卫星系统新技术应用发展综述

陈如明 信息产业部无线电管理局

　　摘要：随着卫星通信在全世界的普及，结合中国及西部大开发需要，本文全面论述现代卫星通信系统新技术的特点及其在中国应用机遇和发展策略

　　关键词：宽带卫星系统卫星直播业务编码／调制设计应用机遇发展策略

1 概述

　　卫星接入是通用无线接入的重要组成部分。与地面移动无线接入和固定无线接入的蓬勃发展局面相对比，其根本问题在于如何协调好技术驱动与市场驱动的基本关系，以及如何定位好卫星业务与地面业务之间的基本市场格局和如何处理好两者之间的有机综合。作为固定接入的GEOFSS系统，以INTELSAT系统为代表，依然处于相当好的商业运作状态，它对高速寻呼、短信息数据业务联网，对包括DTH、DBS、VOD在内的视频多媒体广播、多播业务，对Internet业务的高速下载及远程教育、远程医疗等多媒体业务广域组网等依然发挥着独特有效的作用。从商业市场模式考虑与地面业务互补，实现广域下行B2C宽带Internet平台服务，执行高速Internet基本业务接续，多媒体VOD、VPN、电子娱乐等增值服务，以及对用户最后一公里解决方案的xDSL、电缆、光纤和其它宽带地面无线接入手段的广域支持与补充，而其上行纵向，则可执行B2B方式的垂直应用，对ICP、ISP、电子商务的CSP地面移动应用及分组数据中心等实施纵向连接支持应用等等。这样其基本目标为瞄准"最后一公里"的终端用户广域接入，有巨大商业覆盖面，并特别适合于INTERNET网及农村边远地区服务，可望帮助服务商同时从零售服务中获得可观的利润。

　　一方面，卫星接入的通用无线接入可综合包括宏大区、宏区、小区、微小区、微微小区、移动、半移动（包括游牧）、固定等各种接入覆盖模式，可有效覆盖三维物理空间的任何一角落及有效连接至任何个人用户，这对实现未来全球的个人通信而言，其实际连接覆盖的普遍化与重要性不言而喻。而且无线接入与Internet联合运作的所谓无线Internet及移动IP，以及更进一步以Bluetooth/UWBT/WLAN之类手段实现以微微小区个人接入为中心展开的无线个人(区)域网络接入将成为未来全球个人通信世界的最重要的环节之一。其中卫星接入在实现国际/区域/国内灵活的宏大区广域三维覆盖接入方面的作用显得尤为突出。

　　另一方面，从整体宽带无线发展轨迹看，宽带无线接入，包括在物理层、MAC层及应用层方面的大刀阔斧的系统结构与技术装备改进，无论是TDD模式、还是FDD模式,均在向新一代宽带无线接入系统迈进，这亦是新一代宽带移动通信前向演进的技术基础与源动力。而宽带移动通信的演进脉络的原委与必然性在文献〖1〗中已作了详细的论述，相应其2.5G/2.75G→3G→3G＋/4G的系统演进轨迹为：

GSM→WAP/x－HTML－GPRS/EDGE（IS－136→EDGE）→WCDMA→HSPA（HSDPA/HSUPA）→(4G)...-FDD；
IS－95A（IS－95A＋）→IS－95B→cdma20001X→（GSM1X）→cdma20001XEV－DO→cdma20001XEV－DV（cdma20003X?）→(4G)...-FDD；
GSM→TD－SCDMA（UTRA－TDD?）→ETD－SCDMA/TD－LAS?→(4G)...-TDD；
而对应传输速率演进轨迹为:

9.6kbit/s→14.4kbit/s→56/64kbit/s→114/153kbit/s→308/384kbit/s→2.0Mbit/s→2.4Mbit/s→5.2/6.0Mbit/s→≥10/20Mbit/s...→...(4G,高速移动.→≥20/30～100Mbit/s;接近固定.→≥156～1000Mbit/s)

