卫星通信的 新发展

程磊　李广侠　朱宏鹏 （解放军理工大学通信工程学院）

卫星通信的 新发展

程磊李广侠朱宏鹏 （解放军理工大学通信工程学院）

卫星通信是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信，具有通信距离远、覆盖范围广、不受地面条件约束、建站成本与通信距离无关、灵活机动、能多址连接且通信容量较大等优点，在全球许多领域应用效果很好，尤其在军事上具有重要的应用价值。进入21世纪以后，新的设计理念的提出和新型技术的采用使得卫星通信系统的技术发展和应用水平又一次达到新的高度。

1　 卫星通信新理念及新方式

智能手机卫星

美国航空航天局（NASA）于2013年成功地推出了三颗智能手机卫星（smart-phone sat），在这3颗卫星中有2颗卫星，是使用HTC -Nexus One智能手机以及谷歌的安卓操作系统作为基础构建而成。

智能手机卫星是一种“微纳卫星”，其主要特点是将智能手机的电子元件利用纳米卫星技术在卫星平台上进行装载，发射到绕地轨道上。智能手机作为卫星的星载计算机被安放在侧面面积为25.8cm2大小的立方体卫星结构中，其传感器用来对卫星进行姿态测量，相机用来对地观测。智能手机卫星有很多潜在的优势。

1）智能手机卫星实现了卫星的小型化：N A S A的3颗手机卫星具有相同的尺寸（10cm×10cm×11cm），相比于现有的一些卫星来说，面积约25.8cm2的立方体，其体积是微不足道的；

2）智能手机卫星实现了卫星的低成本：NASA通过使用商用的硬件产品来降低3颗卫星的成本，在设计和制作过程中他们只能使用市面上能买到的，即拿即用的硬件部件来进行组装，并采用最小型化的设计思路，将每颗卫星的价格控制在3500～7000美元；

智能手机卫星内部结构图

3）智能手机卫星实现卫星的高功效：NASA的手机卫星已经可以满足多种卫星系统需求，包括快速处理器、通用操作系统、多种微型传感器、高分辨率相机、GPS接收机以及多种无线电信号，卫星还采用了先进的制导、导航与控制（GNC）系统，实现了高功效。

智能手机卫星将通过无线电向地面传送卫星运行状况信息，以验证其可以像普通卫星一样在太空中正常工作，尝试利用自带相机拍摄地球照片。

研制智能手机卫星是对传统航天器设计的一个挑战，也是今后卫星发展的一个重要趋势。

量子卫星通信

所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，是近20年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。传统的卫星通信具有传输距离远、覆盖面积大、灵活稳定等优点，但是传统卫星通信的信息安全性难以得到保证。这是由于传统卫星通信在传输过程中是使用开放式无线接口的方式。而量子通信则不然，量子通信作为卫星通信技术的一个新的发展方向，根据量子的不可克隆定理和测不准原理，其安全保密可以得到保障。近年来，量子通信在理论和实践上均已经取得了较大突破，我国也在国家“973”计划量子信息学项目的支持下，对量子信息学，特别是量子保密通信领域进行了深入的研究。

在未来，量子技术是非常有前途的，但是在通信过程中量子算法和协议的差异仍然是一个比较严重的问题。想要充分利用自由空间量子通道的优势，就必须使用空间技术和卫星技术。从当前的情况来看，在接下来的几年里，全世界范围内将会进行越来越多的自由空间和低轨道卫星的量子实验，对量子纠缠和量子密钥分配进行研究，实现量子保密通信。在接下来的5～10年内，研究的重点是如何在卫星信道共享一个纠缠的量子比特。

而在量子卫星通信中，量子密钥分配和其他量子计算的算法要考虑以下3种情况：①地面上2个实体之间的自由空间通信，在这种情况下，没有卫星参与；②卫星与卫星之间的通信，如果2颗卫星在相互的视距范围内，就能够将数据传输给对方；③地面卫星通信（或卫星地面通信），其中一方是卫星，另一方是地面站。

卫星认知通信

由于高数据速率的需求增加，频率拥挤已经成为卫星多媒体和卫星频段广播服务的重要问题，而探索提高卫星通信频谱效率的新技术已成为一个重要的研究项目。而解决频谱短缺问题，卫星认知通信是一种较好的解决方案。该方案通过评估当前的最新水平来商讨不同的认知技术，如衬垫（underlay）、覆盖（overlay）、交织和数据库（DB）相关技术。

