0 引言

    從1964年在美國(guó)成立了國(guó)際通信衛(wèi)星組織INTELSAT，并于次年發(fā)射了第一顆商用通信衛(wèi)星（“Early Bird”）以來(lái)，衛(wèi)星通信技術(shù)及其應(yīng)用蓬勃發(fā)展，取得了巨大的成功。除了在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用以外，衛(wèi)星通信已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分：為人們提供豐富多彩的電視廣播和語(yǔ)音廣播，為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)尚未部署的偏遠(yuǎn)地區(qū)、海上和空中提供必要的通信，為發(fā)生自然災(zāi)害的區(qū)域提供寶貴的應(yīng)急通信，為欠發(fā)達(dá)或人口密度低的地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入等^[1]。

    衛(wèi)星通信與地面通信方式相比主要具有以下特點(diǎn)[^2-4]：(1)覆蓋范圍廣：地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星距離地面35 786 km，只需要三顆GEO衛(wèi)星就能覆蓋全球除兩極以外的所有區(qū)域；（2）通信系統(tǒng)容量大：衛(wèi)星頻率資源相當(dāng)豐富，能提供寬帶通信服務(wù)，并可方便地向更高頻段擴(kuò)展；（3）快速向市場(chǎng)提供服務(wù)：建立地面通信設(shè)施迅速，開展新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用周期短；（4）靈活性高：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立不受地理?xiàng)l件限制，無(wú)論是大城市還是偏遠(yuǎn)山區(qū)或是海島都可建立通信，且通信距離與成本無(wú)關(guān)；（5）災(zāi)難容忍性強(qiáng)：在自然災(zāi)害如地震、臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)仍能提供穩(wěn)定的通信；（6）通信鏈路傳輸時(shí)延大：信號(hào)在GEO衛(wèi)星與地面之間往返傳輸?shù)臅r(shí)間約為0.25 s，對(duì)時(shí)間敏感度高的應(yīng)用如語(yǔ)音通話會(huì)受到通信延遲的影響；（7）通信鏈路傳輸衰減大：通信鏈路傳輸距離很遠(yuǎn)，造成了信號(hào)衰減較大，且高頻段（如Ku/Ka頻段）易受雨衰、雪衰等不利天氣影響；（8）信號(hào)視距傳播：采用高頻段信號(hào)通信，傳輸易受障礙物影響。

    然而，長(zhǎng)期以來(lái)衛(wèi)星通信一直作為地面固定、無(wú)線或移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種補(bǔ)充通信方式^[5]。例如，早期的衛(wèi)星通信只是用在海運(yùn)領(lǐng)域，這是由于地面通信網(wǎng)絡(luò)受限于覆蓋范圍和技術(shù)，無(wú)法在海上提供服務(wù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)要想在與地面通信系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮出更重要的作用，還需要克服自身通信特性上的一些不足。例如：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層存在的傳輸時(shí)延長(zhǎng)、丟包率高及鏈路干擾等問(wèn)題，需要采用新的算法和協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行優(yōu)化，從而使衛(wèi)星通信適合于個(gè)人移動(dòng)通信和寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入；在物理層，由于衛(wèi)星通信的視距傳輸特性，限制了部分區(qū)域特別是繁華市區(qū)的用戶接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，需要采用新的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)推進(jìn)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面通信網(wǎng)絡(luò)的融合[6-8]。同時(shí)，信息通信技術(shù)的發(fā)展也促使我們從未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的角度來(lái)重新定義衛(wèi)星通信的作用。正如文獻(xiàn)[9]指出，未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)一定是全球“任何地方、任何時(shí)間”都無(wú)處不在，必須能為社會(huì)在緊急情況下提供必要的幫助，而且必須是穩(wěn)定可靠的。地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)受限于自身的局域覆蓋屬性，不能有效的滿足這些需求。因此，未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)需要構(gòu)建和融合兩個(gè)基本通信網(wǎng)絡(luò)：由地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成的局域網(wǎng)部分和由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成的全局網(wǎng)部分。在這種新的通信架構(gòu)下，衛(wèi)星通信將充分發(fā)揮其全球通信無(wú)縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)而發(fā)展成為主導(dǎo)地位，不僅僅只是地面移動(dòng)通信的輔助方式。

