转载一片文章：卫星系统新技术在中国的应用发展

一声叹息

卫星系统新技术在中国的应用发展(一)
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Cww.net.cn 2003年10月16日 16:31 c114
陈如明 信息产业部无线电管理局
　　摘要 本文集中于卫星系统新技术层面，并结合市场导向下的技术驱动重要性，在回顾卫星轨道／频谱资源规划相关重要进展基础上，重点论述现代卫星系统新技术及其在中国的应用机遇和发展策略考虑。
　　关键词 宽带卫星系统 通用宽带无线接入 第三代移动通信 2G/2.5G/3G/3G+/4G
1 引言
　　进入21世纪的信息全球化及全球巨大的个人多媒体通信流量与无缝隙覆盖需求，注定无线宽带手段，包括各类卫星手段，将会发挥愈来愈重要的战略作用。
　　卫星系统具有以下特征与重要作用：唯一的三维无缝隙覆盖能力；独特的灵活性与普遍服务能力；宏大区域的可搬移性与可移动性；广域复杂网络拓扑构成能力与广域Internet交互连接能力；特有的广域广播与多播能力；对国际／区域／本地连接距离的不敏感性；较低的初期投入与快速财务回收；对应急救灾及宽带系统备份与故障抢救的快速灵活与安全可靠方面的独特能力等。
　　卫星系统可用于开发创建一系列产业领域，诸如DBS／DTH／DAB/DVB-IP、GPS／RNSS/GIS、VSAT／USAT等；广泛的应用、服务领域，诸如国际／区域／本地固定／移动通信、DBS／DTH／DAB广播、GPS／RNSS／RDSS导航定位、GMDSS安全与应急援救、远程教育与远程医疗、卫星遥感与地球探测、气象及地震预报以及包括工业、农业、渔业、林牧、安保、军事、科学研究、新闻报导、航空、海事和环境等各行各业。
2 宽带无线演进中的重要互补支持作用
　　关于通用无线接入的详细讨论可见参考文献。通用无线接入包括地面移动接入（属地面移动业务范畴）及地面固定无线接入（简称为FＷA,属地面固定业务范畴）和卫星接入（SA，相应卫星移动接入属移动卫星业务MSS范畴）。无线接入按其网络带宽通常分为三类，一类为窄带（Narrowband）接入，其携载业务的每用户比特速率常≤64kbit/s；第二类为宽带（Wideband）接入，每一信道载波可提供高达2Mbit/s的比特速率；第三类为宽频带（Broadband,有时亦称广带）接入，主要针对多媒体业务传输需求,每一信道载波传输速率可>2Mbit/s。实际上我们往往习惯将Wideband与Broadband无线接入统称为宽带无线接入。
　　卫星接入是通用无线接入的重要组成部分。近些年来，卫星接入被人们轻视与冷漠的主要原因与GMPCS系统在原先过份炒作基础上的严重失利密切相关。WRC-９７大会上LEO／MEO／GEO卫星移动与卫星固定业务被炒得火热，而事隔三年，随着Iridium系统的破产惨败，尔后ICO、Globalstar以及Orbcommm等大、小MEO／LEO系统均相继陷入相当困难的处境。此情况决非偶然，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，其根本问题是如何处理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卫星业务与地面业务的有机综合。
　　但是，归根结蒂，卫星通信在构筑全球信息高速公路征程中的独特战略地位与作用，任何有识之士均不会忘却,卫星业务在WRC-2000大会上依然获得密切关注。而且作为固定接入的GEO FSS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。目前看来，采取快速剪裁市场需求的现代GEO卫星系统设计的思路较为可取，例如，可瞄准宽带IP业务市场，以带宽处理能力较强的、传播环境相对较好的C／Ku频段为轴心，消除使用星上处理、星际链路及低轨／中轨多星座高风险技术，星上仍采取适应动态业务演变较灵活的透明弯管式、地面控制星上转发器交叉连接这一基础传输模式，借助多点蜂窝波束频率再利用进一步提高其频谱利用效率，并可采用星上波束发射功率控制，以适应传输条件的动态变化影响。在地面段采用高效率编码与调制技术以增加功率／频谱利用效率和降低天线尺寸、功耗及硬件成本；对每波束载波进行动态调制与编码参数调整以动态控制功率／带宽资源分配利用；采用新的网络协议及管理手段进一步实现多用户共用同一频带时的动态带宽管理及优化Internet不对称与突发数据特性的带宽利用效率。从商业市场模式考虑与地面互补，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。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网及农村边远服务，可望帮助服务商从零售服务中获得可观的利润。
　　卫星通用无线接入可包括宏大区、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。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。