1）衬垫技术，是采用不同的干扰监测和资源分配的一种通信技术。在衬底技术中，干扰可以通过以下方法进行控制：①使用较多的天线，在发射端采用合适的波束成形技术，以减少干扰；②选择宽带宽，认知信号进行扩频后，夹杂在噪声中传播，最后在认知接收机处解扩；③实行电源控制，在发射端选用合适的功率，确定合适的信号电平。

2）覆盖技术，其编码技术主要是由初级用户和认知用户之间的干扰水平来决定的。可以采用分时来决定采用不同的技术，以便于通信协议适应信道条件。

3）交织技术，在卫星认知场景里有广泛的应用，比如在地面基站和卫星的协作的考虑方案中，交织技术就是一项很重要的技术。探索联合交织的适用性也是未来一个重要的领域。此外，交织技术可以用来解决卫星通信中隐藏节点问题。

4）数据库技术，就是通过二次系统查询，在数据库中找出空闲频段，并在这些频段上传输。该技术不存在一级系统和二级系统之间的同信道干扰问题。数据库技术主要用于空闲频段的静态分配，这是由于动态分配难以实现。

地面网络和卫星网络是2个独立的网络，是允许存在相同的频谱的。在低干扰区域，卫星网络和地面网络之间互动少，相同的频谱共存的可行性大，然而，在高干扰区域，卫星和地面系统之间的相互作用较多，频谱不能共存。

认知技术适用于高低干扰不同的区域。在干扰电平较高时，通过使用干扰抑制技术抑制干扰的可能性较小。在这样的情况下，为了能够达到最佳性能，最好是使用交织和数据库技术。其中，从长远角度来看可用数据库技术，短期考虑可用交织技术。如果干扰电平是低的，系统之间的干扰可以通过使用衬底技术进行抑制。覆盖技术可以通过使用先进的编码和调制技术在这两种干扰情况下使用。

认知系统适用于地球表面高低干扰不同的区域

2　 新的天线技术

微带天线

目前，对天线的研究，其重点在于寻找一个高增益、低成本和低质量平面天线。近年来，随着新的发展思路的提出，天线技术有了进一步的发展。微带天线就是近年来提出并设计的一个最具创新性的天线理论，该类天线在各类系统中得到广泛的应用。卫星通信系统、“全球定位系统”（GPS）的上行频率和下行频率间隔较大，一般使用2个不同的单波段天线来实现发送和接收。微带天线的双频操作可以避免“1个系统2个不同单波段天线”的现象。

微带天线有很多优点，比如能够使用标准的集成电路技术制作，具有低剖面，能够在天线阵列和电子元件中进行集成。当然，微带天线也有缺点：①会受到窄带辐射的影响，窄带辐射的大小约为中心频率的1%；②低增益，微带天线相对于一般天线来说增益较低；③较低的极化纯度；④容差问题和功率容量受限。总的来说，微带天线是有较大发展前景的。

多元天线阵列

随着卫星固定通信和卫星移动通信的迅速发展，卫星对于信息容量的需求越来越大，基于这个观点，天线在Ku和Ka频段进行双极化操作以及天线频率向着比Ka频段更高的频段变化是发展的必然趋势。目前，有很多Ku频段具有高隔离的双极化微带天线已经研究成功，这类微带天线通常使用多层结构来增加带宽。

现有一个128阵元的宽带双频双极化的Ku频段微带阵列天线，该天线是通过孔径耦合和空气层插入技术来实现宽带的。阵列天线的设计方法是：①2个H型耦合于T形的接地平面槽上，以此来改进天线的隔离问题；②4个4×8阵元的天线阵列并行工作，并通过一个宽带1～4功率分配器进行功率供给。

该天线阵列的性能特点：①水平极化端口的工作频段在11.5～12.76GHz时，电压驻波比小于1.5 （VSWR≤1.5），相对阻抗带宽约为10.07%；②垂直极化端口工作频段在13.78～14.49GHz时，电压驻波比小于1.5（VSWR≤1.5），相对阻抗带宽约为5.02%；③天线阵列在2个频段最大增益分别达到26.2dB和24.1dB。

U形槽贴片天线

U形槽贴片天线是一种能够同时适用于4 G Wi MAX（3.4 GHz）和卫星应用（4.9 GHz）的多波段微带贴片天线。该天线可以在3 . 4 G H z、 4.4GHz、4.9GHz三个谐振模式下工作。移动设备可以通过这样一根天线直接进行与卫星之间的通信。

