衛(wèi)星通信技術(shù)的新發(fā)展論文
1寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.1寬帶衛(wèi)星通信的基本概念寬帶衛(wèi)星通信是指利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面站之間轉(zhuǎn)發(fā)高速率通信業(yè)務(wù)，是寬帶業(yè)務(wù)需求與現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是當(dāng)前衛(wèi)星通信的主要發(fā)展方向之一。
作為寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的寬帶通信衛(wèi)星(也稱多媒體衛(wèi)星)一般具有較寬的帶寬、很高的EIRP(等效全向輻射功率)和G/T(品質(zhì)因數(shù))值，并且通常具備星上處理和交換能力。利用寬帶通信衛(wèi)星可以向USAT(極小口徑終端)提供雙向高速因特網(wǎng)接入和多媒體業(yè)務(wù)。
需要說明的是，由于衛(wèi)星的帶寬容量遠(yuǎn)小于光纖線路，后者的通信容量通常以吉比特每秒來計(jì);而對(duì)于衛(wèi)星通信來說，信道速率達(dá)到幾十兆比特每秒以上一般就可稱為寬帶通信。
1.2寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及典型應(yīng)用
追溯衛(wèi)星通信的發(fā)展史，其一出現(xiàn)就進(jìn)入了寬帶應(yīng)用一模擬電視傳送，近些年又應(yīng)用于數(shù)字電視、衛(wèi)星直播電視等(如美國的DirecTV、Echostar，歐洲Eutelsat的HotBird等)。但其“現(xiàn)代化”則是伴隨著IP技術(shù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，尤其是因特網(wǎng)的廣泛使用加速了現(xiàn)代寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展步伐。從20世紀(jì)90年代起，全球陸續(xù)提出了許多個(gè)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中既有采用對(duì)地靜止軌道(GSO)衛(wèi)星作為中繼節(jié)點(diǎn)(如美國的DirectPC和Spaceway)，也有采用非對(duì)地靜止軌道(NGS0)衛(wèi)星作為中繼節(jié)點(diǎn)的(如Teledesic和Skybridge)。文獻(xiàn)[1]給出了國際上提出的比較有代表性的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要特性并進(jìn)行了分析。但是由于受到地面光纖通信網(wǎng)迅速發(fā)展以及“銥”系統(tǒng)等商業(yè)運(yùn)作失敗的影響，這些被提出的系統(tǒng)至今沒有一個(gè)真正投入應(yīng)用。
由于專門建設(shè)一個(gè)覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要很大的投資，市場風(fēng)險(xiǎn)極大，尤其是采用NGSO衛(wèi)星星座的低軌道寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此，先發(fā)射一顆寬帶GSO衛(wèi)星建立一個(gè)區(qū)域性寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)來解決衛(wèi)星寬帶接入問題是一種明智的選擇。基于此，泰國的Shin衛(wèi)星公司(SSA)在2005年正式發(fā)射了一顆寬帶通信衛(wèi)星(IPSTAR-1)來提供區(qū)域性寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。圖1給出了IPSTAR-1衛(wèi)星的波束覆蓋圖，表1給出了該衛(wèi)星及系統(tǒng)的主要技術(shù)特性[2]。從圖1和表1看到，該系統(tǒng)是一個(gè)區(qū)域性寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠解決亞太地區(qū)用戶通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)寬帶接入的問題，當(dāng)然其商業(yè)運(yùn)作能否成功還有待時(shí)間的檢驗(yàn)。
寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用包括：娛樂(如視頻點(diǎn)播、電視分發(fā)、交互式游戲、音樂應(yīng)用、流媒體等)、因特網(wǎng)接入(如高速因特網(wǎng)接入、多媒體應(yīng)用、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等)、商業(yè)(如視頻會(huì)議、企業(yè)對(duì)企業(yè)的.電子商務(wù)等)、話音和數(shù)據(jù)中繼(如IP話音、文件傳輸?shù)?等。
有關(guān)統(tǒng)計(jì)分析指出，全球目前在衛(wèi)星固定通信的4200多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)發(fā)器中，視頻業(yè)務(wù)約占62%，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占24%，話音業(yè)務(wù)下降到14%;而在業(yè)務(wù)收入方面，視頻業(yè)務(wù)占總收入的70%以上。因此可以認(rèn)為，衛(wèi)星視頻業(yè)務(wù)在今后一段時(shí)間內(nèi)仍將是衛(wèi)星通信的主要應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向，衛(wèi)星寬帶通信尚處在發(fā)展的培育期。
1.3寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)需解決的主要技術(shù)問題[3~7]
