卫星通信技术的新发展

2006年 8月 Journal on Communications August 2006 第 27卷第 8期 通 信 学 报 Vol.27 No.8 卫星通信技术的新发展 甘仲民，张更新 (解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007) 摘 要：就当前卫星通信技术的若干热点作了一些概括和综述。首先，介绍了宽带卫星通信系统的有关概念和发 展现状，提出了需解决的主要技术问题，给出了典型应用；然后，在介绍卫星移动通信的国内外发展现状的基础 上，研究了系统的特点及需要突破的关键技术；最后，介绍了空间通信网的基本概念，给出了网络组成及功能， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了需要解决的若干新技术。 关键词：卫星通信；宽带卫星通信；卫星移动通信；空间通信网；通信卫星 中图分类号：TN927.23 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2006)08-0002-08 Current development of satellite communications technology GAN Zhong-min, ZHANG Geng-xin （Institute of Communication Engineering, PLAUST, Nanjing 210007, China） Abstract: A summary and review about some hot points in current satellite communications technology was given. Firstly, the associated concept and developments of broadband satellite communication were introduced, then the main technical issues that need to be solved was proposed, and examples of the typical application were given. Secondly, based on the introduction of current developments about mobile satellite communication, the characteristics and key technology were studied. Finally, the basic concept of space communication network was introduced, the network composition and individual function were given, and some new technology that need to be developed was analized. Key words: satellite communications; broadband satellite communication; mobile satellite communication; space com- munication network; communication satellites 1 引言 根据国际电信联盟（ITU）1971 年世界无线电 行政会议（WARC-ST）的规定：以地球大气层外空 间飞行体为对象的无线电通信，称之为空间无线电 通信(space telecommunications)，简称为空间通信 (或称为宇宙通信)。空间无线电通信有 3种形式： 1）地球站与空间站之间的通信； 2）空间站之间的 通信；3）通过空间站的转发或反射来进行的地球站 相互间的通信（也就是通常所称的卫星通信，卫星 就是一种空间站）。实际上，这三者是密切相关的， 甚至可以结合为一个大系统，因为地球站与空间站 之间以及空间站之间的通信，也常常需要通过通信 卫星的转发或中继来进行，并与地面基础设施相联 系。