　　宽带无线演进至4G／5G将实现在统一的IP核心平台上集成接入各类不同业务，将实施移动业务与固定业务的融合、广播业务与交互业务的融合、专用业务与公众业务的融合，等等，并取得较好的全IPQoS控制。在未来宽带演进中，无论是宽带无线接入中的宽带卫星接入，还是宽带移动通信中的宽带MSS的有机综合，宽带卫星在未来全球个人多媒体无缝隙覆盖连接、在推进我国西部大开发、实现广域覆盖的普遍服务等方面将会发挥出重要的潜在战略作用。同时亦可预期，随着地面移动、地面固定及卫星业务三者紧密综合在一起，随着全球／区域／国内意义上的WWAN、WMAN、WLAN、WPAN以及WBAN等各类不同覆盖域尺寸、不同频段网络紧密综合在一起，为适应这一多模、无缝隙、以IP为基础的综合多媒体业务运行环境下的灵活有效的公共资源管理，建立智能代理之类管理模式将成为一种发展趋势，并可发挥出重要的现实作用。

　　此外，就技术层面看，同宽带固定无线接入新一代宽带移动通信的关系相类似，宽带卫星系统技术通常具有比宽带地面系统技术更高的技术难度与更深的技术内涵。众所周知，由于固定无线接入比移动通信场合容易实现操作，即智能天线、软件（定义的）无线电以及一系列现代编码调制及自适应信号处理技术等功率/频谱有效利用新技术以及IPQoS的物理层、MAC层、会聚层及应用层方面有效联手的协议处理往往首先容易在固定无线接入中试验与装备应用；从而，固定无线接入通常成为新一代移动通信的技术先导，第三代后的第四代移动通信系统结构的一种重要设想即为对各种新老交替的无线通信接入手段，包括新一代FWA技术及移动通信技术、多媒体广播技术和BluetoothPico－cell接入技术相组合，借助中介会聚桥接适配系统与以IP为基础的核心网相连接，从而构成此新一代(第四代或第五代)宽带移动通信系统，形成固定与移动的有机融合。与此相似，先进的卫星技术首先以先进的地面技术作先导，但还必须紧密结合卫星传输的自身特征，进一步研制开发一系列特有的新技术，诸如GEO长时延、大传输衰耗影响处理，LEO／MEO多星座结构优化与自适应覆盖处理，多星座、多网络跨域协议漫游处理，高可靠、长寿命卫星空间段星上处理、星际连接及卫星发射技术演进，精确可靠的空间体站址保持、地面跟踪以及端对端卫星全IP结构传送运作时的有效QoS控制等等，这充分显示卫星系统更深的高技术内涵。

2 与通信密切相关的主要卫星技术

　　（1）多维信号处理与电磁兼容分析及多维频率共用技术

　　包括卫星业务、地面业务本身及其彼此共用在内，此多维含义可涉及频率域、时间域、空间域、信号域、网络域,甚至显示域;多天线发送接收在内的多输入、输出（MIMO）多维时空处理为其典型示例。

　　（2）灵活、有效及可扩展的多维资源管理技术

　　对于未来移动与固定,地面与卫星,广播与交互,公用与专用,广域、局域与个人域等各类业务均综合于一种以全IP为基础的统一宽带平台上运作这一无缝隙与有机综合的复杂运行环境，包括对上述频谱、轨道资源管理在内，必须利用多维智能代理之类手段，才能实现灵活、有效并具扩展性及规模化的多维智能资源管理。

　　（3）智能天线与分布智能天线技术

　　现代天线波束成形、多点波束蜂窝结构及智能天线与分布智能天线技术，这是实现高密度、多重频率再利用并大幅度提高频谱利用效率的最有效途径，包括与多址连接技术在一起运作，可有效提高上、下行，特别是下行吞吐能力。这亦是第三代移动通信改进系统性能及4G／5G发展的重要手段，是3GTD－SCDMA方案的核心技术，目前正扩展成TDD、FDD全面开发应用。

