推進(jìn)中的寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信

推進(jìn)中的寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信
    摘要：寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信作為寬帶地面通信的有益補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有高增益
點(diǎn)波束天線、星上處理和交換及內(nèi)部星間鏈路等，可以選擇低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)或同步衛(wèi)星
系統(tǒng)。雖然面臨來(lái)自技術(shù)、管理、商業(yè)等方面的挑戰(zhàn)，但其市場(chǎng)依然被業(yè)內(nèi)人士看好，
其業(yè)務(wù)有著光明的發(fā)展前景。
    關(guān)鍵詞：寬帶通信  衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信  多媒體通信  同步衛(wèi)星通信  低軌道衛(wèi)星通信
    寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信又稱為天基多媒體通信或?qū)拵�衛(wèi)星通信，是利用衛(wèi)星作為中繼站
轉(zhuǎn)發(fā)高速率寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。寬帶衛(wèi)星通信不僅是
對(duì)寬帶地面通信有益的補(bǔ)充，而且較之寬帶地面通信具有其獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)，諸如通
信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、機(jī)動(dòng)靈活、通信線路穩(wěn)定可靠、傳輸質(zhì)量高等特性。
    寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信出于管理、技術(shù)和商業(yè)等方面的考慮，選擇了Ka頻段。
    寬帶衛(wèi)星或多媒體衛(wèi)星是指使用星上處理和交換，并對(duì)地球站提供雙向業(yè)務(wù)，且地
球站的天線尺寸可以與當(dāng)前的衛(wèi)星電視直播接收天線相比擬的新一代通信衛(wèi)星。星上交
換能力使得這類(lèi)衛(wèi)星像數(shù)字公用電話網(wǎng)一樣運(yùn)行，并按照用戶的需求提供帶寬和準(zhǔn)實(shí)時(shí)
訪問(wèn)，用戶按傳輸?shù)臅r(shí)間和速率付費(fèi)。用戶之間實(shí)時(shí)共享多媒體衛(wèi)星，有可能提供較低
價(jià)格、便于接入的訪問(wèn)。
    一、寬帶衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)
    使寬帶衛(wèi)星特性得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是高增益點(diǎn)波束無(wú)線、星上處理和交換，以及
在某些場(chǎng)合的內(nèi)部星間鏈路。
    高增益的點(diǎn)波束天線是必須的，因?yàn)槎嗝襟w衛(wèi)星提供的業(yè)務(wù)通常操作在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)狀態(tài)
下，而這樣的業(yè)務(wù)一般都要求較高的帶寬。如同地面蜂窩網(wǎng)一樣，每個(gè)點(diǎn)波束僅覆蓋一
個(gè)小的區(qū)域，采用頻率復(fù)用技術(shù)以提高頻譜的使用效率。點(diǎn)波束衛(wèi)星天線也提供較高的
增益，從而減少了用戶終端天線和發(fā)射機(jī)的尺寸。尺寸小而增益高的點(diǎn)波束也適應(yīng)通信
分布不均勻的客觀情況，可以將寶貴的衛(wèi)星功率資源集中到通信量密集的地區(qū)。對(duì)于多
點(diǎn)波束的衛(wèi)星系統(tǒng)，星上數(shù)字處理和交換是必不可少的，它將上行鏈路的源信息包引導(dǎo)
到目標(biāo)點(diǎn)波束的下行鏈路。等同于地面電信網(wǎng)中繼線的內(nèi)部星間鏈路也要求星上數(shù)字處
理和交換，以集結(jié)和分配來(lái)自各個(gè)點(diǎn)波束的信息。星上數(shù)字處理還有一個(gè)好處，它使上
行和下行鏈路的鏈路余量相互獨(dú)立，這樣，為降低雨衰而采用的技術(shù)只在需要的時(shí)候有
選擇地用于特殊波束中的用戶。內(nèi)部星間鏈路減少了信息包從源用戶到目標(biāo)用戶的傳輸
延遲，從而改善了業(yè)務(wù)質(zhì)量。內(nèi)部星間鏈路的使用也減少了衛(wèi)星與地面站之間的通信量，
改善了頻譜使用效率。星間光通信以其容量大。不需要ITU協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，在多媒體衛(wèi)星通
信系統(tǒng)中將得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用。
    低軌道系統(tǒng)有Teledesic系統(tǒng)、Sky Bridge系統(tǒng)等，同步軌道系統(tǒng)以洛克希德·馬丁
（Lockheed Martin）公司的Astrolink系統(tǒng)為代表。
    二、寬帶衛(wèi)星通信面臨的挑戰(zhàn)
    寬帶衛(wèi)星通信將面臨來(lái)自技術(shù)增理、商業(yè)諸方面的挑戰(zhàn)。
    1．技術(shù)挑戰(zhàn)
    建議中的多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)和技術(shù)折中方案，許多技術(shù)決策強(qiáng)烈
