推進中的寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信

推進中的寬帶數(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充，實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有高增益
點波束天線、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)。雖然面臨來自技術(shù)、管理、商業(yè)等方面的挑戰(zhàn)，但其市場依然被業(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)，在兩個或多個地球站之間進行的通信。寬帶衛(wèi)星通信不僅是
對寬帶地面通信有益的補充，而且較之寬帶地面通信具有其獨特的性能和優(yōu)勢，諸如通
信距離遠、覆蓋范圍廣、機動靈活、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，并對地球站提供雙向業(yè)務(wù)，且地
球站的天線尺寸可以與當前的衛(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
換能力使得這類衛(wèi)星像數(shù)字公用電話網(wǎng)一樣運行，并按照用戶的需求提供帶寬和準實時
訪問，用戶按傳輸?shù)臅r間和速率付費。用戶之間實時共享多媒體衛(wèi)星，有可能提供較低
價格、便于接入的訪問。
    一、寬帶衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)
    使寬帶衛(wèi)星特性得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是高增益點波束無線、星上處理和交換，以及
在某些場合的內(nèi)部星間鏈路。
    高增益的點波束天線是必須的，因為多媒體衛(wèi)星提供的業(yè)務(wù)通常操作在點對點狀態(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，每個點波束僅覆蓋一
個小的區(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)射機的尺寸。尺寸小而增益高的點波束也適應(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)。對于多
點波束的衛(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)
到目標點波束的下行鏈路。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)和分配來自各個點波束的信息。星上數(shù)字處理還有一個好處，它使上
行和下行鏈路的鏈路余量相互獨立，這樣，為降低雨衰而采用的技術(shù)只在需要的時候有
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，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)決策強烈
影響市場，反過來，市場又牽制技術(shù)決策。這也是許多系統(tǒng)一再推遲建造時間的主要原
因。
   （1）基本的系統(tǒng)設(shè)計
    在向電信管理部門或ITU提出申請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
    計劃中的大部分系統(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)個量級。據(jù)悉，銥系統(tǒng)
有178種專用集成電路，平均每種12.5萬門，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)機數(shù)字處理器的前提條件是首先確定整個系統(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，而這些要求又對諸如波束的數(shù)量和尺寸、
衛(wèi)星發(fā)射機功率，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)
營收益。系統(tǒng)的復(fù)雜程度及系統(tǒng)設(shè)計與市場定位和應(yīng)用定位的相互關(guān)聯(lián)和取舍，對最
終的系統(tǒng)設(shè)計來說是最重要的因素。
    （3）系統(tǒng)可用率
    系統(tǒng)可用率是一個重要的系統(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％，對應(yīng)的系統(tǒng)中斷時間為每周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)計者要綜合考慮市場對系統(tǒng)技術(shù)性能、系統(tǒng)成本和運營效益的要求，以實現(xiàn)優(yōu)
化的設(shè)計。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表現(xiàn)，因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的策劃者們無一例
外對用戶終端的設(shè)計。研制煞費苦心。
    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)對用戶終端的干擾電平和用戶終端對
其他系統(tǒng)的干擾電平。對于同步軌道衛(wèi)星當前執(zhí)行的軌道間隔“標準”和典型的終端
發(fā)射機功率，最小天線直徑在60cm左右。
    另一個影響多媒體衛(wèi)星終端成本的因素是發(fā)射機部分。從安全、使用壽命和價格
的觀點考慮，固態(tài)發(fā)射機是理想的選擇。然而，目前Ka頻段固態(tài)功率器件只有見瓦的
射頻輸出功率，生產(chǎn)數(shù)量少，價格居高不下。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
的情況下仍能校準指向。
    終端制造商無疑希望用戶終端采用標準化設(shè)計，終端元器件可以通用，這樣可以
降低成本�？墒怯媱澲械拿總�系統(tǒng)都開發(fā)了各自的空間接口，出于競爭的壓力也阻礙