　　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，可以肯定地说，宽带卫星在未来全球个人多媒体无缝隙覆盖连接，在实现广域覆盖的普遍服务等方面将会发挥出愈来愈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，以及全球／区域／国内的WWAN、WMAN、WLAN、WPAN等各类不同覆盖域尺寸、不同频段网络的紧密综合，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，宽带卫星系统通常具有比宽带地面系统更高的技术难度与更深的技术内涵。如众所知，由于固定无线接入比移动通信场合容易操作，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IP QoS的物理层、MAC层、会聚层及应用层方面有效的协议处理往往首先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。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。
3 现代卫星系统新技术
　　(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。而且，对未来多频段、多模式通用宽带无线接入综合业务运行场合，频谱／轨道资源管理的广宽地域分布、可延展性及充分灵活的特征必将导致分布式的智能代理型的新的多维智能资源管理要求。
　　(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。借助自适应智能天线覆盖及软件无线电控制的智能化频谱、轨道资源管理，一方面可实施频谱、轨道资源动态协调及时空等多维处理运作，同时，借助自适应智能化调整发射功率、调制方式、带宽资源等进一步优化空中接口参数及优化无线IP QoS控制参数，从而使频谱、轨道等资源可进行更合理的有效协调，包括多层平台联合动态调整参数的智能运作在内，以大大提高资源的利用效率。
　　（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分布智能天线技术，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，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3G TD-SCDMA方案的核心技术，目前正扩展成TDD、FDD全面开发应用。研制开发出稳定性、快速收敛性等性能优良的控制算法是其关键, 应特别注意探讨TDD及FDD模式下双向智能天线运作的系统结构与优良算法。对L/S频段及Ka之类高频段蜂窝结构覆盖的星上天线的智能控制、空中结构展开以及经济的自适应大范围调整覆盖能力等是实现系统有效频率多重再利用与适应性剪裁市场需求、提高竞争力的重要途径。
　　（4）软件无线电与软件定义的无线电技术
　　中频处理的软件（定义的）无线电技术将逐步成为现实，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经济效益。新一代宽带无线系统用户实现成本量级水平的降低及系统结构的灵活变更，很大程度上是期望在统一硬件平台基础上的软件无线电的有效支撑。广泛借助DSP器件及相应合理设计的系统结构，推广软件（定义的）无线电技术应用，可使卫星通信设备，特别是地面段设备更灵活、小巧、稳定、可靠。另外，还应积极研究向快速综合实时处理迈进的DSP技术与算法，由软件定义的无线电向射频处理的真正软件无线电技术迈进。
　　（5）现代编码 / 调制及编码调制技术
　　这是在语音及数据传输状态下大幅度提高功率/频谱效率的又一重要途径。应重视小于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;多路语音压缩倍增系数达10～16倍以上的DCME/PCME等各类数字电路倍谱技术;优良性能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，在第三代移动通信、无线LAN、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均将有广泛的应用。
另一方面联合M-QAM运作的自适应（x）-OFDM（y）方式（诸如C-OFDM、W-OFDM、V-OFDM、F-OFDM及OFDMA等）值得注意，它具备宽带运行时的优良抗色散能力及波形成形能力，可实现非（直）视距离(N-LOS)方式传输，包括与未来多载波宽带CDMA组合运行，对现实工程装备实施及对宽带无线接入和宽带移动通信新一代运作很有吸引力，而且QPSK/8PSK/16QAM/64QAM/（x）-OFDM（y）多调制方式自适应可变运作，对自适应覆盖可调或传输性能自适应控制有很好的可实现能力。应该指出，以IP为平台基础的Shin卫星系统即拟采用Turbo码及OFDM技术，以有效提高其容量处理能力。
　　（6）卫星人工神经网络技术及自适应信号处理与统计检测技术
　　卫星通信中有大量自适应控制技术的用武之地，包括大时延闭环状态下的自适应控制技术、卫星人工神经网络自适应控制技术、自适应信号处理与统计检测以及非线性自适应学习与均衡技术等。对恶劣传输环境中的自适应处理应特别注意其优良性能的快速盲算法，以及相应自适应非线性处理及降低状态数与复杂度的实用软判决最佳/次最佳序列检测等高级检测处理技术和有效处理市场剪裁要求的自适应覆盖技术等。
　　（7）多媒体综合业务传送的多层次综合业务工作平台技术
