关于卫星通信的思考

作者：杨靖宇
关于卫星通信的思考(一)

　　近十年来,卫星通信技术发展迅速。高轨卫星(GEO)向大型化、综合性的空间通信平台发展。中轨道卫星(MEO)、低轨道卫星(LEO)通信技术也有了长足的进步,成为卫星通信发展链路中重要的组成部分,是目前卫星通信技术的前沿。近来卫星通信市场处于相对低迷期。这种现状与目前市场大气候有关,同时与卫星通信技术的自身规律有关。

一、卫星通信技术的特点,决定卫星通信是现代化通信的重要手段之一,无法替代

1．通信距离远,通信链路建设成本与通信距离无关

　　卫星通信系统中各地球站之间、地面用户终端之间是靠卫星连接在卫星的视界内。星地距离因卫星轨道而异,但只要地面通信设备与卫星间的信号传输满足技术要求,通信质量就能保证。地面站的建设经费不因通信站间距离远近,通信链路间地面上的自然条件等因素的影响。在远距离通信上比其他地面通信手段有明显的优势。地面通信手段(如微波、短波、电缆、光缆等)在系统的建立成本中,通信距离是重要的制约因素,通信距离与建设成本成线形增长关系。卫星通信上述情况不明显。一般说来,卫星通信初期投资省,施工建设奏效较快,资金回收较快。
理论上,一颗GEO卫星的视界可达全球表面积42.4%,原则上3颗GEO合理配置,就可建立全球除两极以外的全球不间断通信。目前INMASTAR系统有4颗GEO完成全球通信。

　　目前LEO、MEO卫星系统的发展是以多星族、多轨道的方式,将多组卫星分布在地球近地轨道,实现全球通信覆盖。如ORBCOMM系统是44颗星、7个轨道；铱星66颗星。

2.卫星通信以广播方式工作,有极强的网络拓扑构成能力。这是卫星通信的突出优点。

　　在全球范围内,卫星无线波长的覆盖区域内,无论何地,地面通信设备都能收到卫星的广播。因而卫星通信系统容易的实现多址联接,拥有任意点对多点以及多点对多点的广域复杂网络的拓扑构成能力。近来,LEO、MEO卫星的发展,使得GEO卫星通信系统中地面部分受地形、地貌的影响问题得到改善。一般说来,其他通信手段的通信网络建设成本与网络容量的关系成几何级数增长。最终网络建设的庞大成本与用户对通信费近似苛刻的要求成为运营商赢利的障碍。卫星通信网络的建设,投资的重点在卫星,一次性投资比重较大。由于卫星上天以后有一段稳定使用期,用户终端成本不断下降,地面网络建设可灵活,所以卫星通信网络中不会出现其他通信网络建设成本成几何级数增长的问题。

3．卫星通信系统容量大,可传送的业务类型多。

　　卫星通信可利用的无线频带宽,C、KU、S、VHF、UHF、L等波段。同时星上技术不断提高,通信技术的新体制,新技术的不断发展,卫星通信容量增大,传输业务类型进一步多样化。语音、数据、图象、视频、定位,几乎覆盖全部的通信服务业务。LEO、MEO卫星的兴起使得GEO卫星通信不擅长的移动通信业务成为可能,为卫星通信增加了新的业务类型。可移动性,在边缘、复杂地形区域及海上、空中它是提供可靠移动通信的唯一手段。

4．卫星通信质量高。

　　有人会以目前光纤通信来质疑上述观点。但在卫星通信系统中,系统节点相对少,链路环节相对集中,星上技术日正完善,地面网络灵活多变,除非卫星出现故障,否则全网性的故障出现的几率有限。LEO、MEO卫星系统通过利用多卫星、多轨道的星族技术进一步降低通信卫星的故障对全网的影响。这是其他通信系统不可比拟的。卫星通信的安全可靠性,是抗灾、应急通信支援,备份的重要手段。

