卫星互联网：基于卫星通信的新型网络技术

卫星互联网：基于卫星通信的新型网络技术

卫星互联网是基于卫星通信的互联网，通过发射一定数量的卫星形成规模组网，从而辐射全球，构建具备实时信息处理的大卫星系统，是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。

LEO卫星系统

图1 卫星通信系统原理示意图

与传统的蜂窝通信相比，卫星通信最大的不同在于中继媒介是卫星而非地面基站。

卫星通信具有如下优势：

• 卫星通信波束覆盖范围较广，因而打破了距离限制。
• 卫星通信突破了通信地理环境的限制，甚至不受两点间的自然灾害和人为事件的影响。

表1 卫星通信与蜂窝通信对比分析

用于通信的卫星主要有LEO卫星和GEO卫星。按照轨道高度，卫星轨道主要可以分为LEO(低地球轨道)、MEO(中地球轨道)、GEO(地球静止轨道)、SSO(太阳同步轨道)以及IGSO(倾斜地球同步轨道)。不同的轨道高度对应不同的卫星应用，目前用于卫星通信的轨道主要包括LEO和GEO。

表2 卫星轨道分类

LEO 卫星系统传输延时小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、整体制造成本低，非常适合卫星互联网业务的发展。基于LEO和GEO这两种不同轨道构建的卫星通信系统，在系统寿命、容量大小、覆盖范围、系统时延、建设成本等方面，具有不同特点。GEO卫星系统使用寿命较长，频率协调难度低，前期建设投入低，但存在两极盲区，特定场景通信存在难度，整体成本较高。

LEO卫星系统可实现全球覆盖，时延较短，应用场景丰富，是大规模卫星组网及应用卫星联网的必然选择，依靠众多卫星组网即使在单一卫星故障时仍然能提供稳定优质的服务。因此与GEO卫星相比，LEO卫星具有传输延时小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、整体制造成本低等优点。

表3 LEO卫星系统与GEO卫星系统对比分析

低轨卫星

低轨卫星互联网具有广覆盖、低延时、宽带化、低成本等特点。卫星互联网是基于卫星通信的互联网，通过发射一定数量的卫星形成规模组网，从而辐射全球，构建具备实时信息处理的大卫星系统，是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络，具有广覆盖、低延时、宽带化、低成本等特点。LEO卫星系统由于具有种种优点，成为了卫星互联网组网的最佳选择。

表4 卫星互联网的优势

卫星互联网产业链

卫星互联网产业链主要包含了卫星制造、卫星发射、地面设备、运营及服务四大环节。其中卫星制造环节主要包括卫星平台和卫星载荷。卫星平台包括姿控系统、电源系统、结构系统、星务系统、测控系统及热控系统等。卫星载荷包括天线分系统、转发器分系统以及其他金属/非金属材料和电子元器件等。卫星发射环节包括火箭制造以及发射服务。地面设备环节主要包括固定地面站、移动式地面站（静中通、动中通等）以及用户终端。卫星运营及服务主要包括卫星移动通信服务、宽带广播服务以及卫星固定服务。

图6 卫星互联网产业链

卫星制造

卫星制造处于卫星产业链的上游，包括卫星载荷和卫星平台的制造。单从卫星生产和测试上来看，卫星的生产制造模式与火箭类似，都是由设计、生产、测试、总装组成。但是由于卫星不像火箭那样具备一个非常核心的动力系统，更注重卫星的功能，所以它的系统和供应商均比较复杂。并且和火箭相比，卫星和传统的制造业有更多相似的地方，这就使得卫星产业链的变化趋势具备制造业的特质。卫星一般包括卫星载荷与卫星平台两部分。

图7 卫星结构示意图

卫星载荷主要包括转发器分系统和天线分系统。

星载转发器负责将收到的信号经放大、移频后发射给地面。功率放大器是星载转发器的必备器件，其能量转化效率影响星上热处理和有效载荷容量，最终影响飞行器的重量和体积。目前采用的星载放大器主要包括行波管放大器TWTA、固态功率放大器SSPA以及速调管放大器KPA三类 。其中SSPA主要应用于低轨通信卫星系统，TWTA主要应用于高轨高通量卫星系统，而KPA则广泛应用于电视广播系统的上行站和一些带宽较窄的FDMA地面站。