故笔者认为，从信息传输的角度看，前二者也 是一种广义的卫星通信（美国有关部门和刊物对卫 收稿日期：2006-05-25；修回日期：2006-07-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（60472049, 60472051, 60572095）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（教 外司留[2005]383） Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (60472049,60472051,60572095); The Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, State Education Ministry (SEM[2005]383) 第 8期 甘仲民等：卫星通信技术的新发展 ·3· 星通信产业发展的评估中，将其宇航局（NASA）的 深空通信等也纳入卫星通信的范畴内）。 20 世纪 60 年代以来，卫星通信迅速发展，在 军事和民用领域得到了十分广泛的应用；70~80 年 代达到了鼎盛时期。80 年代末、90 年代以后，由 于光纤通信和地面蜂窝移动通信的崛起，传统的国 际、国内长途通信和陆地移动通信业务已不再属于 卫星通信的主要领地。在接下来的相互竞争、互为 补充的发展中，卫星通信扬长避短，重新找到了自 己的位置。近几年来，卫星通信在美、欧、日等发 达国家实现了产业化和国际化，年收入达 900多亿 美元，年均增长率高达 13％。毫无疑问，在军事应 用中，卫星通信仍然是其主要的通信手段，是其他 通信手段所不能取代的；在经济、政治和文化领域 中，卫星通信不仅有效地补充了其他通信手段的不 足或不能（如海事、远程航空的通信等），而且作 为大众传媒（如视频和音频广播），“最后一公里到 户”的接入，防灾、救灾、处理突发事件的应急通 信等，均大有作为。此外，近年来深空探测和载人 航天活动的频繁活动，极大促进了卫星通信的发 展，也是一大亮点。 总之，在社会需求牵引和技术发展推动的双重 作用下，21世纪的卫星通信正在向一个新的水平攀 升，许多新技术或发展动向自然引起人们的关注。 本文拟就当前卫星通信技术的若干热点作一些概 括和综述，内容涉及宽带卫星通信系统的发展现状 与趋势，卫星移动通信业务的系统与技术，空间通 信网的构建与技术等，供有兴趣的读者参考。 2 宽带卫星通信系统的现状及发展趋势 2.1 宽带卫星通信的基本概念 宽带卫星通信是指利用通信卫星作为中继站 在地面站之间转发高速率通信业务，是宽带业务需 求与现代卫星通信技术相结合的产物，也是当前卫 星通信的主要发展方向之一。 作为宽带卫星通信系统中继节点的宽带通信 卫星（也称多媒体卫星）一般具有较宽的带宽、很 高的 EIRP（等效全向辐射功率）和 G/T（品质因数） 值，并且通常具备星上处理和交换能力。利用宽带 通信卫星可以向 USAT（极小口径终端）提供双向 高速因特网接入和多媒体业务。 需要说明的是，由于卫星的带宽容量远小于光 纤线路，后者的通信容量通常以吉比特每秒来计； 而对于卫星通信来说，信道速率达到几十兆比特每 秒以上一般就可称为宽带通信。 2.2 宽带卫星通信系统的发展现状及典型应用[1~4] 追溯卫星通信的发展史，其一出现就进入了宽 带应用－模拟电视传送，近些年又应用于数字电视、 卫星直播电视等（如美国的 DirecTV、Echostar，欧 洲 Eutelsat的 Hot Bird等）。但其“现代化”则是伴 随着 IP技术的出现而出现的，尤其是因特网的广泛 使用加速了现代宽带卫星通信的发展步伐。从 20世 纪 90年代起，全球陆续提出了许多个宽带卫星通信 系统，其中既有采用对地静止轨道（GSO）卫星作 为中继节点（如美国的 Direct PC和 Spaceway）， 也有采用非对地静止轨道（NGSO）卫星作为中继节 点的（如 Teledesic和 Skybridge）。文献[1]给出了国 际上提出的比较有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的宽带卫星通信系统的主 要特性并进行了分析。但是由于受到地面光纤通信 网迅速发展以及“铱”系统等商业运作失败的影响， 这些被提出的系统至今没有一个真正投入应用。 由于专门建设一个覆盖全球的宽带卫星通信 系统需要很大的投资，市场风险极大，尤其是采用 NGSO卫星星座的低轨道宽带卫星通信系统。因此， 先发射一颗宽带 GSO 卫星建立一个区域性宽带卫 星通信系统来解决卫星宽带接入问题是一种明智 的选择。基于此，泰国的 Shin卫星公司（SSA）在 2005年正式发射了一颗宽带通信卫星（IPSTAR-1） 来提供区域性宽带卫星通信业务。图 1 给出了 IPSTAR-1 卫星的波束覆盖图，表 1 给出了该卫星 及系统的主要技术特性[2]。从图 1和表 1看到，该 系统是一个区域性宽带卫星通信系统，能够解决亚 太地区用户通过卫星实现宽带接入的问题，当然其 商业运作能否成功还有待时间的检验。 