摘要：衛星移動通信系統具有覆蓋範圍廣，對地面情況不敏感等優勢，已經成為地面移動通信領域重要的組成部分，尤其是在空中、海洋、荒漠戈壁等地面無線網絡難以覆蓋的地方。隨著科學技術的不斷進步，我國衛星通信技術也取得了較大成就，但是與其他發達國家相比還存在一定差距。本文簡介紹衛星通信技術，以及就目前衛星通信技術發展現狀進行描述，展望其未來發展趨勢。
引言
衛星通信定義為以衛星作為中繼站進行無線電波發射或轉發的一種通信方式，能夠實現兩個或多個地面站/手持終端以及太空飛行器和地面站之間的通信。相較於傳統地面通信，衛星通信能夠以較低的開銷實現較廣的無縫覆蓋，同時地理環境不對其產生約束。並且可使用的頻譜資源十分豐富，載波頻段可從甚高頻（Very High Frequency，VHF）到Ka 頻段，正往更高的頻段發展。除此之外，衛星通信在島嶼、沙漠等低業務地區，船舶、飛機等地面網絡難以覆蓋區域得到了普遍的應用。其提供的移動通信服務具有跨度大、距離遠、機動性強、通信方式靈活等優點，是蜂窩移動通信的必要補充和延伸。
按照衛星的通信軌道可分為靜止軌道衛星和非靜止軌道衛星。靜止軌道衛星高度為35786km。非靜止軌道衛星又可分為低軌、中軌和高軌衛星。低軌衛星高度一般在500-3000km，中軌衛星高度在3000-10000km，高軌衛星屬於橢圓軌道，其距離地球表面最近點為10000-21000km，最遠點為39500-50600km。
近期，衛星通信新技術的迅速發展和通信商業市場需求的不斷增長，極大地促進了衛星通信業務和通信模式的創新發展，使當前成為衛星通信歷史上最活躍的時期之一。本文主要通過介紹衛星通信系統的組成及其衛星通信特點，對衛星通信發展現狀從靜止軌道衛星通信系統、中軌道衛星通信系統和低軌道衛星通信系統介紹一些典型衛星通信系統，最後從5G衛星通信融合、空天地海一體化通信及其智能移動通信等講述未來發展趨勢。
1、衛星通信系統
1.1 衛星通信系統組成
衛星通信是指利用衛星作為中繼，轉發移動用戶間或移動用戶與固定用戶間用於進行通信的無線電波，實現兩點或多點之間的移動通信。其包括空間段、地面段和用戶段。其衛星通信系統組成如下圖1所示。
空間段可以是地球靜止軌道衛星或中、低軌道衛星，作為通信中繼站，提供網絡用戶與信關站之間的連接。
地面段通常包括信關站、網絡控制中心和衛星控制中心，用於將移動用戶接入核心網，以及控制整個通信網絡的正常營運。
用戶段由各種用戶終端組成，包括手持、車載、艦載、機載終端等。
圖1、衛星通信系統圖
1.2 衛星通信特點
1) 通信覆蓋區域大，距離遠。地球同步軌道(GEO)衛星只需一顆衛星中繼轉發，就能實現1萬多公裡的遠距離通信，用3顆GEO衛星就可以覆蓋除兩極緯度76°以上地區以外的全球表面。
2) 機動靈活。衛星通信不受地理條件的限制，無論是大城市還是邊遠山區、島嶼，隨地可通信。
3) 通信頻帶寬、容量大。衛星通信信道處於微波頻率範圍，頻率資源相當豐富，並可不斷發展。
4) 信道質量好、傳輸性能穩定。衛星通信鏈路一般都是自由空間傳播的視距通信，傳輸損耗很穩定而可準確預算，多徑效應一般都可忽略不計。
5）災難容忍性強：在自然災害如地震、颱風發生時仍能提供穩定的通信。
6) 通信設備的成本不隨通信距離增加而增加，因而特別適於遠距離以及人類活動稀少地區的通信。
衛星通信也存在一些缺點和一些應該而且可以逐步改進的方面，這主要有以下幾點：
1) 衛星發射和星上通信載荷的成本高。星上元器件必須採用抗強輻射的宇航級器件，而且LEO、GEO 衛星的壽命一般分別只有8 年、15年左右。
2) 衛星鏈路傳輸衰減很大。這就要求地面和星上的通信設備具有大功率發射機、高靈敏度接收機和高增益天線。
3) 衛星鏈路傳輸時延大。GEO 衛星與地面之間往返傳輸時間為239~278 ms；在基於中心站的星形網系統中，小站之間進行話音通信必須經雙跳鏈路，那麼傳輸時延達到0.5 s，對話過程就會感到不順暢。
2、衛星通信發展現狀
衛星通信軌道示意圖如下圖所示2; 按覆蓋範圍有區域系統和全球系統等。比較有代表性的系統有以下幾個。