　　尤其当考虑与MSS及地面业务无缝隙覆盖综合时，这种设计哲理显得更为重要，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。　　（8）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、以及有效地组合“推”、“拉”技术的卫星CDN（内容分配网络）平台技术，以实现恶劣时延环境下IP为基础的网络的高速多媒体在线高质量连续传送。
　　(9) 软交换技术
　　这是使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；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网络构成很有吸引力。
　　(10) 适应IP或全IP为基础的新应用协议与算法的研究和开发
　　由于TCP／IP并非为卫星通信所设计，难以直接按此控制好用户端对端的QoS性能。为使以IP为基础的卫星Internet网络之间及与地面Internet网络一道取得更优良的传输效率与吞吐性能，深入研究各种应用协议与算法有重要意义。由于卫星系统，特别是GEO卫星系统，有长的传输时延，单跳往返时延（RTT，Round Trip Time）约为2×270＝540 ｍｓ，它对按TCP／IP协议确定的由其所谓管道（Pipe）效应引起的数据重发和吞吐量、吞吐率受限（吞吐率=吞吐量/相应传输带宽中所传输的原始数据速率，若吞吐量等于此数据速率，则吞吐率为最理想，即100％）有明显的影响。根据Internet活动委员会（IAB）制订的标准RFC 1072（Request For Comment 1072）中的定义，其数据管道＝RTT×数据传输速率，数据管道中任何一个数据包丢失均将导致数据重传，将严重影响其实际最大数据吞吐量（Throughput）即其最大数据传输速率，而最大数据吞吐量＝最大接收窗口／RTT，因此RTT及最大接收窗口大小均直接影响最大吞吐量及最大吞吐率的大小。对于往返时延RTT大且传输速率及传输带宽高的信道即称为“长－宽信道”（Long-Fat Channel），上述GEO宽带卫星信道即为典型的“长—宽信道”，对TCP／IP卫星系统不加以协议扩展改进，将会产生严重的管道效应，影响其吞吐性能。
　　因此，首先必须对TCP/IP协议进行一系列的扩展改进, 例如：可由帧结构改进、选择性ARQ、慢启动后的时迟ACK、选择性ACK、前向ACK、ACK拥塞控制、TCP报头压缩、ACK压缩与紧凑化、窗口尺寸设计等入手, 对此，Internet工程任务组（IETF，Internet Engineering Task Force）已提出了一些扩展建议，即如RFC 1323（“Long-Fat”Channel，Big Window Long Buffer，以克服长时延、大带宽／高容量时的TCP传输瓶颈），RCF 2018（SACK, Selective Acknowledgement ,以改进长时延、大窗口、高误码时的传输效率），RFC 2001及2518（TCP Congestion Control，Slow Start,Congestion Avoidance,Fast Retran-smit,Fast Reco-very等, 以实现动态信道有效利用及改进卫星信道非对称性引起的性能起伏等）；也可采用欺骗（Spoofing）之类TCP/IP协议变换形式的网关技术, 可使吞吐性能获得数倍的改进，如此等等, 均属一些较典型的改进IP卫星网络QoS性能的有效途径。当然，这些改进工作还在进一步深化与发展，包括在第三层、第四层直至更高的应用层，以达到IP卫星网络与 IP地面网络综合运行时的更满意的QoS控制。当然，涉及与地面系统的集成，包括新一代移动通信与无线接入，无疑 WAP、c-HTML/x-HTML、MSS IP OVER MPLS 以及Bluetooth等与个人连接和接入协议等相关的协议与算法亦均十分关键。
　　(11) DVB-IP及安全技术
　　众所周知，Internet是卫星通信进一步发展的重要源动力，而DVB-IP则是卫星宽带多媒体业务发展的重要途径。DVB (数字视频广播)是欧洲尤里卡计划的一部分，为发展数字电视DTV业务而确定的一种标准，起源于20世纪９０年代初，由欧洲广播用户设备制造厂商和ELG（European Launching Group）论坛推进而建立，相应国家和组织可自愿参加，后即成为目前的DVB计划，至2001年初，DVB计划已包含了30多个国家与220多个组织，实际上已成为一种全球标准。DVB标准一般又细分为针对卫星传输的DVB-S、针对有线电视传输的DVB-C和针对地面传输的DVB-T三种标准。由于地面传输条件最为复杂、严峻，从而DVB-T标准内涵及对环境的技术对抗措施亦最为复杂与多样化，这一点也就反映在不同国家的DTV-T标准的确定上。
DVB标准的技术性能与接口要求包括下述方面：数字信源压缩编码、节目数据流的复接、信道纠错编码、数字调制、数字加密和条件接收等，数字视频压缩算法统一采用MPEG-2，前向纠错统一采用R-S码，QAM调制标准星座状态数高达256，符号速率范围6.0～6.9Msymbol／s等。CA是一项加密控制的有条件接收技术，涉及DVB-IP广大用户应用时的申请、接入、付费、频道控制，甚至防假等一系列要求。应该指出，在解密节目抵达用户后的信息安全与知识产权保护和防非法拷贝方面，电子数字水印是一种重要的新技术途径。
　　（12）频段扩展与新系统、新技术的开发应用
