1.2 静止轨道卫星移动通信系统及特点

1.2.1 静止轨道卫星移动通信系统

自20世纪70年代至今，静止轨道卫星移动通信已经有近50年的发展历程。根据技术先进性（代表性），它们大致可以划分为四代[4]：① 第一代卫星采用全球波束，容量非常有限；② 第二代卫星采用区域波束，并通过频率复用技术增加可用容量；③ 第三代卫星采用上百个点波束，可以实现用户间的单跳通信，具有灵活分配功率、带宽和波束的能力；④ 第四代卫星采用地基波束成形（Ground Based Beam Forming，GBBF）技术、辅助地面组件（Ancillary Terrestrial Component，ATC）技术构建天地融合的卫星-地面移动通信系统。目前全球在役的静止轨道卫星移动通信系统主要是第三代静止轨道卫星移动通信系统，第四代静止轨道卫星移动通信系统均在2008年之后发射，代表了未来移动卫星通信的发展方向。

（1）第一代静止轨道卫星移动通信系统

第一代静止轨道卫星移动通信系统部署于20世纪80年代，主要提供海事卫星通信服务，其典型系统有：美国海事通信卫星（Marisat）、欧洲海事通信卫星（Marecs）和国际移动卫星-2（Inmarsat-2）系统。

（2）第二代静止轨道卫星移动通信系统

第二代静止轨道卫星移动通信系统部署于20世纪90年代。卫星的技术进步主要体现在采用多波束天线，系统能力类似于地面模拟蜂窝移动通信系统，典型的卫星系统有：国际移动卫星-3和加拿大/美国的移动通信卫星系统。

（3）第三代静止轨道卫星移动通信系统[5-6]

第三代静止轨道卫星移动通信系统部署于2000年之后，主要标志是卫星能形成上百个点波束，载荷的数字化，移动用户间直接通信，能够灵活分配卫星的功率、带宽和波束。其典型系统是印度尼西亚的亚洲蜂窝卫星（ACeS）（卫星名为“格鲁达”（Garuda））系统、阿联酋的瑟拉亚（Thuraya）卫星系统和国际移动卫星-4 （Inmarsat-4）系统。第三代静止轨道卫星移动通信系统卫星技术指标见表1-1。第三代静止轨道移动通信卫星采用的关键技术包括：大型可展开天线技术、大型通信卫星平台技术、多波束成形技术、星上处理和交换技术等。

① 大型可展开天线技术。

第三代静止轨道卫星移动通信系统的终端尺寸普遍较小，有些已经接近地面蜂窝网络的手持终端。对于静止轨道卫星系统来说，为了支持手持移动终端，并且受限于卫星的功率和较长的传输距离造成的信道衰落等问题，该系统对卫星的增益和EIRP提出了较高的要求，先进的卫星移动通信系统多采用大型可展开天线。图1-3所示的是Inmarsat-4的在轨情况。

② 大型通信卫星平台技术。

比起传统的固定通信卫星，卫星移动通信对卫星平台提出了较高的要求，一般情况下，要求静止轨道通信卫星平台能够支持质量超过800 kg的有效载荷，卫星的总功率大约在10kW以上。大型可展开天线对平台的控制系统提出了更高的要求。图1-4所示为Inmarsat-4的组装情况。

③ 多波束成形技术。

第三代静止轨道卫星移动通信系统多采用星载多波束天线技术，提高覆盖范围和频率的利用率。星上数字波束成形技术是重要的组成部分，它可以优化形成波束，改善天线的等效全向辐射功率和G/T值，实现部分的在轨波束重构，并可支持星上单跳业务。其基本原理是通过对多馈源信号的加权求和操作形成多个波束，这些权值称为波束成形系数。波束成形系数可以根据预先的计算进行预置，也可以根据系统需求进行在轨波束重构。图1-5所示为多波束卫星。

