關(guān)于衛(wèi)星通信的思考

作者：楊靖宇
關(guān)于衛(wèi)星通信的思考(一)


　　近十年來,衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展迅速。高軌衛(wèi)星(GEO)向大型化、綜合性的空間通信平臺發(fā)展。中軌道衛(wèi)星(MEO)、低軌道衛(wèi)星(LEO)通信技術(shù)也有了長足的進步,成為衛(wèi)星通信發(fā)展鏈路中重要的組成部分,是目前衛(wèi)星通信技術(shù)的前沿。近來衛(wèi)星通信市場處于相對低迷期。這種現(xiàn)狀與目前市場大氣候有關(guān),同時與衛(wèi)星通信技術(shù)的自身規(guī)律有關(guān)。


一、衛(wèi)星通信技術(shù)的特點,決定衛(wèi)星通信是現(xiàn)代化通信的重要手段之一,無法替代


1．通信距離遠,通信鏈路建設成本與通信距離無關(guān)


　　衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各地球站之間、地面用戶終端之間是靠衛(wèi)星連接在衛(wèi)星的視界內(nèi)。星地距離因衛(wèi)星軌道而異,但只要地面通信設備與衛(wèi)星間的信號傳輸滿足技術(shù)要求,通信質(zhì)量就能保證。地面站的建設經(jīng)費不因通信站間距離遠近,通信鏈路間地面上的自然條件等因素的影響。在遠距離通信上比其他地面通信手段有明顯的優(yōu)勢。地面通信手段(如微波、短波、電纜、光纜等)在系統(tǒng)的建立成本中,通信距離是重要的制約因素,通信距離與建設成本成線形增長關(guān)系。衛(wèi)星通信上述情況不明顯。一般說來,衛(wèi)星通信初期投資省,施工建設奏效較快,資金回收較快。
理論上,一顆GEO衛(wèi)星的視界可達全球表面積42.4%,原則上3顆GEO合理配置,就可建立全球除兩極以外的全球不間斷通信。目前INMASTAR系統(tǒng)有4顆GEO完成全球通信。


　　目前LEO、MEO衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展是以多星族、多軌道的方式,將多組衛(wèi)星分布在地球近地軌道,實現(xiàn)全球通信覆蓋。如ORBCOMM系統(tǒng)是44顆星、7個軌道；銥星66顆星。


2.衛(wèi)星通信以廣播方式工作,有極強的網(wǎng)絡拓撲構(gòu)成能力。這是衛(wèi)星通信的突出優(yōu)點。


　　在全球范圍內(nèi),衛(wèi)星無線波長的覆蓋區(qū)域內(nèi),無論何地,地面通信設備都能收到衛(wèi)星的廣播。因而衛(wèi)星通信系統(tǒng)容易的實現(xiàn)多址聯(lián)接,擁有任意點對多點以及多點對多點的廣域復雜網(wǎng)絡的拓撲構(gòu)成能力。近來,LEO、MEO衛(wèi)星的發(fā)展,使得GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中地面部分受地形、地貌的影響問題得到改善。一般說來,其他通信手段的通信網(wǎng)絡建設成本與網(wǎng)絡容量的關(guān)系成幾何級數(shù)增長。最終網(wǎng)絡建設的龐大成本與用戶對通信費近似苛刻的要求成為運營商贏利的障礙。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的建設,投資的重點在衛(wèi)星,一次性投資比重較大。由于衛(wèi)星上天以后有一段穩(wěn)定使用期,用戶終端成本不斷下降,地面網(wǎng)絡建設可靈活,所以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中不會出現(xiàn)其他通信網(wǎng)絡建設成本成幾何級數(shù)增長的問題。