　　基于目前L、S、C、Ku频谱资源及GEO卫星轨道资源的紧缺与拥塞，频段扩展包括卫星军事应用在内，自然瞄准X、Ka及V（Q/w），以及毫米波与红外线范围的所谓空中光纤。汲取以Iridium系统为首的LEO/MEO型GMPCS系统的失败教训，除GEO系统外，仍应协调实施与各计划开发相应的LEO/MEO NGSO卫星系统, 甚至建立新思路, 开发LEO/MEO型“静止卫星系统”, 其实，高度更低属地面业务范畴的平流层气艇高空平台HAPS及高空飞机/气球远程覆运行HALO等系统亦为其类似思路的派生产物。与新频段开发，包括星际链路的开发在内，除器件技术外，亦有一整套涉及相应多址连接技术、自适应处理技术等在内的一系列新技术、新系统的研究开发工作需同时执行。
　　由X频段商用、至Ku/Ka、纯Ka及EHF（V/Q/W）频段扩充，这对解决未来愈来愈多的个人多媒体视频业务需求及卫星产业迈向消费领域有重要意义。例如，从多点波束频谱有效再利用角度看，新一代Ka频段宽带卫星系统的容量潜力非常有吸引力，而且如果在卫星处理设备中采用高速分组交换统计复用，还可在多点波束蜂窝式覆盖基础上，进一步大大提高下行信道的负荷因子与复用能力，可大大改进整个卫星系统的用户传输速率和信息吞吐量。
　　一般来说，Ku与Ka频段的卫星系统相比较，Ka频段卫星通信系统性能/价格比方面有明显吸引力。以相同带宽资源作对比，Ka卫星的造价比Ku卫星约贵2倍左右，然其容量却可高6～8倍，而且其终端尺寸还可缩小一倍多，约0.6m左右，可方便地走向家用消费品市场。因此可以说在性能价格比方面，Ka卫星系统大约可有2～3倍或更多的得益。当然，Ka频段雨衰将更严重，沉降影响更严峻，而且就地面控制的星上自适应覆盖处理技术而言，比Ku频段更不成熟，因此目前Ka频段的自适应控制技术，主要仍是运用FEC码率及调制状态速率自适应可变技术改变其功率处理能力和进行雨衰对抗，而未用整体的路由分集技术；采用多点波束跳越扫描覆盖可能也是一种现实可行的出路。
　　归根结蒂，由C频段至Ku频段再至Ka频段是技术与市场需求演进的必然结果，一般来说C频段的宽带视频运营目标为电视运营网络及一些住宅用户，此时天线直径为2.4m左右，以分瓣组装结构为宜；到Ku频段时，其频率复用能力即可提高4倍左右，降到1～1.7m左右，用户对象可较大规模普及企业数据应用和住宅居民电视接收；进一步进入Ka频段，将可适应IP为基础的宽带多媒体高速数据传递要求，此时频率复用相对Ku频段仍可再提高4倍，天线直径可再降低一倍或更多，达0.4～0.6m左右，适用对象可普及小型企业及家用住宅宽带数据及视频多媒体运行。当然，从市场发展前后向兼容角度看，在不少场合Ku/Ka混合结构仍不失为一种安全与明智的选择。
　　另一方面，Internet已成为宽带卫星业务的重要驱动力。DVB-IP卫星统一平台对卫星消费用户有很强的吸引力，而在亚洲Internet家庭用户亦将快速增长，2001年约为1300万左右，至2008年将增至2000万以上。瞄准IP为基本业务目标的Ku/Ka卫星平台的带宽处理能力也非常引人注目，以SHIN Satellite Public Company Limited平台为例，这一IP为基础的宽带卫星将由SS/Loral公司制造，据称拟于2003年第一季度发射，其性能/价格比可与地面数字用户线及电缆调制解调器相比拟，由于利用35个左右的多点波束加之广域波束，进行多重频率再利用，其容量约可达40 Gbit/s，为目前最大卫星容量的20倍左右；而且在功率处理方面，利用了先进的Turbo码编译码技术及OFDM技术，可使其传输效率比一般情况改进100%左右。
　　（13）增加卫星运行寿命的氙离子推进及高效率太阳能电池技术
　　采用氙离子(Xenon Ion)发动机技术可获得大幅度节省卫星燃料的高效率卫星姿态控制及轨位保持控制。对一颗15年寿命的卫星，采用氙离子推进将可节省90％的推进剂用量，从而可大大节省卫星发射价格或增长卫星寿命。若使用能力较强的25 cm 160ｍＮ的氙离子发动机，每天仅需工作30min即可将卫星轨位保持至0.005度，从而可有效处理多颗卫星共用同一轨位(Co-location)的卫星轨道位置的保持与控制。
　　与常用的硅太阳能电池相比较，砷化钾太阳能电池可使转换效率提高一倍左右，即由14％提高至30％左右，这可为实现10～20 kW大功率卫星平台运行奠定基础。同时效率高、体积小、重量轻的锂蓄电池可比现有镍氢蓄电池提高一倍左右的功率能量密度。
　　（14）现代星上处理技术
　　如上所述，即使是运用了多点蜂窝结构覆盖，大幅度提高Ka频段卫星频率再利用及容量能力，但星上转发若仍利用弯管式电路交换结构，此时交换波束的连接只能通过相应地面关口站执行，而卫星下行电路突发空隙便不能被数据填满，这将严重影响卫星下行电路的有效利用。另一方面，从ATM实施网状网寻路观点看，这亦可能导致通信连接效率很低，特别是当连接终端数上升时更是如此［１］。例如，对ｎ个终端，要求Ｎ＝ｎ（ｎ－１）／２个全网状电路连接，当ｎ＝10，即有Ｎ＝45，此时即便用星上基带电路交换处理恒定速率模式进行处理亦难以奏效，导致对无连接通信呈现很不有效的利用，此时较有效的办法即需在星上设置现代分组交换处理，不规则的数据流经缓存后再按动态统计复接原理在下行电路中进行最有效的统计复接交换处理，包括利用第三层宽带IP交换技术，此时上行按FDM-TDMA多点波束高频率再利用方式运行、下行按TDM动态统计复接多点波束高频率再利用方式进行工作，从而可使宽带卫星系统吞吐量获得量级性的提高。
