推進中的寬帶數據衛(wèi)星通信

相關專題: 光通信 無線 5G
推進中的寬帶數據衛(wèi)星通信
摘要:寬帶數據衛(wèi)星通信作為寬帶地面通信的有益補充,實現的關鍵技術有高增益
點波束天線、星上處理和交換及內部星間鏈路等,可以選擇低軌道衛(wèi)星系統或同步衛(wèi)星
系統。雖然面臨來自技術、管理、商業(yè)等方面的挑戰(zhàn),但其市場依然被業(yè)內人士看好,
其業(yè)務有著光明的發(fā)展前景。
關鍵詞:寬帶通信 衛(wèi)星數據通信 多媒體通信 同步衛(wèi)星通信 低軌道衛(wèi)星通信
寬帶數據衛(wèi)星通信又稱為天基多媒體通信或寬帶衛(wèi)星通信,是利用衛(wèi)星作為中繼站
轉發(fā)高速率寬帶業(yè)務數據,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、傳輸質量高等特性。
寬帶數據衛(wèi)星通信出于管理、技術和商業(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,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)星像數字公用電話網一樣運行,并按照用戶的需求提供帶寬和準實時
訪問,用戶按傳輸的時間和速率付費。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)星通信的關鍵技術
使寬帶衛(wèi)星特性得以實現的關鍵技術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)務通常操作在點對點狀態(tài)
下,而這樣的業(yè)務一般都要求較高的帶寬。如同地面蜂窩網一樣,每個點波束僅覆蓋一
個小的區(qū)域,采用頻率復用技術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,星上數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
到目標點波束的下行鏈路。等同于地面電信網中繼線的內部星間鏈路也要求星上數字處
理和交換,以集結和分配來自各個點波束的信息。星上數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只在需要的時候有
選擇地用于特殊波束中的用戶。內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)務質量。內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協調等優(yōu)勢,在多媒體衛(wèi)星通
信系統中將得到廣泛的商業(yè)應用。
低軌道系統有Teledesic系統、Sky Bridge系統等,同步軌道系統以洛克希德·馬丁
(Lockheed Martin)公司的Astrolink系統為代表。
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增理、商業(yè)諸方面的挑戰(zhàn)。
1.技術挑戰(zhàn)
建議中的多媒體衛(wèi)星系統面臨諸多的技術挑戰(zhàn)和技術折中方案,許多技術決策強烈
影響市場,反過來,市場又牽制技術決策。這也是許多系統一再推遲建造時間的主要原
因。
(1)基本的系統設計
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:低軌道系統還
是高軌道系統,或是混合軌道系統;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)星和系統設計
計劃中的大部分系統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。
這種有效載荷的復雜程度高于傳統的“彎管”式衛(wèi)星有效載荷數個量級。據悉,銥系統
有178種專用集成電路,平均每種12.5萬門,而正在研制的Ka頻段系統其處理器比銥系
統的處理器復雜100-1000倍。確定聯機數字處理器的前提條件是首先確定整個系統的
網絡結構,然后在空間和地面單元中分解網絡功能。數字處理器的結構和復雜性對有
效載荷的質量、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
營收益。系統的復雜程度及系統設計與市場定位和應用定位的相互關聯和取舍,對最
終的系統設計來說是最重要的因素。
(3)系統可用率
系統可用率是一個重要的系統參量。已公布的大部分系統都申明系統可用率大約
為99.5%,對應的系統中斷時間為每周50 min。某些非同步軌道衛(wèi)星系統聲稱可用率
為99.99%?捎寐释耆蕾囉谟脩艚K端對衛(wèi)星的仰角、用戶終端所處的季節(jié)和雨區(qū)。
系統設計者要綜合考慮市場對系統技術性能、系統成本和運營效益的要求,以實現優(yōu)
化的設計。需要綜合考慮的因素包括:鏈路數據速率、緩解雨衰技術的使用、鏈路編
碼復雜性、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
系統幾乎所有的功能都要靠終端來表現,因此,衛(wèi)星通信系統的策劃者們無一例
外對用戶終端的設計。研制煞費苦心。
任何衛(wèi)星業(yè)務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干擾的能力。相鄰同步軌道衛(wèi)星系統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,決定了其他系統對用戶終端的干擾電平和用戶終端對
其他系統的干擾電平。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,生產數量少,價格居高不下。適合Ka頻段的諸如行波管、速調管的真
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,并在出現風雪天氣或易地安裝
