中国高轨移动通信卫星系统发展的机遇与挑战

李殷乔 熊玮 孙治国（中国空间技术研究院通信卫星事业部）

1 引言

卫星移动通信系统能够为各类移动用户提供广覆盖、高质量的话音、短消息、传真和数据服务，具有重要的军用和民用价值。自20 世纪90年代以来，国际上陆续建成了以“瑟拉亚”（Thuraya）、国际移动卫星－ 4（Inmarsat － 4）、“地网星”（Terrestar）为代表的高轨卫星移动通信系统和以“铱星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“轨道通信”（Orbcomm）为代表的低轨卫星移动通信系统，大大提高了广域覆盖和危急险灾情况下的移动通信服务水平[1-2]。2016年8年，天通一号01 星成功发射，迈出了我国自主区域卫星移动通信系统建设与应用的第一步，实现了国土及周边地区的常态覆盖，可以为手持终端、便携终端、载体终端和数据采集终端提供移动话音、短信和数据通信业务[3-4]。

卫星移动通信市场潜力巨大，服务对象逐渐由行业市场向大众市场扩展，业务类型也正在从单纯的移动语音和短信业务向中低速数据和融合应用发展。同时，高通量卫星（HTS）和低轨移动通信星座的快速发展也为卫星移动通信领域的技术发展和应用推广注入了新的活力。

2 我国移动通信卫星系统发展现状

1995年以来，国际上先后建设了十余个卫星移动通信系统，除工程试验卫星－8（ETS-VIII）和瑟拉亚－1（Thuraya－1）卫星外，均实现了运营服务，平均每8 ～10年进行一次技术更新换代。以MSAT 和国际移动卫星－3 为代表的采用星上模拟载荷的早期移动通信卫星，对移动通信支持能力较弱，用户终端多为便携式终端；以“瑟拉亚”和国际移动卫星－4 为代表的成熟运行中的移动通信卫星，采用星上数字化载荷，具备处理交换能力，能够较好的支持手持终端和宽带移动接入；以地网星－1（Terrestar － 1）和天地－1（Skyterra－1）为代表的采用地基波束形成技术的新型移动通信卫星，星上透明转发，能够广泛的支持多种移动数据业务。卫星移动通信体制也紧跟地面移动通信系统的演进，从地球静止轨道卫星移动无线接口标准（GMR-1）逐步演进到GMR－1 Release 1 ～3，其中Release l 是基于全球移动通信系统（GSM）标准，支持电路域话音和传真业务；Release 2 是基于通用分组无线业务（GPRS）标准，支持分组数据业务；Release 3 是基于3G 标准，但空中接口基于EDGE 技术，支持分组数据业务，最高速率可达592kbit/s。我国于1979年加入国际海事卫星组织，1998年引入“铱星”和“全球星”移动通信系统，之后又相继引进了“亚洲蜂窝卫星”（ACeS）、“瑟拉亚”卫星移动通信系统，在应急通信方面发挥着重要作用。

近十年来，我国建设了以天通一号卫星、中星16 号卫星为代表的同步轨道移动通信卫星系统，为解决个人移动通信、小型终端高速数据传输等提供了有效手段，大大提高了我国卫星移动通信能力。我国低轨移动通信星座发展也已进入试验卫星阶段。

天通一号01 星于2016年8年成功发射，工作于地球同步轨道，通过百余个S 频段收发共用点波束覆盖我国领土、领海及周边地区。星上透明转发，通过信关站实现两跳通信，同时支持5000 路话音信道，可为30 万用户提供话音、短消息、传真和数据等服务，通信速率9.6～384kbit/s。卫星系统运营由中国电信负责，通过信关站与地面通信网融合，利用动态资源管理与分配技术，实现资源的高效管理[5-7]。经过近两年的测试和试运营，中国电信于2018年5年正式面向商用市场开通“1740”卫星电话号段，填补了国内自主卫星移动通信系统空白。2018年7年，应急管理部、工业和信息化部联合印发《关于加强灾害事故应急通信保障工作的意见》，明确支持各级应急管理部门及应急救援队伍配备和使用天通一号卫星电话，为灾害事故处置提供有效的通信支持。

中星16 号卫星是我国首颗高通量通信技术试验卫星，于2017年4年成功发射。该卫星采用26 个Ka 频段点波束覆盖我国中西部、东部、南部及近海，波束间频率4 色复用加左右旋极化复用，减少同频信号之间相互干扰。卫星转发器带宽340MHz，通信容量超过20Gbit/s。卫星采用多波束天线和频率极化复用技术极大提高卫星频率利用率，增大系统吞吐量；在移动用户跨波束时，需切换工作频率和极化方式，也增加了运控管理难度和终端设备复杂度[8-9]。

