卫星产业呼唤技术创新及应用创新

杨千里

　　近年来，我们越来越明白了一个道理，即创新的极其重要性，尤其是在这样激烈竞争的市场经济时代。不但要创新，特别要强调“原创”（有人将创新分为“模仿创新”和“自主创新”，原创当与自主创新同义）。卫星通信正是“原创”思想的实现。

　　1945年5月英国科幻作家克拉克（Arthur C．Clarke）在《无线电世界》（Wireless World）建议了一个利用位于与地球转速一样的轨道上的人造空间站进行全球通信的系统。这可算是提出地球同步卫星通信概念的第一人。

　　克拉克指出了现代卫星通信的2个关键特性，即对地静止轨道和用卫星做中继站。去年，美国一卫星杂志还邀请克拉克就其表述55周年发表讲话。这是一段很多人都知道的历史。之所以再把它拿出来说，只是想再次强调，一个创新的想法或概念，往往会产生一个新的学科、一个大的产业。创新是科学技术的灵魂，也是产业发展的重要因素。

　　一、卫星通信发展迅速、变化巨大

　　卫星通信技术发展迅速，变化巨大：

　　●卫星的通信转发器从1、2个发展到近百个

　　●通信转发器的功率从几瓦发展到100瓦以上

　　●星上通信天线从简单喇叭、抛物面、赋形面到多波束、相控阵天线，星上可展开式通信大线大至十几公尺

　　●星上通信载荷的全向有效辐射功率（EIRP）从20-30dBw发展到60甚至70dBw，增长1万倍

　　●星上可产生的能源从几十瓦、几百瓦发展到几千瓦、甚至1万瓦以上

　　●通信卫星的稳定从自旋、双自旋到三轴，再发展到“自治”

　　●卫星的体重也从100、200公斤发展到几千公斤的巨大星

　　●卫星通信地球站的天线从30公尺以上直径减小到15、5、2、1公尺，甚至40公分

　　●通信地球站的高功率放大器从10kw、3kw、1kw至1400w、30w、40w、5w，甚至1w以下

　　●低噪声放大器则从早期庞大的液氦深制冷参量放大器发展到今天十分小巧的场效应晶体管低噪放（LNA、LNB）

　　●卫星通信终端从庞大的地球站发展到车载、机载、舰载、VSAT、USAT、背负、便携（公文包）、手持，等。有的卫星终端，如休斯网络系统公司的DirecWay可在连锁店购买

　　●通信体制从FDM／FM／FDMA发展到TDM／PSK／TDMA、SCPC／DAMA、TDM-TDMA，CDMA、MF-FH-TDMA，等名目繁多的信息加上处理方法

　　●卫星通信使用的频段也从C段发展到Ku、Ka、X、L、UHF、VHF、EHF、光波，等

　　●射频调制从模拟到全数字化

　　●星上和地球站设备构成从个部硬件实现到越未越多地以公用平台软件化处理

　

　　●卫星通信的保障范围从跨洋洲际通信到国内通信，再发展到企业集团和个人通信

　　●传送的业务从模拟话音、电视到传数据为主的各种综合业务、多媒体信息

　　●卫星通信的服务范围从陆上固定发展到水上移动、航空移动、星间通信

　　●从单星转发到几十颗卫星组成低轨（LE0）、中轨（ME0）。甚至近千颗星的星座系统（原先的Teledesic，840颗星+10％备份）

　　●除了大卫星外，又发展了小卫星、微卫星、皮卫星、纳米卫星

　　总的趋势是，卫星越做越大（或做成众多小卫星的群星大星座），地球站越做越小，业务扩大，功能密度更高。这其中就有很多技术创新及应用创新。

　　在近40年的发展路程中，卫星通信有其辉煌，也有失落。这些年光通信、移动通信、因特网等通信技术的发展之快，令人目眩。卫星通信要在这激烈竞争的环境中发展，占有更多份额，就必须有创新。创新，特别是原创，常常是灵感，是思想火花的爆发，不大容易说清楚应该怎么做，但由于卫星通信大约只占整个通信业的6％-8％，在它必须融入整个通信网的努力时，其技术体制、应用热点都不能不受主流通信网技术的牵制和影响，或者说，要去适应主流通信网的发展。卫星通信的创新也就需顾及通信技术的发展潮流。电视、声频、多媒体节目经过卫星的广播式传输和卫星直播，通常视为卫星通信的一种重要应用，也受地面广播技术发展潮流的制约，不妨一并分析说明。