3．衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量大,可傳送的業(yè)務類型多。


　　衛(wèi)星通信可利用的無線頻帶寬,C、KU、S、VHF、UHF、L等波段。同時星上技術(shù)不斷提高,通信技術(shù)的新體制,新技術(shù)的不斷發(fā)展,衛(wèi)星通信容量增大,傳輸業(yè)務類型進一步多樣化。語音、數(shù)據(jù)、圖象、視頻、定位,幾乎覆蓋全部的通信服務業(yè)務。LEO、MEO衛(wèi)星的興起使得GEO衛(wèi)星通信不擅長的移動通信業(yè)務成為可能,為衛(wèi)星通信增加了新的業(yè)務類型。可移動性,在邊緣、復雜地形區(qū)域及海上、空中它是提供可靠移動通信的唯一手段。


4．衛(wèi)星通信質(zhì)量高。


　　有人會以目前光纖通信來質(zhì)疑上述觀點。但在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)節(jié)點相對少,鏈路環(huán)節(jié)相對集中,星上技術(shù)日正完善,地面網(wǎng)絡靈活多變,除非衛(wèi)星出現(xiàn)故障,否則全網(wǎng)性的故障出現(xiàn)的幾率有限。LEO、MEO衛(wèi)星系統(tǒng)通過利用多衛(wèi)星、多軌道的星族技術(shù)進一步降低通信衛(wèi)星的故障對全網(wǎng)的影響。這是其他通信系統(tǒng)不可比擬的。衛(wèi)星通信的安全可靠性,是抗災、應急通信支援,備份的重要手段。


　　二、衛(wèi)星通信技術(shù)上的缺點是目前市場不景氣的重要因素。


　　客觀的說,不能籠統(tǒng)的認為GEO衛(wèi)星困境是受衛(wèi)星電話業(yè)務的萎縮造成。LEO、MEO衛(wèi)星系統(tǒng)受“銥”星受挫所累。應該清醒認識衛(wèi)星通信技術(shù)的缺點。


相比LEO、MEO衛(wèi)星來說GEO衛(wèi)星有三個缺點：


(1)GEO衛(wèi)星距地遙遠(36,000KM),造成固定時延。長時延使得國際衛(wèi)星電話業(yè)務有時成為一種煎熬。


(2)赤道軌道上星滿為患,軌道資源稀缺。GEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星地面站、用戶終端受地形、地理位置的限制多,易造成通信盲區(qū)。


(3)高度和緯度的原因,GEO衛(wèi)星信號衰減過大,對地面通信設備的技術(shù)要求苛刻,地面設備尤其是用戶終端難以小型化,便攜化。


　　為了克服GEO衛(wèi)星的上述缺點,促成了LEO、MEO衛(wèi)星的發(fā)展。LEO、MEO運行的軌道較低(10,000KM~750KM),信號可迅速傳送到地面用戶,時延較少,易于完成即時通信的任務。使用的無線電頻段的原因(L、VHF、UHF),地面通信終端無須拋物面天線,容易實現(xiàn)用戶終端的小型化,便于移動通信,利于接入新的一代數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。


當然,LEO、MEO衛(wèi)星也有缺點：


　　(1)LEO、MEO靠近地球,每顆衛(wèi)星波束視界有限,因而需要較多的衛(wèi)星以星族的方式組網(wǎng)。有的LEO衛(wèi)星星族要數(shù)百顆之多(如Teledsic)。盡管隨著電子技術(shù)的進步,小衛(wèi)星的生產(chǎn)成規(guī)模,產(chǎn)業(yè)化。衛(wèi)星數(shù)量不再成為組網(wǎng)的主要問題。但是多衛(wèi)星,多軌道對衛(wèi)星發(fā)射、地面遙控、通信網(wǎng)絡管理都提出了嚴峻的考驗。


