卫星移动通信系统关键技术分析

乐恒志，杨文芳，王 璐

（91977 部队，北京 100080）

0 引 言

随着社会文明程度的提升，人们对移动通信服务的依赖性越来越强，对移动通信的质量要求越来越高，仅靠地面移动通信已经难以满足现代化信息服务的需求。在这种情形下，发展卫星移动通信技术势在必行。随着人们的活动范围不断扩大，卫星通信以精确度高、覆盖面广的优势在通信领域占据重要地位，逐渐成为未来通信发展的主流趋势。

1 卫星移动通信系统概述

1.1 卫星移动通信系统的分类

卫星移动通信系统可以根据其应用环境进行分类，也可以按照技术手段进行分类。根据应用环境，可以分为海事卫星移动通信系统（Maritime Mobile Satellite System，MMSS）、航空卫星移动通信系统（Aeronautical Mobile Satellite System，AMSS）、陆地卫星移动通信系统（Land Mobile Satellite System，LMSS）。

海事卫星移动通信系统主要用于海上救援工作，可提高船舶管理水平和救援效率，有效提升海上通信服务质量，为用户提供移动卫星业务（Mobile Satellite Service，MSS）。利用卫星作为中继站，不但包括对地静止卫星，还包括对地非静止卫星，如中轨道卫星、低轨道卫星、高椭圆轨道卫星等。航空卫星移动通信系统主要用于飞机和地面的联系。陆地卫星移动通信系统用于行驶在陆地上的车辆通信[1]。

1.2 系统优缺点对比

由于轨道的高度不同，卫星的数量、质量、体积不同，采用的技术手段也不同，导致低轨道卫星系统和地球同步轨道卫星系统的性能存在差异，如表1所示。

表1 系统性能对比

分析这2 种卫星移动通信系统可知，地球同步轨道卫星适合在人口密集的地区使用，低轨道卫星移动通信系统适合在全球范围内建设。

2 卫星移动通信技术的应用

2.1 星上处理技术

星上处理技术通过数字化方式实现，优点是实时性强、资源利用率高、抗干扰能力强，缺点是技术成熟度不高[2]。目前，星上处理技术主要用于解决卫星移动通信系统的传输延时长、传输质量差、损耗多以及系统容量不足等问题。

根据我国卫星移动通信领域的发展现状，由于低轨道卫星移动通信系统无法实现全球范围的覆盖，在实际应用中需要以星上处理技术作为辅助，从而实现全球范围内的移动通信。

2.2 随机接入技术

随机接入技术属于一种新兴技术，随着卫星移动通信技术的发展而发展起来。最初这项技术用于解决计算机资源局限性，让一些分散的无线电通信站能够自主访问计算机。随机接入技术的主要任务是实现信号的发送、传输、接收。随着卫星移动通信技术的发展，随机接入技术也在逐渐改进、完善，应用范围愈发广泛。接入系统是整个通信系统的重要组成，因此应加大对接入系统信号精确度的研究力度，提高整个系统的运行效率。

2.3 天线技术

卫星移动通信系统的发展经历了一个漫长的过程。由最开始简单的天线形式逐渐发展，逐渐出现标准的圆形简单天线、反射器赋形的天线、多波束成型的大天线等。现阶段，这些天线技术已经广泛使用，主要用在地球同步轨道卫星系统，取得了良好的运用效果。例如，在Thuraya 系统中使用的12.25 m 口径天线，能够产生250 ～300 个波束。对于低轨道卫星系统，天线的设置主要有4 种形式，分别是正交天线、反射器赋形天线、单馈源天线以及双栅天线。针对我国天线应用现状，提高频谱利用率的途径有3 种，分别是利用天线的波束成形、多点波束蜂窝结构、智能天线技术。将其与多址技术相结合，能够增强卫星通信能力[3]。

2.4 星间链路技术

星间链路技术是将相关卫星高效地与相邻卫星建立联系，属于一种通信链路技术。该技术可以将星座中的卫星连接成一个整体，采用这种模式能够促使系统内的用户通信链路摆脱地面通信的支持。简而言之，应用星间链路技术能够有效增强卫星移动系统运行中的抗损害能力和抗干扰能力，促使卫星移动通信系统的实际覆盖范围得到拓展。例如，低轨道卫星移动通信系统的覆盖范围较小，一般情况下无法建立地球通信站，将星间链路技术应用其中则可以实现对卫星的控制，也可以将星间链路连接到地面通信网络。现阶段，使用星间链路技术的是低轨道卫星移动系统中的铱系统（Iridium），主要以2 种形式实现通信，分别是激光通信、微波通信。微波通信模块的组成如图1 所示。

