推进中的宽带数据卫星通信

推进中的宽带数据卫星通信
    摘要：宽带数据卫星通信作为宽带地面通信的有益补充，实现的关键技术有高增益
点波束天线、星上处理和交换及内部星间链路等，可以选择低轨道卫星系统或同步卫星
系统。虽然面临来自技术、管理、商业等方面的挑战，但其市场依然被业内人士看好，
其业务有着光明的发展前景。
    关键词：宽带通信  卫星数据通信  多媒体通信  同步卫星通信  低轨道卫星通信
    宽带数据卫星通信又称为天基多媒体通信或宽带卫星通信，是利用卫星作为中继站
转发高速率宽带业务数据，在两个或多个地球站之间进行的通信。宽带卫星通信不仅是
对宽带地面通信有益的补充，而且较之宽带地面通信具有其独特的性能和优势，诸如通
信距离远、覆盖范围广、机动灵活、通信线路稳定可靠、传输质量高等特性。
    宽带数据卫星通信出于管理、技术和商业等方面的考虑，选择了Ka频段。
    宽带卫星或多媒体卫星是指使用星上处理和交换，并对地球站提供双向业务，且地
球站的天线尺寸可以与当前的卫星电视直播接收天线相比拟的新一代通信卫星。星上交
换能力使得这类卫星像数字公用电话网一样运行，并按照用户的需求提供带宽和准实时
访问，用户按传输的时间和速率付费。用户之间实时共享多媒体卫星，有可能提供较低
价格、便于接入的访问。
    一、宽带卫星通信的关键技术
    使宽带卫星特性得以实现的关键技术是高增益点波束无线、星上处理和交换，以及
在某些场合的内部星间链路。
    高增益的点波束天线是必须的，因为多媒体卫星提供的业务通常操作在点对点状态
下，而这样的业务一般都要求较高的带宽。如同地面蜂窝网一样，每个点波束仅覆盖一
个小的区域，采用频率复用技术以提高频谱的使用效率。点波束卫星天线也提供较高的
增益，从而减少了用户终端天线和发射机的尺寸。尺寸小而增益高的点波束也适应通信
分布不均匀的客观情况，可以将宝贵的卫星功率资源集中到通信量密集的地区。对于多
点波束的卫星系统，星上数字处理和交换是必不可少的，它将上行链路的源信息包引导
到目标点波束的下行链路。等同于地面电信网中继线的内部星间链路也要求星上数字处
理和交换，以集结和分配来自各个点波束的信息。星上数字处理还有一个好处，它使上
行和下行链路的链路余量相互独立，这样，为降低雨衰而采用的技术只在需要的时候有
选择地用于特殊波束中的用户。内部星间链路减少了信息包从源用户到目标用户的传输
延迟，从而改善了业务质量。内部星间链路的使用也减少了卫星与地面站之间的通信量，
改善了频谱使用效率。星间光通信以其容量大。不需要ITU协调等优势，在多媒体卫星通
信系统中将得到广泛的商业应用。
    低轨道系统有Teledesic系统、Sky Bridge系统等，同步轨道系统以洛克希德·马丁
（Lockheed Martin）公司的Astrolink系统为代表。
    二、宽带卫星通信面临的挑战
    宽带卫星通信将面临来自技术增理、商业诸方面的挑战。
    1．技术挑战
    建议中的多媒体卫星系统面临诸多的技术挑战和技术折中方案，许多技术决策强烈
影响市场，反过来，市场又牵制技术决策。这也是许多系统一再推迟建造时间的主要原
因。
   （1）基本的系统设计
    在向电信管理部门或ITU提出申请之前必须要做的最基本的决策有：低轨道系统还
是高轨道系统，或是混合轨道系统；采用“弯管”式还是采用星上处理；全球覆盖还是
区域覆盖；以及卫星天线的覆盖范围。
   （2）卫星和系统设计
    计划中的大部分系统将采用星上处理和交换，以提高频谱和卫星资源的使用效率。
这种有效载荷的复杂程度高于传统的“弯管”式卫星有效载荷数个量级。据悉，铱系统
有178种专用集成电路，平均每种12.5万门，而正在研制的Ka频段系统其处理器比铱系
统的处理器复杂100－1000倍。确定联机数字处理器的前提条件是首先确定整个系统的