　　(2)LEO衛(wèi)星系統(tǒng)使用的頻率為L、VHF、UHF多為地面無線通信系統(tǒng)共享頻段,在無線頻段管理不完善的地區(qū)易受干擾�，F(xiàn)存的各個LEO衛(wèi)星系統(tǒng)均采用各類抗干擾技術(shù),如ORBCOMM的DCAAS(動態(tài)信道分配技術(shù))用以和地面無線系統(tǒng)共享VHF、UHF頻段。目前經(jīng)過大量的事實證明,上述技術(shù)在頻率管理規(guī)范的地區(qū)是完全適用的,但在中國大陸等頻率管理混亂的地區(qū),抗干擾性差。要更好的在國內(nèi)開展LEO衛(wèi)星業(yè)務有待進一步改善我國的電磁環(huán)境。另一些LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)如銥星、GLOBALSTAR使用L波段,雖然避開地面無線系統(tǒng)的干擾,但是隨著GEO新一代衛(wèi)星上L波段的轉(zhuǎn)發(fā)器的增加,必然引起新的一輪頻率資源爭奪。


　　綜上所述衛(wèi)星通信系統(tǒng)和一切技術(shù)系統(tǒng)一樣,有特點有缺點。特點決定衛(wèi)星通信系統(tǒng)在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡中的存在價值；缺點預示著衛(wèi)星通信的發(fā)展必然是有波折的。


　　關(guān)于衛(wèi)星通信的思考(二)


　　近來,地面通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展使得衛(wèi)星通信業(yè)壓力重重。環(huán)球光纜網(wǎng)；全球移動通信網(wǎng)的發(fā)展使得GEO衛(wèi)星的話務量嚴重萎縮。GEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)業(yè)務隨著INTERNET的發(fā)展雖有一定的增加,但同時面臨近來的IT冬天以及以寬帶網(wǎng)為主的地面網(wǎng)絡的有力爭奪。目前,GEO衛(wèi)星只有電視業(yè)務比較樂觀。LEO、MEO衛(wèi)星通信是新興的技術(shù)概念,技術(shù)上尚需完善,加之銥星風波；地面蜂窩電話迅猛發(fā)展；全球經(jīng)濟衰退等原因,LEO、MEO衛(wèi)星有些生不逢時的感覺。在紛亂的市場表象下是有其內(nèi)在規(guī)律可循。


1.衛(wèi)星通信技術(shù)風險高。


　　衛(wèi)星通信集無線電通信技術(shù)大成,可謂高、精、尖。每代衛(wèi)星的研制、發(fā)射、運行過程長。衛(wèi)星一旦留空后,星上技術(shù)就難以升級,就要求星上技術(shù)相對于地面通信技術(shù)有一定的前瞻性,有一定的超前技術(shù)儲備,當然就有一定的技術(shù)風險。隨著技術(shù)的提高衛(wèi)星的壽命在增加,使得技術(shù)風險進一步加大。如GEO衛(wèi)星的壽命從平均5年增到平均8年。LEO衛(wèi)星系統(tǒng)以銥星為例,MOTOROLA于1987年開始設計,初衷是對衛(wèi)星覆蓋的世界任何地方的用戶提供蜂窩電話業(yè)務。10年后設想變?yōu)楝F(xiàn)實時,盼望的人們?yōu)橹�欣喜。但是同樣這10年,地面蜂窩電話網(wǎng)幾乎覆蓋全球。而且,INTERNET用戶爆炸性增長,需要傳輸數(shù)據(jù)的人日趨增多,而用衛(wèi)星電話業(yè)務的人卻很少,衛(wèi)星電話只能在戶外使用,話費昂貴,銥星只能在2000年終止業(yè)務。


