卫星通信
卫星通信（英语：Satellite Communication, SatCom），利用空间卫星进行信号中继转发的一种通信方式。卫星通信系统主要包括通信卫星和各类地球站。按照卫星距离地面的高度不同，可分为低轨、中轨和高轨通信卫星，其中地球赤道上空35 786千米轨道的卫星绕地球一周的时间与地球自转时间相同，卫星相对地面静止，该轨道称为地球静止轨道。利用地球静止轨道的通信卫星可使地面设备简化，是使用最广泛的卫星通信方式。低轨和中轨轨道低于同步轨道，其绕地球一周的时间短于地球自转一周的时间，利用多颗中轨或低轨卫星亦可实现对地球一定区域或全球的覆盖，多颗这样的通信卫星组成的系统称为星座通信系统。
中国第一颗试验通信卫星
卫星通信由于其轨道特点，卫星天线波束覆盖的地域大，具有广播特性，可根据需要建立通信网，不受地形地貌的限制，具有多地址功能；不足之处是卫星与地面距离较大，无线电波传播时延明显。
卫星由卫星平台和有效载荷组成。通信卫星的有效载荷包括通信天线和转发器，信号简单变频、放大的转发器称为透明转发器。信号在星体上进行再生、交换等处理的转发器称为处理转发器。
地球站按照使用方式有固定、车载、船载和机载等形式，按照地球站设备的能力和占用卫星频率和功率的情况可提供窄带的单路话音、数据业务或宽带的群路、图像业务。
典型的通信形式为音视频广播、数据广播（导航、定位等）、音视频通话、数据传输（遥感、遥测等）、互联网连接等。卫星通信具有覆盖区域广、通信距离远，频带宽、通信容量大，通信质量好、可靠性高，地面基础设施少、用户端要求高，多址连接能力强、通信机动灵活等特点。
按照工作轨道区分，卫星通信系统分为低轨道卫星通信系统（LEO）、中轨道卫星通信系统（MEO）、高轨道卫星通信系统（GEO）。1960 年代以来，数以百计的高轨道通信卫星已成功发射，为远距离通信和电视传输提供重要的基础保障。中低轨卫星通信网络从 1990 年代末开始进入低谷期后，近年在地面移动通信、互联网和航天技术的推动下，卫星通信特别是超大规模的低轨通信星座成为发展热潮。太空探索技术公司（SpaceX）、一网公司（OneWeb）、亚马逊（Amazon）等公司纷纷布局巨型低轨大容量通信星座，O3b 公司不断扩大中轨星座规模和服务能力。
技术的发展现状及态势
近年来，卫星通信的新技术加速发展，取得系列进展，其研究热点主要包括：一体化融合网络架构、频率干扰规避、空中接口设计、多波束天线设计、大容量传输、星上处理与路由等技术方向。
一体化融合网络架构技术
由于卫星具有资源受限的特点，无法实现完全的大容量星上处理，在一体化融合网络架构设计时，需重点考虑星上处理能力、星地之间网元功能界面划分、卫星或高速移动用户带来的网络结构变化和移动性管理需求、网络一体化运维管控等问题。软件定义网络（SDN）是当前研究的重要热点之一，通过将控制平面和数据平面解耦，并将网络控制功能集中于 SDN 控制器，实现对网络的灵活配置。网络功能虚拟化（NFV）将网络功能以软件加载在通用硬件上，实现软件与硬件解耦。SDN、NFV 的结合将使一体化融合网络具有可编程、高效率、高弹性的特点，而网络切片技术将进一步扩展一体化融合网络的定制服务能力。
频率轨位干扰分析和规避技术
随着 LEO 星座规划的卫星数目急剧增加，频率资源争夺已经进入白热化。频率轨位协调方案除了确定使用频率之外，还需要解决对其他卫星系统以及自身系统内部的干扰问题。相对于 GEO 卫星，LEO 星座动态性高，其干扰与时间和发射功率均有关。目前，比较有效的方法是 OneWeb 提出的“渐进俯仰（Progressive Pitch）”技术，通过改变 LEO 卫星信号发射方向和功率来消除对 GEO 卫星的干扰。当星座规模庞大时，基于频谱感知、人工智能等先进技术的干扰协调机制显得尤为重要，有待进一步跟踪研究。