网络结构，然后在空间和地面单元中分解网络功能。数字处理器的结构和复杂性对有
效载荷的质量、功率和散热要求有直接影响，而这些要求又对诸如波束的数量和尺寸、
卫星发射机功率，以及卫星和火箭成本有直接影响。所有这些又都影响卫星容量和经
营收益。系统的复杂程度及系统设计与市场定位和应用定位的相互关联和取舍，对最
终的系统设计来说是最重要的因素。
    （3）系统可用率
    系统可用率是一个重要的系统参量。已公布的大部分系统都申明系统可用率大约
为99.5％，对应的系统中断时间为每周50 min。某些非同步轨道卫星系统声称可用率
为99.99％。可用率完全依赖于用户终端对卫星的仰角、用户终端所处的季节和雨区。
系统设计者要综合考虑市场对系统技术性能、系统成本和运营效益的要求，以实现优
化的设计。需要综合考虑的因素包括：链路数据速率、缓解雨衰技术的使用、链路编
码复杂性、终端发射机功率和天线尺寸、卫星天线波束尺寸和覆盖、卫星发射机功率
和卫星覆盖区等。
    （4）用户终端
    系统几乎所有的功能都要靠终端来表现，因此，卫星通信系统的策划者们无一例
外对用户终端的设计。研制煞费苦心。
    任何卫星业务的终端天线尺寸都是非常重要的，也是Ka频段所具有的吸引力之一。
在Ka频段频率下，为获得与C，Ku频段天线同等的增益，天线尺寸分别为C和Ku频段天
线的20％和61％。实际上，用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制
于抑制来自其他系统干扰的能力。相邻同步轨道卫星系统之间的轨道间隔以及用户终
端天线的波束宽度和旁瓣电平，决定了其他系统对用户终端的干扰电平和用户终端对
其他系统的干扰电平。对于同步轨道卫星当前执行的轨道间隔“标准”和典型的终端
发射机功率，最小天线直径在60cm左右。
    另一个影响多媒体卫星终端成本的因素是发射机部分。从安全、使用寿命和价格
的观点考虑，固态发射机是理想的选择。然而，目前Ka频段固态功率器件只有见瓦的
射频输出功率，生产数量少，价格居高不下。适合Ka频段的诸如行波管、速调管的真
空管器件本身价格高，而且需要昂贵的高压电源供电。
    Ka频段天线窄波束要求对卫星有十分精确的指向，并在出现风雪天气或易地安装
的情况下仍能校准指向。
    终端制造商无疑希望用户终端采用标准化设计，终端元器件可以通用，这样可以
降低成本。可是计划中的每个系统都开发了各自的空间接口，出于竞争的压力也阻碍
了联合开发。几个卫星移动通信系统的用户终端就五花八门。
    （5）网络控制
    网络控制对系统设计者提出了几个挑战。同步轨道卫星系统必须重点处理传播延
迟的问题，必须有足够的缓冲能力处理导致系统瞬间过载的资源拥挤。
    非同步轨道卫星系统必须处理由于地基终端与卫星相对位置的变化而导致的路由
变化。虽然非同步轨道卫星系统的传播延迟较之同步轨道系统小，但是，其延迟量可
能在较大范围内变化，从而引起某些应用的服务质量下降。在从一个优化路由转移到
另一个优化路由时，需要足够的缓冲以避免信息包丢失。
    网络控制功能也包括授权用户的认证、网络资源的分配和管理、服务质量的保证
等。
    （6）与地面网络的互操作性
    为了实现建立全球信息框架和最大可能应用的许诺，卫星网络必须与地面网络无
缝连接和互操作。与地面网络互操作意味着支持现有的传输协议标准、信令和地址标
准、多址方式以及服务质量保证体系。
   （7）系统安全
    覆盖范围广的卫星系统，特别是像卫星移动通信和宽带卫星通信这类系统在设计
和测试时必须对系统安全有足够的重视，要有拒绝可能的非授权用户进入的措施，要
能检测。定位、控制这样的入侵者。数据安全必须有当地法律允许的高级密码保护。
    2．管理挑战
购通信系统类似，主要是频谱可用性、与其他卫星网络以及地面蜂窝多媒体业务的协
调，以及遵守各国电信管理的有关规定。