2.相關(guān)的地面應用技術(shù)開發(fā)滯后。


　　由于衛(wèi)星星上技術(shù)的超前性,使得相關(guān)的地面應用技術(shù)開發(fā)脫節(jié)。良好的市場前景成為泡影,開發(fā)出的用戶反為其他通信手段奪取,使得衛(wèi)星通信市場運作舉步唯艱。LEO衛(wèi)星中的ORBCOMM系統(tǒng)率先提出結(jié)合GPS、短數(shù)據(jù)通信進行移動物體跟蹤定位的理論,并在技術(shù)上得以實現(xiàn)。但由于相關(guān)的地面應用技術(shù)開發(fā)滯后,巨大的市場為其他通信手段奪取(GPS+GSM+GIS),可預計的市場減少使ORBCOMM運行進入惡性循環(huán)。尤其在衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域,許多方面需要開發(fā)。如無人儀表的遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸；偏遠地區(qū)財物跟蹤,都需要相關(guān)配套技術(shù)的開發(fā)工作。LEO、MEO衛(wèi)星是可選擇的良好通信手段,而市場用戶需要一個全面的解決方案。LEO、MEO在開發(fā)之初就強調(diào)應用的重要性,到目前為止成熟的應用不多。


3.衛(wèi)星通信市場發(fā)展的周期性強。


　　衛(wèi)星通信的技術(shù)發(fā)展軌跡以每代衛(wèi)星的在軌壽命為技術(shù)周期,以換代時間為時間節(jié)點,類似正弦波的發(fā)展路線。衛(wèi)星通信市場的發(fā)展也是類似的軌跡。在換代之初,由于星上技術(shù)相對地面應用技術(shù)超前,市場相對低迷,地面技術(shù)不斷的發(fā)展,市場進入相對穩(wěn)定發(fā)展期,類似于正弦波的正周期。當?shù)孛鎽�用技術(shù)接近星上技術(shù)時,由于衛(wèi)星星上技術(shù)不能升級,地面用戶的增長需求就不能很好的滿足,用戶會尋找其他的手段來替代,這時衛(wèi)星通信市場進入正弦波的負周期,也可稱為沉寂期。直到下一代衛(wèi)星的上天,重復新的周期。


　　認識規(guī)律是為了解決問題。在目前衛(wèi)星通信市場處于相對沉寂期。全球范圍的衛(wèi)星通信運營商在兩方面著手應對。


1.加大地面及相關(guān)配套應用技術(shù)的開發(fā)。


　　當前,國際上做法很多,目的相同,效果有待時間檢驗。


　　GEO衛(wèi)星方面,衛(wèi)星制造公司參與應用技術(shù)的一體化開發(fā),如歐洲阿爾卡特公司。以參股的形式加大與運營商的合作,共同開拓市場。如美國洛克西勒.馬丁公司與印尼ACES公司合作共同開拓新一代衛(wèi)星蜂窩電話市場。


　　LEO衛(wèi)星方面,如美國ORBCOMM公司,運營與研發(fā)一體；并出資支持相關(guān)的增值服務商(VAR)的成長,拓展市場空間。暫不論結(jié)果如何,從技術(shù)層面上看,不失為明智之舉,值得我國借鑒。我國同樣有一些衛(wèi)星通信運營公司在積極參與應用技術(shù)的開發(fā),如SINOCOMM公司。


2.調(diào)整市場定位,以80%的精力爭奪20%產(chǎn)生贏利的市場分額。


　　GEO衛(wèi)星系統(tǒng)不在與地面通信網(wǎng)在傳統(tǒng)語音話路上進行直接競爭,而發(fā)揮優(yōu)勢開發(fā)直播衛(wèi)星系統(tǒng),并取得巨大的成功。目前衛(wèi)星電視傳輸所占的市場份額已經(jīng)遠超過地面的有線電視網(wǎng)絡。同時加大開拓數(shù)據(jù)業(yè)務的市場的力度。利用新的一輪換星高峰的到來,利用衛(wèi)星L波段轉(zhuǎn)發(fā)器的功能開拓移動物體通信,跟蹤等以前沒有涉及的領(lǐng)域,如ACES衛(wèi)星系統(tǒng)；INMASAT衛(wèi)星系統(tǒng)；V-STAR等。