　　相应星上处理器的主要技术包括SAW（表面声波）滤波信道化技术及快速开关切换技术，全数字FFT信道化，路由分配及波束成形技术，低功耗A／D、D／A，射频固态功率放大及信号再生技术，Butler矩阵放大及其相组合的波束成形、信号缓存、路由分配、频率转换等射频功率动态分配和软件无线电控制技术，等等，再包括移动用户终端处理技术在内，以实现任意形式用户终端与用户终端之间的TDMA时隙分配及任意波束、频率与时隙之间信号的快速、灵活的交换与通信。（未完待续）

一声叹息

（15）星间链路新技术
　　对卫星星际链路而言卫星光通信技术倍受重视。美国、欧洲、日本等对此极为关注，并进行了较深入的研究，根本原因在于激光星际通信有一系列优越性：此为超越无线电频谱范围的光波新电磁谱领域，有宽广的频谱带宽，并有比地面FSO更合适的传输环境，可大幅度提高卫星通信潜在容量能力；可大大减少卫星通信设备的体积与重量并增加其保密防护能力 ,可大大节省不必要的地球站多跳卫星中继转接而实现广域大跨距GEO单跳连接，达到降低时延、降低系统设备成本的重要目的。其基本技术包括光Tx／Rx技术，相应收、发天线实际上就是一个光学望远镜，可采用卡塞格伦型反射式或透射式天线；光信标技术，以确保信号波束的瞄准、捕捉与跟踪；调制解调、多址连接及网络与信号处理技术，调制解调可有IM-DD、组合脉位调制CPPM、SPSK、DCPSK、CPSK、CPM及CQAM等，光滤波、波分复用WDM技术，卫星轨道面内、面间星际光环网技术;对多址连接而言，自由空间光码分多址SO-CDMA技术很有吸引力，它具有很强的抗背景噪声的能力,并有利于解决全网同步及支持异步通信与突发业务的能力。
　　(16) 农村及边缘地区应用的卫星通信新技术
　　对实现农村及边缘地区的普遍服务而言，卫星通信毫无疑问为一种最有用武之地的强有力的手段。中国的情况非常明显，中国农村人口占全国人口2/3，涉及全国30多个省、市、自治区约24万个行政村的家家户户的切身利益，亦涉及缩小东西部的地区发展水平差距这一宏伟的战略目标。中国西部大开发将涉及全国覆盖域的70%，而人口则不足30%的广大稀路由区域，解决这种情况下的信息通信事业的发展手段，唯有卫星通信最为合适。2000年8月我国新疆邮电管理局就购置了1050套Gilat Dialaway VSAT终端以解决新疆边远区域的公众电话需求问题。美国公司ParaGea Communications在这方面给人们留有深刻的印象，该公司新开发的Terra SatTM-Ⅱ农村电话VSAT系统集中使用了新的信号处理及先进协议改进与网络管理技术，以多路话音为主，同时考虑提供FAX及将来可能需要连接Internet的数据应用，每一安装用户线可取得最低的价格。该公司也具有话音压缩能力达1：(14～16)的DCME技术。Terra Sat-Ⅱ系统利用TDM/TDMA星型网络结构，整个网络是可扩展的，具有设置8～128kbit/s多重TDM/TDMA载波的能力，从而可使操作者及终端用户能灵活设置网络结构以适应指定网络的业务流量需求。该网络还可改变结构为分布式星型结构，主站设备可直接通过E1或T1线路连接至PSTN。主站上设置有网络管理系统（NMS），与SNMP兼容，可控制所有系统及部件，履行呼叫处理，并容易与现有计费平台集成。每个Terra Sat-Ⅱ远端站包含一个用户友好的室内单元（IDU），具有专利型传真旁路及具协议欺骗技术支持的话带数据传输技术，以提供较高的成功率及比市面现有产品更快的对传真及数据呼叫的连接速度。而且此IDU单元结构紧凑，亦为现有业界所见尺寸很小者。
　　整个系统网络结构为星形、分布星型式准网状型，系统容量＞10000个远隔站，射频频段可为Ku、C或扩展C，调制解调器收发工作模式可为连续型或突发型，调制解调器用全SP收发技术，调制方式为O-QPSK，调制速率8～128kbit/s，调制解调器调谐步长1Hz，中频频率远端站为L频段，主站为70MHz，前向纠错为卷积编码、Viterbi译码。远端站话音信道数为1、4、8路，也可提供数据信道；话音速率8kbit/s，满足G.729长途质量要求；回波抵消符合G.165要求；话带数据速率4.8kbit/s（V.32）、7.2kbit/s（V.32bis）或9.6kbit/s可选；天线尺寸Ku频段为0.6m/0.95m/1.2m/1.8m，C或扩充频段为1.8m/2.4m；射频功率Ku频段为0.5W至2W，C或扩充C频段为2～5W，射频单元内含PLL及LNB。远端站信令为脉冲式/DTMF，或环路启动/地面启动型；主站信令为R2,DTMF,C5型。主站设备中外向载波数1 ～N结构可变；PTT接口E1/T1；回波抵消对每一E1/T1直至128ms，符合G.165/G.168要求；NNS用户接口中GUI及JAVA为基础的语言，等等[2]。
　　在此较详细地介绍ParaGea Terra Sat-Ⅱ新系统的主要目的是想为农村卫星通信难题提供一种新系统、新设备进展的信息参考，也还有许多卫星农村通信网络的成功示例，包括上述Gilat系统及INTELSAT DAMA VSAT与WLL混合结构系统等。
　　(17) 全球卫星导航系统新技术
　　如上所述，WRC-2000对RNSS的频率资源扩展的支持为全球卫星导航业务进一步发展奠定了良好的基础。对此美国GPS系统、俄罗斯Glonass系统及欧洲Galileo系统以及中国在GEO北斗卫星测定系统基础上进一步改进的第二代卫星定位系统, 包括MEO与GEO、HEO卫星星座的联合运作，均将进一步引入一系列卫星导航新技术，以增强其原有系统或新建系统的技术性能、功能与应用能力。
