續(xù)表衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術創(chuàng)新 第1章概述第1章概述衛(wèi)星服務廣泛應用于商業(yè)、軍事以及對地觀測（包括氣象預報）領域，可提供全球連接和觀測能力，是現(xiàn)代社會生活中不可或缺的。無論是通過互聯(lián)網連接和實時遙測為飛行航班和越洋輪船提供移動通信支持，還是為基礎設施匱乏且地理位置分散的新興市場提供高質量娛樂視頻傳輸，無論是為偏遠區(qū)域提供應急通信，還是進行地球測繪或利用無人機開展戰(zhàn)場軍事應用，衛(wèi)星填補了其他包括光纖在內的通信形式無法滿足的空白。截至本書出版時，全球共有900多顆衛(wèi)星以各自軌道繞地球飛行。北美、歐洲、亞洲、南美甚至非洲都有許多大城市聚集了大量的付費用戶，這些用戶也成為運營商的主要收入來源。而光纖網絡和IP服務在全球主要城市持續(xù)快速部署的局面，迫使衛(wèi)星運營商尋找能夠將IP融入他們所提供的端到端解決方案中的技術和營銷手段，以保持其業(yè)務增長。毫無疑問，本書中提到的一些概念將得到那些渴望進步的運營商的青睞，并推動其在實踐中開展不同程度的應用。但是坦白地講，這些概念本質上并不是出奇的新思路或深奧理論，因為早在20世紀70年代末產業(yè)觀察者［MIN197901］和產業(yè)專家［ROS198201］，［ROS198402］就已經提出，不能僅把衛(wèi)星當作微波中繼器或能達到20世紀50年代貝爾系統(tǒng)公司在美國部署的中繼器的水平就行，而應當更多地實現(xiàn)用戶所需的縱向集成式的應用功能，以維持市場的增長。11背景衛(wèi)星通信系統(tǒng)是視距（Line of Sight，LOS）條件下的單向或雙向射頻傳輸系統(tǒng)，包括上行信道的發(fā)射站，作為信號再生節(jié)點的天基衛(wèi)星系統(tǒng)以及監(jiān)測下行信道接收信息的一個或多個接收站。在雙向通信的情況下，上述兩種終端站兼具發(fā)射和接收功能（如圖11所示）。 圖11典型的衛(wèi)星通信鏈路衛(wèi)星可運行于多種軌道。地球靜止軌道國內一般用GEO指代地球靜止軌道，用GSO指代地球同步軌道。（Geostationary Orbit，GSO）是地球赤道面內的同心圓軌道，與地表相距35 786 km，與地心相距42 164 km（地球半徑為6 378 km）。地球同步軌道（Geosynchronous Orbit，GEO）衛(wèi)星如無特殊說明，本書中的衛(wèi)星均是指地球靜止軌道衛(wèi)星。，保持與地球相同的轉動角速度和轉動方向。當衛(wèi)星處于赤道面內時，從地面可以觀察到，衛(wèi)星一直保持靜止，所以指向衛(wèi)星的天線不需要每隔固定周期就進行跟蹤或（大部分情況下）方向調節(jié)在實際應用中，GEO和GSO通?；旌鲜褂谩?，GSO是在赤道面內與地球自轉同向的圓軌道，軌道周期等于地球自轉周期。。衛(wèi)星也可以運行于其他軌道，如中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）和低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）。傳統(tǒng)意義上的衛(wèi)星通信服務包括以下幾個類別。1）衛(wèi)星固定業(yè)務（Fixed Satellite Service，F(xiàn)SS）：利用一顆或多顆衛(wèi)星在固定位置的終端實現(xiàn)通信的一種服務。FSS主要用于長距離固定站點之間的視頻、語音以及IP數據傳輸。