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計,終端元器件可以通用,這樣可以
降低成本。可是計劃中的每個系統都開發(fā)了各自的空間接口,出于競爭的壓力也阻礙
了聯合開發(fā)。幾個衛(wèi)星移動通信系統的用戶終端就五花八門。
(5)網絡控制
網絡控制對系統設計者提出了幾個挑戰(zhàn)。同步軌道衛(wèi)星系統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致系統瞬間過載的資源擁擠。
非同步軌道衛(wèi)星系統必須處理由于地基終端與衛(wèi)星相對位置的變化而導致的路由
變化。雖然非同步軌道衛(wèi)星系統的傳播延遲較之同步軌道系統小,但是,其延遲量可
能在較大范圍內變化,從而引起某些應用的服務質量下降。在從一個優(yōu)化路由轉移到
另一個優(yōu)化路由時,需要足夠的緩沖以避免信息包丟失。
網絡控制功能也包括授權用戶的認證、網絡資源的分配和管理、服務質量的保證
等。
(6)與地面網絡的互操作性
為了實現建立全球信息框架和最大可能應用的許諾,衛(wèi)星網絡必須與地面網絡無
縫連接和互操作。與地面網絡互操作意味著支持現有的傳輸協議標準、信令和地址標
準、多址方式以及服務質量保證體系。
(7)系統安全
覆蓋范圍廣的衛(wèi)星系統,特別是像衛(wèi)星移動通信和寬帶衛(wèi)星通信這類系統在設計
和測試時必須對系統安全有足夠的重視,要有拒絕可能的非授權用戶進入的措施,要
能檢測。定位、控制這樣的入侵者。數據安全必須有當地法律允許的高級密碼保護。
2.管理挑戰(zhàn)
購通信系統類似,主要是頻譜可用性、與其他衛(wèi)星網絡以及地面蜂窩多媒體業(yè)務的協
調,以及遵守各國電信管理的有關規(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~部分留給其他的應用,包括衛(wèi)星移動通信業(yè)務中的信關站饋電
鏈路、地面蜂窩多媒體業(yè)務以及軍用衛(wèi)星。這個頻段已經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)星網絡的協調
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)星網絡的協調已經變得
越來越困難。按照ITU目前的規(guī)定,它們必須與所有衛(wèi)星系統進行協調,不論與之協調
的衛(wèi)星是已有的系統,還是出于占領軌道位置而申請的“紙上”衛(wèi)星。
(3)所在國有關規(guī)定
任何全球性的系統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。
這包括獲得必須的落地權,獲得符合當地安裝和安全要求、符合當地制造和進口關稅
要求的衛(wèi)星終端的使用許可。另外,經營者必須遵守當地對國際通信的監(jiān)視和控制的
規(guī)定,包括對數據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,目的在于保護當地的電信行業(yè)。
3.商業(yè)挑戰(zhàn)
多媒體衛(wèi)星系統的推動者面臨的商業(yè)挑戰(zhàn)是:如何降低計劃風險,準確地定位市
場并優(yōu)化系統設計,保證充足的資金。
降低計劃風險的途徑,一是減少系統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;二是設計的系統盡可能靈活,以便能夠適應需求的變化和
新的市場;三是盡量降低系統的復雜性,使系統及早投入使用;四是用一些容量小的
“早入”系統對市場作測試。所有這些途徑都必須針對技術風險進行綜合考慮。
用戶終端的價格對于多媒體衛(wèi)星系統能否被用戶接受,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
的網絡提供無縫連接,系統接入和數據保密也是他們關心的事情。
三、寬帶衛(wèi)星通信前景可觀
1.應用前景
寬帶衛(wèi)星通信將以提供交互式雙向多媒體業(yè)務而被廣泛應用,典型的應用將包括
(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
數字影視、數字音頻廣播、寬帶數據流等),多個地點的電視會議,電子商務和金融
交易,遠程醫(yī)療及家庭健康咨詢,遠程教育及遠程學習,E-mail和影像E-mail,搶
險救災,家庭購物及家庭銀行業(yè)務,游戲和娛樂,可視電話,數據庫同步和修改、軟
件升級,資料查詢和新產品信息傳播。
2.市場前景
據國外權威咨詢機構預測,在未來10年內,地球同步軌道上Ka頻段轉發(fā)器的數量
將增加10倍以上,總數將超過2000臺,非同步軌道上Ka頻段轉發(fā)器的數量將接近400臺。
到2005年,寬帶通信業(yè)務的用戶可能達到4億個,包括地面和衛(wèi)星在內的多媒體市場估
計為年收入7150億美元,F有的以及正在計劃中的地面網絡將無法滿足這個期間的市
場需求,這就為多媒體衛(wèi)星系統帶來了難得的商機和發(fā)展空間。該機構還預測,多媒
體衛(wèi)星系統的市場份額在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)內人士普遍看好寬帶數據衛(wèi)星通信市場,對市場前景持樂觀態(tài)度。寬帶衛(wèi)星系
統與地面系統既相互競爭,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)數據衛(wèi)星系統經營者們推進這項跨世紀工程的力度,以及他們
在面對市場、管理和技術諸方面挑戰(zhàn)所采取的對策。但不管怎么說,寬帶數據衛(wèi)星通
信具有良好的發(fā)展前景。

   
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