　　Galileo系统的独立开发是出于保护欧洲集团自身战略利益的考虑，因为尽管美国政府宣布取消“有选择的可用性”（SA）后，GPS提供的精度约为10m、同步精度可达500ns左右。但是，人们无法保证情况会继续如此而不变，因为美国政府可以在任何时候在不发出通知的情况下改变有关条件。美国国防部亦无意放弃其对GPS的独家控制，并于2000年末开始了其第三代系统GPS-Ⅲ的研究工作，从而欧盟认为没有Galileo系统即无法保证在欧洲安全有效地为老百姓提供交通运输及通信、导航等领域的最基本功能，更不要说国防，无疑，国防需求正成为GPS的消费大户已不言自明。
　　一些消息透露，美国GPS-Ⅲ系统不仅采用点波束信号以加强照射功率，而且将全面更新２４颗MEO星座的系统结构，采用全新的HEO＋GEO的33颗卫星星座结构，已由波音及洛克希德—马丁公司于2000年11月开始了概念探索研究，包括新型轨道、卫星设计、发射、测控及管理技术，美国国防部希望GPS-Ⅲ卫星在轨寿命能更长，并希望星上原子钟精度由目前的±80ｎｓ提高至±2 0ｎｓ。
　　Galileo系统由30颗MEO卫星组成系统星座覆盖全球，其中一个主要挑战为时间标准及时间同步。Galileo取用星载超稳銣主时钟，但由地上铯时钟对其更新，轨道计算将在地上进行。此系统结构的优点是将整体复杂性分配至星、地结构双方，从而使系统大为简化，并有较灵便的性能增强活力。Galileo系统的第一颗卫星计划于2004年发射，整个系统于2008年投入运行。其业务性能标准定位精度横／纵向分别可达4／8ｍ、定时精度为30～50ns，20年间可用性可达99.50％，高精度场合在保证上述同样可用性精度前提下可使其横／纵向定位精度高达0.1ｍ。与现有GPS系统比较有明显提高。从国防战略上Galileo系统可使欧洲摆脱对GPS的依赖；从政治与市场角度讲，这像空中客车与波音的关系那样，提供了另一种权力平衡的选择；再有，从经济层面看，它将带来诸多增值应用，给欧洲及全球经济增长带来活力。
　　欧洲卫星导航系统推进的另一个现实举措为“欧洲静止导航叠加系统”（EGNOS）的区域卫星定位扩充系统，它充分兼容利用GPS及Glonass的既有系统能力，再加上三颗GEO卫星（Inmarsat AOR-E、Inmarsat、IOR及Artemis）进行扩充处理信息在全欧洲发布。以满足要求极高的民航、水上、陆路交通所需的性能要求。对RNP（所需导航性能）类别APVII即可使其横／纵向定位精度提高至16／7.7ｍ，进一步对CAT１可提高到16／4ｍ，可用性亦可由GPS的83.92%～99.85％提高至99.00%～99.99％。
　　(18) 超大卫星及超小卫星的技术挑战
　　建造大卫星甚至超大卫星（Megabirds）还是较小卫星哪一种更好是一个永恒争议的话题，因为它与市场需求、火箭能力与价格、发射保险、以及投资风险等一系列不确定的因素综合关联。但是, 有一点是肯定的，就降低卫星制造价格而言，“批量生产”及“平台标准化”是两个最重要解决途径[4] ,而且，超大卫星及超小卫星从市场及技术的未来潜在战略价值来看均有其独特的重要性与挑战性。
虽然，LEO／MEO／GEO／HEO卫星的大小之分可由多种角度予以定义，但较多是从重量入手进行定义，其界面常取1000kg，以上统称为大卫星（Large Satellite），以下统称为小卫星（Small Satellite）。小卫星又可细分为下述六类：500～1000kg的称为小卫星（Smallsat），100 ～500kg的称为更小卫星（Minisat），10～100kg的称为微卫星（Microsat），1～10kg的称为纳卫星（Nanosat），0.1～1kg的称为皮卫星（Picosat），小于0.1kg的称为飞卫星(Femtosat)。
　　实际的一个超大卫星示例为Alcatel公司宇航部制造的Astra 1K卫星，它是世界上迄今为止最大的通信卫星。其建造目的是为执行欧洲卫星公司（SES）的三项艰巨任务：以前所未有的容量能力替代以前发射的３颗Astra在轨卫星和充当4颗Astra在轨卫星的备份；扩展地理覆盖域，其方法为利用两个波束的频率复用，一个波束覆盖整个欧洲大陆，包括中欧、东欧及独联体CIS，另一个波束覆盖伊比利安半岛，每一波束最多能同时支持24个转发器；使用Ka频段增加SES Astra的回程信道系统(ARCS) 它是继Astra1H卫星后第二颗携带Ka频段有效负荷来开通不对称双向通信的卫星系统，它除了作为Astra1H卫星Ka频段有效负荷的备份外，还扩展了ARCS的覆盖范围，与中、东欧和CIS欧洲部分Ku频段覆盖范围相重叠，而且其上行链路波束带宽可从0～480MHz以40MHz为间隔灵活分配，以适应不断变化的市场需求。Astra 1K卫星使用了目前最大的Apacebus TM 3000B平台，提供最先进的卫星通信技术，功率大、通用性及安全性高、寿命长、指向精度高，可使此卫星在“直播到户”的DTH业务的接收方面比竞争对手胜出一筹，并为基于卫星的多媒体应用业务打开了新的路子。由于强的平台支撑能力及多重频率复用，整个卫星的转发器数高达144个。卫星的重量5250kg；卫星太阳能电池总功率高达20kW，即使卫星使用结束时亦可达13kW；卫星寿命１３至１９年；卫星本体高度7.6m，总的卫星载荷最大重量680kg；110W星上Ku频段行波管总数58个；下行链路能力112个信道；星上射频波导管总数>1000个；星上可容纳装备10个不同天线；卫星发射火箭必须用推力最大的Proton-d-l-e。由这些数据即可理解此类超大卫星的庞大程度与超凡能力。