　　（4）软件无线电与软件定义的无线电技术

　　预计中频处理的软件（定义的）无线电技术将逐步成为现实可行。普遍装备于新一代移动通信与宽带无线接入系统中将会产生重大技术与经济效益。新一代宽带无线系统用户成本具有量级水平的有效降低及系统结构的灵活变更，很大程度上期望在统一硬件平台基础上软件无线电的有效支撑。

　　（5）现代编码/调制技术

　　这是有效提高语音及数据传输状态下大幅度提高其功率/频谱效率的又一重要途径。一方面，重视小于2.4kbit/s速率的高性能声码器，由MPEG－4、MPEG－7及MPEG－21支持的视频图像压缩与管理技术;多路语音压缩如倍增系数达10－16倍以上的DCME/PCME等各类数字电路倍增技术;性能优良的信道编码调制技术，除通常所知的TCM型、BCM型、SPORT型、恒包络型、部分响应型、实用型等编码调制技术外，应特别注意适应移动通信衰落环境、非线性信道及多重图像分辨率要求情况下的多重编码调制、多信号间隔恒包络编码调制、多分辨率编码调制，不对称传输环境下的UEP码调制、以及大幅度提高功率处理能力的串、并联级联码调制，包括Turbo码及Turbo编码调制技术。尤其是卷积型及分组型Turbo码及相应编码调制，对第三代移动通信、WLAN、WLL、卫星数据直播、多媒体多分辨率图像通信、无线数据传输、LMDS宽带无线接入、HDTV传输、吉比特以太网、低速率数字语音压缩Internet、数字卫星通信以及数据记录存储等各方面将具有广泛的应用前景。

　　（6）多媒体综合业务传送的多层次综合业务工作平台技术

　　当我们考虑MSS及地面业务无缝隙覆盖综合时，这种设计原理显得更为重要，包括以SDH/ATM/IP技术为支撑的自适应可变速率、可变业务类型与QoS要求，同时组合不同频段和（或）不同分层覆盖区模式及优化星座结构、LEO/MEO/GEO协同工作和（或）分步实施的地面通信与卫星通信有机组合的三维运行综合业务工作平台技术。
　　（7）流媒体技术

　　充分发挥卫星广播、多播（组播）能力的长处，组合流媒体技术，包括进行缓存（Caching）处理、可变带宽的动态资源及网络管理、以及有效组合"推"、"拉"技术的卫星CDN（内容分配网络）平台技术，有可能在恶劣时延环境下实现IP为基础的网络高速多媒体在线高质量连续传送。

　　(8)软交换技术

　　这是实现新一代网络结构灵活可变、前后向兼容性能优良的核心技术。它采用分层的全开放网络构架，具有独立的模块化结构；是一种业务驱动型网络，业务和呼叫控制可完全分离，呼叫与承载可完全分离；亦是一种基于统一协议的分组型网络体系结构。它可适应技术发展新趋势，满足不同用户新需求；能快速提供新业务，涉足新领域，创造新的利润增长点；它亦可有效地降低网络建设与维护成本，从而对新一代移动通信全IP网络形成具有很大吸引力。

3 应用机遇及发展策略考虑

3.1在国内的应用机遇

　　应用机遇是明显的、并已初露头角；下述几项则是特别重要，尽管目前尚未实现，需要科技工作者全力以赴努力研发：

①卫星BSS（DBS，DAB，DTH）及DVB－IP视频应用，包括家用及个人应用；

②宽带卫星无线接入及宽带卫星固定／可搬移－游牧式半移动／移动通信，可用于各类业界、部门，包括个人应用；

③远程教学应用：中国是利用INTELSAT卫星建成世界上第一个最大的卫星远程教学网络的国家，现今利用先进的IP平台为基础的多媒体远程教学亦取得了重要进展，并具有良好的节目规划及应用前景。

