卫星通信网络技术分析研究

朱治荣庞宏颖

摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，地面网络通信系统发展迅猛，日新月异，但由于覆盖范围和建设维护成本等方面的局限性，只能为经济发达、人口密集的城市地区提供宽带多媒体服务，而无法广泛服务于广大农村、人烟稀少且经济落后的地区。另外对于空中移动体、海上平台、沙漠地区及极地，地面网络通信系统因其特性而受到限制。实际上根据卫星通信特点，通过有效的空间组网，可以实现大跨度的信息传输，为全球无缝覆盖的通信服务提供可行途径。随着航空航天技术，通信技术的发展及卫星载荷能力的提高，卫星通信将支持越来越多的业务类型，越来越高的通信速率，越来越大的用户群体，在人们的生产生活、国家安全、空间科学探索等方面具有广泛的应用前景，蕴藏着巨大的经济效益和社会效益。

关键词：卫星通信；网络技术；关键技术

引言

通信技术的发展拉进了人们之间“距离”，革新了人类社会的生产生活方式。人类对通信技术的探索与时俱进。无线电通信技术的典型代表卫星通信的特点有：（1）不受地形影响，通信范围较广；（2）搭建卫星通信Vsat站点较为便利，不用拉结较长的线缆等。无线通信基于不同频率的电磁波实现超短波、短波、长波等通信，但在频率应用中存在一定的无序性。如一个通信频率在同一个时间在一个较近的地点有大于一个通信业务在开展，这就造成了无线通信环境的污染，用户业务间相互干扰，通信功率小的业务有较大的概率被通信功率大的业务所覆盖。在卫星通信中就会表现为链路入网困难、入网门限值增大、链路震荡等问题。基于上述情况，本文给出了一种多卫星天线的通信网络构建策略。在通信站点中部署多个卫星通信天线，每个天线根据对星策略与相应的卫星进行对准。引入了多调制解调器进行数据包的多路由通信理念，对数据链路状态探测方法进行了阐述，对数据包帧的分发与重组理念进行了介绍。本文工作丰富了面向卫星通信的网络构建方法，具有一定的理论意义及应用实践价值。

1卫星通信技术的发展

在国家的大力支持下，卫星通信技术发展极为迅速，为其应用提供了较好的基础。卫星通信技术的发展，主要体现在以下几个方面：（1）网络的发展。网络是卫星通信的基础。因此，可以说网络技术的发展是卫星通信技术发展的基础。现代的卫星通信网络主要有两种，一种是多星形式的卫星通信网络；另一种是单星形式的通信网络。近些年发展比较迅速的是卫星通信网拓扑结构。如单星形式的卫星通信网络，在早期是星状结构，后来发展成网状，当前已经发展成面通信链路与卫星通信链路的混合网了。在拓扑结构方面的进步非常明显。而多星形式的卫星通信网络可以提供国际移动通信业务的海事卫星系统和国际固定通信业务中的国际卫星系统。当前已经遍布个地球站，而且不同的星路之间也形成了较为完善的链路。（2）线路频段的发展。卫星通信的线路频段对于卫星通信有着较大的影响，其发展也较为迅速。频段的提升，最主要的是可以提高带宽及传输容量。在当今对于通信带宽的要求不断提高的情况下，线路频段的提升显得尤为必要和必需。而如果在线路频段提升之后不提高带宽，则可以缩短通信卫星天线的长度，从而减小卫星重量，降低成本。最开始的卫星通信线路频段以C频段为主，后来通过发展，逐步得到了扩展。如向上扩展到Ku、X和Ka频段，之后又向下扩展到L、S、VHF和UHF频段。当然，频段的扩展仍在继续，以后可能会向上扩展到V频段甚至更高。（3）星座和轨道的发展。卫星通信轨道也是卫星通信技术发展的一个重要方面。在卫星通信发展的早期，以单星的精致轨道为主。随着卫星通信技术的不断发展，当前已经发展到大椭圆轨道、静止轨道和低轨道并存的形式。其中静止轨道主要由多星共位组网区域覆盖工作、单行独立组网区域覆盖工作和多星异位组网全球覆盖工作三类组成。其中大椭圆轨道在组网的过程中的卫星系统主要是由三颗天狼星组成，并对全时区域进行了覆盖。这一组网的轨道形成了美国移动的广播系统。另外，多种卫星通信轨道之间还组成了星座的形式。（4）卫星天线波束覆盖的发展。卫星天线波束覆盖是影响卫星通信效率的重要因素，也一直处于快速的发展当中。在卫星通信发展的初期，使用的是静止的卫星通信电线，后来经过不断发展，依次升级成单重频率复用单椭圆波束覆盖、多重频率复用单椭圆波束覆盖、多椭圆波束覆盖。当前已经发展到多重覆盖的方式。覆盖方式一般会根据实际的使用情况来选定。近几年还出现了一种蜂窝状多点波束覆盖，该方式能够利用波点有效提高天线增益，减小了用户使用的终端。