　　另一极超小卫星示例为纳卫星。纳卫星基于纳米技术(Nanotechnology)，纳卫星及微纳航天器实际上是由微型器件与纳米器件构成的系统级应用。微型卫星定义为所有卫星系统及子系统都全面体现微型制造技术，并可实现一种实用功能，其重量为小于等于10ｇ，纳卫星是一种其尺寸减小到接近最低限度的微型卫星，其重量为１～10ｇ，其功能有赖于一种分布式星座结构来实现。它是一种以近年来发展起来的微型机电一体化系统（MEMS）和由多个MEMS组成的专用集成微型装置（ASIM）为基础的全新概念卫星，从而其重量可降至10ｇ以下。纳卫星系统对灵活的应急通信、侦察和星座组网方面有其极大的潜在优势。由于其重量轻，可不用高成本运载工具发射，分布式星座结构可多次发射、并易修复替补，可大大降低此系统经济损失和失败风险，其生存能力及可靠性可很高。同时，纳卫星研制毋需大型设施支撑，可分散于大学、研究所实验室中进行，这些均有利于降低研发费用及成本。在具体应用前景方面，美国宇航局NASA的研究报告指出，在太阳同步轨道的18个等间隔的轨道面上各自等间隔地以一定方式分布排列功能不同的36颗纳卫星，共计648颗卫星组成其分布式卫星系统，就能保证在任何时刻覆盖地球上的任意一点。报告还称，1000颗１Ｗ左右的低功率纳卫星设置在不同轨道上可构成一个相控阵雷达系统，能产生有很强方向性的１kW左右的强射频射束。当然，应该指出，纳卫星系统的分布式星座结构增加了系统复杂性，对不同纳卫星间的连接、数据传送及系统功能协调与网络管理等均将面临更高的技术要求与更新的挑战。
4 应用机遇及发展策略考虑
4.1 在中国的应用机遇
一些应用机遇是明显的、并已初露头角,另一些则是潜在特别重要，但目前尚未实现，需要努力争取。
·卫星BSS（DBS，DAB，DTH）及DVB-IP视频应用，包括家用及个人应用。
·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，可用于可行各业，包括个人应用。
·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。
·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。
·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。
·卫星农村通信。特别是对中国的（中）西部大开发及边远稀路由通信有巨大潜在市场前景。
·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、海事及探险等的独特三维覆盖应用能力。
·卫星的科学研究及空间研究。
·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中国目前基础尚差，但在卫星业界有巨大市场潜力。
·卫星军事应用大有可为。美国对此特别重视，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。
因此，卫星通信的应用机遇极其广泛，从公网至专网，从天上至地面，从海洋,至大漠之中, 及高山之巅，遍及每个角落及各行各业。
4.2 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
上述卫星新技术、新业务发展状况及频谱资源规划与应用前景充分提示人们，作为一个在全球社会中越来越起主要大国作用的我国，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，及适应进入WTO后的国内外环境运行形势需求，等等。
(2) 充分巩固WRC-2000捍卫我国权益取得的成果，积极迎接新一届CPM会议及WRC-20003的到来应充分珍惜与利用WRC-2000大会来之不易的BSS卫星轨道／频谱规划及RNSS频谱资源扩展等重要成果，以积极务实态度加速推进中国的BSS（DBS，DAB，DTH）及DVB-IP工作，妥善处理好意识形态规则政策要求、安全保障具体策略与技术保障措施支撑, 视频消费产业发展、航天、火箭发射产业联手发展等综合得益平衡，加速我国GEO／LEO等多层星座GPS综合平台及其普遍应用的开发，包括积极展开互利多赢的国际合作在内，充分挖掘GPS的产业增值效益, 并真正加固卫星系统对我国国防事业的实际支持作用，从而以积极务实的姿态迎接新一届CPM及ＷRC-2003会议的到来。
　　4.3 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, 6个最大的西方卫星运营商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、Lockheed Martin、SS/Lora Alcatel、Astrium占全球份额的85%，预计今后几年内此五家份额将增至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，而我国有三四十家VSAT运营商，很多网络规模在3000用户以下, 甚至只有数百户，　　因此，以中国卫星通信集团公司及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，就适应严峻的国际、国内竞争环境，为发展我国卫星通信事业作出贡献而言尤为重要。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途径这唯一出路。
　　4.4 正确处理好市场驱动与技术驱动的关系，充分重视技术驱动重要性