图 1 IPSTAR-1卫星的波束覆盖图 ·4· 通 信 学 报 第 27卷 表 1 IPSTAR-1卫星及系统的主要技术特性 项目 特征和基本能力 卫星类型 GEO卫星，透明转发器 卫星轨道位置 120ºE 发射日期 2005年 8月 11日 卫星制造商 劳拉空间公司 卫星平台 FS-1300L 卫星设计寿命 12年 卫星功率 15kW 转发器数 114 全部数字 带宽容量 对于口径为 84~120cm的用户天线，所有点波束 的总容量为 45Gbit/s；相当于 1 000个以上的常 规 36MHz转发器 Ku波束 84个点波束，3个赋形波束，7个区域广播波束 Ku点波束 用于人口稠密地区。上行链路(反向链路)容量大 于 20Gbit/s；下行链路 (前向链路 )容量大于 20Gbit/s(不包括广播容量) Ku赋形波束 用于人口稀少地区。上行链路容量大于 0.5Gbit/s；下行链路容量大于 0.5Gbit/s Ka波束 18个到地面关口站的馈电波束 用户上行 链路频率 14.000~14.375GHz（点波束） 14.375~14.500GHz(赋形波束/点波束) 13.775~13.975GHz(广播波束) 用户下行 链路频率 11.500~11.700GHz(广播波束) 12.200~12.750GHz(点波束) 10.950~11.200GHz(赋形波束／点波束) 用户速率 上行最高 2Mbit/s；下行最高 4Mbit/s 网络 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 UDP/TCP/IP，含有 TCP增强 宽带卫星通信系统的典型应用包括：娱乐（如 视频点播、电视分发、交互式游戏、音乐应用、流 媒体等）、因特网接入（如高速因特网接入、多媒 体应用、远程教学、远程医疗等）、商业（如视频 会议、企业对企业的电子商务等）、话音和数据中 继（如 IP话音、文件传输等）等。 有关统计分析指出，全球目前在卫星固定通信 的 4200 多个标准转发器中，视频业务约占 62％， 数据业务占 24％，话音业务下降到 14％；而在业 务收入方面，视频业务占总收入的 70％以上。因此 可以认为，卫星视频业务在今后一段时间内仍将是 卫星通信的主要应用领域和发展方向，卫星宽带通 信尚处在发展的培育期。 2.3 宽带卫星通信系统需解决的主要技术问题[3~7] 卫星通信内在的大覆盖范围、以广播和组播模 式工作的特性，使得它们能够提供高速因特网连接 和多媒体远距离传输。但要发挥这些优势，除了人 们所熟知的采用大型星载可展开式天线和多波束 相控阵天线、增大卫星功率和带宽、使用更高效的 星上电源系统、采用更先进的高效调制和编码技术 等常规措施外，还有下列一些技术问题需要解决： 1) 宽带卫星通信系统空中接口的标准化 为了推广应用、降低成本，采用标准接口是发 展趋势。目前美国电信工业协会（TIA）和欧洲电 信标准学会（ETSI）分别对此规定了几个标准的接 口，表 2给出了其中 3个空中接口标准主要技术特 性的比较。有关具体细节可参阅文献[6]。 表 2 ETSI EN 301 790 V.1.3.1、TIA－1008和 ETSI RSM-A 3个标准之间的比较表 比较项目 ETSI EN 301 790 TIA-1008 ETSI RSM-A 网络拓扑 星形或网状 星形 星形或网状 调制方式 QPSK CE-OQPSK CE-OQPSK 出向业务 接入方法 DVB-S DVB-S 高速 TDMA 出向业务 数据速率 1Mbit/s到 45Mbit/s 1Mbit/s到 45Mbit/s 100Mbit/s, 133.33Mbit/s, 400Mbit/s 入向业务 接入方式 MF-TDMA MF-TDMA FDMA-TDMA 入向业务 数据速率 没有限制 64kbit/s, 128kbit/s, 256kbit/s 128 kbit/s, 512bit/s, 2Mbit/s, 16Mbit/s 协议 DVB/MPEG2-TS 出向, AP/AAL5/ ATM入向 多层协议 IETF IP网络协议 2) 星上处理及交换技术 为满足用户对传输时延、终端小型化、误码率 等方面的要求，宽带通信卫星采用星上处理和交换 技术是一种比较好的解决办法。 传统的通信卫星一般采用弯管式转发器，卫星 只是完成变频、放大等基本功能，对信号不进行任 何处理。为实现波束间交换，可采用载波处理转发 器，卫星是以信号载波为单位在射频或中频上对信 号进行交换，但对信息内容不进行处理。最适合宽 带卫星通信业务的是全处理转发器，卫星不仅需要 完成信号的解调、译码，还需要一定的信令处理和 路由选择能力，能实现信息的星上交换（比如星载 ATM交换机）。 