通過FSS，信號可從地球上的一點發(fā)射至另一固定點（即點到點通信），或者從一臺發(fā)射機發(fā)送至多部接收機（點到多點）。FSS還可采用星間鏈路（非商業(yè)通用）或饋電鏈路等提供其他類型業(yè)務，如衛(wèi)星移動業(yè)務或衛(wèi)星廣播業(yè)務。2）衛(wèi)星廣播業(yè)務（Broadcast Satellite Service，BSS）：通過衛(wèi)星傳輸，公眾可直接接收信號的一種衛(wèi)星服務。具代表性的就是衛(wèi)星直播業(yè)務（DBS），它可在預定頻段下通過衛(wèi)星直接為家庭或企業(yè)提供電視與視頻直播服務。BSS或DBS都利用GEO衛(wèi)星。此外，與FSS擁有點到多點和點到點等多樣化服務模式不同，BSS只工作在點到多點的模式下。因此，面向特定的市場，所需的衛(wèi)星數量更少。3）衛(wèi)星移動業(yè)務（Mobile Satellite Service，MSS）：旨在為地球上任意一點提供無線通信的衛(wèi)星服務。隨著蜂窩網移動電話的廣泛普及，用戶已經習慣在世界上任意地區(qū)使用手機，包括發(fā)展中國家的農村地區(qū)。通過衛(wèi)星實現(xiàn)的語音通信，需要使用專用的手持設備。MSS通常采用MEO和LEO衛(wèi)星系統(tǒng)提供服務。4）衛(wèi)星水上移動業(yè)務（Maritime Mobile Satellite Service，MMSS）：在移動衛(wèi)星地面站和一顆或多顆衛(wèi)星之間進行通信的衛(wèi)星服務。5）另外，雖然在常規(guī)的認知中GPS不是一種正式的通信服務，我們也可以將其加入這個列表中，這項服務采用一組衛(wèi)星來為專業(yè)終端提供全球定位信息。過去幾年間，技術和服務領域的多項進展都在影響商業(yè)衛(wèi)星通信的發(fā)展，而這些進展正是本書關注的重點。隨著內容分發(fā)、VoIP以及互聯(lián)網業(yè)務等商業(yè)應用的日益頻繁，頻譜利用率的概念越來越被終端用戶所追捧。與此同時，為了維持銷售額增長，運營商們需要聚焦于提供IP服務（企業(yè)和互聯(lián)網接入）、下一代視頻（混合分發(fā)、緩存、非線性/時移、高分辨率）和移動性。近期技術與服務方面的一些進展包括：1）本書出版時，更高衛(wèi)星信道與系統(tǒng)吞吐量是影響整個衛(wèi)星通信產業(yè)的主要的商業(yè)因素。改進調制方案，可增加用戶信道的吞吐量；在下一代調制解調器中引入先進調制和編碼技術作為標準方案，可使單位頻譜實現(xiàn)的比特速率更高，對易受雨衰影響的高頻段使用自適應編碼則可保證頻譜的有效利用；DVBS2基線標準目前已非常成熟，其擴展標準如今也開始在衛(wèi)星通信行業(yè)內推廣。2）高吞吐量衛(wèi)星（Hight Throughput Satellite，HTS）一般工作在Ka頻段（下行183～202 GHz，上行281～30 GHz），采用點波束技術可以實現(xiàn)較高的數據傳輸速率，也可以運行在MEO以降低傳輸時延?？偟膩碚f，通過采用覆蓋范圍更小、功率更強的點波束，HTS可以達到100 Gbit/s的吞吐量，從而大幅削減單位帶寬的成本。所以，服務提供商開始接受并采用HTS來拓展其所提供的通信業(yè)務。從技術角度來看，HTS與傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)有諸多不同，具體包括：使用帶寬更大的波束/轉發(fā)器（一般大于100 MHz）；使用地面網關站來支持十余個或二十余個波束（通常要達到5 Gbit/s的吞吐量水平）；所有遠程接收站都可以實現(xiàn)較高的數據速率；采用先進的抗雨衰技術，Ka頻段系統(tǒng)尤為明顯。