    近期，衛(wèi)星通信新技術(shù)的迅速發(fā)展和通信商業(yè)市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，極大地促進(jìn)了衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)和通信模式的創(chuàng)新發(fā)展，使當(dāng)前成為衛(wèi)星通信歷史上最活躍的時(shí)期之一。本文總結(jié)了衛(wèi)星通信近期發(fā)展的幾種新技術(shù)，介紹了當(dāng)前衛(wèi)星通信的頻譜資源使用情況，綜述了星地融合通信和衛(wèi)星寬帶通信，并展望了衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)。

1 衛(wèi)星通信新技術(shù)

1.1 多波束天線

    天線技術(shù)是衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于衛(wèi)星通信鏈路傳輸距離很遠(yuǎn)造成了信號(hào)衰減很大，例如，GEO衛(wèi)星的C頻段信號(hào)（3.4 GHz-4.2 GHz）的鏈路衰減通常在200 dB左右。為保證穩(wěn)定可靠的通信，需要地面站采用高增益天線和高靈敏度接收機(jī)，因此天線的尺寸和成本成為限制衛(wèi)星通信發(fā)展的嚴(yán)重障礙^[10]。早期采用甚小孔徑終端（VSAT，Very Small Aperture Terminal）技術(shù)來(lái)緩解這一問(wèn)題，天線系統(tǒng)由一個(gè)大型中心站與大量的小口徑天線終端站共同構(gòu)成一個(gè)星型網(wǎng)，利用中心站天線G/T值(天線增益對(duì)噪聲溫度比)高的優(yōu)勢(shì)來(lái)彌補(bǔ)小站天線因天線口徑小、增益低導(dǎo)致鏈路余量不足的弱點(diǎn)^[11]。然而，VSAT天線系統(tǒng)的靈活性不足，并且無(wú)法利用頻率復(fù)用技術(shù)來(lái)提高頻譜效率，衛(wèi)星通信天線的發(fā)展已經(jīng)轉(zhuǎn)向了多波束天線。     

    多波束天線（Multiple Beam Antenna）從2000年開始迅速發(fā)展，由于它能夠?qū)崿F(xiàn)高增益的點(diǎn)波束覆蓋，又能在廣域覆蓋范圍中實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，從而在衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。多波束天線與數(shù)字波束成形不同，它使用大量的點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)廣域范圍覆蓋，可用帶寬被分為很多個(gè)子波段，從而在大量空間獨(dú)立的點(diǎn)波束之間可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)子波段的復(fù)用，這與地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)相似，顯著地增加了頻譜利用率和衛(wèi)星通信容量^[12-13]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用多波束天線的主要問(wèn)題是相鄰波束之間的干擾^[14]，文獻(xiàn)[15-16]提出了幾種使用多波束天線的衛(wèi)星系統(tǒng)中使用頻譜分配技術(shù)來(lái)降低干擾的影響。

    多波束天線技術(shù)提高了轉(zhuǎn)發(fā)器的功率使用效率和頻譜資源利用率，是發(fā)展大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)和增強(qiáng)衛(wèi)星通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)。目前，多波束天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)（Inmarsat，Thuraya，ACeS，Iridium等），區(qū)域性直播星（DTV-4S，DTV-7S，Echostar-10，Echostar-14等），個(gè)人通信衛(wèi)星（ViaSat-1，Jupiter-1，Anik-F等）和軍事通信衛(wèi)星（WGS，MUOS等）^[17]。

1.2 星上處理

    傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星特別是GEO衛(wèi)星采用的是簡(jiǎn)單的彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器。近年來(lái)，用戶對(duì)高數(shù)據(jù)率傳輸和無(wú)縫覆蓋的交互式多媒體服務(wù)的需求快速增長(zhǎng)，促進(jìn)了寬帶通信衛(wèi)星的迅速發(fā)展，使得采用先進(jìn)的星上處理（OBP- Onboard Processing）、星上交換技術(shù)與現(xiàn)有的綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）和因特網(wǎng)的融合變得非常有必要^[18-19]，這極大地推動(dòng)了OBP技術(shù)的發(fā)展。

    OBP可分為再生式和非再生式兩種處理方式。再生式OBP是衛(wèi)星對(duì)接收的信號(hào)先在基帶解調(diào)解碼得到所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，然后對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行交換和重新合路，再重新將信號(hào)編碼調(diào)制為新的數(shù)字調(diào)制信號(hào)；非再生式OBP是衛(wèi)星對(duì)接收到的信號(hào)不進(jìn)行解調(diào)解碼而直接做相應(yīng)的信號(hào)處理。