3) 卫星 IP（IPoS）技术 由于卫星信道具有较大的并且可能是可变的 分组往返时延（RTT）、大的时延带宽积、前/反向 信道不对称使用、较高的信道误码率及信号衰落 等。把为地面网络设计的 TCP/IP 直接应用于卫星 第 8期 甘仲民等：卫星通信技术的新发展 ·5· 通信会导致其工作效率低下，需采取一些措施予以 解决，比如，在协议上进行改进或对链路进行分段， 文献[7]对此给予了详细描述，并给出了许多试验结 果。 4) 服务质量（QoS） 保证用户得到所需要的 QoS 是宽带卫星通信 业务成功的关键，包括以下几个方面： 时延：把分组从发送方传输到接收方所需的 时间； 时延抖动：端－端传输时延的变化程度； 吞吐量：2 个端点之间能够维持的最大数据传 输速率； 丢包率：未成功传输分组数与总传输分组数的 比例； 可靠性：网络可用度的百分比，主要决定如降 雨和大气这样的环境 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 。 文献[5]对卫星 IP网中的 QoS问题进行了详细 研究。 5) 降雨损耗 目前，宽带卫星通信系统主要采用 Ka、Ku频 段以获得较宽的可用带宽和较小的地面站天线口 径，但这些频带的电波传播特性受降雨衰耗的影响 较大。根据实验和实际应用的结果，采用上行链路 功率控制（UPC）和自适应编码调制可以基本解决 这个问题。比如 NASA的 ACTS卫星采用了 RS码 和卷积码级联，晴朗天气情况下，其误比特率可达 到 10−12，有雨衰的情况下，至少 99％的时间可以 达到 10−11。 3 卫星移动通信系统的发展现状及关键 技术[4,8~16] 3.1 卫星移动通信的基本概念 卫星移动通信是指利用通信卫星作中继站实 现移动用户之间或移动用户与固定用户之间相互 通信的一种通信方式。它是传统的卫星固定通信与 地面移动通信交叉结合的产物。从表现形式来看， 它既是一个提供移动业务的卫星通信系统，又是一 个采用卫星作中继站的移动通信系统，所利用的卫 星既可以是 GSO 卫星，也可以是 NGSO 卫星，如 中等高度地球轨道（MEO）、低高度地球轨道（LEO） 和高椭圆轨道（HEO）卫星等。 虽然世界上地面通信网络已趋于完善，但受地 理条件和经济因素的限制，地面蜂窝系统不可能达 到全球无缝覆盖。以我国为例，在偏远地区，地面 网络的广泛覆盖仍然遥遥无期；在沿海岛屿众多的 地方，建设地面网络非常困难；在发达地区的某些 偏远地方同样没有地面蜂窝网的覆盖；野外勘探， 飞机，远洋运输船只，远离城市的旅游探险者，以 及紧急搜索、救援人员等都需要一种不受地域、天 气限制的移动通信手段；西部地区疆域广阔，但多 为荒漠和戈壁，人烟稀少，卫星移动通信将显示出 独具的优势；尤其是发生重大毁灭性自然灾害的地 区，地面网络多数会遭到破坏，而卫星移动通信可 能是惟一幸存的通信手段。所以，卫星移动通信是 一种大有可为的通信方式，具有广阔的应用前景。 需要指出的是，卫星移动通信系统是作为地面 蜂窝系统的补充而存在的，主要用于满足低业务密 度的应用环境。卫星波束如同能覆盖许多个不同类 型蜂窝小区的“伞”，可用来覆盖相邻地面蜂窝网 之间的缝隙、地面蜂窝网不能覆盖的区域、为暂时 过载的小区提供补充通信业务等。 3.2 国内外发展概况 至今我国尚无自建的民用卫星移动通信系统，国 际上目前可以使用的卫星移动通信系统主要包括： 1) 对地静止轨道（GSO）卫星移动通信系统 提供全球覆盖的卫星移动通信系统有国际海 事卫星（Inmarsat）系统；提供区域覆盖的卫星移 动通信系统有北美移动卫星（MSAT）系统、亚洲 蜂窝卫星（ACeS）系统、瑟拉亚卫星（Thuraya） 系统；提供国内覆盖的卫星移动通信系统有日本卫 星（N-STAR）系统和澳大利亚卫星（Optus）系统 等。其中波束覆盖我国的系统有 Inmarsat和 ACeS。 国际海事卫星（Inmarsat）系统是由国际海事 组织经营的全球卫星移动通信系统。自 1982 年开 始经营以来，全球使用该系统的国家已超过 160个， 用户从初期的 900多个海上用户已发展到今天包括 陆地和航空在内的 29 万多个用户。为了满足不断 增长业务的需要，已开始发射第四代海事卫星。第 四代卫星为 1个全球波束、19个宽波束和 228个点 波束。提供用户终端的卫星等效全向辐射功率强度 为 67dBW（点波束），其 IP 业务最高速率可达 432kbit／s，可应用于互联网、移动多媒体、电视 会议等多种业务。 2) 非静止轨道（NGSO）卫星移动通信系统 提出的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 很多，真正发射组网进行运营的只 有 3 个：铱（Iridium）、全球星（Globalstar）和轨 ·6· 通 信 学 报 第 27卷 道通信(Orbcomm)系统。 