　　LEO衛(wèi)星系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和銥星系統(tǒng)相似,但已經(jīng)吸收了銥星的教訓和經(jīng)驗,不再與地面蜂窩電話競爭,而定位另一塊市場,即偏遠地區(qū)的數(shù)據(jù)通信,企業(yè)用戶和大數(shù)據(jù)用戶作為主要的服務對象�！般灐毕到y(tǒng)同樣也完成經(jīng)營方向的轉(zhuǎn)變,給LEO 衛(wèi)星通信帶來了新的希望。


3.機器上網(wǎng)(Machine on line )標志著衛(wèi)星通信新的方向。


　　ORBCOMM提出的Machine on line的概念不但是很好的市場口號,也是很好的發(fā)展方向。LEO衛(wèi)星、INTERNET的發(fā)展徹底改變了傳統(tǒng)電信業(yè)以人為主要服務對象,數(shù)字化革命必將席卷工業(yè)領(lǐng)域,無人儀表將是新的服務對象。機器在線、遠端監(jiān)控、無人職守、利用LEO衛(wèi)星系統(tǒng)人類可以無需踏足險地,就可把人的意志布于全球范圍。


　　綜上所述,有規(guī)律的事物就能駕御,衛(wèi)星通信市場是值得努力的。


　　關(guān)于衛(wèi)星通信的思考(三)


　　目前,LEO、MEO衛(wèi)星通信市場雖經(jīng)低谷,但技術(shù)仍在發(fā)展,主要有三大趨勢。


1.修改軟件,實現(xiàn)語音業(yè)務向數(shù)據(jù)業(yè)務轉(zhuǎn)移。


　　新的銥星公司通過修改和升級軟件的方法,將原設計的話音衛(wèi)星變成以數(shù)據(jù)為主的衛(wèi)星,同時保持一定的話音業(yè)務,從而使銥星系統(tǒng)獲得新生。“銥”原來的數(shù)據(jù)率為2.4kbps,現(xiàn)提高到10kbps。新的數(shù)據(jù)率雖不敢稱寬帶傳輸?shù)�比原設計提高3倍。銥星網(wǎng)絡花費55億美金,現(xiàn)在只用5500萬完成業(yè)務轉(zhuǎn)型。


2.開拓多種路由方式、各種數(shù)據(jù)業(yè)務。采用的方法有3種。


(1)避開星際鏈路的實時業(yè)務。


　　降低成本,減少復雜性,吸取銥星的教訓,設計時放棄星際鏈路,改由通過地面光纖提供路由信息。如GLOBALSTAR系統(tǒng)通過地面光纖網(wǎng)提供路由信息。這意味著衛(wèi)星對用戶和網(wǎng)關(guān)站必須是視距傳輸。要求建立網(wǎng)關(guān)地球站。GLOBALSTAR系統(tǒng)在全球建立了24個網(wǎng)關(guān)地球站。ORBCOMM系統(tǒng)在全球也有一系列網(wǎng)關(guān)地球站。


(2)非實時數(shù)據(jù)業(yè)務


　　目前,提供這類業(yè)務的有ORBCOMM系統(tǒng)。ORBCOMM系統(tǒng)只向用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務,較之GLOBALSTAR系統(tǒng)所不同是提供即時性的數(shù)據(jù)通信。ORBCOMM系統(tǒng)采取的存儲轉(zhuǎn)發(fā)的通信機制,當一顆衛(wèi)星運行出視界范圍時,ORBCOMM的終端將數(shù)據(jù)存儲起來,待下顆衛(wèi)星進入視界范圍再傳輸出去,這是它的優(yōu)點。但缺點是時延增大,ORBCOMM系統(tǒng)可以跟蹤所有的終端,效率比較高,相對成本低,適合各類用戶使用。ORBCOMM系統(tǒng)還提供全球定位服務。2000年9月美國一個叫“奇力“漁船隊就是靠ORBCOMM系統(tǒng)脫險獲救的。ORBCOMM系統(tǒng)正在嘗試成為直播衛(wèi)星系統(tǒng)的上行點播通道的提供商。