　　Iridium为代表的GMP系统的失利及i-Mode的成功表明，正确处理好市场驱动与技术驱动的基本关系是最重要的因素。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。在市场定位确定好的前提下，充分利用上述一系列卫星系统新技术，真正形成满足某种市场应用的“杀手锏” 技术，是复杂、严峻竞争环境中的制胜法宝，在满足基本性能要求基础上，加强智能化、自适应化，操作简便，价格便宜将成为市场竞争的第一驱动力。
　　4.5 具体规划与落实好西部大开发的卫星系统发展与应用
　　西部大开发是我国面向21世纪的重大战略决策，对缩小我国东西部差距，增强我国新世纪的综合国力，开发扩展国内市场需求与资源利用均有极为重要的现实意义与长远战略意义。西部大开发涉及我国70%以上地域分布12个省、市、自治区及较贫困的边陲少数民族区域，是解决“村村通电话”、“村村通广播电视”最困难的部分，用卫星通信这一有效手段解决了西部大开发通信问题，也就实质上解决了我国的农村通信问题与普遍服务问题。此外，要解决西部大开发的科技、教育、信息平台先行，宽带卫星通信依然是一种重要手段。而且就资源调查与宏观科学决策而言，卫星遥感（RSS）、卫星定位（GPS）以及卫星电子地图与地理信息系统（GIS）这“3S”技术均离不开卫星技术。因此，从普遍服务基金至西部大开发政策倾斜等如何具体规划与落实好西部大开发的卫星系统发展与应用确属搞好西部大开发的当务之急，我们均应该为此献计献策。
　　4.6 加强与地面系统紧密有机综合的卫星领域标准化工作及轨道/频谱规划、干扰协调的研究与捍卫国家权益的规则政策工作
　　加强与地面系统紧密有机综合的卫星领域标准化工作的研究十分重要。卫星通信的基本定位必然是地面系统的有效支持、补充与延伸，特别是应充分利用其广播、多播能力，广域连接优势及对距离因素不敏感，对地面通信系统未能覆盖延伸的区域，特别是边缘区域及山区、海岛等特种地形、地域，发挥其有效的互补、支撑作用。因此卫星通信系统必须与地面通信系统进行紧密有机的集成综合。从行政与公共关系及财务角度看，卫星通信系统操作者与地面运营商及直接、间接用户间应建立实质性的互利、有效的合作伙伴关系，甚至一体化，以便构成一种真正综合性能/价格比优良的三维立体网络，并实施卫星网络对地面网络受意外事故中断时的有效大容量备份与援救支持。从标准化角度看，应该统一并开放系统接口、协议的全球标准，包括多模终端的有效集成。从技术层面看，这种综合可作层次化安排，一般可分五个等级加以考虑，即：地域综合；业务综合；网络综合；设备综合；系统综合。上述各种综合等级可考虑处于独立共存或全部综合之间，而且，随着此综合等级的递增，可认为每一等级包容着前一低等级的基本特征。
　　发展国内/国际卫星系统与业务应用，包括搞好西部大开发，加强卫星轨道/频谱资源的规划与管理是必须先行的工作。而且目前在国际社会中激烈争夺轨道/频谱资源已众所周知，这涉及每一个国家的切身利益。在历届WRC大会上出现的情况即为明证。包括这次WRC-2000大会上，对IMT-2000地面及卫星部分的附加频谱划分，对广播卫星业务1、3区重新规划，对LMDS、HDFS、HAPS等高密度大容量无线接入频率划分，对新一代SS/GPS/RDSS的频段扩展均展开了激烈交锋均为明显示例。因此，在这一严峻的国内外市场竞争格局及国家利益密切相关的环境中，必须切实加强与加速我国卫星轨道/频谱规划及LEO/MEO/GEO卫星系统间及其与地面系统间的干扰协调与台站管理的研究工作，研究频率范围亦应由原先的30GHz左右扩展至100GHz左右，加强适应加入ＷＴＯ后的全球电信新环境下的规则政策研究，包括全球混合网环境下国家频谱/轨道资源与主权利益保护的策略、政策与法规的研究，以及全球混合网环境下基于经济评估的频谱资源费用的摊分与计算的研究，以及在全球混合网环境下对纸面卫星（Paper Satellite）进行控制的规则与协议及现实处理办法的研究。而且还应适应卫星系统与地面系统紧密综合及多重频率共用与多频段、多模式网络多层平台综合运行环境前提下加强包括ＭＳＳ在内的卫星系统标准化研究工作及支撑现代无线电管理的先进全国无线电管理信息系统与监测网络的建设工作，其相应数据库应具备多维结构，包括进行界面视频图示由多维电子地理信息数据进行支撑，并力争能对多维、多参数系统结构进行局部、准全局乃至全局频谱/轨道有效利用的优化处理及智能化、自适应化的现代化无线资源管理。充分有效合理利用“十五”规划中我国用于无线电管理建设方面的70亿左右的投资，加速相应无线电管理与技术支撑基础设施的建设工作，使我国无线电管理与无线电监测尽早与国际水平接轨，并步入国际先进行列。
　　［作者简介］ 陈如明，信息产业部无线电管理局原副局长，主任高级工程师，浙大、清华、北大等大学兼职教授，中国通信学会及中国电子学会会士，我国无线电频率规划专家咨询委员会主任。
摘自《电信科学》

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谢谢！

实在很忙

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taha

好东西阿
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solonsun

哦弥托佛，还是老和尚好，3x

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介绍得挺全的，谢谢！