    OBP最重要的作用在于支持星上交換，再生式OBP可在星上獲得各路信號(hào)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，從而能支持任何方式的交換，如ATM交換、IP交換或電路交換等。如果在星上實(shí)現(xiàn)了IP交換，則衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合將變得非常簡(jiǎn)單和方便^[10]，因而興起了星上IP交換研究與應(yīng)用的熱潮，許多原計(jì)劃采用ATM交換的衛(wèi)星通信系統(tǒng)都改用了IP交換，例如Spaceway、Astrolink、SkyBridge等^[3]。

    同時(shí)，OBP技術(shù)的使用增強(qiáng)了點(diǎn)波束天線的信號(hào)功率和方向性，從而減小了用戶終端的尺寸和靈敏度要求，使得用戶能夠使用小型且廉價(jià)的終端進(jìn)行通信，并可實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)（如多媒體視頻）。此外，由于OBP技術(shù)降低了衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)發(fā)射功率的要求，這將減小衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器非線性特性造成的不利影響并降低相鄰信道干擾^[20]。

2 衛(wèi)星頻譜資源

    現(xiàn)階段衛(wèi)星通信發(fā)展的主要限制因素是頻譜資源無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的新業(yè)務(wù)需求，造成了頻譜擁塞和衛(wèi)星干擾越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題。同時(shí)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)之間對(duì)頻譜資源的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。2015年11月，在日內(nèi)瓦召開的世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC-15，World Radiocommunication Conference 2015)決定，對(duì)于C、Ku或Ka頻段的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)中，還沒有完成全球統(tǒng)一的頻段將被納入新的WRC-19的議題，計(jì)劃將從中選擇適合的頻譜分配給未來(lái)的IMT/5G使用。2016年2月，在北京召開了國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線通信部門5D工作組（ITU-R-WP5D）會(huì)議，重點(diǎn)討論了5G通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻譜資源共存與分配問(wèn)題，5G系統(tǒng)在6 GHz以下的候選頻譜中，3 400 MHz-3 600 MHz和4 800 MHz-4 990 MHz與目前的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)之間存在一定的干擾問(wèn)題；在6 GHz以上的頻段將在2019年世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC-19)中展開討論。未來(lái)的地面通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信在高頻段的頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更加激烈。

    為了適應(yīng)不斷增加的帶寬和數(shù)據(jù)速率需求，衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要從目前普遍使用的C/Ku頻段(各有500 MHz帶寬)向頻率更高的Ka(2.5 GHz帶寬)、Q/V(各有10 GHz帶寬)甚至更高的頻段擴(kuò)展。近幾年，衛(wèi)星通信頻譜資源擴(kuò)展使用最廣泛的是Ka頻段，目前國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU，International Telecommunication Union)為Ka頻段的頻譜使用劃分為三段：17.3-17.7 GHz，17.7-19.7 GHz和27.5-29.5 GHz，詳細(xì)分配情況如表1。

    衛(wèi)星通信中使用Ka頻段與Ku頻段或其他較低的頻段相比，具有一些顯著優(yōu)勢(shì)。Ka頻段不僅具有更多的可用帶寬，而且與同類尺寸的低頻段天線相比Ka頻段天線具有更高的增益。Ka頻段的缺點(diǎn)是容易受到不利天氣的影響，嚴(yán)重的雨衰和雪衰會(huì)導(dǎo)致通信質(zhì)量大幅下降。因此，需要設(shè)計(jì)適合的地面通信系統(tǒng)和可靠的空中傳輸鏈路，通過(guò)調(diào)整通信系統(tǒng)參數(shù)如自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM，Adaptive Coding Modulation）可以減輕雨衰對(duì)通信造成的影響^[21-22]。

    目前，正在對(duì)40～60 GHz的EHF（extremely high frequency）頻段展開研究，探索該高頻段在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用^[23]。向更高頻段的頻譜擴(kuò)展推動(dòng)了寬帶衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，高通量衛(wèi)星（HTS，high throughput satellite）系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。HTS系統(tǒng)結(jié)合了頻譜復(fù)用和點(diǎn)波束天線技術(shù)，采用高階調(diào)制，使用超寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的帶寬和吞吐量，將大幅降低傳輸單位比特?cái)?shù)據(jù)的價(jià)格^[24]。