3）對選擇乘船或飛機出行的人們來說，因缺乏地面網絡支持而需要衛(wèi)星為其提供移動通信服務，這在技術上和經濟可行性上都已得到驗證，并成為服務提供商。需要說明的是，在飛機上部署衛(wèi)星通信系統(tǒng)，必須對天線進行特殊設計，例如考慮天線的跟蹤性能等。4）用衛(wèi)星的M2M（機器對機器）連接，無論是用于洲際運輸卡車通信，還是飛機實時遙測數據的整合傳輸，或者商業(yè)貨船的數據跟蹤，都為地理位置分散的實體之間拓展物聯(lián)網（IoT）應用開辟了新的機遇，對于廣袤的海域則尤其明顯。隨著全球商業(yè)貿易增長，人們已經看到衛(wèi)星通信在推動海事通信服務需求增長方面的機遇，而海事通信需求根據船舶類型、運營商、數據傳輸量以及船員和乘客需求及應用［例如全球海上遇險與安全系統(tǒng)（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）］的不同出現(xiàn)很大的差別，這在客觀上產生了多樣化解決方案與應用的需求。5）近年出現(xiàn)的超高清電視（UHDTV）（又稱Ultra HD或者UHD）可以提供8～16倍HDTV才能達到的視頻清晰度；很顯然，這類視頻每個傳輸信道都要求具備更大的帶寬。根據視頻的垂直分辨率不同，目前已經出現(xiàn)了所謂的4K和8K版本。衛(wèi)星運營商們正在積極參與到這一市場細分中，預計在2020年左右，UHDTV廣播服務可實現(xiàn)大規(guī)模應用，而在本書出版時，已經有一些小范圍、定向的應用開始服務。UHDTV對于視頻分發(fā)服務的帶寬需求約為60 Mbit/s，而視頻采集服務則需要100 Mbit/s左右。這種情況下，采用DVBS2擴展技術以及更大帶寬轉發(fā)器（如72 MHz）將逐漸成為市場上的標準配置需求。而出現(xiàn)的H265/HEVC（高效視頻編碼）視頻壓縮標準算法與此前廣泛采用的H264/AVC（高級視頻編碼）算法相比，在壓縮率性能方面提升兩倍多；然而，這也增加了計算處理的復雜性，反過來需要更先進的芯片支持。近幾年，特別是2013年，業(yè)內開展了很多技術驗證與仿真，真正投入市場應用的商業(yè)級產品計劃在2014—2015年出現(xiàn)，那時剛好可以提供UHD應用服務（不管是地面的還是天基的）。甚至在標清（SD）/高清（HD）視頻領域，通過將地面編碼設備升級到H264 HEVC，也可削減近50%的帶寬需求。而從標準DVBS2升級到DVBS2擴展版本則可額外降低10%～60%帶寬需求。6）由衛(wèi)星和地面網絡組成的混合式網絡，也將在近期發(fā)揮重要作用。通過大量引入IP服務，包括受到地面光纖網絡部署驅動得以快速發(fā)展的IPTV和OTT視頻等，將在極大程度上重塑整個行業(yè)。這里不得不提到IPv6，這是一項被世界各地所廣泛采用的技術，可以支持真正的端到端設備通信能力。衛(wèi)星通信與IPv6能力的融合將造就混合式網絡架構，從而滿足不斷增長的政府、軍隊、IPTV以及移動視頻服務領域等需求。7）在核心技術層面，電推進（替代化學推進）是一項正在研究且事實上已經部署應用的技術；這種推進方式可以有效減小航天器的質量（從而降低發(fā)射成本），并很有可能延長航天器的壽命。根據該技術的擁護者所述，使用電推進進行衛(wèi)星在軌姿態(tài)保持改變了全球的衛(wèi)星產業(yè)。如今，隨著電推進技術應用于軌道轉移和提升，它極有可能改變通信衛(wèi)星的入軌方式。8）此外，新的發(fā)射平臺也在引入通信衛(wèi)星市場，隨著競爭的日益激烈，發(fā)射成本會進一步降低。