　　二、卫星通信技术上的缺点是目前市场不景气的重要因素。

　　客观的说,不能笼统的认为GEO卫星困境是受卫星电话业务的萎缩造成。LEO、MEO卫星系统受“铱”星受挫所累。应该清醒认识卫星通信技术的缺点。

相比LEO、MEO卫星来说GEO卫星有三个缺点：

(1)GEO卫星距地遥远(36,000KM),造成固定时延。长时延使得国际卫星电话业务有时成为一种煎熬。

(2)赤道轨道上星满为患,轨道资源稀缺。GEO 卫星通信系统中卫星地面站、用户终端受地形、地理位置的限制多,易造成通信盲区。

(3)高度和纬度的原因,GEO卫星信号衰减过大,对地面通信设备的技术要求苛刻,地面设备尤其是用户终端难以小型化,便携化。

　　为了克服GEO卫星的上述缺点,促成了LEO、MEO卫星的发展。LEO、MEO运行的轨道较低(10,000KM~750KM),信号可迅速传送到地面用户,时延较少,易于完成即时通信的任务。使用的无线电频段的原因(L、VHF、UHF),地面通信终端无须抛物面天线,容易实现用户终端的小型化,便于移动通信,利于接入新的一代数据通信网络。

当然,LEO、MEO卫星也有缺点：

　　(1)LEO、MEO靠近地球,每颗卫星波束视界有限,因而需要较多的卫星以星族的方式组网。有的LEO卫星星族要数百颗之多(如Teledsic)。尽管随着电子技术的进步,小卫星的生产成规模,产业化。卫星数量不再成为组网的主要问题。但是多卫星,多轨道对卫星发射、地面遥控、通信网络管理都提出了严峻的考验。

　　(2)LEO卫星系统使用的频率为L、VHF、UHF多为地面无线通信系统共享频段,在无线频段管理不完善的地区易受干扰。现存的各个LEO卫星系统均采用各类抗干扰技术,如ORBCOMM的DCAAS(动态信道分配技术)用以和地面无线系统共享VHF、UHF频段。目前经过大量的事实证明,上述技术在频率管理规范的地区是完全适用的,但在中国大陆等频率管理混乱的地区,抗干扰性差。要更好的在国内开展LEO卫星业务有待进一步改善我国的电磁环境。另一些LEO 卫星系统如铱星、GLOBALSTAR使用L波段,虽然避开地面无线系统的干扰,但是随着GEO新一代卫星上L波段的转发器的增加,必然引起新的一轮频率资源争夺。

　　综上所述卫星通信系统和一切技术系统一样,有特点有缺点。特点决定卫星通信系统在现代通信网络中的存在价值；缺点预示着卫星通信的发展必然是有波折的。

　　关于卫星通信的思考(二)

　　近来,地面通信系统的迅猛发展使得卫星通信业压力重重。环球光缆网；全球移动通信网的发展使得GEO卫星的话务量严重萎缩。GEO卫星的数据业务随着INTERNET的发展虽有一定的增加,但同时面临近来的IT冬天以及以宽带网为主的地面网络的有力争夺。目前,GEO卫星只有电视业务比较乐观。LEO、MEO卫星通信是新兴的技术概念,技术上尚需完善,加之铱星风波；地面蜂窝电话迅猛发展；全球经济衰退等原因,LEO、MEO卫星有些生不逢时的感觉。在纷乱的市场表象下是有其内在规律可循。

1.卫星通信技术风险高。

　　卫星通信集无线电通信技术大成,可谓高、精、尖。每代卫星的研制、发射、运行过程长。卫星一旦留空后,星上技术就难以升级,就要求星上技术相对于地面通信技术有一定的前瞻性,有一定的超前技术储备,当然就有一定的技术风险。随着技术的提高卫星的寿命在增加,使得技术风险进一步加大。如GEO卫星的寿命从平均5年增到平均8年。LEO卫星系统以铱星为例,MOTOROLA于1987年开始设计,初衷是对卫星覆盖的世界任何地方的用户提供蜂窝电话业务。10年后设想变为现实时,盼望的人们为之欣喜。但是同样这10年,地面蜂窝电话网几乎覆盖全球。而且,INTERNET用户爆炸性增长,需要传输数据的人日趋增多,而用卫星电话业务的人却很少,卫星电话只能在户外使用,话费昂贵,铱星只能在2000年终止业务。