现有U形槽天线元件：宽3 7 m m，使用长度27mm，基板的厚度1.5mm。设计的天线元件具有两个插槽，其中一个是U形的，另一个是矩形的，该天线的馈是共轴的，具有良好的阻抗匹配。U槽的尺寸： 长10.2mm，宽5.5mm。所设计天线的性能分析如下：①天线具有良好的性能（低于-10dB），工作频率在3.4GHz处的回波损耗是-19.5dB，在4.4GHz处的回波损耗是-29dB，在4.9GHz处的回波损耗是-27dB；②天线在频率分别是3.4GHz和4.9GHz处达到最大辐射功率9mW；③天线工作在3.4GHz处的效率是94.5%；④天线的U形槽结构在所有方向都有辐射，是不定向天线；⑤天线在同极化达到最大值时，其交叉极化分量较小。

利用软件无线电实现智能天线系统

智能天线技术

智能天线技术也称自适应天线技术，主要由三部分组成：实现信号空间过采样的天线阵；对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络；重新合并权值的控制部分。该天线技术的主要思想是利用同步码分多址（SCDMA），考虑传输信号在各传输方向上的差异， 将同频率或同时隙的信号区分开来， 让信道资源得到最大限度的利用。与传统天线相比，智能天线除了有抗干扰、抗衰落等优点之外，它还可以同样起着电磁波的辐射和感应作用。

在卫星通信中，智能天线就相当于一个空时滤波器，在多个指向不同用户的并行天线波束的控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰。具体而言，智能天线的优势主要在于：①扩大系统的覆盖区域；②增加系统容量；③提高频谱利用效率；④降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。

由于智能天线技术主要是针对不同的通信系统的传输特性，选用不同的算法来调整波束，因此软件无线电（SDR）将是未来智能天线研制的重要系统架构，而运用软件无线电系统架构发展智能天线的最大挑战在于各种算法的建立。

正交频分复用系统的结构框图

3　 物理层传输技术

编码调制技术

随着卫星通信的快速发展，对通信系统的各项指标的要求也越来越高，而选用合适的编码调制技术能够提高系统的性能。

现在卫星通信的信道编码基本采用低密度奇偶校验码（LDPC）来代替Turbo码，这主要是低密度奇偶校验码有以下优点：①低密度奇偶校验码的性能优于Turbo码，具有较大的灵活性和较低的误码平层特性；②硬件复杂度较低，且可以实现并行操作，适合硬件实现；③吞吐量大，具有高速译码的能力。由于高阶有限域上的低密度奇偶校验码（多进制低密度奇偶校验码）相对于二进制来说性能更优，现在已经开始了卫星通信中多进制低密度奇偶校验码的理论研究。

在宽带卫星通信中，调制方式的选择可遵循如下4条规则或依据：①尽量使用恒包络调制来克服卫星通信系统的非线性；②尽量使用误比特率低的数字调制技术，或信噪比高的模拟调制技术，节省卫星功率；③尽量选择频带利用率高的调制方式，提高频带利用率；④尽量选择更高阶的PSK类信号(如：64PSK、256QAM等)，减少其占用转发器的功率。

目前较适合卫星通信系统的调制方式主要有以下几种：①多进制数字相位调制（MPSK），32PSK和64PSK的频带利用率分别比正交相移键控（QPSK）提高了1.5倍和2倍，但阶数越高，功率损失越大；②多进制正交幅度调制（MQAM），在同等频带利用率的情况下，多进制正交幅度调制比多进制数字相位调制的功率损失小，如目前正在广泛研究的256QAM等。

正交频分复用技术

在卫星通信中，正交频分复用（OFDM）技术正处于快速发展中。正交频分复用技术是一种特殊的多载波传输方案，它既可看作是一种调制技术，也可看作是一种复用技术。它的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。其优点是能对有限的频带资源进行有效利用，并且能够很好地对抗频率选择性衰落和符号间干扰（ISI）；正交频分复用能够提供大容量的信息传输，并解决了在移动终端传输高速数据时信道性能变差的问题；而且正交频分复用技术的抗多径衰落、频谱利用率高等优点，适合在宽带卫星通信这种环境下进行高速传输。

但是正交频分复用也有缺点：同步偏差非常敏感和峰均功率比（PAPR）高，这2个问题会使正交频分复用整体性能下降。针对这些问题，正交频分复用做了如下改进：提出恒包络正交频分复用，解决了正交频分复用高峰均功率比问题，使得其峰均功率比变为0dB，大大节省了功耗，并且增加了系统的灵活性，更加有利于系统的更新和升级。