(3)真正的全球數(shù)據(jù)業(yè)務。


　　一些LEO衛(wèi)星系統(tǒng)如SKYBRIDGE系統(tǒng),由于該系統(tǒng)的大資金提供者是歐洲電信巨人阿爾卡特公司提供,所以它目前不受美國的控制,能夠提供被美國系統(tǒng)排除在外的地區(qū)和國家,如向被GOBALSTAR系統(tǒng)排斥在外的古巴。同樣,ORBCOMM系統(tǒng)在中國大陸的運營,可以覆蓋朝鮮半島,開拓朝鮮南北方的短數(shù)據(jù)業(yè)務,克服政治原因造成的阻礙。


3.提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)率,縮小用戶終端體積。


　　LEO、MEO衛(wèi)星的通信數(shù)據(jù)率在穩(wěn)步提高,在可預計的將來將達到M級數(shù)據(jù)率。


　　從用戶終端上看,縮小終端體積也是發(fā)展衛(wèi)星通信市場的重要的考慮因素。10年前,沒有各種通信PC卡的時候,每一種網(wǎng)絡通信業(yè)務都要求用戶攜帶蜂窩電話大小的終端。對于未來寬帶通信網(wǎng)絡而言,各類通信門類的用戶終端都要求是便攜式的而不是移動式。


　　目前,全球還有幾十億人沒使用電話,更談不上鏈接INTERNET,享受數(shù)據(jù)業(yè)務服務。然而當前的語音和數(shù)據(jù)公司不能做賠本的生意來滿足這一體量龐大的用戶市場,從而使寬帶INTERNET接入進展緩慢。隨著下表中LEO、MEO衛(wèi)星系統(tǒng)的相繼投入使用�；�于LEO、MEO衛(wèi)星系統(tǒng)的移動衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務不再是科幻,而是世界上偏遠地區(qū)和發(fā)展中國家發(fā)展現(xiàn)代化通信業(yè)務的必然選擇。


　　關(guān)于衛(wèi)星通信的思考(四)


　　LEO、MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)在我國被稱為小衛(wèi)星。在這一方面我國科技力量和國外的差距不大。我國政府在這一方面也給以充分的重視。關(guān)于我國的LEO衛(wèi)星通信的發(fā)展有兩方面的建議。


　　1．認識衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展特有的周期率,加大星上技術(shù)的儲備,新的技術(shù)的前瞻性研究。這樣在衛(wèi)星上天后可以盡量的延長穩(wěn)定發(fā)展期,盡量減短業(yè)務沉寂期


　　2．在大力發(fā)展LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的同時,加大對相關(guān)應用技術(shù)的開發(fā)投入。使我國的LEO衛(wèi)星事業(yè)是以一個完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務于人民。進一步成為一個新興的衛(wèi)星通信業(yè)務門類。在這方面,我國與國外同行差距不大,我國又有社會主義體制的優(yōu)勢,可以集中力量辦大事。同時可以采用各種方式來整合社會力量共同辦好這一事業(yè)�？梢詤⒄丈蟼�世紀80年代初,全球各國政府出資合辦第一個全球性的GEO衛(wèi)星組織INTERSTAR的辦法。


結(jié)束語


　　LEO、MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng),以其巧妙的構(gòu)思和獨特優(yōu)點已經(jīng)嶄露頭角,雖然在實施上依然有不少技術(shù)難點和市場風險,但在這一世紀有效地投入商業(yè)運行將毋容質(zhì)疑。LEO、MEO寬帶、窄帶系統(tǒng)的低時延、無縫隙的固定/移動業(yè)務覆蓋能力必將成為未來信息高速公路建設的重要環(huán)節(jié),特別是可以補充、支持光纖網(wǎng),使之名副其實地實現(xiàn)三維無縫隙全球通信。


摘自《無線產(chǎn)品世界》