圖2、衛星通信軌道示意圖
2.1 靜止軌道衛星通信系統
地球靜止軌道通信衛星的優點是只需三顆衛星就可覆蓋除兩極以外的全球區域，現已成為全球洲際及遠程通信的重要工具。對於區域移動衛星通信系統，採用靜止軌道一般只需要一顆衛星，建設成本較低，因此應用廣泛。
2.1.1 國際移動衛星系統
2.1.2 ACeS 系統
2.1.3 Thuraya 系統
2.1.4 SkyTerra 系統
2.1.5 天通一號衛星通信系統
(限於篇幅，此處各節省略，詳見「臨菲信息技術港」電腦端完整pdf文檔)
2.2 中軌道衛星通信系統
中軌道衛星（MEO）離地球高度約10000公裡左右。軌道高度的降低可減弱高軌道衛星通信的缺點，並能夠為用戶提供體積、重量、功率較小的移動終端設備。用較少數目的中軌道衛星即可構成全球覆蓋的移動通信系統。中軌道移動通信衛星一般採用網狀星座，衛星運行軌道為傾斜軌道。
2.2.1 Odyssey 系統
2.2.2 ICO 系統
(限於篇幅，此處各節省略，詳見「臨菲信息技術港」電腦端完整pdf文檔)
2.3 低軌道衛星通信系統
在未來空地移動通信中，低軌衛星起著越來越重要的作用。與地面通信系統相比，低軌衛星的覆蓋面積更廣，更適合在沙漠、深林、高原等無人區進行全球通信；與高軌衛星通信系統相比，低軌衛星具有路徑衰耗小、傳輸時延短、研製周期短、發射成本低等優點。
2.3.1 Iridium系統
銥系統星座[6,7]由66顆軌道高度為780 km的低軌衛星組成，如圖4所示。1998年11月開始商業運營。該系統可實現包括兩極地區的全球覆蓋。星上採用多點波束相控陣天線並進行再生處理和交換。星間具有星際鏈路，是最先進的低軌衛星通信系統，如下圖3所示。Iridium衛星系統也於2017 年啟動了「下一代銥星」（IridiumNEXT）計劃，移動用戶的最高數據速率可達128kbps，數據用戶可達1.5Mbps，Ka 頻段固定站不低於8Mbps，Iridium Next 主要瞄準IP寬帶網絡化和載荷能力的可擴展、可升級，這些能力使得它能夠適應未來空間信息應用的複雜需求，但對於當前日益增多的移動網際網路需求，尤其是5G通訊時代的來臨，銥星二代系統數據傳輸能力仍顯不足。
圖3、低軌衛星通信系統
圖4、Iridium星座圖
2.3.2 Globalstar系統
全球星系統[6,8]由美國蘿拉空間通信公司和高通公司提出，與「銥」星系統提出的時間差不多。空間段衛星採用傾斜軌道網狀星座，包括48顆衛星和6 顆備用衛星，均勻分布在8個傾角52°的軌道平面上，軌道高度1 414 km，軌道周期113 min，實現了全球南北緯70°之間的覆蓋。用戶同時可視衛星有2 ～4 顆，每顆衛星與用戶能保持10 ～12 min 通信，然後經軟切換至另一顆星。星上採用透明轉發、多波束天線，用戶鏈路採用L /S 頻段，饋電鏈路為C /X 頻段，向用戶提供尋呼、傳真、短數據和定位等業務。用戶終端有手持、車載、機載和船載等移動終端，以及半固定和固定終端。
2.3.3 Orbcomm系統
Orbcomm-1 衛星組成了目前在軌星座中的大多數衛星，共有43顆衛星，其中發射了35顆，另外1顆FM-29被重新建造為TacSat-1，為美國軍方使用。Orbcomm-1 是一個全球無線數據和消息服務的商業系統，利用LEO 星座為世界上任何地方提供廉價的跟蹤、監視和消息服務。該系統能夠發送和接收雙向文字或數字組成的數據包，比如雙向尋呼或E-mail，其經濟性和短數據特性可以為傳統通信系統不能覆蓋的地區提供較為經濟的數據服務。
2.3.4 OneWeb系統
OneWeb 衛星[9]如下圖5所示，其第一代低軌星座設計方案，包含648 顆在軌衛星與234 顆備份衛星，總數達882顆。這些衛星將被均勻放置在不同的極地軌道面上，距離地面1200km左右。衛星高速運動，不同衛星交替出現在上空，保障某區域的信號覆蓋。公司正在考慮增加衛星數量，總數達到近2000 顆。開始運行後，One Web 星座不僅能覆蓋美國，亦能覆蓋全球還沒有連接網際網路的農村邊遠地區。One Web 的目標是，到2022 年初步建成低軌衛星網際網路系統，到2027年建立健全的、覆蓋全球的低軌衛星通信系統，為每個移動終端提供約50Mbps 速率的網際網路接入服務。