铱系统是由美国 Motorola 公司提出的世界上 第一个低轨道全球卫星移动通信系统，其基本目标 是向携带有手持式移动电话的铱用户提供全球个 人通信能力。铱系统卫星星座由 66 颗低轨道卫星 组成，轨道高度 780km。铱卫星采用星上处理和交 换技术、多波束天线、星际链路等新技术，提供话 音、数据、传真和寻呼等业务，用户终端有单模手 机、双模手机和寻呼机。耗资 59 亿美元开发的铱 系统于 1998 年 11 月开始商业运营，1999 年 8 月 13日申请破产保护。2000年 12月新铱星公司成立， 用 2100 万美元购买了投资近 50 亿美元的铱星公 司，2001年 3月重新开始提供全球通信服务。目前 有超过 12万用户，并且以每月新增 2 000~3 000个 用户的速度在增长，在 2003 年上半年实现收支平 衡。在 1997年 5月到 2002年 6月期间共发射了 95 颗卫星，其中 11 颗失效，4 颗陨落，66 颗工作， 14 颗在轨备份，能够连续工作到 2014 年而无需发 送额外的卫星。 3.3 卫星移动通信的特点及其关键技术 与卫星固定通信相比，卫星移动通信具有如下 技术特点： 1) 卫星功率有限与移动站低天线增益之间的 矛盾十分突出。 2) 电波传播情况复杂，系统是在非高斯信道中 工作的。由于移动站采用弱方向性的低增益天线并 在移动状态中进行通信，多径效应和多普勒频移是 不可避免的。 3) 众多的用户共享有限的卫星（频率与功率） 资源。 4) 移动台要求高度的机动性，故小型化及支持 用户漫游是基本要求。 为此，除了需要解决如下的一些关键技术外， 如卫星向覆盖区提供高的有效全向辐射功率、采用 必要的抗衰落技术（如分集技术）、网络的运行管 理与控制、星地一体化的优化设计，还需着重解决 下列关键技术。 1) 星载多波束天线技术 采用多波束天线是解决大覆盖范围和高天线 增益之间矛盾的唯一手段，如铱系统采用 48 波束 天线，全球星系统采用 16 波束天线。多波束天线 是影响我国卫星移动通信发展的核心关键技术。一 方面，其重量、功耗直接影响卫星平台的设计指标； 另一方面，天线增益对系统所能达到的通信性能起 着至关重要的作用。目前，国内已有多波束天线的 设计能力，对星用 T/R组件也有研制经验，与国外 先进水平的差距主要在于星载工艺问题，如何降低 功耗和重量是研究的重点。 2) 星上处理和交换技术 具有星际链路、星上处理和交换能力是对现代 卫星移动通信系统的基本要求。对于星际链路，核 心是解决天线的捕获、跟踪和瞄准问题；对于星上 处理，目前国内已有星上解调、解扩和解跳的较成 熟技术，主要问题在于可靠性、重量和功耗等。虽 然国内已经完成了具有小规模星上处理与交换功 能的样机研制，但受星载器件水平的限制，在星上 实现具有综合业务交换功能和动态拓扑条件下移 动路由功能的交换机仍是一项需要重点攻关的关 键技术。 3) 移动性管理技术 移动性管理是移动通信系统必须要解决的问 题，它包括位置管理和切换管理两方面。虽然地面 已有成熟的移动性管理技术，但在 NGSO卫星移动 通信系统中，作为交换结点的通信卫星相对地面作 高速移动，导致网络拓扑是变化的，即使用户不移 动，切换也是频繁发生的，并且用户终端、卫星和 信关站之间没有固定的连接关系。因此，对于星上 处理和交换能力、系统容量等都很有限的卫星移动 通信系统，必须采用适当的移动性管理策略，以便 在尽量降低移动性管理开销、星载交换机处理负担 和路由更新开销的条件下保证用户信息能够经过 星际链路选路到目的地，并且在通信过程中实现卫 星之间正确无误地切换。 4) 终端小型化 终端的体积、重量主要由天线、射频模块和电 池等决定。从通信技术来说，实现天线和射频模块 的小型化是解决终端小型化的关键技术。适应各类 移动台结构要求的天线、高稳定度的频率源（考虑 到系统通常传输低速率信号、载波间隔小、多普勒 频移的影响等，此要求尤为突出）、高效率的功率 放大器等都是需要进一步研究的。 在小型化天线中，增益与覆盖性能的问题十分 突出，如既要求高增益，又要兼顾高、低仰角处增 益的均匀性，是有矛盾的。实现天线小型化的基本 途径是：研制新颖的天线结构（如螺旋天线、微带 贴片的平面天线、天线分集等）和采用新材料（如 第 8期 甘仲民等：卫星通信技术的新发展 ·7· 介质或磁性材料加载等）。 射频模块小型化主要涉及到收发模块和双工 器。其构成与地面蜂窝系统手机的构成大体相同， 而后者技术已十分成熟，我们可从中得到借鉴。