在低轨移动通信星座系统建设方面，我国“十一五”、“十二五”期间进行了灵巧通信试验卫星等技术试验[10-12]。2018年12年，我国分别发射了低轨宽带卫星通信系统“虹云”工程和“鸿雁”星座的首发星，标志着我国低轨宽带卫星通信系统建设实现零的突破。

3 高轨移动通信卫星发展趋势分析

长期以来，我国通信卫星系统的发展主要立足于地球静止轨道卫星，为国土及周边地区提供区域通信服务。随着我国国家利益的全球化发展战略和信息安全的需求，构建具有全球覆盖能力的卫星通信系统是我国未来卫星通信系统建设的必然趋势，商业市场潜力巨大。2015年，国家发改委、财政部、国防科工局联合下发《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》明确提出，统筹考虑军民需求，按照先区域、后全球的安排，分步建设全球移动通信卫星系统。

近年来，卫星移动通信市场迅速发展扩大，各类需求的不断提高，对高轨移动通信卫星系统的能力提出了更高的要求。根据中国电信的市场调查[2,5]，我国卫星移动通信潜在用户数量达到1300 万户（行业用户和M2M 用户），用户业务需求覆盖手持终端kbit/s 量级的基本移动语音通信，以及具有不同服务质量和等级的中低速数据服务。根据移动通信卫星发展需求与趋势，高轨移动通信卫星系统的建设发展必须着力解决如下问题：

1）拓展系统覆盖。增加单颗卫星的波束数目和覆盖范围，同时构建多星组网的星座系统，扩展全球覆盖，满足用户在全球范围内的移动接入需求。

2）增强系统容量。大幅增加卫星移动通信系统可支持的用户数量，以适应用户规模的不断壮大和移动物联网时代的大量机器类通信（MTC）需求。

3）提升传输速率。将单信道传输速率提升至Mbit/s 量级，可为用户不断涌现的移动互联网数据业务提供可与地面移动通信网络相媲美的接入能力。

4）促进网系融合。在系统架构、技术体制、应用模式等方面进行优化设计，实现卫星移动通信系统与地面通信网络系统的互联互通和一体化融合。

同时，高轨移动通信卫星系统的发展还面临着来自高通量通信卫星、中低轨移动通信星座以及自身技术发展瓶颈的严峻挑战。

1）高通量通信卫星通过采用多波束天线、频率复用、超宽带转发器等技术，大幅提升卫星数据吞吐量，再配合用户终端、关口站的星地一体化设计，可以为飞机、轮船、火车、汽车等高速移动载体提供广域宽带通信服务。全球各大卫星运营商都在积极推动HTS 卫星部署，全球HTS 卫星订单上千颗，是通信卫星领域发展最快、关注度最高的一类卫星系统[9]。

2）中低轨移动通信星座具有更低的传输时延、更好的全球覆盖性，国际上“铱星”、“全球星”、“轨道通信”均已在保持频率和星座构型持续性的条件下，由一代系统向二代系统演进，具有载荷能力更强、功能更综合、应用定位更准确的趋势。“另外三十亿人”（O3b）中轨系统主要为大客户提供互联网接入服务，“一网”（OneWeb）、“星链”（Starlink）等新建系统主要开展面向个人的宽带互联网业务。新一代中低轨系统还在北极航线的监视和通信等方面，对GEO 系统发起了强有力的挑战。

3）高轨移动通信卫星的自身技术发展对高承载卫星平台、星上灵活处理载荷、大口径多波束天线、先进通信传输增强技术及星地一体化资源管理和运行控制提出了更高要求。同时，L 频段、S 频段、特高频（UHF）频段频率资源的使用趋于饱和，频谱监测和干扰控制日益复杂；大规模星载数字处理器件的空间环境防护问题，对我国星载专用集成电路（ASIC）工程化工业基础和核心技术自主可控提出了严峻挑战。

4 高轨移动通信卫星系统发展方向

我国卫星移动通信市场潜力巨大，用户需求正在向多功能融合、宽窄带协同、多频段共存和天地一体化方向发展。借鉴国外发展经验和教训，我国高轨移动通信卫星系统技术应重点发展以下方面。

完善顶层规划论证，推动体系协调发展

随着卫星移动通信市场和技术的发展，单纯的移动话音和短信业务已经不能满足越来越高的数据和通信要求，未来的卫星移动通信系统将融合越来越多的其他功能。例如，“铱星”二代系统兼具航空、船舶监视功能，多个卫星移动通信系统同时支持卫星定位服务。