星地一体化空中接口技术
目前，卫星移动通信系统与地面移动通信系统的空中接口设计在一定程度上已实现融合。DVB 系列标准存在缺乏跨区切换机制，不支持移动性管理等问题，因此，未来卫星通信网络的空中接口可采用 3GPP 标准框架的协议分层结构和 NAS 层协议设计，但物理层波形设计方案还存在一定的争议。对于 L、S 频段，采用下行 OFDM/上行 DFT-S-OFDM 方案，但不合适载波数目较多的场景。对于 Ka、Ku 频段，上行采用 DFT-OFDM，但有学者认为下行采用单载波时分复用（SC-TDM）波形可获得更好 PAPR 性能。此外，面向 6G 的正交时间频率空间调制技术，本质是时频域扩频，可有效降低窄带干扰，且通过“多普勒横向分配”机制实现单载波 PAPR 性能，对未来星地一体化波形设计有一定的借鉴价值。
多波束天线技术
星载多波束相控阵天线可同时实现多个波束的任意扫描，收发波束指向可任意调整而互不影响，同时由于没有机械转动机构，也不会影响卫星姿态。较传统的多波束天线，多波束相控阵天线的灵活性得到极大提升，在满足宽带接入服务的同时，还可适用于高速机动用户跟踪、热点区域灵活赋形、多波位跳波束轮询等应用场景。常用的多波束相控阵天线主要分为两类，直射相控阵天线、反射面相控阵天线。
空间高速传输技术
激光通信是采用激光作为载波传递交互信息的一种通信技术，其通信容量比微波通信高 4 个数量级左右，是未来星间、星地高速传输的主要手段之一。在星间激光通信场景中，卫星资源受限为集中功率，需要卫星终端的发散角较小，并优化跟踪捕获算法，抑制卫星平台抖动、相对运动带来的影响；大气湍流、云雾雨等对激光的吸收和散射等都会降低激光通信的可用度，需要突破大规模自适应光学、激光分集接收等技术。同时，还需开展星地激光通信可用度、大规模光电混合交换、激光/微波混合传输、抗辐照长寿命激光器件等关键技术攻关，增强激光通信的使用灵活性和可靠性。值得注意的是，近年来太赫兹通信也得到重视，它综合了激光通信和微波通信的优点，是未来解决空间高速传输与组网问题的重要技术手段之一。
星上数字化信道转发技术
星上数字化信道转发技术是一种透明转发技术。该技术工作在数字域，通过利用数字带通滤波器组将输入的信号进行滤波，提取所需频段的用户信号，基于采样信号实现不同频段间信号及不同用户子信道间数据的交换。相比于传统的透明转发技术，星上数字化信道转发可实现不同频段、不同波束间信号的交换；同时，相比于再生转发技术，该技术实现相对简单，不依赖于信号物理层调制方式、编码方式等，使用灵活性高，是当今卫星通信研究和使用的热点 技术之一。
星上路由技术
卫星网络具有高动态、快时变的特性，因此，整个网络拓扑不断变化带来星间、星地链路的频繁切换，若切换不成功会随时导致通信中断，这对空间路由协议设计的高效性和可靠性提出了挑战。当前，大部分在轨卫星通信系统均采用了透明转发、业务就近落地、全球布站等策略，但全球范围内协调部署信关站对很多国家来说并不实际。Iridium 系统是唯一较为成功的采用了星上路由技术的星座，据相关资料显示，Starlink 和 Telesat 等先进星座均配备星间链路，可以通过空间组网和路由策略实现业务不落地的业务传输，有效提升服务质量。
技术发展的竞争态势
高轨卫星网络发展较为成熟，向高通量方向发展