现 有接收和发射电路都已做得很小和很低功耗，工作 于 UHF 和 L/S 频段，每个有源器件尺寸在数平方 毫米至十几平方毫米之间；在无源器件中，值得关 注的是工作于双频段的双工器，它可通过声表面波 （SAW）器件或低温共烧陶瓷（LTCC）工艺来实 现。其中，利用 LTCC工艺制作的双频段双工器， 在 900MHz频段，隔离度达 28dB，插损 1.7dB；在 1 770MHz，隔离度和插损分别为 19dB和 1.5dB。 4 空间通信网：构建与技术[17~22] 4.1 概念和原理 1957 年 10 月，前苏联成功发射第一颗人造卫 星，开辟了人类探索宇宙的新纪元。此后，人类发 射了许多航天器，飞出地球，到达遥远的星球进行 探测。例如，近年来“勇气”号和“机遇”号火星 车登陆火星并发现曾有水的证据；“卡西尼”号飞 船成功进入土星轨道就是此类活动的典型代表。我 国正在积极准备中的“嫦娥工程”，也是一项重要 的宇宙探测活动。其中，通信是维系人类与航天器 的纽带，是进行宇宙探索活动的必不可少的环节。 因为对航天器的引导和控制，取决于可靠的通信； 而将探测得到的科学数据发回地球，又正是通信 的任务。本文开头引用的 WARC~ST 关于空间通 信的定义中，空间飞行体就是我们常称的航天（飞 行）器。从通信角度看，空间通信站就是航天器 上的通信装置。空间通信可以分为近空通信与深 空通信。 近空通信指地球上的实体与地球卫星轨道上 的飞行器之间的通信。这些飞行器的轨道高度为 数百至数十万千米，如各种应用卫星、载人飞船 和航天飞机等。深空通信通常指地球上的实体与 离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通 信，通信距离达几亿至几十亿千米（一个天文单 位以上）。 一个典型的空间通信系统是由航天器和地面 段组成的。航天器上的通信设备（即上文所称的空 间站）包括飞行数据分系统、指令分系统、调制/ 解调、射频分系统和天线等。地面段则包括任务的 计算和控制（中心）、到达地球通信站的传输线路 （地面的和卫星通信）、测控设备、空间通信收发 设备和天线等。深空通信要执行的基本任务即所具 有的基本功能有 3 个：、指令、跟踪和遥测。前二 者是负责从地球对航天器的引导和控制，后者则是 传输通过航天器探测宇宙所获得的信息。 随着人类对宇宙探测范围的扩大，探测对象数 量的增加，研究内容的深入，通信必然从较为简单 点对点发展到点对多点、多点对多点的网络方式。 当今和未来，空间通信网络面临的重要挑战是如何 充分发挥其效益的问题：首先，一个深空通信网能 否具有多用途即与多个航天器通信？深空通信网 与近空通信网能否综合为一？如果能，网络应如何 构建？其次，空间通信网如何满足日益增多的用户 高时效而灵活的接入、以便更好地共享资源？ 4.2 网络组成与结构 文献[18]提出了一种未来的 NASA宇航通信系 统基本架构，如图 2所示。 图 2 未来的 NASA宇航通信系统基本架构 由图可见，系统基础设施的基本组成包括骨干 网（BN）、接入网（AN）、航天器内网（IN）和邻 近网（PN，图中未画出）。其中，骨干网的组成[18] 如图 3所示，它包括 NASA的地面网（GN）、深空 网（DSN）、天基网（SN—跟踪和数据中继卫星系 统（TDRSS）、国际空间站（ISS））和可为 NASA 航天器提供通信业务的任何商业卫星系统，以及将 NASA 设施联在一起的虚拟专网（VPN）。通过骨 干网可供利用的信息有来自其他航天器、太空车、 传感器网络、运作中心、归档数据库和用户的数据 及任务指令等等。网络还能进一步扩大到全球范 围，获得更多的空间信息资源。 接入网。是利用微波或光通信手段为执行任务 的航天器、太空车和其他对象接口到骨干网的外 围。这些接口包括远地对象的调制解调器、接收机、 发射机和天线，以及骨干网的匹配装置。 ·8· 通 信 学 报 第 27卷 图 3 骨干网的基本组成 航天器内网。是为协同飞行的航天器，例如星 座、紧密编队或松散星群建立的，用于局域通信和 协调，其间可利用无线接口（微波或光）或其他接 口（有线或光纤）连接到相邻的航天器。 邻近网络。相距甚近的登陆或空间的太空车、 空间站、传感器、气球等，利用低功率的邻近网络， 以 ad hoc方式互联。 4.3 因特网技术的应用 提出图 2所示的系统架构，目的是为众多用户 （如各有关部门科学家）、航天器和其上仪器之间 提供透明的端到端连接，这将大大有助于众多用户 共享系统的信息资源。 考虑到空间通信网络的特殊性，不能将地面的 因特网技术照搬照套。就骨干网而言，数据层协议 包括异步转移模式（ATM）、数字视频广播（DVB） 标准、高级数据链路控制（HDLC）和 CCSDS转移 （中继）帧模式。在网络层，对于近空通信，主要 考虑采用 IP，因为它与地面网是兼容的；对于深空 通信，由于空间通信协议规定（SCPS）比 IP 更为 紧凑，是适用的。