很顯然，衛(wèi)星通信具備多播、廣播、全球覆蓋、高可靠性以及快速支持開闊區(qū)域和敵對環(huán)境通信的能力，因而將繼續(xù)在商業(yè)、電視傳媒、政府以及軍事通信領域發(fā)揮重要的作用。為確保本書的獨立完整性，在本章將介紹一些與衛(wèi)星通信相關的技術背景。12產業(yè)問題與機遇：發(fā)展趨勢121重大問題與機遇基于前文所述的背景情況，有必要對2010—2020年中期的整個產業(yè)趨勢進行評判。下面列舉的一些觀察結論，為我們描繪了整體的環(huán)境和趨勢?！啊a業(yè)經濟結構的變化是衛(wèi)星領域獲得長期發(fā)展的關鍵。我們必須提升參與度，變得更加高效，我們必須不斷地開疆拓土。產業(yè)界一方面需要降低成本，另一方面需要通過創(chuàng)新來拓展市場……。”［WAI201401］“……衛(wèi)星市場正在經歷一場歷史巨變，無論是發(fā)射新型高吞吐量衛(wèi)星，還是通過引入新發(fā)射服務商大幅降低發(fā)射成本，越來越多廉價且可靠的發(fā)射方案（不斷地涌現(xiàn)出來）……?！保踂AI201401］“……誰將在未來實現(xiàn)快的增長？這是一個開放性問題。依舊是四大運營商繼續(xù)獲得大額訂單并推動市場的進一步兼并整合，抑或三十年河東、三十年河西，輪到那些擁有國內衛(wèi)星并與國內用戶聯(lián)系緊密的區(qū)域運營商們……？”［GLO301301］“……隨著競爭日益激烈，（運營商們）必須將無線、手機以及高速寬帶互聯(lián)網服務等進行有機整合；當前，由于用戶越來越傾向于在線觀看視頻，美國和歐洲的付費電視用戶容量已趨于飽和……。”［SHE201401］“……電視和視頻市場方面，內容的接入和消費方式正在經歷一場變革，而且目前看來是沒有回頭路的。創(chuàng)新技術和新服務的融合不斷提升電視/視頻內容和觀看者之間的互動水平。內容從產生、分發(fā)到實現(xiàn)貨幣化收入，其當下的管理方式主要受到4個方面的影響：1）內容消費的去線性化特征，以及用戶接入設備和接入網絡的成倍增長；2）競爭激烈程度的增長比整體收入更加迅猛；新的內容源、傳輸媒介和分發(fā)渠道的不斷涌現(xiàn)正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)價值鏈；3）為達到用戶的預期，技術創(chuàng)新和投資的周期變得更短；4）新興區(qū)域市場的快速增長提供了新的增長機遇，但其代價是面向本地用戶需求的定制化……。”［BUC201401］“……如果希望保持對地面通信技術的競爭力，衛(wèi)星產業(yè)必須不斷追求新型衛(wèi)星和運載火箭的組合；按衛(wèi)星和火箭的總成本算下來，一個36 MHz的等效轉發(fā)器的入軌成本將達到175萬美元……?！保跾EL201402］“……許多因素都可以顛覆市場，并對競爭、需求以及定價規(guī)則等產生重大影響……FSS對MSS市場的吞并、對地觀測領域出現(xiàn)的新競爭者、美國政府的角色轉變?yōu)橛脩簟⑿屡d市場競爭的日益增強、全球政府性衛(wèi)星投資額的增長以及采用4K作為DBS的標準等……”［SAT201402］“創(chuàng)新一般不會和衛(wèi)星制造技術一起談及。由于成本過于昂貴、對風險的極力規(guī)避、以及技術的復雜性，創(chuàng)新在衛(wèi)星通信產業(yè)總是顯得相對緩慢……?！保跴AT201301］“……在立竿見影的高回報投資浪潮過去之后，新的風口就變得風險更大或回報更低。是否產業(yè)的成熟本身也是一種顛覆因素，會倒逼市場不斷地開展高風險度的技術試驗……？”［SAT201401］“為了支持衛(wèi)星數據、語音以及視頻業(yè)務的大規(guī)?？