圖5、Oneweb衛星圖
2.3.5 Starlink系統
2015 年，SpaceX 向美國聯邦通信委員會提交「星鏈」(Starlink)計劃，如下圖6所示。計劃部署12000 顆衛星，其中第一階段發射4425 顆軌道高度1100~1300km 的中軌道衛星，第二階段發射7518 顆高度不超過346km 的低軌道衛星，隨著衛星數量的增加，SpaceX將結合Ku/Ka雙波段晶片組和其他支持技術，逐步轉向使用Ka波段頻譜進行網關通信；隨著系統的發展，逐步引入相控陣天線。SpaceX預計2025 年最終完成12000 顆衛星的部署，為地球上的用戶提供至少1Gbps 的寬帶服務和最高可達23Gbps 的超高速寬帶網絡，能提供類似光纖的網絡速度，且覆蓋面積大大提升。此外，整套系統具有很大的彈性，可以針對特定的地區，動態地集中信號到需要的地方，從而提供高質量的網絡服務。
圖6、Starlink星座圖
2.3.6 「鴻雁」系統
「鴻雁」全球衛星通信系統由中國航天科技集團公司下屬東方紅衛星通信有限公司提出，該系統將由300顆低軌道小衛星及全球數據業務處理中心組成，具有全天候、全時段及在複雜地形條件下的實時雙向通信能力，可為用戶提供全球實時數據通信和綜合信息服務。2018 年12 月29 日，長徵二號丁運載火箭成功將「鴻雁」星座首顆試驗星送入預定軌道。首發星是「鴻雁」星座的試驗星具有L/Ka 頻段的通信載荷、導航增強載荷、航空監視載荷，可實現「鴻雁」星座關鍵技術在軌試驗，同時研製了地面系統與終端，衛星入軌後可陸續開展衛星移動通信、物聯網、熱點信息廣播、導航增強、航空監視等功能的試驗驗證，為後續的「鴻雁」星座的全面建設及運營提供有力支撐。
「鴻雁」星座還有一個重要應用就是提供航空數據業務，可支持飛機前艙的安全通信業務，為航空器追蹤及應急處理提供可靠的通信保障，同時支持後艙寬帶網際網路接入服務。
2.3.7 「虹雲」系統
「虹雲」星座是中國航天科工推動商業航天發展的「五雲一車」(飛雲、快雲、行雲、虹雲、騰雲和飛行列車)項目之一，旨在構建覆蓋全球的低軌寬帶通信衛星系統，計劃發射156 顆衛星，它們在距離地面1000km 的軌道上組網運行，以天基網際網路接入能力為基礎，融合低軌導航增強、多樣化遙感，實現通、導、遙的信息一體化，構建一個星載寬帶全球移動網際網路，實現網絡無差別的全球覆蓋。
「虹雲」工程首星首次將毫米波相控陣技術應用於低軌寬帶通信衛星，能夠利用動態波束實現更加靈活的業務模式。除通信主載荷外，虹雲工程首星還承載了光譜測溫儀和3S (AIS/ADS-B/DCS)載荷，將實現高層大氣溫度探測和船舶自動識別系統(AIS)信息、飛機廣播式自動相關監視(ADS-B)信息和傳感器數據信息採集(DCS)，實現通、導、遙的信息一體化，可廣泛應用於科學研究、環境、海事、空管等領域。
3、衛星通信未來發展趨勢
3.1 衛星通信與5G融合
針對衛星與地面5G 融合的問題，國際電信聯盟(ITU，International Telecommunication Union)提出了星地5G融合的4種應用場景，包括中繼到站、小區回傳、動中通及混合多播場景，並提出支持這些場景必須考慮的關鍵因素，包括多播支持、智能路由支持、動態緩存管理及自適應流支持、延時、一致的服務質量、NFV(Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化)/SDN(Software Defined Network，軟體定義網絡)兼容、商業模式的靈活性等。
3GPP 在2017 年底發布的技術報告22.822中，3GPP 工作組SA1對與衛星相關的接入網協議及架構進行了評估，並計劃進一步開展基於5G 的接入研究。在這份報告中，定義了在5G 中使用衛星接入的三大類用例，分別是連續服務、泛在服務和擴展服務，並討論了新的及現有服務的需求，衛星終端特性的建立、配置與維護，以及在衛星網絡與地面網絡間的切換等問題。