衛(wèi)星通信內(nèi)在的大覆蓋范圍、以廣播和組播模式工作的特性，使得它們能夠提供高速因特網(wǎng)連接和多媒體遠(yuǎn)距離傳輸。但要發(fā)揮這些優(yōu)勢，除了人們所熟知的采用大型星載可展開式天線和多波束相控陣天線、增大衛(wèi)星功率和帶寬、使用更高效的星上電源系統(tǒng)、采用更先進(jìn)的高效調(diào)制和編碼技術(shù)等常規(guī)措施外，還有下列一些技術(shù)問題需要解決：
1)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)空中接口的標(biāo)準(zhǔn)化為了推廣應(yīng)用、降低成本，采用標(biāo)準(zhǔn)接口是發(fā)展趨勢。目前美國電信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ETSI)分別對(duì)此規(guī)定了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，表2給出了其中3個(gè)空中接口標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)特性的比較。
2)星上處理及交換技術(shù)
為滿足用戶對(duì)傳輸時(shí)延、終端小型化、誤碼率等方面的要求，寬帶通信衛(wèi)星采用星上處理和交換技術(shù)是一種比較好的解決辦法。傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星一般采用彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星只是完成變頻、放大等基本功能，對(duì)信號(hào)不進(jìn)行任何處理。為實(shí)現(xiàn)波束間交換，可采用載波處理轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星是以信號(hào)載波為單位在射頻或中頻上對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換，但對(duì)信息內(nèi)容不進(jìn)行處理。最適合寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的是全處理轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星不僅需要完成信號(hào)的解調(diào)、譯碼，還需要一定的信令處理和路由選擇能力，能實(shí)現(xiàn)信息的星上交換(比如星載ATM交換機(jī))。
3)衛(wèi)星IP(IPoS)技術(shù)
由于衛(wèi)星信道具有較大的并且可能是可變的分組往返時(shí)延(RTT)、大的時(shí)延帶寬積、前/反向信道不對(duì)稱使用、較高的信道誤碼率及信號(hào)衰落等。把為地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的TCP/IP直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信會(huì)導(dǎo)致其工作效率低下，需采取一些措施予以解決，比如，在協(xié)議上進(jìn)行改進(jìn)或?qū)︽溌愤M(jìn)行分段，文獻(xiàn)[7]對(duì)此給予了詳細(xì)描述，并給出了許多試驗(yàn)結(jié)果。
4)服務(wù)質(zhì)量(QoS)
保證用戶得到所需要的QoS是寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)成功的關(guān)鍵，包括以下幾個(gè)方面：
時(shí)延：把分組從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗剿璧臅r(shí)間;
時(shí)延抖動(dòng)：端一端傳輸時(shí)延的變化程度;吞吐量：2個(gè)端點(diǎn)之間能夠維持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率;
丟包率：未成功傳輸分組數(shù)與總傳輸分組數(shù)的比例;
可靠性：網(wǎng)絡(luò)可用度的百分比，主要決定如降雨和大氣這樣的環(huán)境參數(shù)。
5）降雨損耗
目前，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用Ka、Ku頻段以獲得較寬的可用帶寬和較小的地面站天線口徑，但這些頻帶的電波傳播特性受降雨衰耗的影響較大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果，采用上行鏈路功率控制(UPC)和自適應(yīng)編碼調(diào)制可以基本解決這個(gè)問題。比如NASA的ACTS衛(wèi)星采用了RS碼和卷積碼級(jí)聯(lián)，晴朗天氣情況下，其誤比特率可達(dá)到10—12,有雨衰的情況下，至少99%的時(shí)間可以達(dá)到。
2衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)
2.1衛(wèi)星移動(dòng)通信的基本概念
衛(wèi)星移動(dòng)通信是指利用通信衛(wèi)星作中繼站實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶之間或移動(dòng)用戶與固定用戶之間相互通信的一種通信方式。它是傳統(tǒng)的衛(wèi)星固定通信與地面移動(dòng)通信交叉結(jié)合的產(chǎn)物。從表現(xiàn)形式來看，它既是一個(gè)提供移動(dòng)業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，又是一個(gè)采用衛(wèi)星作中繼站的移動(dòng)通信系統(tǒng)，所利用的衛(wèi)星既可以是GSO衛(wèi)星，也可以是NGSO衛(wèi)星，如中等高度地球軌道(MEO)、低高度地球軌道(LEO)和高橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星等。