影響市場(chǎng)，反過(guò)來(lái)，市場(chǎng)又牽制技術(shù)決策。這也是許多系統(tǒng)一再推遲建造時(shí)間的主要原
因。
   （1）基本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    在向電信管理部門(mén)或ITU提出申請(qǐng)之前必須要做的最基本的決策有：低軌道系統(tǒng)還
是高軌道系統(tǒng)，或是混合軌道系統(tǒng)；采用“彎管”式還是采用星上處理；全球覆蓋還是
區(qū)域覆蓋；以及衛(wèi)星天線的覆蓋范圍。
   （2）衛(wèi)星和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    計(jì)劃中的大部分系統(tǒng)將采用星上處理和交換，以提高頻譜和衛(wèi)星資源的使用效率。
這種有效載荷的復(fù)雜程度高于傳統(tǒng)的“彎管”式衛(wèi)星有效載荷數(shù)個(gè)量級(jí)。據(jù)悉，銥系統(tǒng)
有178種專(zhuān)用集成電路，平均每種12.5萬(wàn)門(mén)，而正在研制的Ka頻段系統(tǒng)其處理器比銥系
統(tǒng)的處理器復(fù)雜100－1000倍。確定聯(lián)機(jī)數(shù)字處理器的前提條件是首先確定整個(gè)系統(tǒng)的
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后在空間和地面單元中分解網(wǎng)絡(luò)功能。數(shù)字處理器的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性對(duì)有
效載荷的質(zhì)量、功率和散熱要求有直接影響，而這些要求又對(duì)諸如波束的數(shù)量和尺寸、
衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率，以及衛(wèi)星和火箭成本有直接影響。所有這些又都影響衛(wèi)星容量和經(jīng)
營(yíng)收益。系統(tǒng)的復(fù)雜程度及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與市場(chǎng)定位和應(yīng)用定位的相互關(guān)聯(lián)和取舍，對(duì)最
終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是最重要的因素。
    （3）系統(tǒng)可用率
    系統(tǒng)可用率是一個(gè)重要的系統(tǒng)參量。已公布的大部分系統(tǒng)都申明系統(tǒng)可用率大約
為99.5％，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)中斷時(shí)間為每周50 min。某些非同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)聲稱可用率
為99.99％�？捎寐释耆�依賴于用戶終端對(duì)衛(wèi)星的仰角、用戶終端所處的季節(jié)和雨區(qū)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要綜合考慮市場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)技術(shù)性能、系統(tǒng)成本和運(yùn)營(yíng)效益的要求，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)
化的設(shè)計(jì)。需要綜合考慮的因素包括：鏈路數(shù)據(jù)速率、緩解雨衰技術(shù)的使用、鏈路編
碼復(fù)雜性、終端發(fā)射機(jī)功率和天線尺寸、衛(wèi)星天線波束尺寸和覆蓋、衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率
和衛(wèi)星覆蓋區(qū)等。
    （4）用戶終端
    系統(tǒng)幾乎所有的功能都要靠終端來(lái)表現(xiàn)，因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的策劃者們無(wú)一例
外對(duì)用戶終端的設(shè)計(jì)。研制煞費(fèi)苦心。
    任何衛(wèi)星業(yè)務(wù)的終端天線尺寸都是非常重要的，也是Ka頻段所具有的吸引力之一。
在Ka頻段頻率下，為獲得與C，Ku頻段天線同等的增益，天線尺寸分別為C和Ku頻段天
線的20％和61％。實(shí)際上，用戶終端的天線尺寸主要不是受制于天線增益，而是受制
于抑制來(lái)自其他系統(tǒng)干擾的能力。相鄰?fù)�步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)之間的軌道間隔以及用戶終
端天線的波束寬度和旁瓣電平，決定了其他系統(tǒng)對(duì)用戶終端的干擾電平和用戶終端對(duì)
其他系統(tǒng)的干擾電平。對(duì)于同步軌道衛(wèi)星當(dāng)前執(zhí)行的軌道間隔“標(biāo)準(zhǔn)”和典型的終端
發(fā)射機(jī)功率，最小天線直徑在60cm左右。
    另一個(gè)影響多媒體衛(wèi)星終端成本的因素是發(fā)射機(jī)部分。從安全、使用壽命和價(jià)格
的觀點(diǎn)考慮，固態(tài)發(fā)射機(jī)是理想的選擇。然而，目前Ka頻段固態(tài)功率器件只有見(jiàn)瓦的
射頻輸出功率，生產(chǎn)數(shù)量少，價(jià)格居高不下。適合Ka頻段的諸如行波管、速調(diào)管的真
空管器件本身價(jià)格高，而且需要昂貴的高壓電源供電。
    Ka頻段天線窄波束要求對(duì)衛(wèi)星有十分精確的指向，并在出現(xiàn)風(fēng)雪天氣或易地安裝
的情況下仍能校準(zhǔn)指向。