    盡管頻譜資源在不斷地向更高頻段擴(kuò)展，但有限的頻譜資源始終是限制衛(wèi)星通信發(fā)展的關(guān)鍵性因素?？梢灶A(yù)見，隨著越來(lái)越多的業(yè)務(wù)和應(yīng)用在Ka頻段廣泛使用，頻譜擁堵將使未來(lái)的Ka頻段的業(yè)務(wù)發(fā)展變得十分困難。HTS系統(tǒng)提供的高性能服務(wù)已經(jīng)受到Ka波段頻譜稀缺的影響^[25]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理與規(guī)劃將在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到重要的作用，為了進(jìn)一步提高衛(wèi)星頻譜資源利用率，一些研究者開始設(shè)計(jì)基于衛(wèi)星Ka頻段分配的認(rèn)知無(wú)線電^[26]，在干擾可接收的條件下允許衛(wèi)星通信以共享方式使用頻譜。

3 衛(wèi)星通信近期發(fā)展

    衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展得益于通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、通信設(shè)備制造水平的進(jìn)步和通信商業(yè)需求的不斷增長(zhǎng)?，F(xiàn)階段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在嘗試異構(gòu)網(wǎng)共存，提供多樣化的接入服務(wù)。未來(lái)的衛(wèi)星通信將不再只是地面通信系統(tǒng)的補(bǔ)充，而是與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和寬帶因特網(wǎng)的緊密融合。星地融合通信和衛(wèi)星寬帶通信將是近期發(fā)展的熱點(diǎn)。

3.1 星地融合通信

    地面通信系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)縫覆蓋”，在人口密度較低的農(nóng)村地區(qū)通常沒有足夠的蜂窩網(wǎng)，在海上和航空領(lǐng)域，更是無(wú)法通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。衛(wèi)星通信獲得成功的關(guān)鍵是它的廣域覆蓋和快速向市場(chǎng)提供新業(yè)務(wù)，在市場(chǎng)相對(duì)較小的海上和航空領(lǐng)域衛(wèi)星通信將長(zhǎng)期保持優(yōu)勢(shì)地位，但是對(duì)于市場(chǎng)龐大的陸地領(lǐng)域，如：固定、移動(dòng)通信和廣播業(yè)務(wù)，將取決于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)融合通信（星地融合通信）。衛(wèi)星通信新技術(shù)的發(fā)展，如多波束天線和星上處理等技術(shù)正在使星地融合通信成為現(xiàn)實(shí)^[27]。

    長(zhǎng)期以來(lái)，由于地面蜂窩移動(dòng)通信能夠提供可靠且價(jià)格合理的服務(wù)，而衛(wèi)星通信所需要的視距傳播在市區(qū)難以保證，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和自身通信特性的限制導(dǎo)致移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)普及率很低。在21世紀(jì)初，為了克服上述的一些問(wèn)題，并幫助衛(wèi)星通信進(jìn)入主流市場(chǎng)，衛(wèi)星通信運(yùn)營(yíng)商成功得到了電信管理部門在世界許多地區(qū)組建星地融合通信網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)，通過(guò)增加地面部分?jǐn)U展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，開啟了真正無(wú)所不在的衛(wèi)星通信，從而徹底改變了移動(dòng)衛(wèi)星通信^[5]。美國(guó)的FCC（Federal Communications Commission）和歐洲的European Commission已經(jīng)授權(quán)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商增加地面輔助基站（ATC，Ancillary Terrestrial Component）到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。星地融合通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)綜合利用地面蜂窩移動(dòng)通信（頻率復(fù)用和非視距傳播的特性）和衛(wèi)星通信（廣域覆蓋范圍的特性）雙方的共同優(yōu)點(diǎn)。例如，可以利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和地面4G網(wǎng)絡(luò)的高效性，來(lái)為自然或人為災(zāi)害提供應(yīng)急通信^[28]。典型的星地融合通信網(wǎng)絡(luò)如圖1。

    星地融合通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)充移動(dòng)衛(wèi)星通信的覆蓋盲區(qū)、增加衛(wèi)星通信容量、實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的數(shù)字通信。從通信發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)5G通信的發(fā)展應(yīng)該是多層次的異構(gòu)網(wǎng)，包括地面蜂窩2G/3G、4G、陸地LAN（Local Area Networks）、地面廣播和衛(wèi)星通信網(wǎng)。星地通信網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵是衛(wèi)星通信和地面通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)之間的協(xié)作，從而使得系統(tǒng)獲得最佳的使用效率和用戶體驗(yàn)。

