宋传志

摘  要：随着时代和科技的快速进步，信息网络朝着以多媒体的形式更广泛地融入人们的生产和生活中的趋势发展。信息网络的发展需求，进一步促使了信息技术的发展，光纤通信发展出了光传送网络和智能光网络等技术，移动通信从3G网络发展到了4G网络和5G网络，而卫星通信则通过采用多点波束频率复用等技术发展出了高通量卫星通信息系统。本文通过分析高通量卫星通信系统采用的关键技术及其应用特点和发展方向，对其应用领域进行分析研究。

关键词：高通量卫星  频率复用  技术发展  应用研究

中图分类号：TN927.2                        文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（c）-0078-03

Abstract： With the rapid progress of epochs and science and technology， the information network is developing towards multi-media， ubiquitous， broadband and other trends. Demand for the development of information network， further to promote the development of information technology，optical fiber communication developed techniques such as optical transmission network and intelligent optical network， mobile communication from the 3G network development in 4G and 5G network， and satellite communication is through the adoption of multiple beam frequency reuse technology developed， such as high flux satellite communication information system. In this paper， the key technologies of high throughput satellite communication system and their application characteristics and development direction are analyzed and studied.

Key Words： High throughput satellite; Frequency multiplexing; Technological development; Application research

不断扩大中的卫星通信应用领域发展趋势，带动着高速率传输服务需求的持续上升，从而加速着高通量卫星技术的前进。我们知道频率是通信系统的基本要素，为了达到扩展通信系统带宽容量的目的，充分发掘新的频率资源和提高频率使用效率成了基本手段。我国通信卫星之前使用的频段主要集中在C频段和Ku频段，技术成熟易于实现，但也存在可用带宽窄的劣势，随着频率资源的枯竭，昂贵的频率资源使得大规模发展卫星通信应用变得很难。与此同时，由于技术的发展，利用丰富的Ka频段频率资源变成现实，因此，发展基于Ka频率的大容量通信卫星相较传统的C频段、Ku频段通信卫星，具有多點波束、可用频带宽、频率复用、单点波束增益高等技术特点优势，可以实现数倍数十倍甚至百倍的通信容量提升。同时，还可以使得卫星通信的单位带宽成本得到大幅降低，在带宽容量、单位带宽成本等方面变得更有优势，甚至可以使得提供优惠的服务资费与地面4G和5G网络服务抗衡变为可能，从而与地面通信网络同台展开竞争。为充分挖掘高通量卫星的应用价值，推动高通量卫星应用发展，本文通过对相关关键技术进行分析，明确技术应用特点及发展方向，分析研究在哪些典型应用领域可以使用高通量卫星通信系统。

1  高通量卫星技术发展方向

卫星的结构空间、功率控制和质量限制等对有效载荷影响较大，同时，频率资源需求急剧增长也使得频率资源趋向耗尽而导致紧张的形势，大规模的通信星座建设导致轨道资源的紧张境况，这些因素综合在一起促进了卫星技术创新研究力度的加大。

高通量卫星通信系统由以下几个部分组成，分别为天基卫星平台、地面用户终端以及地面关口站这三大部分。各部分的功能定位分别为，天基卫星平台负责卫星信号的处理和转发，地面用户终端负责向各类终端用户提供各种业务类型通信服务，地面关口站负责业务的接入和交换、运营维护以及提供各类业务的支撑服务。高通量卫星具有以下几方面技术特点。

1.1 多波束天线技术

发展以相控阵天线为代表的多波束天线技术，能够使得天线载干比得到有效提高，同时增强频率利用效率。目前，以Ku频段为主的常用频段轨位的频率应用目前已经处于饱和状态，后续的带宽应用受到了限制，所以，为高通量卫星应用过程为代表的下一代通信卫星主要选用Ka频段。这是因为Ka频段轨位频率资源还没有得到充分的开发，可用的带宽较大，可以解决目前的困境。而且，相比于在用频率、波束赋形和极化方式等都是固定不可调整的传统通信卫星系统，高通量卫星可以实现在轨实时调整波束的工作频率和极化方式等参数配置，灵活响应业务需求。为了进一步研究改善高通量卫星多波束载干比和增强频率的复用效率，这里引入了一项新的应用技术--高增益多波束天线技术，该项技术的引入，可以使得高通量卫星如何实现高数据吞吐量的关键问题变得迎刃而解。而且通过合理应用Ka频段天线，在获取较高的整体收益前提下，还能有效调控地面终端的体积，实现终端的小型化，从而获取较大的运行收益。

1.2 频率复用技术

随着高通量卫星得到各国越来越多的重视，越来越多的系统得到大规模兴建，空间变得拥挤起来，从而会导致可用的频率资源会变得越来越稀缺，频率资源变得不可能独享，而研究以频率共用技术为主的复用技术，从而达到多星座共存的局面。所以，在高通量卫星中合理应用多波束技术，能为频率复用提供较大的应用空间。频率复用就是在多个覆盖区域中，不同波束应用相同的通信频率。如果卫星波束数量较多，频率复用对系统也具有良好的应用价值。频率复用系统技术是高通量卫星网络优化高数据信息吞吐量的重点，通过频率复用能全面提升卫星频谱利用效率，优化数据吞吐容量。通过采用点波束和频率复用两种技术的结合，使得天线增益得到有效提高，从而达到实现频率复用的目的。同时，也会带来一些需要解决的问题，当多个波束共有同一段频段的时候，就会引入波束间的干扰问题。一方面点波束技术能够提高频率的使用效率，另一方面产生的波束间干扰又降低了波束效率。因此，就要平衡设计波束的数量和频率复用程度。