2017年6月，BT、Av a n t i 、SES、University of Surrey等16家企業及研究機構聯合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）聯盟，計劃在30個月內完成衛星與5G的無縫集成方案，並進行試用。整個項目將完成以下6個方面的工作：定義和評估將星地5G融合的網絡體；繫結構解決方案；研究星地5G融合的商業價值主張；定義和開發星地5G融合的相關關鍵技術；在實驗室的測試環境中驗證關鍵技術；對星地5G融合的特性和用例進行演示；推進星地5G融合在3GPP和ETSI中的標準化工作。
3.2 空天地海一體化通信
空天地海一體化通信的目標是擴展通信覆蓋廣度和深度，也即在傳統蜂窩網絡的基礎上分別與衛星通信（非陸地通信）和深海遠洋通信（水下通信）深度融合。空天地海一體化網絡是以地面網絡為基礎、以空間網絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基（衛星通信網絡）、空基（飛機、熱氣球、無人機等通信網絡）、陸基（地面蜂窩網絡）、海基（海洋水下無線通信+近海沿岸無線網絡+遠洋船隻/懸浮島嶼等構成的網絡）等各類用戶的活動提供信息保障的基礎設施。從基本的構成上，空天地海一體化通信系統可以包括兩個子系統組成：陸地移動通信網絡與衛星通信網絡結合的天地一體化子系統、陸地移動通信網絡與深海遠洋通信網絡結合的深海遠洋（水下通信）通信子系統。
圖7、空天地一體化
3.3 多種功能融合
目前，衛星移動通信系統主要面向用戶提供全球或區域範圍的話音、簡訊、數據等移動通信服務。隨著通信的發展需要，衛星移動通信系統將融合融合導航增強、多樣化遙感，實現通、導、遙的信息一體化。這樣衛星移動通信系統終端可同時支持衛星移動通信、物聯網、熱點信息廣播、導航增強、航空監視等服務。因此，未來的衛星移動通信系統必將擴展它的業務範圍，實現多種功能的融合發展。
3.4 更高頻段，更寬帶寬
未來的衛星通信會向著雷射鏈路的方向發展，這主要是因為用雷射進行衛星間通信開闢了全新的通信頻道, 使衛星間通信容量大為增加, 而衛星通信設備的體積和重量卻大大減小, 同時也增加了衛星通信的保密性。小衛星星座間雷射星間鏈路用來支持大型節點的高速數據或國際幹線間的點到點傳輸。可以預見, 衛星光通信將成為超大容量衛星通信的主要途徑。
3.5 智能衛星通信
6G為「人工智慧+地面通信+衛星網絡」。基於AI技術構建6G網絡將是必然的選擇，地面通信與衛星通信之間採用智能動態頻譜共享技術可以更好的提高頻譜效率，同時採用智能無縫切換技術以及智能干擾消除技術實現真正的天空地海智慧通信。而「智慧」將是6G網絡的內在特徵，即所謂「智慧連接」可以表現為通信系統內在的全智能化：網元與網絡架構的智能化、連接對象的智能化（終端設備智能化）、承載的信息支撐智能化業務。
可以預見, 若把6G定義為智能移動通信V1.0，那麼7G將為智能移動通信V2.0。同時人工智慧將對7G移動通信發生顛覆式革命。對OSI（Open System Interconnection，即開放式系統互聯）模型把整個通信網絡分為7層，分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，為提高各協議兼容（地面和衛星），進而整體建立強大的智能協議體系。基於深度學習的行為分析可以針對每一層通信網的特點，個性化定製相應的神經網絡模型，從而提高網絡整體的適應性，也就是改善了切身的通信體驗。
4.結束語
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參考文獻
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本文作者：谷林海，航天恆星科技有限公司
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