国际移动卫星公司的前四代卫星系统都采用L频段，以国际移动卫星－4 星座为基础，构建了目前唯一的全球性L 频段卫星通信网络，积累了大量稳定的用户群。国际移动卫星－4 投入运营不到三年，在2008年就启动了国际移动卫星－5 系统研发，将L 频段业务拓展到Ka 频段，以该频段的甚小孔径终端（VSAT）业务作为未来新的收入增长点，构建全球宽带移动卫星通信网络，即“全球快车”（Global Express）。从2013年12年－ 2015年8年，国际移动卫星－5 星座3 颗卫星发射入轨完成组网，属于典型的高通量卫星。“全球快车”系统建设与布局，在一定程度上显现出当前国外宽带和窄带移动通信卫星市场加速融合的发展趋势。网络服务设备根据用户需求和网络运行情况自动选择网络路由，实现L 频段高可靠性和Ka 频段高带宽、高速率的优势互补，为用户提供独特的混合应用解决方案，使得用户在偏远和恶劣环境下的通信能力达到前所未有的适应性、灵活性和可靠性。

另外，高轨卫星和中低轨卫星在设计思想、技术手段、应用领域等方面都存在明显差别，分别代表了卫星移动通信领域内的两个发展方向，各有其优势和不足，必将互为补充、协调发展。高轨卫星应以我国及周边地区为主要覆盖范围，逐步向全球发展，提供高可靠通信和大用户容量。中低轨卫星考虑发展宽带互联接入能力，满足全球动态调配和区域宽带通信服务。

加强星地一体设计，优化系统应用能力

星地一体设计应站在系统高度，从用户、应用和运营的角度出发，通过空间段卫星、地面段运控系统和用户段终端设备的协同规划、统筹设计，达到星地指标合理分配、能力均衡，使系统应用能力最大化。

多输入多输出（MIMO）技术已成功应用于地面4G 蜂窝网络、IEEE 802.11 无线局域网络等系统中，可以在不增加传输功率和带宽的情况下增强无线链路传输能力。现有的移动通信卫星系统中，用户链路采用单极化进行通信。利用双极化通道（左旋/右旋圆极化或水平/垂直线极化）构建2×2 的MIMO 传输信道，在双极化用户链路信道上同时进行用户信息的传输，可获得MIMO 分集或复用增益，增强系统的传输可靠性和通信速率。为实现卫星移动通信双极化MIMO 传输，需要设计相应的导频对交叉极化信道进行测量。

为改善对小型化手持终端的通信传输能力，高轨移动通信卫星需提升卫星本身的接收G/T 值。卫星G/T 值的提升主要通过增大卫星天线的口径、提高波束的增益。但是，受限于卫星平台能力和火箭运载能力，卫星天线口径不可能无限制的增大。考虑通过多颗卫星重叠覆盖同一区域，该区域内的用户上行信号由两颗卫星分别接收后进行分集合并处理，这样可获得多星链路分集增益，等效地提升了多星协作传输系统整体的接收G/T 值。通过多星协作传输增强，可以在保持单颗卫星的天线口径和波束增益不变的前提下，增强对小型化终端的传输服务能力，减小了空间段的建设成本和建设周期。多星协作传输增强技术必须基于多星的地面统一资源管理，并且需要控制多星之间的信号同步。

借鉴地面先进技术，加速业务融合应用

高轨移动通信卫星系统的发展应面向星地一体化趋势，加速实现与地面移动通信网络的融合应用。地面辅助单元（ATC）或增补地面单元（CGC）技术，是在卫星通信系统中增设地面辅助基站，用于解决卫星通信在受遮挡场景以及建筑内部性能不佳的问题，卫星和大量ATC 基站组合在一起可以实现大区域无缝覆盖，即使没有卫星，用户在大量ATC 基站覆盖的服务区仍然能够享受移动通信服务。一般而言，地面ATC 基站和卫星共用同一段频率资源，采用相同的空口信号格式和通信体制，并且共同连接到统一的核心网进行网络管理。用户终端可以根据信号强度等判决准则，在地面ATC 网络和卫星网络间实现无感切换。ATC 技术的工程应用必须获得频谱管理部门的批准，允许将卫星通信频段应用于地面通信网络中。

随着第五代移动通信（5G）标准化工作的逐步深入，5G 核心技术逐渐凸显，未来的5G 系统将会构建在以大规模天线、新型多址、新型调制编码、超密集组网、全双工、高频段通信等为核心的新空口技术（5G NR）和以网络功能切片化为代表的网络演进架构之上。针对卫星系统的特点，在5G 卫星通信标准设计时，需重点考虑传输信道、频率计划、链路预算、移动性管理等问题。通过5G 标准化中对卫星通信的研究，可促进高轨卫星移动通信网络和地面蜂窝通信网络的系统架构和技术体制的融合[13-15]。

5 结束语

本文综述了国内外高轨移动通信卫星发展现状和技术基础，我国高轨移动通信卫星发展既有大量机遇，又将面临一系列挑战，从趋势上看，用户需求正在向多功能融合、宽窄带协同、多频段共存和天地一体化方向发展，以多体系协调发展、星地一体应用能力设计、多业务融合应用为特征的技术群是高轨移动通信卫星系统技术的重点发展方向。