    終端制造商無(wú)疑希望用戶終端采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，終端元器件可以通用，這樣可以
降低成本。可是計(jì)劃中的每個(gè)系統(tǒng)都開(kāi)發(fā)了各自的空間接口，出于競(jìng)爭(zhēng)的壓力也阻礙
了聯(lián)合開(kāi)發(fā)。幾個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的用戶終端就五花八門(mén)。
    （5）網(wǎng)絡(luò)控制
    網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提出了幾個(gè)挑戰(zhàn)。同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)必須重點(diǎn)處理傳播延
遲的問(wèn)題，必須有足夠的緩沖能力處理導(dǎo)致系統(tǒng)瞬間過(guò)載的資源擁擠。
    非同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)必須處理由于地基終端與衛(wèi)星相對(duì)位置的變化而導(dǎo)致的路由
變化。雖然非同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲較之同步軌道系統(tǒng)小，但是，其延遲量可
能在較大范圍內(nèi)變化，從而引起某些應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量下降。在從一個(gè)優(yōu)化路由轉(zhuǎn)移到
另一個(gè)優(yōu)化路由時(shí)，需要足夠的緩沖以避免信息包丟失。
    網(wǎng)絡(luò)控制功能也包括授權(quán)用戶的認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)資源的分配和管理、服務(wù)質(zhì)量的保證
等。
    （6）與地面網(wǎng)絡(luò)的互操作性
    為了實(shí)現(xiàn)建立全球信息框架和最大可能應(yīng)用的許諾，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)必須與地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)
縫連接和互操作。與地面網(wǎng)絡(luò)互操作意味著支持現(xiàn)有的傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、信令和地址標(biāo)
準(zhǔn)、多址方式以及服務(wù)質(zhì)量保證體系。
   （7）系統(tǒng)安全
    覆蓋范圍廣的衛(wèi)星系統(tǒng)，特別是像衛(wèi)星移動(dòng)通信和寬帶衛(wèi)星通信這類(lèi)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)
和測(cè)試時(shí)必須對(duì)系統(tǒng)安全有足夠的重視，要有拒絕可能的非授權(quán)用戶進(jìn)入的措施，要
能檢測(cè)。定位、控制這樣的入侵者。數(shù)據(jù)安全必須有當(dāng)?shù)胤�律允許的高級(jí)密碼保護(hù)。
    2．管理挑戰(zhàn)
購(gòu)?fù)ㄐ畔到y(tǒng)類(lèi)似，主要是頻譜可用性、與其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及地面蜂窩多媒體業(yè)務(wù)的協(xié)
調(diào)，以及遵守各國(guó)電信管理的有關(guān)規(guī)定。
   （1）頻譜可用性
    就在幾年前，分配給衛(wèi)星使用的每個(gè)方向（空到地和地到空）3.5GHz的Ka頻段還
被認(rèn)為是沒(méi)有充分利用的一個(gè)頻段，如今，情況和發(fā)生了很大變化。各國(guó)管理部門(mén)和
ITU已將這個(gè)頻段的～部分留給其他的應(yīng)用，包括衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)中的信關(guān)站饋電
鏈路、地面蜂窩多媒體業(yè)務(wù)以及軍用衛(wèi)星。這個(gè)頻段已經(jīng)被分割為同步軌道衛(wèi)星頻段
和非同步軌道衛(wèi)星頻段，以避免這些系統(tǒng)相互干擾。分配頻率的要求猛增而引起的頻
率短缺的狀況將進(jìn)一步惡化。
   （2）與其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)
    隨著向ITU提出申請(qǐng)的Ka頻段衛(wèi)星不斷增加，它們與其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)已經(jīng)變得
越來(lái)越困難。按照ITU目前的規(guī)定，它們必須與所有衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，不論與之協(xié)調(diào)
的衛(wèi)星是已有的系統(tǒng)，還是出于占領(lǐng)軌道位置而申請(qǐng)的“紙上”衛(wèi)星。
    （3）所在國(guó)有關(guān)規(guī)定
    任何全球性的系統(tǒng)必須爭(zhēng)取所在國(guó)法律、法規(guī)的支持，以便向該地區(qū)提供業(yè)務(wù)。
這包括獲得必須的落地權(quán)，獲得符合當(dāng)?shù)匕惭b和安全要求、符合當(dāng)?shù)刂圃旌瓦M(jìn)口關(guān)稅
要求的衛(wèi)星終端的使用許可。另外，經(jīng)營(yíng)者必須遵守當(dāng)?shù)貙?duì)國(guó)際通信的監(jiān)視和控制的
規(guī)定，包括對(duì)數(shù)據(jù)加密的使用限制和跨邊界使用控制。最后，可能還會(huì)有征稅的稅率