　　二、技术对卫星通信创新产生影响

　　●分组数据传送和交换。（这里的“分组”是广义的，包括最早出现的适应以铜缆等质量较差信道为基础的网络因而协议复杂的X.25技术、后来时兴了好一阵的适应高质量光缆网而将协议简化的帧中继，以“异步转移模式”（ATM）知名的“信元”交换，以及各种将数据分组打包传送的技术）。因Internet全球蔓延而流行为当今各种数据网事实标准的TCP／IP协议影响巨大，卫星通信亦需与之适应。

　　TCP／IP协议原是为地面网络设计的，用到卫星信道上就会出现很多问题，需加以解决才能顺利工作。卫星信道的主要问题是：长时延、较高的差错率（10E+至10E-7，且时有突发性）、非对称的前／返向信道。对于地球同步轨道卫星，其单跳时延为270毫秒（ms），在TCP传输控制协议中需要返回确认，传输往返时延（RTT-Round
Trip Time）为2×270＝540ms。TCP协议中存在所谓数据管道，其大小=信道传输速率×RTT。譬如，卫星信道传输速率为54Mbps时，其数据管道的大小就是29.16Mbits。它表示传输中还没有被确认的数据量，按TCP／IP协议规定，管道中任一比特发生差错都要引发数据的重传。这种机制当管道太大时（例如，通常将大小超过100000比特者称为长时延管道），有可能对数据传输产生很大甚至灾难性影响，叫做管道效应。在此情况下卫星信道的最大数据吞吐量将受到限制，因为它等于最大接收窗口/RTT。TCP协议的最大接收窗口一般为64千字节（kBytes），因此在双向卫星信道上的最大数据吞吐量为64kBytes／540ms=118.5kBytes／s=948.15
kbos。同时，因为在建链过程中有同步、应答等握手信号（SYN-SYNACK-SYN），卫星的长时延也必然影响其建立连接的过程。长时延还影响TCP协议中按收端“接收窗口”和发端“拥塞窗口”来进行拥塞控制的机制，有时需等待几十秒才能恢复到最大拥塞窗口。对拥塞结束后的慢启动过程也很不利。还有其它，不在此赘述。

　　为了解决TCP／IP在卫星信道运行的困难，人们想了很多办法，大体可分二类：一类是在协议上改进；另一类是在卫星链路起始端设置网关（GateWay），将TCP／IP协议转换成较适合在卫星信道上走的算法。

　　前一类的例子是，TCP／IP协议的扩展。因特网工程技术组（IETF）已经提出了一些扩展建议（RFC），例如：

　　-RFC1323，克服长时延、高信道容量下的TCP瓶颈

　　-RFC2018，克服长时延、大窗口、高误码情况下的效率下降

　　-RFC2581、2001，克服卫星通信信道容量的非对称性及性能起伏，动态实现信道的有效利用，等等。

　　后一类是在卫星地球站设传输网关，这样可在卫星段采用与卫星链路特性匹配的传输协议，而通过TCP／IP协议网关与因特网和用户终端连接。所谓“欺骗”（Spooflng）就是在很多卫星系统中常用的方法之一，可攸按TCP／IP协议运行的数据在经卫星传送时大大“加速”（有的产品则冠以Turbo之名）。这种办法可充分利用卫星通信的特点，但软件开发和维护的工作员较大。举例：美国Mentat公司研制的SkvX信关站，在拥塞规避、数据确认、窗口尺度等方面做了许多改进，在卫星段用了特殊的胁议，大大提高了传输效率。经国际卫星组织（Intelsat）技术实验室、美国宇航局（NASA）下属的多家机构在网上测试，效果奇佳。在一次因特网WWW接入测试中，用一10Mbps的典型卫星电路，同时运行50个网页链接。SkyX网关得出的吞吐设是7.7
Mbps，而用端-端TCP连接时仅2.7 Mbps，接近3倍。下载大文件时的差别更明显，当同时工作的50个连接中有一个是-5MB文件，用端-端TCP下载时，花了357.5秒，用SkyX信关站时仅15.3秒，快了23倍。

可见，在大量用于因特网连接的卫星系统上，对于不同的应用，应该还有很多创新的技术等待开发。

　　●多媒体、流媒体 同步、缓存、 连续。

　　越来越多的信息以多媒体的形式出现，他们在面向非连接业务的TCP／IP网络上传输时，其连续性、同步、时延、抖动等指标不易保证。流媒体技术通过存储控制、“缓存”（Caching）、拥塞和流量控制、网管等，最大限度地解决这些问题，改善流媒体信息的连续性。减少了感知时延（绝对时延很难降低）。这中间还有很多工作要做。