图1 微波通信模块组成

微波通信技术在实际应用中存在一定的局限性，如受频带宽度和体积的影响，无法最大限度提升传输的速率。激光通信的优势是潜在容量较大，能减小卫星荷载的体积和质量[4]。现阶段使用激光通信能实现广域大跨越单跳连接，有效避免通信延时，与微波通信相比更有优越性。但是激光通信也有局限性，其在使用过程中需要控制卫星姿态，确保卫星处于安全稳定的状态，否则会造成通信中断。

3 卫星移动通信技术的未来发展

3.1 我国卫星移动通信技术的发展

分析我国卫星移动通信系统的发展现状可知，卫星链路大部分采用L/S 波段，未来发展的重点将转向自主研发卫星移动通信系统。卫星移动通信系统受自身容量和便捷性的限制，应用范围有限，难以和现有的移动通信系统相媲美。从成本、技术以及市场发展角度来看，我国对卫星移动通信系统的态度应以区域覆盖为主，巩固和加强地面移动通信系统的主体地位，促使两者相互促进、相互协调。同时，应充分利用低轨道卫星移动通信系统和地球同步轨道卫星的特点，发展小型移动性和便捷性终端设备，并确保它们能提供清晰的语音服务[5]。

3.2 卫星移动通信技术的应用前景

在我国科学技术不断发展的背景下，卫星移动通信技术逐渐成熟。在未来的通信领域发展中，卫星移动通信技术具有广阔的前景。

3.2.1 卫星系统独立建网

卫星系统独立建网主要是摆脱卫星移动系统对地面移动通信系统的依赖性，直接为用户提供通信服务。这样不但能为军事领域的通信提供支撑，还能在危难时刻为受灾地区的救援提供便利[6]。

3.2.2 与地面网络的融合

未来可以进一步加强卫星移动通信和地面通信的紧密性，从网络融合、设备融合发展到系统融合。这将使卫星移动通信系统能够实现与地面移动通信系统之间的功能切换，为用户提供更加全面、便捷的通信服务体验。

3.2.3 业务多样化

卫星移动通信系统的业务多样化是未来发展的重点方向，不仅需要与地面移动通信系统建立联系，还要与海陆空等领域建立通信联系，构建一个立体的通信网络。

3.2.4 个人移动卫星通信

卫星移动通信具有覆盖面广、通信质量好、传输时效性强等诸多优势，对于保障作战通信具有良好发展前景。此外，它在恶劣环境下能实现正常通信工作，在应急通信方面至关重要。在平时，卫星移动通信可以作为地面移动通信服务的补充。个人移动卫星通信通过卫星信号实现个人手持设备之间的通信，具有全球覆盖、通信距离远、信号稳定等优点，广泛应用于航空航天、海洋等领域的通信。个人移动卫星通信系统主要由卫星、地面站以及手持设备3 部分组成。卫星负责在空间中传输信号，地面站负责接收和发送信号，手持设备则是用户端，可以实现与其他个人或设备的通信。

3.2.5 与5G 技术的融合

5G 技术具有网络设备拓展速度快、网络消耗能量少、利用率高以及可靠性强等优势，是对4G 技术的延伸，能够提高无线覆盖性能，丰富用户的体验，提升使用安全性，是未来发展的主要趋势。卫星移动通信技术可以将5G 技术和自身相融合，找到两者的交叉点，利用5G 技术助力卫星移动通信系统的发展，促使我国的移动通信事业蓬勃发展。

4 结 论

卫星移动通信技术的逐渐成熟，标志着我国在航天领域的探索取得重要进展。虽然目前我国的卫星移动通信技术已经取得许多成就，但是在部分领域仍存在不足，部分核心技术需进一步完善。卫星移动通信技术前景广阔，其高效、可靠、覆盖范围广的优势将为未来通信领域带来更多可能性。未来，卫星移动通信技术将进一步优化通信协议和频谱利用技术，提高数据传输速率和频谱利用率。同时，结合高精度卫星导航和定位技术，提供更加优质的服务体验，满足更多领域和场景的需求。