    同時(shí)，星地融合通信系統(tǒng)也面臨著一些挑戰(zhàn)：

    (1)無(wú)縫切換：通信網(wǎng)絡(luò)融合的基本需求就是在移動(dòng)衛(wèi)星通信和地面通信網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的切換機(jī)制必須考慮衛(wèi)星通信和地面通信系統(tǒng)在發(fā)射功率和傳輸時(shí)延之間的差異。文獻(xiàn)[29]提出了自適應(yīng)切換算法，通過(guò)估計(jì)衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡(luò)接收的信號(hào)強(qiáng)度降低到預(yù)設(shè)門限的概率，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。

    (2)通信兼容：兼容性要求同一設(shè)備能在衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡(luò)中通用，需要重新設(shè)計(jì)空中接口和兩者的物理層，從而保證用戶終端具有相同的使用頻率和基帶芯片^[30]。

    (3)干擾：干擾是星地融合通信網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題之一，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部或衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間可能存在著干擾。最嚴(yán)重的干擾是地面用戶使用相同的上行頻率傳輸?shù)竭_(dá)衛(wèi)星，星地融合通信運(yùn)營(yíng)商需要同時(shí)在空管基站和衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)中采用干擾消除技術(shù)^[31-32]。此外，設(shè)計(jì)優(yōu)化的頻譜管理策略，提高衛(wèi)星部分和地面部分的頻率復(fù)用效率，也是降低星地網(wǎng)絡(luò)之間干擾的有效方法。

3.2 衛(wèi)星寬帶通信

    對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)接入而言，衛(wèi)星通信通常被作為傳統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)（如3G、電纜或ADSL）無(wú)法為用戶提供服務(wù)情況下的一種補(bǔ)充通信方式^[33]。近幾年來(lái)，通信行業(yè)對(duì)高數(shù)據(jù)率傳輸業(yè)務(wù)和寬帶多媒體應(yīng)用的需求空前增長(zhǎng)，同時(shí)衛(wèi)星通信技術(shù)快速發(fā)展，如多波束天線、星上處理、頻譜復(fù)用技術(shù)，尤其是新的TCP版本和改進(jìn)的TCP加速機(jī)制，顯著提高了基于衛(wèi)星鏈路的TCP性能^[34-36]，使衛(wèi)星寬帶通信成為現(xiàn)實(shí)。

    隨著寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和空間組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)逐漸從地面網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到空間網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信逐步進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)代?？臻g網(wǎng)絡(luò)是以同步或中低軌道衛(wèi)星等空間平臺(tái)為載體，通過(guò)一體化互聯(lián)網(wǎng)支持實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理大數(shù)據(jù)，為用戶提供更大范圍和更高質(zhì)量的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。Google公司于2014年宣布將投資10億美元發(fā)射180顆低軌小衛(wèi)星，提供互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；近期，OneWeb公司啟動(dòng)世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，將發(fā)射648顆衛(wèi)星建立一個(gè)覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，后續(xù)還將發(fā)射2 400顆衛(wèi)星，以提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

    目前正在應(yīng)用的典型衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)是國(guó)際海事衛(wèi)星公司（Inmarsat）的Global Xpress全球移動(dòng)衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)[37]。Global Xpress是世界第一個(gè)商用高速寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行在Ka頻段，由三顆GEO衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星提供89個(gè)Ka點(diǎn)波束。從2013年12月發(fā)射第一顆衛(wèi)星Inmarsat-5 F1到2015年8月成功發(fā)射第三顆衛(wèi)星Inmarsat-5 F1以來(lái)，Global Xpress的三顆衛(wèi)星提供全球超過(guò)99%覆蓋區(qū)域的高速移動(dòng)寬帶通信業(yè)務(wù)。Global Xpress在容量、吞吐量、用戶終端成本和通話費(fèi)用方面有了顯著的改善。系統(tǒng)使用Ka波段（2.5 GHz可用頻譜資源），是Ku波段帶寬的5倍，通過(guò)60 cm小終端支持下行高達(dá)50 Mb/s和上行5 Mb/s的高數(shù)據(jù)率[38]，前向鏈路采用了TDMA接入，回傳鏈路采用了自適應(yīng)調(diào)制和編碼，以及采用了功率控制和分集技術(shù)等來(lái)彌補(bǔ)衰落造成的影響，提高了信道利用率。