2.相关的地面应用技术开发滞后。

　　由于卫星星上技术的超前性,使得相关的地面应用技术开发脱节。良好的市场前景成为泡影,开发出的用户反为其他通信手段夺取,使得卫星通信市场运作举步唯艰。LEO卫星中的ORBCOMM系统率先提出结合GPS、短数据通信进行移动物体跟踪定位的理论,并在技术上得以实现。但由于相关的地面应用技术开发滞后,巨大的市场为其他通信手段夺取(GPS+GSM+GIS),可预计的市场减少使ORBCOMM运行进入恶性循环。尤其在卫星数据通信领域,许多方面需要开发。如无人仪表的远程监控数据传输；偏远地区财物跟踪,都需要相关配套技术的开发工作。LEO、MEO卫星是可选择的良好通信手段,而市场用户需要一个全面的解决方案。LEO、MEO在开发之初就强调应用的重要性,到目前为止成熟的应用不多。

3.卫星通信市场发展的周期性强。

　　卫星通信的技术发展轨迹以每代卫星的在轨寿命为技术周期,以换代时间为时间节点,类似正弦波的发展路线。卫星通信市场的发展也是类似的轨迹。在换代之初,由于星上技术相对地面应用技术超前,市场相对低迷,地面技术不断的发展,市场进入相对稳定发展期,类似于正弦波的正周期。当地面应用技术接近星上技术时,由于卫星星上技术不能升级,地面用户的增长需求就不能很好的满足,用户会寻找其他的手段来替代,这时卫星通信市场进入正弦波的负周期,也可称为沉寂期。直到下一代卫星的上天,重复新的周期。

　　认识规律是为了解决问题。在目前卫星通信市场处于相对沉寂期。全球范围的卫星通信运营商在两方面着手应对。

1.加大地面及相关配套应用技术的开发。

　　当前,国际上做法很多,目的相同,效果有待时间检验。

　　GEO卫星方面,卫星制造公司参与应用技术的一体化开发,如欧洲阿尔卡特公司。以参股的形式加大与运营商的合作,共同开拓市场。如美国洛克西勒.马丁公司与印尼ACES公司合作共同开拓新一代卫星蜂窝电话市场。

　　LEO卫星方面,如美国ORBCOMM公司,运营与研发一体；并出资支持相关的增值服务商(VAR)的成长,拓展市场空间。暂不论结果如何,从技术层面上看,不失为明智之举,值得我国借鉴。我国同样有一些卫星通信运营公司在积极参与应用技术的开发,如SINOCOMM公司。

2.调整市场定位,以80%的精力争夺20%产生赢利的市场分额。

　　GEO卫星系统不在与地面通信网在传统语音话路上进行直接竞争,而发挥优势开发直播卫星系统,并取得巨大的成功。目前卫星电视传输所占的市场份额已经远超过地面的有线电视网络。同时加大开拓数据业务的市场的力度。利用新的一轮换星高峰的到来,利用卫星L波段转发器的功能开拓移动物体通信,跟踪等以前没有涉及的领域,如ACES卫星系统；INMASAT卫星系统；V-STAR等。

　　LEO卫星系统体系结构和铱星系统相似,但已经吸收了铱星的教训和经验,不再与地面蜂窝电话竞争,而定位另一块市场,即偏远地区的数据通信,企业用户和大数据用户作为主要的服务对象。“铱”系统同样也完成经营方向的转变,给LEO 卫星通信带来了新的希望。

3.机器上网(Machine on line )标志着卫星通信新的方向。

　　ORBCOMM提出的Machine on line的概念不但是很好的市场口号,也是很好的发展方向。LEO卫星、INTERNET的发展彻底改变了传统电信业以人为主要服务对象,数字化革命必将席卷工业领域,无人仪表将是新的服务对象。机器在线、远端监控、无人职守、利用LEO卫星系统人类可以无需踏足险地,就可把人的意志布于全球范围。

　　综上所述,有规律的事物就能驾御,卫星通信市场是值得努力的。

　　关于卫星通信的思考(三)

　　目前,LEO、MEO卫星通信市场虽经低谷,但技术仍在发展,主要有三大趋势。

1.修改软件,实现语音业务向数据业务转移。

　　新的铱星公司通过修改和升级软件的方法,将原设计的话音卫星变成以数据为主的卫星,同时保持一定的话音业务,从而使铱星系统获得新生。“铱”原来的数据率为2.4kbps,现提高到10kbps。新的数据率虽不敢称宽带传输但比原设计提高3倍。铱星网络花费55亿美金,现在只用5500万完成业务转型。