焖僭鲩L，整個行業(yè)都需要更快的數傳速率、更高效的通信技術和更大的傳輸帶寬。此外，終端用戶的習慣也發(fā)生了轉變，他們希望在旅行、生活或者工作的任何時間、任何地點都能夠連接通信服務。由于受數據傳輸速率增長的影響大，視頻采集及高速IP業(yè)務領域成為對DVBS2擴展標準需求大的應用方向……?！保踂IL201401］“新的市場數據顯示，寬帶衛(wèi)星或所謂的HTS系統(tǒng)正呈現(xiàn)增長態(tài)勢。隨著高吞吐量衛(wèi)星總的累積資本支出攀升至120億美元，我們必須思考一個重要的問題：這些系統(tǒng)將如何影響我們產業(yè)的思維模式？這種大型的流量入口在拉美、中東以及非洲和亞太區(qū)域已經引發(fā)了對容量供應過度的風險的擔憂……。”［DER201301］“……高吞吐量衛(wèi)星將改變衛(wèi)星寬帶領域的經營模式和服務質量……這類衛(wèi)星可以服務于未來十年內不斷加速的多媒體互聯(lián)網接入帶寬需求……現(xiàn)有的傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)并非針對人們所需要的高帶寬、高容量應用而研制的，這些應用包括視頻、圖片分享、VoIP和對等網絡組網等。解決這個矛盾的方案就是增加容量和衛(wèi)星的速率。改善衛(wèi)星服務不僅僅是實現(xiàn)更快的速率，同時也需要給用戶提供更大的帶寬容量，從而緩解網絡擁堵……。”［VIA201401］“未來十年內GEO商業(yè)通信衛(wèi)星的采購量將保持穩(wěn)定。衛(wèi)星通信產業(yè)將經歷自2013年以來短期的下滑……產業(yè)未來要實現(xiàn)增長的主要驅動因素仍包括衛(wèi)星更替以及市場向Ku頻段和HTS拓展等。然而，許多趨勢將會影響這條增長曲線，并極大程度上改變衛(wèi)星制造的貿易環(huán)境：1）新推進形式的應用日益廣泛；2）越來越多供應商推出更多的平臺；3）多波束體系變得更加通用；4）發(fā)射服務能力向更大的承載能力方向發(fā)展。整個產業(yè)正在重塑；衛(wèi)星制造商和發(fā)射服務商都參與其中……市場份額近幾年發(fā)生了劇烈變化，一些公司在順利發(fā)展數年之后，正逐漸從這個重要的市場消失……?！保跡DI201401］“……我們生活在一個智能、互聯(lián)的世界。接入互聯(lián)網的物體如今已經超過了地球上人類的總數。這種新型的物聯(lián)網（IoT）的影響巨大。根據麥肯錫全球研究院近的一項報告，2025年以前，預計IoT有每年釋放62萬億美元全球新經濟價值的潛力。該公司還預計，未來80%～100%的制造商都會使用IoT解決方案，僅對全球制造業(yè)造成的潛在經濟影響就達23萬億美元……。”［HEP201401］“……本報告有以下重要發(fā)現(xiàn)：1）無線M2M市場的年均收入將會在2020年底之前達到1 960億美元，這意味著從2014年到2020年的6年年均復合增長率將達到21%；2）M2M連接設備的安裝數量將在2014年到2020年之間達到25%的年均復合增長率，終達到接近90億臺全球接入設備；3）M2M無線解決方案在敏感的核心基礎設施行業(yè)領域的應用日益廣泛，推動了M2M網絡安全解決方案的需求增長，這個市場預計將在2020年年底前接近15億美元的支出額；4）設備管理需求的不斷增長，將推動包括基于云的數據分析和診斷工具、M2M/IoT平臺（包括連接設備平臺CDP，應用支撐平臺AEP和應用開發(fā)平臺ADP）等在內的費用支出在2020年年底之前達到年均110億美元的水平……?！