1.3 灵活有效载荷技术

高通量卫星为了达到高数据吞吐量的目标，需要尽可能地扩大可用通信带宽，并提高频谱效率，而这就意味着更大的发射功率。同时，常规卫星的星上设计相对简单，一旦入轨，大部分载荷就很难进行调整，难以根据使用需求调整转发器提供服务，造成转发器使用效率低的问题。这里就引入了灵活有效载荷技术的概念，转发器可以实现灵活的覆盖，能够在轨调整转发器的覆盖区域，进行动态覆盖调整，包括波束的大小、数量及赋形;通过星上处理的方式，实现频率和带宽资源的灵活分配，从而实现有效载荷的频谱资源灵活分配;通过多端口放大器等技术手段实现星上载荷功率资源的灵活分配。

2  高通量卫星通信系统应用分析

2.1 宽带接入

卫星通信相对地面通信网络具有无法比拟的巨大优势，可以无视地理条件限制，为地理位置偏远地区提供宽带接入服务。此类应用具有位置相对固定、用户数量众多和带宽需求量大等特点，运营商可以采取针对性措施，创新运行模式。高通量卫星通信系统中设有关口站，能提供较多服务，用户通过通信终端能获取宽带通信服务，实际产生的通信费用值较低。在过去传统通信系统应用中主要是以租赁转发器为重点，为此需要构建更全面的通信系统，通过不同的服务进行保障，在此领域中高通量卫星通信系统应用价值较高。必须注意到，虽然高通量卫星在边远地区宽带接入服务方面具有一定的优势，但在服务性价比方面相对地面通信网络仍不具有优势。此类应用在我国农村网络建设中具有广泛前景，虽然光纤传送网和移动通信网已经发展到了成熟阶段，但因为成本和地理等因素影响，还有部分国土无法实现地面通信网络的覆盖，而这就是卫星通信发挥补充作用的机遇。通过行政手段扶持发展，实现国家宽带战略，实现企业和用户的利益双赢。

2.2 中继通信

针对基于远端数据接入重点网络，且对接入点没有明确要求的中继通信，可以解决边远地区移动通信网络基站的中继接入问题，具有使用成本低、快速部署、灵活机动等优势。针对实际覆盖区域广、位置相对固定且对通信质量及带宽有较高要求的情况，可以为固定骨干节点提供宽带数据通信，或者为重要骨干通信提供备份信道。与传统中继手段相比，在中继站的维护、建设和应用等各类费用中，高通量卫星中继站总体费用较低，性价比较高。相对于家庭宽带用户的宽带接入服务，企业团体等集团的基站中继，高通量卫星系统的建设项目成本、建设发展速度、受益人群以及社会经济效益的优势更加明显。此外，还可为政府部门等特殊需求用户建设专用通信网，提供保密性高的安全通信业务。

2.3 移动通信

卫星终端天线技术一直是限制卫星通信普及的因素之一，随着与之相关技术的发展，为解决飞机、船只、高铁和机动车辆等移动平台通过卫星接入互联网提供了有效的手段，而且受到地面通信网络的挑战较小。基于Ka频段的高通量卫星通信系统，因为飞机大部分时间飞行在平流层，可以忽略Ka频段的雨衰限制，为用户提供宽带接入解决方案。而且，随着高通量卫星的快速发展，星座建设逐步趋于完善，卫星信号覆盖范围趋于无缝衔接，高通量卫星的优势会越来越突出。

2.4 应急通信

在自然灾害或者突发事件中，提供应急通信。应急通信的特点有突发性和紧急性，Ku频段卫星通信系统具有通信容量大、终端小巧便携、机动性高等特征，决定其相对于其他各类通信系统更适合在应急救援和视频直播等场景中广泛应用。可以在恶劣条件下进入灾区，快速建立通信链路，操作相对简单，需要的保障人员少。与传统卫星通信系统相比，由于可以直接接入地面IP网络，简化用户操作程序，保障了应急救援的高时效性。

2.5 军事通信

现代军事行动中通信保障对卫星通信的需求越来越大，在日常执勤训练、遂行多样化军事行动以及演习作战等任务中，都离不开卫星通信的有力保障。而且，隨着国家军民融合的深入发展，将商用卫星服务引入军用卫星通信保障中，占据的比重也越来越大。以外军为例，据报道，美军租用商业卫星保障占整个卫星通信保障量的80%以上。引入商用卫星服务，可以起到缓解军用卫星资源紧张的局面，优化保障手段，还可以节约经费的使用。

此外，在第六代移动通信技术中，融合了高通量卫星技术，从而实现真正的“万物互联”。

3  结语

高通量卫星已经成为下一代卫星通信的一个代表性发展方向，随着各项关键技术的突破，可以在宽带接入，中继基站，移动通信和应急通信的典型应用场景大展手脚，在实际应用中得到全面发展。高通量卫星能全面优化频率资源使用效率，使得卫星频率资源不仅限于Ka频段，朝着更全面的频段与带宽发展，因此，未来会有更广阔的发展空间。结合市场的发展需求，根据业务应用需求设计出有效载荷，根据用户和应用环境的实况选择出合理的业务频段，根据市场区域和用户特点规划出高效的系统架构，从而设计出符合市场发展的高通量卫星通信系统，充分发挥出其在社会效益和经济效益中的独有优势。

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