部分扩展卫星通信网络，开启了真正无所不在的卫星通信。星地融合通信系统的主要优点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，未来5G通信的发展应该是多层次的异构网，包括地面蜂窝2G/3G、4G、陆地LAN、地面广播和卫星通信网。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之间的协作，从而使得系统获得最佳的使用效率和用户体验。

4.7卫星宽带通信

近几年来，通信行业对高数据率传输业务和宽带多媒体应用的需求空前增长，同时卫星通信技术快速发展，如多波束天线、星上处理、频谱复用技术，尤其是新的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，使卫星宽带通信成为现实。随着宽带卫星通信系统和空间组网技术的发展，互联网逐渐从地面网络扩展到空间网络，卫星通信逐步进入互联网应用时代。空间网络是以同步或中低轨道卫星等空间平台为载体，通过一体化互联网支持实时采集、传输和处理大数据，为用户提供更大范围和更高质量的互联网服务。Google公司于2014年宣布将投资10亿美元发射180颗低轨小卫星，提供互联网业务；近期，OneWeb公司启动世界上最大的卫星互联网计划，将发射648颗卫星建立一个覆盖全球的低轨道卫星网络，后续还将发射2400颗卫星，以提供宽带互联网接入服务。目前正在应用的典型卫星宽带系统是国际海事卫星公司（Inmarsat）的GlobalXpress全球移动卫星宽带系统。GlobalXpress是世界第一个商用高速宽带卫星通信网络，运行在Ka频段，由三颗GEO卫星组成，每颗卫星提供89个Ka点波束。从2013年12月发射第一颗卫星Inmarsat-5F1到2015年8月成功发射第三颗卫星Inmarsat-5F1以来，GlobalXpress的三颗卫星提供全球超过99%覆盖区域的高速移动宽带业务。

5卫星通信发展展望

在目前的通信卫星中，已采用多种代表当今世界通信卫星的先进技术，如高能太阳电池、大天线和多点波束、卫星星上处理器以及射频功率动态按需分配技术，这些技术的发展，对通信卫星和卫星通信的发展产生冷热深刻的影响。为实现卫星移动通信系统的更好发展，基于对目前关键技术的研宄，可从以下几个方面考虑未来卫星移动通信系统的发展。首先，建立独立的卫星系统网络。卫星系统独立建网可解决无法建立通信设施地区的通信问题，例如当地震等灾害发生时，如果有独立的卫星通信网络，在电信网破坏的基础上还可以正常通信，这对于特殊时期通信相当重要。其次，加强卫星通信与地面网络的融合。如果可以实现卫星移动通信与地面网络之间的自由切换，可随时保证用户的通信质量。而且，平时利用地面网络，一旦出现突发状况，卫星通信可以作为应急通信手段而保证用户的通信服务。最后，开展军民结合技术的研究。在国际上已有军民两用系统的建立，我国可以借鉴经验，采取军民结合的方针，实行两个应用一同建设、一体化管理，走多元融资、扩展应用的道路。

5.1通信卫星的发展趋势

卫星通信系统的技术发展和应用水平又一次达到新的高度，现代卫星通信的发展趋势之一就是卫星星体本身正在向大型化和微型化两个方向发展。一方面，各国为了提高卫星的灵敏度和星上处理能力，以及实现卫星的一星多能，把卫星星体造的越来越大，重量也越来越重。卫星大了也有弱点，易受电磁干扰和敌方反卫星武器的破坏，而小卫星却能客服这种弱点。如果用多颗小卫星组网代替单颗大卫星，就可以提高卫星系统的生存能力。

5.2卫星通信的演进

卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信。随着技术的发展，卫星的功能逐渐增强，许多原来由地球站执行的功能被转移到卫星上去完成，从而使地面设备变得越来越简单，天线尺寸也随之大幅度减小。随着频谱扩展、数字无线接入、智能网络技术的不断发展，卫星移动通信在向卫星个人通信方向演进，用手持机可实现在任何地点、任何时间与世界任何地方接入卫星移动通信网的用户进行双向通信。

5.3卫星通信的结合

由于卫星通信与互联网的飞速发展，产生了卫星互联网技术。目前卫星互联网的连接方式主要有两种：一种是利用宽带卫星的双