天线分系统用来实现空间中的电磁波信号与电缆中的电信号的转换，功能上分为接收天线和发射天线。通信卫星的天线分系统主要包括反射面天线、多波束天线和大型可展开天线等。其中多波束天线中的多波束相控阵天线是低轨卫星的核心载荷之一，星载相控阵天线一般为有源相控阵天线。天线中的T/R组件负责信号的发射和接收并控制信号的幅度和相位，从而完成波束赋形和波束扫描，其指标直接影响天线的指标，对性能起至关重要的作用。

图8 卫星载荷构成

卫星平台是有效载荷的服务系统，用于保障卫星从运载火箭起飞到工作寿命终止星上所有分系统的正常工作。

卫星平台一般由姿控系统、电源系统、结构系统、星务系统、测控系统、热控系统等六部分构成。从平台结构上看，为卫星提供机动能力和电力是它的核心作用。

图9 卫星平台成本构成

卫星发射

卫星发射是运载火箭运送人造卫星起飞、加速、进入预定轨道的过程。

地面设备

地面设备处于低轨卫星通信系统的中游，随着低轨卫星通信系统空间段的完善落地，将逐渐带动地面段的投资。卫星地面设备制造环节分为地面站及终端设备两部分。在卫星通信系统中，地面站负责发送和接收卫星信号，并对卫星网络进行管理，通常也称为地球站。根据是否可以移动，将地面站分为固定站、移动站（动中通车载站/船载站/机载站）和可搬移站(静中通车载站、便携站、背负站)。

图10 地面设备组成和分类

地面设备中的终端设备主要分为手持终端（卫星电话）和移动终端（车载、船载、机载通信终端、卫星通信热点）等。便携式/车载式卫星移动通信终端一般使用一体化平板天线设计，同时配备与动中通天线接口。终端设备与通信卫星间的链路称为接入链路，用户接入后即可实现卫星实时通信。按照应用场景的不同，可以将卫星移动通信的主要用户分为海上用户、航空用户、陆地用户、M2M用户和政府用户。

卫星服务

卫星运营服务包括卫星移动通信服务、宽带广播服务和卫星固定服务等。其中卫星移动通信服务和宽带广播服务属于地面段运营服务，而卫星固定服务则属于空间段运营服务。地面段运营服务是运营者利用合法使用的卫星转发器资源，组建相应类型的卫星通信网设施或通信系统，为用户提供语音、数据、多媒体通信等通信业务。空间段运营服务则包括卫星转发器出租、出售业务，是指将卫星转发器资源向卫星使用者出租或出售，以供卫星使用者利用该卫星资源进行相应应用的业务。

图11 卫星运营服务包含的服务内容

卫星电话

不再依赖地面的基站，如果通信卫星位于低轨道，那么这种通信卫星相对地面是运动的，卫星天线覆盖的区域也小且一直变化，导致通信时间短。要想构建成覆盖全球的卫星电话通信网络，则需要发送几万个低轨道通信卫星。

如果通信卫星位于高达三万六千公里的同步定点轨道，就可以与地球同步自传，相当于固定不动了。这种通信卫星的天线覆盖范围大，只需要3颗卫星，就可以覆盖全球，实现二十四小时的全天通信。

卫星采用专用的工作频段，并且由国际电联ITU-R统一管理。

ITU-R严格规定和审批各个卫星工作频段的申请，一般情况下，需要同时申请卫星轨道资源/卫星通信工作频率资源。

目前的卫星工作频率范围为：1GHz~40GHz，划分的工作频段参见下表。

卫星手机

• 频段

尽管现有的智能手机已经支持了很多频段，但是要和卫星通信的话，卫星手机还需要支持更多的卫星频段。

• 信号

地面的基站离我们很近，所以手机的天线可以隐藏起来。天空的卫星离我们很远，要维持足够的信号，目前是通过外接天线的方式来解决。

• 费用

现在使用卫星电话的人少，卫星也少，当然就是网速低、费用高。