在传输层，可采用的通信协议有 应用于地球轨道任务的传输控制协议（TCP），应用 于更远距离的用户数传报协议（UDP）和 SCPS 传 输协议（SCPS-TP）。在应用层，有应用于空间网络 （SN）的文本传递协议（FTP），CCSDS文本传递 协议（CFDP），简单的邮件传递协议（SMTP），多 播协议（MDP），网络时间协议（NTP），以及正在 研究中的其他应用于空间网络的协议。 4.4 新技术的开发 由骨干网、接入网、航天器内网和邻近网络组 成的新架构，能很好地满足 NASA对未来空间通信 的需要。基于此架构，无需为每出现一新的任务构 建一套新的通信基础设施，避免了重复建设。4 个 网络元素中，重点是骨干网，它需要大容量、高速 率、可靠的微波或光通信技术的支持；在软件开发中， 基于分层结构和对时延不敏感、数据开销最小运作的 协议是十分重要的。至于在空间的架构元素，其硬件 将是高度小型化、低功耗、体积小、重量轻的，并采 用智能元件来增强网络的功能和自主性。 5 结束语 本文综述了卫星通信在宽带业务和移动业务 的新进展，介绍了一种空间通信网的新架构。这些 领域里所取得的新的研究成果表明，包括卫星通信 在内的空间通信，有着广阔的应用前景和发展潜 力。人们对信息化的需求是无止境的，为满足这些 要求的卫星通信乃至更为广泛意义上的空间通信 理论与技术，也要不断开拓前进。在硬件方面，需 要开发高性能、小型化、处理能力强的航天（飞行） 器通信有效载荷、多功能的地面基础设施；在软件 方面，需要提供基于开放式分层结构和对时延不敏 感的高效率的协议的网络技术。总之，面对 21 世 纪的卫星通信，可以借用一句名言来概括：广阔天 地，大有作为。 参考文献： [1] FARSEROTU J, PRASAD R. A survey of future broadband multime- dia satellite systems, issues and trends[J]. IEEE Communications Magazine, 2000, (6): 128-133. [2] http://www.ipstar.com[EB/OL]. [3] 刘剑, 黄国策, 宋爱民. 宽带卫星通信概述[J]. 数据通信, 2003, (1): 22-24. LIU J, HUANG G C, SONG A M. Overview of broadband satellite communication[J]. Data Communication, 2003,(1):22-24. [4] 张乃通, 汪洋. 对发展卫星通信的思考[J]. 数字通信世界, 2005, (10): 17-21. HANG N T, WANG Y. Consideration about developing satellite com- munication[J]. Digital Communication World. 2005,(10):17-21. [5] KOTA S, MARCHESE M. Quality of service for satellite IP networks: a survey[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2003, (3): 303-349. [6] Recommendation ITU-R S.1709. Technical characteristics of air inter- faces for global broadband satellite systems[S]. [7] Recommendation ITU-R S.1711. Performance Enhancements of Transmission Control Protocol over Satellite Networks[S]. [8] 张更新,甘仲民. 浅论我国卫星移动通信系统的发展思路和策略[J]. 数字通信世界, 2005, (7): 24-27. ZHANG G X, GAN Z M. Development strategy of Chinese mobile 第 8期 甘仲民等：卫星通信技术的新发展 ·9· 张更新（1967-），男，浙江平湖人， 博士，解放军理工大学通信工程学院教授、 博士生导师，主要研究方向为卫星通信。 甘仲民（1937-），男，广西南宁人， 解放军理工大学通信工程学院教授、博士 生导师，中国电子学会会士。主要研究方 向为微波与卫星通信。 