④卫星遥感及气象预报，包括卫星数据广播及卫星电话／视频会议；

⑤卫星导航及包括联合运用GIS和地面移动通信网络支持的全球定位与卫星无线电测定；

⑥卫星农村通信，特别是对中国的（中）西部开发及边远稀路由通信有巨大潜在市场前景；

⑦卫星对特种事件的重要支持能力，卫星的灾难援救和环境污染控制作用，包括诸如卫星对航空、海事及探险等独特三维覆盖应用能力；

⑧卫星的科学研究及空间研究；

⑨卫星发射、保险业务为两大产业，卫星空间段及地面段设备制造技术方面，中国目前基础尚差，但占有卫星业界的巨大市场份额；

⑩卫星军事应用大有可为，美国对此就特别重视，为维持其超级大国地位，它建设了世界上最先进及最庞大的国防卫星系统，包括其GPS及铱系统的联合运用。

总之，卫星通信的应用范围极其广泛，从公网至专网，从天上至地面，从海洋深处,至大漠腹地,直至高山之巅，遍及每个角落及各行各业，乃至家庭与个人，几乎无所不及。

3.2 相关发展策略考虑

　　（1）加强卫星业务、应用与产业发展的规划

　　卫星新技术、新业务发展状况及频谱资源规划与应用前景充分显示：作为一个在全球社会中具有举足轻重的我国，应充分重视发展卫星业务、应用与产业的战略重要性。对此，首先是信息产业部综合规划部门，要联手部内外相关部门，制订、落实有效的我国卫星业务、应用与产业发展规划，包括宽带卫星业务，直播卫星业务、GPS卫星增值业务、卫星移动通信业务及与商用卫星运营紧密联手的国防卫星业务，以及其它各行各业运用的各类卫星应用业务的发展规划，以有效利用我国有限的轨道/频谱资源，及时适应进入WTO后的国内外环境运行形势需求等等。

　　（2）加强规模实力是卫星事业发展与竞争的基础

　　从全球情况看,一方面，六个最大的西方卫星操作者大约控制着全球卫星运营的50％以上的份额；而卫星制造业中，西方五大制造商Boeing、LockheedMartin、SS/LoraAlcatel、Astrium占全球份额的85％，预计今后几年内上述份额还将升迁，预计此五家份额将增至95％左右，其余仅占5％。

　　另一方面，就VSAT及宽带卫星业务经营来看，加强其规模实力尤为重要。就美国情况而言，较大规模的VSAT网络用户均达5－6万有余，这与我国三四十家VSAT运营商的很多网络规模均在3000以下用户,甚至不少只有数百户相比，显然极为可悲，这样既不利于构成用户成本的降低，亦浪费轨道/频谱资源。

　　因此，以中国卫星通信集团公司借进一步深化改革开放为契机，尽快加速我国卫星运营商的规模实力与必要的国际合作进程，以便适应严峻的国际、国内竞争环境，为发展我国卫星通信事业作出贡献。商用卫星制造及火箭发射技术亦必须走加强国内外合作、增强规模化实力发展这一唯一途径。

　　（3）正确处理好市场驱动与技术驱动的基本关系，充分重视卫星产业发展中技术驱动的重要作用

　　正确处理好市场驱动与技术驱动的基本关系是关键。因此在积极开发新技术的同时，必须首先着力研究其市场走向，把握其走势，并能适时地切入与占领市场。虽然一项新技术的出现往往会造就一代新产品，推动市场进一步发展，但新技术有无生命力，归根结蒂必须要有其市场定位，并接受市场检验。在把握好这一基本关系前提下，考虑到卫星产业是浓缩高技术于一体的新产业，尤其要重视并利用各类对频谱/轨道有效利用及卫星产业发展产生更新换代、举一反三作用的新技术。

　　（5）具体规划与落实好西部大开发的卫星系统发展与应用从实现农村及边远地区的普遍服务而言，人们
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作者简介：

陈如明 教授主任高级工程师，信息产业部通信科技委副主任及无线电管理局原副局长,中国无线电频率规划专家咨询委员会主任，中国通信学会及中国电子学会会士(Fellow)；曾为邮电部第四研究所及国家无委办总工、美国斯坦福（Stanford）大学高级研究学者及国际通信卫星组织（INTELSAT）董事。

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