④ 星上处理和交换技术。

目前，主要有3种星上处理和交换的方式：透明转发、完全星上处理和交换、部分星上处理和交换。其中，大多数卫星采用透明转发方式，因此技术成熟度最高，缺点是交换需要在地面进行，会产生较大的时延；完全星上处理和交换通常采用全数字化的方式，因而能够降低时延，提高通信效率，缺点是适应性较差，技术难度较大，容易受到宇宙辐射的影响；部分星上处理和交换是上述两种方式的折中。图1-6所示为透明处理转发器和星上处理转发器组成结构。

（4）第四代静止轨道卫星移动通信系统[7-10]

第四代静止轨道移动通信卫星部署于2008年前后，其主要标志是卫星移动通信系统采用辅助地面组件技术为用户提供天地融合的4G服务。其典型卫星是2008年发射的DBSD-G1卫星，2009年发射的“地网星”（Terre Star），2010年发射的“天地通”（Sky Terra）卫星。辅助地面组件技术通过卫星移动通信的地面辅助基站能够解决卫星信号在高楼林立的城市以及室内覆盖性不佳的问题，卫星和大量辅助地面组件基站组合在一起可以很好地实现大区域无缝覆盖，终端可以自动地在辅助地面组件基站和卫星之间进行无缝切换。第四代静止轨道卫星移动通信系统的卫星技术指标见表1-2。

① 地基波束成形技术。

针对第三代静止轨道卫星移动通信普遍采用的星上波束成形技术，为了降低星上的复杂度，提高稳定度，第四代静止轨道卫星移动通信普遍采用了地基波束成形技术。地基波束成形技术是将数字波束成形技术与其他数字处理技术放到地面上进行工作的方式。使用地基波束成形技术的卫星，星上的有效载荷仅需要天线及相关的射频网络，所有的处理工作均交由地面信关站，并且可以根据用户需求，形成数目不同的，且各自独立的频段发射点波束和接收点波束，根据用户实际需要，灵活地分配卫星容量及带宽；同时节省星上资源，增强卫星的可靠性。图1-7所示的是地基波束成形技术。

② 辅助地面组件技术。

第四代静止轨道卫星移动通信采用了基于辅助地面组件技术的天地融合的网络架构，整个卫星移动通信网络由2个相对独立的网络构成：天基网络和辅助地面网络。天基网络由卫星（1颗或2颗）和卫星信关站组成。采用2颗卫星的空间段设计主要是为了通过空间分集来增强链路能力，提高链路余量，减小终端尺寸，用户可以选用与手机类似大小的终端。系统的地面网络由大量的辅助地面组件基站和基站控制中心构成，该基站主要致力于为室内或高楼林立处的手机用户提供通信服务。网络控制中心负责对卫星网络和基站之间进行实时协调控制，从而使终端在系统的控制下自动地在卫星网络和地面网络之间进行无缝切换。辅助地面组件基站并非卫星信号的简单中继器，而是用于构成完整的辅助地面网络，即使没有卫星，用户在大量辅助地面组件基站覆盖的服务区仍然能够享受移动通信服务。图1-8所示为辅助地面组件技术原理。

1.2.2 静止轨道卫星移动通信系统的特点

采用静止轨道卫星来提供卫星移动通信业务具有很多优点，如单颗卫星能够覆盖地球表面面积的42.2%；相对地面静止，不存在切换；多普勒频移小；技术相对成熟简单，投资相对小，运行维护方便等。但是，单纯采用一颗静止轨道卫星的区域性卫星移动通信系统存在以下一些问题[11]。

① 向高纬度地区用户提供手持机业务较困难，速率不能太高。

② 向特定地形和存在较多建筑物的城市区域提供卫星移动通信服务很困难。

③ 支持手持机所需的卫星较大，技术复杂，发射困难，风险较大。

④ 只有一颗卫星，一旦受干扰或者发生故障，整个系统就会瘫痪。

⑤ 两极附近有盲区。

⑥ 发生日凌中断和星蚀现象时系统会中断。

鉴于静止轨道卫星的这些优点和缺点，尤其是静止轨道卫星对于中高纬度地区始终是低仰角，导致为保证链路可用度所需的衰落余量很大，这样支持手持机通信所需的卫星天线就很大，有较大的技术难度和风险。