　　●DVB-IP（数字视频广播-因特网协议）。

　　DVB是欧洲数字视频广播工业标准，在统一的基础上又分为用于有线电缆电视（C）、地面广播（T）、卫星广括（S）三个，即在卫星系统用的是DVB-S。是将数字化视频信号（MPEG）封装（Encapsulation）打包传送，不同的视频流赋予不同的节目识别号后复接成一个几兆-几十兆比特每秒的大数字载波，经卫星广播传送到众多的地面接收机。每个接收机按照有条件接收控制系统的授权，依节目识别号从复接在一起的大数据流中取出需要的频道。这种体制很适合卫星“高高在上、广域谨盖”的广播特点，不仅用在电视卫星广播，在需要点对多点传送大量活动图像的应用中也很合适，近年在卫星通信中得到较多采用。非活动图像的r数据流也可与视频流复接在一起传送，形成视频／数据结合的有效卫星传输方式。

　　适应市场运作机制的需要，在卫星广播式传输时，除了有免费频道外，还会有加密的收费频道，这就需要条件接收系统（CA）。在卫星直抵系统中，地面接收机数可能以千万计，条件接收系统的管理涉及用户库、计货、实时授权等，要有功能强大的计算机。要有授权卡，这涉及卡的芯片。卡的操作系统C0S。加密算法等等。

　　●高频段、宽带、大容量。

　　由于活动图像信息日益增多，通信网的发展方向之一就是宽带化。处于电磁波谱低端的各种无线电通信手段虽无法轻易得到像密集波分复用（DWDM）光通信系统那样“无限”的带宽，但也在努力增大系统的带宽能力，卫星通信系统亦不能例外。其技术途径有：

　　-除充分利用成熟的C、Ku、L、S等波段外，大力开发新频段，如Ka、EHF（V、Q、W、毫米波）等。原先主要用于各国军事卫星的X频段，由于其良好的传播特性，也已有商用卫星系统向国际电信联盟（ITU）登记，准备开发利用。至于卫星的星间及星地激光通信，在不少国防卫星系统中做了大量开发、试验，也许若干年后会转到民用卫星上来。这些频段帝宽更大，容量更大，同时天线口径可以做得更小小（C波段的小型地球站天线口径约2.4公尺左右，KU波段约1.8公尺，而在Ka波段，地面终端天线可小至40-60公分），干扰协调也较容易。但是，频率提高后总体上说，水的沉降物所造成的电波传播衰减更大，要保证较高的系统可用度，除加大发射机功率外，还需采用高效纠错编码、功率自动控制，站址分集等各种技术。

　　-多重频率复用。无线电频谱是一种有限的宝贵资源，千方百计提高其利用率是无线电管理的重要原则之一，极化复用、空间复用等是常用的手段。例如，曾有设计用200多个波束覆盖中国，空间隔离好的波柬之间就可以重复使用相同的频率。当然，这对星载大线提出了极高的要求，需采用结构复杂的多波束天线、相空阵天线、智能型自适应大线、空间功率合成，等。工作于更高的频段有利于这些技术的实现，据分析，采用多种频率复用技术后，Ku频段的频率利用率可较C频段提高3倍甚至更多，Ka频段比Ku又可提高3-4倍以上。

　　-高频谱利用的多进制调制技术、编码技术，以及调制／编码结合的技术。在数字调制编码方面，除常用的BPSK、QPSK、维特比（Viterbi）、RS码（Reed-Soloman）等之外，已开始在卫星通信采用及开发8PSK、0QPSK、UQPSK、QAM、TCM、Turbo，等，在调制、编码及其他信号处理更多采用DSP为基础的软件实现方法（即所谓“软件无线电”方法）可能是技术创新的一种有利途径。

　　-星上信号采用统计复用高速分组交换，比采用电路交换又可成数倍地提高吞吐量，从而提高卫星的负荷能力。

　　Ka频段卫星目前的价格据说比Ku卫星高出1倍左右，但若计及其频率复用优势手和宽带能力，还是很有吸引力的。当然，在Ka卫星发展的初期，为降低风险，也许采用Ka/Ku混合方案更为恰当。同时，不用星上信号处理有效载荷，而用“弯管式”透明转发器，既有利于积累Ka频段的运营经验，又可降低成本，也是Ka商用早期的明智选择。