高轨卫星通信对远距离通信和电视传输发挥了重要作用。如，Inmarsat 通信系统最初是由联合国国际海事组织发起、开发的卫星移动通信系统，到目前共发展了 5 代，Inmarsat-5 卫星通信系统成为全球第一个超高速卫星宽带网络持续为全球海上、陆地和航空各行业提供无缝、安全、稳定、可靠的通信服务。欧空局（ESA）发布的“欧洲数据中继卫星”（EDRS）项目，旨在 GEO 轨道通过激光通信技术为低轨卫星和空中平台提供中继服务。计划在 2025 年发送第 3 颗卫星 EDRS-D，实现全球数据中继服务，可为地球观测卫星和空中平台的敏感数据提供加密高速传输服务，提高政府部门的自然灾害监测和响应能力。为支持更多用户数目和更高用户传输速率，国外高轨卫星通信网络普遍向高通量通信卫星（High Throughput Satellite，HTS）发展，通过采用多点波束、频率复用、高波束增益等技术，提供远高于传统通信卫星数十倍的容量。
中低轨卫星星座竞争日趋激烈，成为卫星通信发展热点由于中低轨星座具有用户容量大、传输时延短、终端体积小、发射功率低等特点，构建中低轨星座对争夺频率轨位资源、提升网络基础设施服务能力、实施全球战略具有重要意义，新兴的卫星互联网星座更倾向于中低轨道。一网公司（OneWeb）、太空探索公司（SpaceX）、加拿大电信卫星公司（TeleSat）、亚马逊（Amazon）公司等提出的 Ku、Ka 甚至 Q/V 等更高频段的新兴卫星互联网计划，弥补了传统移动通信星座宽带不足的短板，成为当下热点。
Starlink星座是由美国SpaceX公司于2015年提出的下一代卫星互联网项目。Starlink 是一个由多种轨道高度组成的极轨和倾斜轨混合的星座，截至 2021 年第四季度，已有超过 1700 颗 Starlink 卫星在轨运行，SpaceX 已成为世界第一大卫星运营商。目前，SpaceX 计划推出下一代星链卫星 V2.0，星链 V2.0 卫星长约 7米、重约 1.25 吨，约为 V1.5 版本重量的四倍、V1.0 卫星的五倍，同时其性能将比 V1.0 高出一个数量级。
O3b 星座（other 3 billion 的简称）是由欧洲 O3b 公司运营的一个 MEO 卫星通信系统。是，旨在为全球无法接入互联网的“另 30 亿人”提供互联网接入服务。该公司计划发射的第二代 O3b 卫星较第一代单星容量提高 10 倍，具有更先进的卫星平台和电推技术，搭载了数字信道化器，具有波束赋形能力。
OneWeb 星座是由英国 OneWeb 公司提出的新一代卫星互联网星座。2020 年 3 月，OneWeb 公司在共发射 74 颗卫星后申请破产保护，同年 7 月，英国政府和全球第三大移动运营商 Bharti Global 分别收购 45%股份，剩下的 10%股份由债权人持有。2020年12月，OneWeb重组后首次完成36颗卫星发射，计划 2021年向英国、阿拉斯加、北欧、格陵兰、冰岛、北极海和加拿大等地的客户提供网络服务，2022 年实现全球服务。
Telesat 星座是由加拿大 Telesat 公司 2017 年 6 月提出的混合双低轨卫星系统，包含近极轨和倾斜轨两种轨道的 117 颗卫星。Telesat 卫星通过激光星间链路实现倾斜轨和近极轨星座内和星座间的组网，主要解决卫星通信系统的全球覆盖应用，满足各领域对高带宽、低时延通信的要求。
柯伊伯（Kuiper）星座由亚马逊公司提出，该系统采用先进的通信天线、子系统和半导体技术，可提供经济高效的个人和企业宽带服务、互联网协定传送、 载波级以太网、无线回程等业务。此外，Kuiper 通过软件定义网络（Software Defined Network，SDN）来实现最大化频谱复用以及灵活调整容量，以满足特定区域客户需求。
天地网络融合加快推进，群策群力