雖然世界上地面通信網(wǎng)絡(luò)已趨于完善，但受地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)因素的限制，地面蜂窩系統(tǒng)不可能達(dá)到全球無縫覆蓋。以我國為例，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋仍然遙遙無期;在沿海島嶼眾多的地方，建設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)非常困難;在發(fā)達(dá)地區(qū)的某些偏遠(yuǎn)地方同樣沒有地面蜂窩網(wǎng)的覆蓋;野外勘探，飛機(jī)，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船只，遠(yuǎn)離城市的旅游探險(xiǎn)者，以及緊急搜索、救援人員等都需要一種不受地域、天氣限制的移動(dòng)通信手段;西部地區(qū)疆域廣闊，但多為荒漠和戈壁，人煙稀少，衛(wèi)星移動(dòng)通信將顯示出獨(dú)具的優(yōu)勢;尤其是發(fā)生重大毀滅性自然災(zāi)害的地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)多數(shù)會(huì)遭到破壞，而衛(wèi)星移動(dòng)通信可能是惟一幸存的通信手段。所以，衛(wèi)星移動(dòng)通信是一種大有可為的通信方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。
需要指出的是，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是作為地面蜂窩系統(tǒng)的補(bǔ)充而存在的，主要用于滿足低業(yè)務(wù)密度的應(yīng)用環(huán)境。衛(wèi)星波束如同能覆蓋許多個(gè)不同類型蜂窩小區(qū)的“傘”，可用來覆蓋相鄰地面蜂窩網(wǎng)之間的縫隙、地面蜂窩網(wǎng)不能覆蓋的區(qū)域、為暫時(shí)過載的小區(qū)提供補(bǔ)充通信業(yè)務(wù)等。
2.2國內(nèi)外發(fā)展概況
至今我國尚無自建的民用衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，國際上目前可以使用的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)主要包括：
1)對(duì)地靜止軌道(GS0)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)
提供全球覆蓋的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有國際海事衛(wèi)星(Inmarsat)系統(tǒng);提供區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有北美移動(dòng)衛(wèi)星(MSAT)系統(tǒng)、亞洲蜂窩衛(wèi)星(ACeS)系統(tǒng)、瑟拉亞衛(wèi)星(Thuraya)系統(tǒng);提供國內(nèi)覆蓋的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有日本衛(wèi)星(N-STAR)系統(tǒng)和澳大利亞衛(wèi)星(Optus)系統(tǒng)等。其中波束覆蓋我國的系統(tǒng)有Inmarsat和ACeS。
國際海事衛(wèi)星(Inmarsat)系統(tǒng)是由國際海事組織經(jīng)營的全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。自1982年開始經(jīng)營以來，全球使用該系統(tǒng)的國家已超過160個(gè)，用戶從初期的900多個(gè)海上用戶已發(fā)展到今天包括陸地和航空在內(nèi)的29萬多個(gè)用戶。為了滿足不斷增長業(yè)務(wù)的需要，已開始發(fā)射第四代海事衛(wèi)星。第四代衛(wèi)星為1個(gè)全球波束、19個(gè)寬波束和228個(gè)點(diǎn)波束。提供用戶終端的衛(wèi)星等效全向輻射功率強(qiáng)度為67dBW(點(diǎn)波束)，其IP業(yè)務(wù)最高速率可達(dá)432kbit/s，可應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)多媒體、電視會(huì)議等多種業(yè)務(wù)。
2)非靜止軌道(NGSO)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)
提出的方案很多，真正發(fā)射組網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)營的只有3個(gè)：銥(Iridium)、全球星(Globalstar)和軌道通信(Orbcomm)系統(tǒng)。銥系統(tǒng)是由美國Motorola公司提出的世界上第一個(gè)低軌道全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其基本目標(biāo)是向攜帶有手持式移動(dòng)電話的銥用戶提供全球個(gè)人通信能力。銥系統(tǒng)衛(wèi)星星座由66顆低軌道衛(wèi)星組成，軌道高度780km。銥衛(wèi)星采用星上處理和交換技術(shù)、多波束天線、星際鏈路等新技術(shù)，提供話音、數(shù)據(jù)、傳真和尋呼等業(yè)務(wù)，用戶終端有單模手機(jī)、雙模手機(jī)和尋呼機(jī)。耗資59億美元開發(fā)的銥系統(tǒng)于1998年11月開始商業(yè)運(yùn)營，1999年8月13日申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。2000年12月新銥星公司成立，用2100萬美元購買了投資近50億美元的銥星公司，2001年3月重新開始提供全球通信服務(wù)。目前有超過12萬用戶，并且以每月新增2000?3000個(gè)用戶的速度在增長，在2003年上半年實(shí)現(xiàn)收支平衡。在1997年5月到2002年6月期間共發(fā)射了95顆衛(wèi)星，其中11顆失效，4顆隕落，66顆工作，14顆在軌備份，能夠連續(xù)工作到2014年而無需發(fā)送額外的衛(wèi)星。
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