保跾ST201401］凱文·阿仕頓（Kevin Ashton）因提出物聯(lián)網概念，來描述通過泛在傳感器實現(xiàn)物理世界與互聯(lián)網連接的系統(tǒng)［MIN201301］，而受到世人關注。近年來他又提出了一些非常有說服力的觀點，下述的引用可充分體現(xiàn)其思考深度［ASH201401］?！白蛱欤?014年4月27日），馬航MH370航班的漂浮碎片搜尋工作結束了，而利用黑匣子信號的水下搜尋工作也毫無進展。澳大利亞總理托尼·阿博特（Tony Abbott）稱，‘這場超過50天的行動極有可能是人類歷史上困難的一次搜救行動’，從側面點明了行動中所暴露出的巨大技術缺陷。我們生活在一個我曾稱作物聯(lián)網的時代，一個從汽車到浴室再到怪物玩具車都連接到互聯(lián)網的時代。但不知為何，飛機數據系統(tǒng)卻極少與任何事物連接。飛機上的飛行通信尋址與報告系統(tǒng)（Aircraft Communications Addressing and Reporting System，ACARS）在20世紀70年代就已發(fā)明，卻是基于一項使用了近1個世紀的傳真電報技術。當如此多的物體都已接入互聯(lián)網，為何航空業(yè)還要使用傳真機發(fā)明之前的技術來尋找茫茫大海中的閃存設備？這是因為，雖然地面通信技術在過去的40年間發(fā)展迅速，但空基通信技術卻停留在20世紀70年代。這個問題與飛機的關系不大，主要與能夠跟蹤飛機的衛(wèi)星有關。例如，質量達到25 t、成本約為4億美元的哨兵1A（Sentinel1A）衛(wèi)星，是由蘇聯(lián)20世紀60年代研制的火箭發(fā)射的，其系統(tǒng)僅僅可以存儲與7個iPhone手機容量相當的數據。那么，這個看起來像老古董的東西是什么時候發(fā)射入軌的呢？答案是2014年4月3日。體積巨大、造價昂貴、采用火箭發(fā)射的衛(wèi)星卻只有極低的運算能力！這可能在一定程度上解釋廣播衛(wèi)星為何無法有效融入互聯(lián)網，一方面價格太貴而且不夠智能，另一方面，實現(xiàn)互聯(lián)則意味著大量的設備（如飛機等）將發(fā)送海量數據至同一顆衛(wèi)星，這顯然也不夠現(xiàn)實。因此，大多數的衛(wèi)星只執(zhí)行如播發(fā)電視信號、對地成像或者發(fā)送GPS信號。這也就解釋了飛機為什么不能實現(xiàn)航班和位置數據的有效傳輸：由于手機和WIFI信號不能從地面?zhèn)鞑サ饺f米高空，所以必須發(fā)送信息至衛(wèi)星，但衛(wèi)星處理網絡數據的成本過高，而且必須與可移動調節(jié)的碟形天線實現(xiàn)通信，這就要求對飛機進行改造，一般來說是不可能的。這些問題的解決方案很簡單：我們需要新的衛(wèi)星技術，而它即將來臨。那些富有的私人投資者和年輕聰明的工程師們正通過技術創(chuàng)新將衛(wèi)星帶入21世紀，這些創(chuàng)新包括：質量只有2～3磅的小衛(wèi)星；采用“超材料”研制的薄的平板天線；可實現(xiàn)軟件調節(jié)射頻信號的波束賦形技術。2014年1月9日，美國舊金山的一家初創(chuàng)企業(yè)Planet Labs發(fā)射了28顆衛(wèi)星。這類小衛(wèi)星的首要應用就是對地成像，但是也可以用于接收飛機傳送的數據流，而其采用的正是這種新型的超材料平板天線。另外，許多其他類型的應用系統(tǒng)也充滿潛力?？偠灾瑹o數的新型衛(wèi)星技術正在涌現(xiàn)，也有無數的方法將之加以組合應用。飛機上傳送的數據流正在變得更加便宜和簡單。”
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