卫星通信近期发展综述

作者：郝才勇1，骆 超2，刘 恒1

（1.国家无线电监测中心深圳监测站，广东 深圳518120；2.国家无线电监测中心，北京100037）

从1964年在美国成立了国际通信卫星组织INTELSAT，并于次年发射了第一颗商用通信卫星（"Early Bird"）以来，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，卫星通信已经成为了人们生活中不可或缺的一部分：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。

卫星通信与地面通信方式相比主要具有以下特点：

（1）覆盖范围广：地球静止轨道(GEO)卫星距离地面35 786 km，只需要三颗GEO卫星就能覆盖全球除两极以外的所有区域；
（2）通信系统容量大：卫星频率资源相当丰富，能提供宽带通信服务，并可方便地向更高频段扩展；
（3）快速向市场提供服务：建立地面通信设施迅速，开展新的业务和应用周期短；
（4）灵活性高：卫星通信系统的建立不受地理条件限制，无论是大城市还是偏远山区或是海岛都可建立通信，且通信距离与成本无关；
（5）灾难容忍性强：在自然灾害如地震、台风发生时仍能提供稳定的通信；
（6）通信链路传输时延大：信号在GEO卫星与地面之间往返传输的时间约为0.25 s，对时间敏感度高的应用如语音通话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远，造成了信号衰减较大，且高频段（如Ku/Ka频段）易受雨衰、雪衰等不利天气影响；
（8）信号视距传播：采用高频段信号通信，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，早期的卫星通信只是用在海运领域，这是由于地面通信网络受限于覆盖范围和技术，无法在海上提供服务。

卫星通信系统要想在与地面通信系统的竞争中发挥出更重要的作用，还需要克服自身通信特性上的一些不足。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。

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来重新定义卫星通信的作用。未来互联网一定是全球"任何地方、任何时间"都无处不在，必须能为社会在紧急情况下提供必要的帮助，而且必须是稳定可靠的。地面蜂窝网络受限于自身的局域覆盖属性，不能有效的满足这些需求。

因此，未来互联网需要构建和融合两个基本通信网络：由地面蜂窝网络组成的局域网部分和由卫星网络组成的全局网部分。在这种新的通信架构下，卫星通信将充分发挥其全球通信无缝覆盖的优势而发展成为主导地位，不仅仅只是地面移动通信的辅助方式。

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。本文总结了卫星通信近期发展的几种新技术，介绍了当前卫星通信的频谱资源使用情况，综述了星地融合通信和卫星宽带通信，并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，由于卫星通信链路传输距离很远造成了信号衰减很大，例如，GEO卫星的C频段信号（3.4 GHz-4.2 GHz）的链路衰减通常在200 dB左右。

为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。

早期采用甚小孔径终端（VSAT，Very Small Aperture Terminal）技术来缓解这一问题，天线系统由一个大型中心站与大量的小口径天线终端站共同构成一个星型网，利用中心站天线G/T值(天线增益对噪声温度比)高的优势来弥补小站天线因天线口径小、增益低导致链路余量不足的弱点。

然而，VSAT天线系统的灵活性不足，并且无法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了多波束天线。

多波束天线（Multiple Beam Antenna）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