satellite communication systems[J]. Digital Communication World, 2005,(7): 24-27. [9] 张更新, 张杭. 卫星移动通信系统[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2001. ZHANG G X, ZHANG H. Mobile Satellite Communication Sys- tem[M]. Beijing: Post and Telecommunication Press, 2001. [10] ENRICO D R, PIERUCCI L. Next-generation mobile satellite net- works[J]. IEEE Communications Magazine, 2002, (9): 150-159. [11] WALKE B H. Mobile Radio Networks: Networking and Protocols[M]. John Wiley & Sons, 1999. [12] MARAL G, RIDDER J. Low earth orbit satellite systems for communications[J]. International Journal of Satellite Communications, 1991, (2): 209-225. [13] MURATORE F. UMTS Mobile Communications for the Future[M]. John Wiley & Sons. 2001. [14] OHMORI S, WAKANA H, KAWASE S. Mobile Satellite Communi- cations[M]. Artech House, 1998. [15] GARDINER J, WEST B. Personal Communications Systems and Technologies[M]. Artech House, 1995. [16] First Inmarsat-4 satellite ready for launch.htm[EB/OL]. EADS SPACE, March 9, 2005. [17] 甘仲民. 深空通信[J]. 数字通信世界. 2005, (6): 36-42. GAN Z M. Deep space communication[J]. Digital Communication World, 2005,(6):36-42. [18] BHASIN K, HAYDEN J L. Space internet architectures and technolo- gies for NASA enterprises[J]. International Journal of Satellite Communi- cations, 2002, (3): 311-332. [19] HAYDEN J. Spacecraft/ground architectures using internet protocols to facilitate autonomous mission operations[A]. Proceedings of the 2000 IEEE Aerospace Conference[C]. 2000. [20] RASH J, CASASANTA R, HOGIE K. Internet data delivery for future space missions[A]. Proceedings of the Earth Science Technology Conference[C]. 2002. [21] BHASIN K, HAYDEN J L. Space Internet architectures and technolo- gies for NASA enterprises[A]. Proceedings of the 2001 IEEE Aero- space Conference[C]. 2001. [22] BHASIN K, PAULA R, EDWARDS C. Internet technologies for space-based communications state of the art and challenges[A]. Pro- ceedings of the 18th AIAA International Communications Satellite System Conference[C]. 2000. 作者简介：