方面的限制，目的在于保護(hù)當(dāng)?shù)氐碾娦判袠I(yè)。
    3．商業(yè)挑戰(zhàn)
    多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)的推動(dòng)者面臨的商業(yè)挑戰(zhàn)是：如何降低計(jì)劃風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確地定位市
場(chǎng)并優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證充足的資金。
    降低計(jì)劃風(fēng)險(xiǎn)的途徑，一是減少系統(tǒng)成本以降低所需的投資，包括加快計(jì)劃的進(jìn)
度以縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間；二是設(shè)計(jì)的系統(tǒng)盡可能靈活，以便能夠適應(yīng)需求的變化和
新的市場(chǎng)；三是盡量降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)及早投入使用；四是用一些容量小的
“早入”系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)作測(cè)試。所有這些途徑都必須針對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合考慮。
    用戶終端的價(jià)格對(duì)于多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)能否被用戶接受，特別是在消費(fèi)者市場(chǎng)中能
否被接受具有至關(guān)重要的影響。用戶終端必須可靠，使用靈活，易于安裝和啟動(dòng)，界
面友好，外觀也要十分考究。商業(yè)和集團(tuán)用戶除了有上述要求外，還要求向其所在地
的網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)縫連接，系統(tǒng)接入和數(shù)據(jù)保密也是他們關(guān)心的事情。
    三、寬帶衛(wèi)星通信前景可觀
    1．應(yīng)用前景
    寬帶衛(wèi)星通信將以提供交互式雙向多媒體業(yè)務(wù)而被廣泛應(yīng)用，典型的應(yīng)用將包括
（但不限于）：Internet訪問(wèn)，多媒體分配（諸如按需向商業(yè)。集團(tuán)用戶或家庭提供
數(shù)字影視、數(shù)字音頻廣播、寬帶數(shù)據(jù)流等），多個(gè)地點(diǎn)的電視會(huì)議，電子商務(wù)和金融
交易，遠(yuǎn)程醫(yī)療及家庭健康咨詢，遠(yuǎn)程教育及遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，E－mail和影像E-mail，搶
險(xiǎn)救災(zāi)，家庭購(gòu)物及家庭銀行業(yè)務(wù)，游戲和娛樂(lè)，可視電話，數(shù)據(jù)庫(kù)同步和修改、軟
件升級(jí)，資料查詢和新產(chǎn)品信息傳播。
    2．市場(chǎng)前景
    據(jù)國(guó)外權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在未來(lái)10年內(nèi)，地球同步軌道上Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量
將增加10倍以上，總數(shù)將超過(guò)2000臺(tái)，非同步軌道上Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量將接近400臺(tái)。
到2005年，寬帶通信業(yè)務(wù)的用戶可能達(dá)到4億個(gè)，包括地面和衛(wèi)星在內(nèi)的多媒體市場(chǎng)估
計(jì)為年收入7150億美元�，F(xiàn)有的以及正在計(jì)劃中的地面網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法滿足這個(gè)期間的市
場(chǎng)需求，這就為多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)帶來(lái)了難得的商機(jī)和發(fā)展空間。該機(jī)構(gòu)還預(yù)測(cè)，多媒
體衛(wèi)星系統(tǒng)的市場(chǎng)份額在5%-10%，2005年將達(dá)到年收入375億美元。更為樂(lè)觀的估計(jì)是，
2005年多媒體衛(wèi)星市場(chǎng)的年收入將達(dá)到2000億美元左右。
    業(yè)內(nèi)人士普遍看好寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信市場(chǎng)，對(duì)市場(chǎng)前景持樂(lè)觀態(tài)度。寬帶衛(wèi)星系
統(tǒng)與地面系統(tǒng)既相互競(jìng)爭(zhēng)，又相互補(bǔ)充、融合和依存。從競(jìng)爭(zhēng)的角度來(lái)看，寬事業(yè)衛(wèi)
星通信在整個(gè)電信市場(chǎng)特別是包括地面和衛(wèi)星在內(nèi)的多媒體市場(chǎng)中到底能夠占到多大
的份額，取決于寬事業(yè)數(shù)據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)者們推進(jìn)這項(xiàng)跨世紀(jì)工程的力度，以及他們
在面對(duì)市場(chǎng)、管理和技術(shù)諸方面挑戰(zhàn)所采取的對(duì)策。但不管怎么說(shuō)，寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通
信具有良好的發(fā)展前景。