   （1）频谱可用性
    就在几年前，分配给卫星使用的每个方向（空到地和地到空）3.5GHz的Ka频段还
被认为是没有充分利用的一个频段，如今，情况和发生了很大变化。各国管理部门和
ITU已将这个频段的～部分留给其他的应用，包括卫星移动通信业务中的信关站馈电
链路、地面蜂窝多媒体业务以及军用卫星。这个频段已经被分割为同步轨道卫星频段
和非同步轨道卫星频段，以避免这些系统相互干扰。分配频率的要求猛增而引起的频
率短缺的状况将进一步恶化。
   （2）与其他卫星网络的协调
    随着向ITU提出申请的Ka频段卫星不断增加，它们与其他卫星网络的协调已经变得
越来越困难。按照ITU目前的规定，它们必须与所有卫星系统进行协调，不论与之协调
的卫星是已有的系统，还是出于占领轨道位置而申请的“纸上”卫星。
    （3）所在国有关规定
    任何全球性的系统必须争取所在国法律、法规的支持，以便向该地区提供业务。
这包括获得必须的落地权，获得符合当地安装和安全要求、符合当地制造和进口关税
要求的卫星终端的使用许可。另外，经营者必须遵守当地对国际通信的监视和控制的
规定，包括对数据加密的使用限制和跨边界使用控制。最后，可能还会有征税的税率
方面的限制，目的在于保护当地的电信行业。
    3．商业挑战
    多媒体卫星系统的推动者面临的商业挑战是：如何降低计划风险，准确地定位市
场并优化系统设计，保证充足的资金。
    降低计划风险的途径，一是减少系统成本以降低所需的投资，包括加快计划的进
度以缩短进入市场的时间；二是设计的系统尽可能灵活，以便能够适应需求的变化和
新的市场；三是尽量降低系统的复杂性，使系统及早投入使用；四是用一些容量小的
“早入”系统对市场作测试。所有这些途径都必须针对技术风险进行综合考虑。
    用户终端的价格对于多媒体卫星系统能否被用户接受，特别是在消费者市场中能
否被接受具有至关重要的影响。用户终端必须可靠，使用灵活，易于安装和启动，界
面友好，外观也要十分考究。商业和集团用户除了有上述要求外，还要求向其所在地
的网络提供无缝连接，系统接入和数据保密也是他们关心的事情。
    三、宽带卫星通信前景可观
    1．应用前景
    宽带卫星通信将以提供交互式双向多媒体业务而被广泛应用，典型的应用将包括
（但不限于）：Internet访问，多媒体分配（诸如按需向商业。集团用户或家庭提供
数字影视、数字音频广播、宽带数据流等），多个地点的电视会议，电子商务和金融
交易，远程医疗及家庭健康咨询，远程教育及远程学习，E－mail和影像E-mail，抢
险救灾，家庭购物及家庭银行业务，游戏和娱乐，可视电话，数据库同步和修改、软
件升级，资料查询和新产品信息传播。
    2．市场前景
    据国外权威咨询机构预测，在未来10年内，地球同步轨道上Ka频段转发器的数量
将增加10倍以上，总数将超过2000台，非同步轨道上Ka频段转发器的数量将接近400台。
到2005年，宽带通信业务的用户可能达到4亿个，包括地面和卫星在内的多媒体市场估
计为年收入7150亿美元。现有的以及正在计划中的地面网络将无法满足这个期间的市
场需求，这就为多媒体卫星系统带来了难得的商机和发展空间。该机构还预测，多媒
体卫星系统的市场份额在5%-10%，2005年将达到年收入375亿美元。更为乐观的估计是，
2005年多媒体卫星市场的年收入将达到2000亿美元左右。
    业内人士普遍看好宽带数据卫星通信市场，对市场前景持乐观态度。宽带卫星系
统与地面系统既相互竞争，又相互补充、融合和依存。从竞争的角度来看，宽事业卫
星通信在整个电信市场特别是包括地面和卫星在内的多媒体市场中到底能够占到多大
的份额，取决于宽事业数据卫星系统经营者们推进这项跨世纪工程的力度，以及他们
在面对市场、管理和技术诸方面挑战所采取的对策。但不管怎么说，宽带数据卫星通
信具有良好的发展前景。