了聯(lián)合開發(fā)。幾個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的用戶終端就五花八門。
    （5）網(wǎng)絡(luò)控制
    網(wǎng)絡(luò)控制對系統(tǒng)設(shè)計者提出了幾個挑戰(zhàn)。同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)必須重點處理傳播延
遲的問題，必須有足夠的緩沖能力處理導(dǎo)致系統(tǒng)瞬間過載的資源擁擠。
    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。在從一個優(yōu)化路由轉(zhuǎn)移到
另一個優(yōu)化路由時，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
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)議標準、信令和地址標
準、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)星移動通信和寬帶衛(wèi)星通信這類系統(tǒng)在設(shè)計
和測試時必須對系統(tǒng)安全有足夠的重視，要有拒絕可能的非授權(quán)用戶進入的措施，要
能檢測。定位、控制這樣的入侵者。數(shù)據(jù)安全必須有當?shù)胤�律允許的高級密碼保護。
    2．管理挑戰(zhàn)
購?fù)ㄐ畔到y(tǒng)類似，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)星使用的每個方向（空到地和地到空）3.5GHz的Ka頻段還
被認為是沒有充分利用的一個頻段，如今，情況和發(fā)生了很大變化。各國管理部門和
ITU已將這個頻段的～部分留給其他的應(yīng)用，包括衛(wèi)星移動通信業(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)軌道位置而申請的“紙上”衛(wèi)星。
    （3）所在國有關(guān)規(guī)定
    任何全球性的系統(tǒng)必須爭取所在國法律、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?shù)匕惭b和安全要求、符合當?shù)刂圃旌瓦M口關(guān)稅
要求的衛(wèi)星終端的使用許可。另外，經(jīng)營者必須遵守當?shù)貙�國際通信的監(jiān)視和控制的
規(guī)定，包括對數(shù)據(jù)加密的使用限制和跨邊界使用控制。最后，可能還會有征稅的稅率
方面的限制，目的在于保護當?shù)氐碾娦判袠I(yè)。
    3．商業(yè)挑戰(zhàn)
    多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)的推動者面臨的商業(yè)挑戰(zhàn)是：如何降低計劃風(fēng)險，準確地定位市
場并優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，保證充足的資金。
    降低計劃風(fēng)險的途徑，一是減少系統(tǒng)成本以降低所需的投資，包括加快計劃的進
度以縮短進入市場的時間；二是設(shè)計的系統(tǒng)盡可能靈活，以便能夠適應(yīng)需求的變化和
新的市場；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)對市場作測試。所有這些途徑都必須針對技術(shù)風(fēng)險進行綜合考慮。
    用戶終端的價格對于多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)能否被用戶接受，特別是在消費者市場中能
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，界
面友好，外觀也要十分考究。商業(yè)和集團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，多媒體分配（諸如按需向商業(yè)。集團用戶或家庭提供
數(shù)字影視、數(shù)字音頻廣播、寬帶數(shù)據(jù)流等），多個地點的電視會議，電子商務(wù)和金融
交易，遠程醫(yī)療及家庭健康咨詢，遠程教育及遠程學(xué)習(xí)，E－mail和影像E-mail，搶
險救災(zāi)，家庭購物及家庭銀行業(yè)務(wù)，游戲和娛樂，可視電話，數(shù)據(jù)庫同步和修改、軟
件升級，資料查詢和新產(chǎn)品信息傳播。
    2．市場前景
    據(jù)國外權(quán)威咨詢機構(gòu)預(yù)測，在未來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2000臺，非同步軌道上Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量將接近400臺。
到2005年，寬帶通信業(yè)務(wù)的用戶可能達到4億個，包括地面和衛(wèi)星在內(nèi)的多媒體市場估
計為年收入7150億美元�，F(xiàn)有的以及正在計劃中的地面網(wǎng)絡(luò)將無法滿足這個期間的市
場需求，這就為多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)帶來了難得的商機和發(fā)展空間。該機構(gòu)還預(yù)測，多媒
體衛(wèi)星系統(tǒng)的市場份額在5%-10%，2005年將達到年收入375億美元。更為樂觀的估計是，
2005年多媒體衛(wèi)星市場的年收入將達到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，對市場前景持樂觀態(tài)度。寬帶衛(wèi)星系
統(tǒng)與地面系統(tǒng)既相互競爭，又相互補充、融合和依存。從競爭的角度來看，寬事業(yè)衛(wèi)
星通信在整個電信市場特別是包括地面和衛(wèi)星在內(nèi)的多媒體市場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)營者們推進這項跨世紀工程的力度，以及他們
在面對市場、管理和技術(shù)諸方面挑戰(zhàn)所采取的對策。但不管怎么說，寬帶數(shù)據(jù)衛(wèi)星通
信具有良好的發(fā)展前景。