2.开拓多种路由方式、各种数据业务。采用的方法有3种。

(1)避开星际链路的实时业务。

　　降低成本,减少复杂性,吸取铱星的教训,设计时放弃星际链路,改由通过地面光纤提供路由信息。如GLOBALSTAR系统通过地面光纤网提供路由信息。这意味着卫星对用户和网关站必须是视距传输。要求建立网关地球站。GLOBALSTAR系统在全球建立了24个网关地球站。ORBCOMM系统在全球也有一系列网关地球站。

(2)非实时数据业务

　　目前,提供这类业务的有ORBCOMM系统。ORBCOMM系统只向用户提供数据业务,较之GLOBALSTAR系统所不同是提供即时性的数据通信。ORBCOMM系统采取的存储转发的通信机制,当一颗卫星运行出视界范围时,ORBCOMM的终端将数据存储起来,待下颗卫星进入视界范围再传输出去,这是它的优点。但缺点是时延增大,ORBCOMM系统可以跟踪所有的终端,效率比较高,相对成本低,适合各类用户使用。ORBCOMM系统还提供全球定位服务。2000年9月美国一个叫“奇力“渔船队就是靠ORBCOMM系统脱险获救的。ORBCOMM系统正在尝试成为直播卫星系统的上行点播通道的提供商。

(3)真正的全球数据业务。

　　一些LEO卫星系统如SKYBRIDGE系统,由于该系统的大资金提供者是欧洲电信巨人阿尔卡特公司提供,所以它目前不受美国的控制,能够提供被美国系统排除在外的地区和国家,如向被GOBALSTAR系统排斥在外的古巴。同样,ORBCOMM系统在中国大陆的运营,可以覆盖朝鲜半岛,开拓朝鲜南北方的短数据业务,克服政治原因造成的阻碍。

3.提高卫星数据率,缩小用户终端体积。

　　LEO、MEO卫星的通信数据率在稳步提高,在可预计的将来将达到M级数据率。

　　从用户终端上看,缩小终端体积也是发展卫星通信市场的重要的考虑因素。10年前,没有各种通信PC卡的时候,每一种网络通信业务都要求用户携带蜂窝电话大小的终端。对于未来宽带通信网络而言,各类通信门类的用户终端都要求是便携式的而不是移动式。

　　目前,全球还有几十亿人没使用电话,更谈不上链接INTERNET,享受数据业务服务。然而当前的语音和数据公司不能做赔本的生意来满足这一体量庞大的用户市场,从而使宽带INTERNET接入进展缓慢。随着下表中LEO、MEO卫星系统的相继投入使用。基于LEO、MEO卫星系统的移动卫星数据业务不再是科幻,而是世界上偏远地区和发展中国家发展现代化通信业务的必然选择。

　　关于卫星通信的思考(四)

　　LEO、MEO卫星通信系统在我国被称为小卫星。在这一方面我国科技力量和国外的差距不大。我国政府在这一方面也给以充分的重视。关于我国的LEO卫星通信的发展有两方面的建议。

　　1．认识卫星通信技术发展特有的周期率,加大星上技术的储备,新的技术的前瞻性研究。这样在卫星上天后可以尽量的延长稳定发展期,尽量减短业务沉寂期

　　2．在大力发展LEO卫星系统的同时,加大对相关应用技术的开发投入。使我国的LEO卫星事业是以一个完整的卫星通信系统服务于人民。进一步成为一个新兴的卫星通信业务门类。在这方面,我国与国外同行差距不大,我国又有社会主义体制的优势,可以集中力量办大事。同时可以采用各种方式来整合社会力量共同办好这一事业。可以参照上个世纪80年代初,全球各国政府出资合办第一个全球性的GEO卫星组织INTERSTAR的办法。

结束语

　　LEO、MEO卫星通信系统,以其巧妙的构思和独特优点已经崭露头角,虽然在实施上依然有不少技术难点和市场风险,但在这一世纪有效地投入商业运行将毋容质疑。LEO、MEO宽带、窄带系统的低时延、无缝隙的固定/移动业务覆盖能力必将成为未来信息高速公路建设的重要环节,特别是可以补充、支持光纤网,使之名副其实地实现三维无缝隙全球通信。

摘自《无线产品世界》