　　●千方百计减少卫星空间段及地面应用系统（尤其是数量众多的通信地球站）的成本。卫星通信必须有“高挂天空”的通信转发器及承载它的卫星公用舱（即公用平台），这部分“空间段”占了成本的相当百分比，要使卫星通信具有竞争力，必须努力降低空间段的成本。卫星平台的发展是向两个极端发展的，一个方向是“超大工星”（所谓MagaBird或SuperBird），已经出现重量超过5000公斤的卫星，另一个方向是小卫星（清华大学将要发射“纳米卫星”）。两种做法各有理由，争辩从未停止，不论大、小卫星，平台标准化都是方向。也有另一种主张说，随着空间技术的发展，将来的卫星最好是在轨拼装的模块化结构，这恐怕在短期内还不是商业现实。事实上，大小卫星的争论，从来都不是纯技术的，而是与市场运作的诸多要素紧密联系。同样，地球站的小型化、模块化、廉价化也一直是提高卫星通信竞争力的十分重要方面，有很多革命性、创新性工作可做。

　　技术方面可能还可再罗列一些，但是，技术固然是基础，没有好的应用也发展不起来。合理的公式应该是：

　　技术→应用→市场→产业

　　三、应用和市场影响卫星通信创新竞争局面

　　●配合困特网普遍发展的卫星应用。因特网的超常发展已是不争的事实，其影响各种信息产业的发展几乎到了“顺我者昌”的程度，卫星通信亦未能例外。国际通信卫星有洲际覆盖能力的转发器前几年经营火爆，大部分都是用于因特网的互连。区域性转发器也有很大数量是用于因特网。其应用大体可分为干线（互连、镜像等）和接入（ISP等）。

　　●宽带多媒体方面的卫星应用。宽带需求是多媒体引发的。为了在竞争中取胜，很多信息服务都向多媒体发展，而光缆和地面无线系统并不总是能到达用户需要点，也不总是性价比最好的，卫星通信还是有用武之地。以下方面是可以努力去试一试的：

　　-干线联接-光缆不到、质量不好、价格竞争

　　-远程教育-学历

　　-远程培训-证书、继续教育、职业技能、.....

　　-企业集团（跨省、跨国）内部网、虚拟网、....

　　-电子商务-ERP、CRM、.....

　　-智能大厦／智能小区信息／内容传递、镜像、接入

　　-股票信息-查询、辅导、交易

　　-大量数据传送电子邮包

　　●电视（和声频节目）直播及分配。

　　世界上有不少国家和地区，尤其在北美，卫星直播己成了卫星通信产业发展的龙头，不论是DBS、DTH都有很大市场。中国在经过20年的准备后，已具备独立发展有中国特色直括电视的条件，一旦政策明确，定能很快兴起。在直播星未发射
前，卫星作为电缆电视（CATV）的“头端”传输手段，也有很大的应用市场。在下一步点播电视（VOD）和数字电影院的网上节目传送，卫星通信也会有发挥作用之处。

　　●与地面通信系统及通信业务的有机综合。信息时代的特点之一是，功能多元化、边界模糊化。如前述，卫星通信必须与地面通信系统融合，互补，而用户要求的已不是单一功能，是综合服务，卫星通信的应用创新应在这方面多下点工夫。不应拘泥于只作为一种通信手段，而应向各方延伸出去，已经有很多卫星终端将以太网、路由器、交换机等做成了内置设备，也有准备将蓝牙、无线局网（802.11b／a）等内置到卫星终端中去，以延伸其作用范围。这种综合是可以““不拘一格”的，在不同级别、不同层次上应都有综合的可能。

　　●边远及农村卫星通信，从道理上说，农村和偏僻地区正是卫星通信发挥作用之地，难处在于市场运作不易，钱不好收。其实，西部大开发的总政策已经有了（大概念的西部包括了新疆、宁夏、青海、陕西、甘肃等西北五省，四川、重庆、云南、贵州、西藏等西南五省市，以及内蒙古和广西等，共12个省市，甚至湘西、豫西及鄂西等一部分少数民族地区也可划进去），资金、工程项目是会流向这些地方的，就看政策的灵活支持和运营方式上的创新了。国外和国内部已有了不少较成功的经验。西部大开发，多少资源有待勘测，多少地区有待测绘，多少乡村城镇的远程通信需要保障，多少文化娱乐节目需要传送，多少政策法规需要宣传，茫茫戈壁莽莽高原多少运输工具需要导航与定位管理，....卫星的各种应用正是其地、正是其时。

　　可见，在与其他通信手段的竞争中，在西部大开发的市场中，在进入WTO与国际通信产业的融合竞争中，需要卫星通信的技术创新，可能更需要卫星通信的应用创新，以期在市场的占领中促进卫星通信产业的发展。

摘自《中国电信网站》