卫星互联网与地面互联网具有天然的互补性，空天地海一体化是信息网络发展的必然趋势。国际各标准组织以及业内企业多年前便开始研究地面移动通信网络与卫星通信网络的天地融合。2017 年 6 月，欧洲卫星公司（SES）、萨里大学等 16 家欧洲企业及研究机构联合成立了 SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）组织，旨在研究卫星通信网络与地面 5G 的融合技术，开发具有高经济效益的“即插即用”5G 卫星通信解决方案，加速 5G 部署。SaT5G 组织研究的关键技术包括卫星网络功能虚拟化、卫星 5G 融合的资源管理机制、星地接入的优化与协调等。依托 SaT5G 项目研究成果推动了3GPP 多项卫星与 5G融合的标准化工作，其中包括 TR38.811、TR22.822 等重要报告。
迄今，中国高轨卫星研制已经走到全球前列，GEO 主要有天通系列、中星系列和亚太系列。近年来，随着国外低轨星座的迅猛发展，我国也提出多个低轨通信星座系统规划方案，如天地一体化信息网络、鸿雁星座、虹云工程等，采用激光/微波星间链路实现空间组网，相较于传统卫星通信系统，不仅具备传统移动通信功能，还可为全球范围的陆海空天各类用户提供宽带接人、天基物联、导航增强、AIS/ADS-B 等综合服务。2021 年 7 月，中国信通院、北京邮电大学与银河航天等单位联合开展的我国首次低轨宽带卫星与 5G 专网融合试验在北京和济南完成。该试验利用低轨宽带卫星，构建起北京、济南两地 5G 专网间的骨干网络，测试时延约 20-30 毫秒。未来，这种应用模式可为偏远地区和应急通信场景提供无线通信保障。
技术产业化的前景
在航天技术、信息技术、互联网应用和资本市场等力量的共同推动下，全球卫星通信将迎来一个新的发展高潮，商业卫星应用前景广阔，向着天地一体化、通导遥多功能综合化、软件可定义智能化、商业模式多元化的趋势发展。卫星通信网络规模爆发式增长，可用频率轨位资源日渐稀缺。由于单颗卫星资源有限，为实现与地面网络可竞争的网络容量和用户规模，国际上当下拟建设和正在建设的卫星通信网络规模持续扩大，呈现爆发式增长。据 UCS Satellite Database 统计，截至 2021 年末，全球共有 4852 颗在轨运行卫星；其中，通信卫星占比最大，为 64.4%。然而，随着在轨卫星数量增多，可用频率轨位资源也日益稀缺，后续星座的申请和使用需要采用更复杂的星座优化设计、更高的频率资源等，低轨通信星座的发展带来了一定的阻碍。尽管如此，在卫星通信前沿技术与产业发展领域，有些趋势值得关注。一是全频段、高低轨、天地一体化协同发展；二是通信—导航—遥感一体的多功能综合化服务；三是软件可定义推动智能化、在轨重构发展；四是行业和技术垂直整合创新商业模式，这方面 SpaceX 的一系列商业化实践可资参考，它如通过对火箭发动机、可回收火箭、卫星制造、火箭发射等进行垂直整合，降低 Starlink星座的研制成本，提升网络部署速度，成为世界上在轨通信卫星数量最多的公司，增强系统服务盈利能力。未来，SpaceX 计划将 Starlink 星座和汽车行业整合，创造更多商业机遇，创新商业模式，推动全卫星产业链发展。
参考文献
[1] 李博．国外软件定义卫星发展态势与影响研判[J]．国际太空，2021(10):37-40．
[2] 汪春霆，李宁，翟立君，卢宁宁．卫星通信与地面 5G 的融合初探(一) [J]．卫星与网络，2018(9):14-21．
[3] 汪春霆，徐晓帆，王妮炜，潘沭铭．中国电子信息工程科技发展研究[M]．北京：科学出版社，2021.7．
[4] 袁菁，王韵涵．2021 年卫星通信产业发展综述[J]．卫星应用，2022(1):20-25.