    通信技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平雖然有顯著的提升，但寬帶通信的普及程度還相對(duì)比較薄弱。ITU在2015年9月份公布的研究報(bào)告顯示^[39]，地球上仍有40億人無(wú)法接入互聯(lián)網(wǎng)，其中90%人口生活在發(fā)展中國(guó)家。工信部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明^[40]，截至2015年8月底，我國(guó)尚有約5萬(wàn)個(gè)未通寬帶網(wǎng)絡(luò)的行政村，農(nóng)村寬帶家庭普及率比城市地區(qū)低約40個(gè)百分點(diǎn)。構(gòu)建衛(wèi)星寬帶通信網(wǎng)絡(luò)有望改變這一局面。由于衛(wèi)星通信具有廣泛的覆蓋范圍，較高的成本效率尤其是在低或中等的人口密度的區(qū)域和快速提供通信服務(wù)，可以預(yù)見，衛(wèi)星通信系統(tǒng)將擴(kuò)展高質(zhì)量的電信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，在全球?qū)拵ㄐ欧?wù)中發(fā)揮重要的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

    衛(wèi)星通信技術(shù)近期發(fā)展的關(guān)鍵是高效的功率利用和帶寬調(diào)制、傳輸鏈路的自適應(yīng)編碼調(diào)制、完善突發(fā)性業(yè)務(wù)接入技術(shù)、資源預(yù)留算法、星上處理、網(wǎng)絡(luò)融合和低成本移動(dòng)終端，從而確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩系統(tǒng)的無(wú)縫融合，提供穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星寬帶通信服務(wù)，同時(shí)有效地利用衛(wèi)星軌道和頻譜資源。

    衛(wèi)星通信在未來(lái)信息通信系統(tǒng)中的發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，衛(wèi)星通信的無(wú)縫覆蓋和大容量的優(yōu)勢(shì)將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，其發(fā)展前景非常具有吸引力。同時(shí)，衛(wèi)星通信也面臨著很大的挑戰(zhàn)。例如，衛(wèi)星軌道和頻譜資源正越來(lái)越緊缺、衛(wèi)星干擾越來(lái)越頻繁、通信網(wǎng)絡(luò)融合中高效切換技術(shù)和頻譜分配策略需要進(jìn)一步的完善、衛(wèi)星寬帶通信中的帶寬管理和服務(wù)質(zhì)量控制等。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)也需要重新考慮如何增強(qiáng)交互性、動(dòng)態(tài)性、情景感知以及網(wǎng)絡(luò)融合效率等方面問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] PELTON J N.Overview of satellite communications[J].Progress in Astronautics and Aeronautics，2003，202：1-18.

[2] RODDY D.Satellite communications[M].McGraw-Hill Prof Med/Tech，2006：46-57.

[3] LUTZ E，WERNER M，JAHN A.Satellite systems for personal and broadband communications[M].Berlin：Springer，2012：68-80.

[4] EVANS B G，THOMPSON P T，CORAZZA G E，et al.1945-2010: 65 years of satellite history from early visions to latest missions[J].Proceedings of the IEEE，2011，99(11)：1840-1857.

[5] SADEK M，AISSA S.Personal satellite communication：technologies and challenges[J].Wireless Communications，IEEE，2012，19(6)：28-35.

[6] AKYILDIZ I F，AKAN  B，CHEN C，et al.InterPlaNetary Internet：state-of-the-art and research challenges[J].Computer Networks，2003，43(2)：75-112.

[7] CAINI C，CRUICKSHANK H，F(xiàn)ARRELL S，et al.Delay-and disruption-tolerant networking(DTN)：an alternative solution for future satellite networking applications[J].Proceedings of the IEEE，2011，99(11)：80-97.

[8] TALEB T，HADJADJ-AOUL Y，AHMED T.Challenges，opportunitiesMand solutions for converged satellite and terrestrial networks[J].Wireless Communications，IEEE，2011，18(1)：46-52.

[9] CORAZZA G E.The integral satCom initiative towards FP7[M].Satellite Communications and Navigation Systems.Springer US，2008：629-632.

[10] 易克初，李怡，孫晨華，等.衛(wèi)星通信的近期發(fā)展與前景展望[J].通信學(xué)報(bào)，2015，36(6)：17-33.

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