2卫星通信网络的关键技术

2.1星座设计

星座设计是卫星通信网络首先需要解决的问题。从本质上讲，卫星星座优化设计目的是在许多相互联系的参数的大量可能的组合中，找出能做好满足任务需求的那组参数组合。卫星应用系统对星座覆盖性能要求不同，可利用非静止轨道卫星设计星座，如星形星座、极轨道星座等。随着需求和技术的不断发展，星座也趋于复杂化，由当初单一类型卫星组成的星座向多类型、多层次卫星组成的复杂星座发展。

2.2资源分配

卫星通信网络的资源分配主要包括两个方面：宽带分配和功率分配。多址接入体制及MAC（MediumAccessControl，媒体接入控制）协议为带宽资源的有效利用提供了技术上的保证。研究卫星接入体制的目标是高效、合理地为系统用户分配带宽资源，在保障各类业务质量的同时，使卫星信道利用率达到最佳。

2.3路由算法

卫星通信网络中的路由问题是一个多目标优化问题，由多个指标限定的路由不能只考虑某一指标，最优路径是各项指标综合约束的结果。路由算法的目的是为通信网络中由源节点和目标节点组成的源到目标节点间找到一条满足一系列限制条件的最优路径。路由算法是保证通信系统有效性和可靠性的重要手段。

2.4多播技术

多播指的是点到多点或多点到多点的信息传输过程，与传统的单播通信方式相比，多播方式具有网络利用率高、宽带开销小、可扩展性强等优点。在卫星通信网络中，链路带宽受限且信道误码率高，在这种情况下，多播技术高效使用资源的优点显得尤为重要，卫星多播通信方式将进一步提高卫星通信网络的资源利用率。

结语

自从1957年苏联发射了世界上的第一颗人造卫星“斯普特尼克1”以来，人类已经向地球和其他星球的轨道上发射了数以千计的各种用途的各类卫星，这些军用和民用的卫星包括观测卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和科学卫星。在此之前，1945年英国雷达军官、著名科幻作家阿瑟·克拉克发表的文章《地球外的中继》一文提出卫星通信的概念，他提出在距离地球42000km的对地静止轨道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）上放置三颗卫星来实现全球通信的设想为后来卫星通信奠定了理论基础。至今卫星通信技术已经走过了七十多年的历程。尽管卫星通信技术尚未实现大规模工程化应用阶段，但随着科技水平的不断进步，卫星通信技术将为人类发展进步提供坚强有力的支持。

参考文献:

［1］于思源.卫星光通信瞄准捕获跟踪技术［M］.北京：科学出版社，2016.

［2］刘功亮，李晖.卫星通信网络技术［M］.北京：人民邮电出版社，2015.

［3］黄睿.卫星通信技术的应用体会及未来趋势展望［J］.科技创新与应用，2013（20）：81.

［4］赵飞.卫星通信产业技术应用现状分析及其发展趋势［J］.中国新通信，2015，17（20）：94-95.