交织分多址系统的结构框图

多输入多输出技术

目前，卫星通信面临着业务急剧增长和频谱带宽不足等问题。而多输入多输出（MIMO）技术的主要思想是利用多天线来抑制信道衰落，能够在不增加发射功率和带宽的情况下，获得与天线数量成线性增长关系的容量增益和频谱利用率。卫星通信系统如何利用多输入多输出技术的优势，提高卫星通信系统的传输能力，成为目前研究的一个重要方向。

多输入多输出算法方案可以分为空时编码方案（天线分集）和空间复用方案：通过空时编码增加传输的空时冗余信息，可以提高传输的稳健性；通过空间复用可以创建并利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的容量增益。

根据卫星采用的载荷方式的不同，卫星多输入多输出技术可具体分为星上处理多输入多输出技术的研究和星上透明转发多输入多输出技术的研究。根据传输构建的机制不同，多输入多输出技术可以为以下3种情况考虑：①极化方式不同，可以由1颗卫星和1个地面站进行简单的分析，可将卫星和地面站均装载两个不同极化方式的天线进行多输入多输出传输。这种方式复杂度较低，但是能够获得的增益也较为有限；②多个地面站，可以由1颗卫星和多个地面站组成，卫星上装载2个天线，地面由多个站构成，每个地面站上装载一个天线。该方式在地面多个站的分布分散，抗打击性较强，在军事领域拥有比较大的应用前景，同时能够获得比第一种方式更大的容量增益；③多个卫星实现，可以由多颗卫星和一个或多个地面站所构成。这种方式所构建的多输入多输出系统能够获得最大的容量增益，但不足的是其系统复杂度最大，付出的代价最高。该方式在以后的卫星通信上发展前景很大，但是现在还处于理论分析阶段。

卫星多输入多输出传输系统需要解决的关键技术包括：信道估计技术、分集接收的信号处理技术、信号同步技术（包括地面多个站之间信号同步问题和多颗卫星之间信号同步问题）、空时编码技术等。

交织分多址技术

为了提高RW-CDMA的系统容量，并降低接收机的复杂度，香港城市大学李苹教授等人提出一种基于交织器的多址方案—交织分多址（IDMA）。

交织分多址系统的基本原理：在发送端，多用户信号通过各自对应的交织器后，复接入信道；在接收端，通过Turbo结构的迭代译码理论进行译码。具体来说，交织分多址系统相对于码分多址（CDMA）系统有以下的不同：①交织分多址运用了码片交织器，将其作为区分不同用户的唯一方法；②交织分多址将前向纠错码（FEC）和扩频完美结合起来，使其编码增益和多址信道容量（MAC）达到最大化；③交织分多址在接收端运用了码片到码片的Turbo结构迭代多用户检测器，复杂度低，性能高。

交织分多址系统继承了传统的码分多址系统的很多优点，如：动态信道共享、灵活的传输速率适配、软切换、衰落分集以及抗相邻小区干扰等，同时与码分多址系统相比，交织分多址系统具有自身的很多优势，如：具有更高的频谱效率、扩大系统容量、更好的多用户通信性能、较低的接收复杂度等。

交织分多址被公认为未来卫星通信可能采用的技术之一，交织分多址的优良特性使其与其他技术的结合成为目前研究的热点问题。

1)交织分多址技术和多输入多输出技术的结合。交织分多址的迭代检测思想可以应用到多输入多输出系统中，得到多输入多输出-交织分多址方案。

2)交织分多址和正交频分复用的结合。正交频分复用-交织分多址的基本原理：利用正交频分复用技术抑制符号间干扰（ISI），利用交织分多址技术抑制多址干扰（MAI）。

交织分多址-正交频分复用系统的结构框图

4　 总结

在通信技术发展的推动下，卫星通信将获得更大发展，尤其是各种新技术的实现，新理念的提出，将使卫星通信产生革命性的变化。本文从新的设计理念、新的信道技术等方面介绍了卫星通信新技术的发展，并对卫星通信今后的发展前景进行了一定的预测。卫星的小型化、低成本、高功效将成为今后一段时间卫星的发展趋势，智能手机卫星的发射将带动新一轮卫星系统的变革。量子通信和认知通信是近年来的研究热门，同时，新的天线技术、物理层传输技术也将给卫星通信的美好前景带来助力。接下来，卫星通信网会进一步向小型化、智能化、经济化的方向发展。

New Trends in Satellite Communications