卫星通信系统组成、标准体系及技术路线有哪些？

卫星通信通过采用卫星系统进行信息传输，实现广域覆盖、远距离传输和全球联通。

1.现有卫星通信系统简介

卫星通信系统通常由空间段、地面段及应用段三部分组成。空间段由一个或多个通信卫星组成，进行信号处理或转发放大；地面段主要包括信关站、测控站、运控中心等；应用段包括各类接入的卫星终端及应用。

依据卫星运行轨道高度，可分为地球同步静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星、中轨道（Medium Earth Orbit, MEO）卫星和低轨道（LowEarth Orbit, LEO）卫星通信系统。GEO 卫星通信系统中，卫星星体轨道高且相对地球位置固定，单颗卫星覆盖面积大，可提供几百 Kbps 级别的通信速率，满足语音、短信、数据、传真等业务需求。近些年，随着高通量卫星、跳波束等技术发展，GEO 卫星通信系统业务能力持续增强。MEO 卫星运行轨道介于GEO和LEO之间，其通信传输损耗和时延也处于 GEO 和 LEO 中间，目前比较典型的MEO通信系统应用是全球导航定位系统，如 GPS 定位、北斗定位。LEO 卫星运行轨道最低，通信传输距离短、损耗小、时延低，更易应对实时通信和终端小型化需求。LEO 卫星通信系统可提供高达 50-500Mbps 的通信速率和几毫秒到十几毫秒的空口时延，成为当前卫星通信领域的热点研究对象。

从发展阶段来看，卫星通信发展主要经历四个阶段，第一阶段为1980 年代的通信卫星试验阶段，典型卫星系统如斯普特尼克 1 号卫星、晨鸟卫星；第二阶段为 1980 年-1990 年的模拟通信阶段，主要为 GEO 卫星系统，采用全球波束，单星通信容量较小，典型系统如海事卫星一代和二代；第三阶段为1990 年-2000年的数字通信阶段，出现了 LEO 卫星系统，提供窄带通信业务，典型卫星系统如 GlobalStar，Orbocomm。此阶段，GEO 卫星通信系统采用区域波束和频率复用等技术，增加单星通信容量，典型系统如海事卫星三代系统。第四阶段为2000年后的宽带通信阶段，多波束天线、星上处理、星间链路等卫星通信新技术快速发展，高通量、低轨卫星巨型星座相继出现，GEO、MEO、LEO 协同组网，卫星互联网已进入新时代。

2.标准体系

现有的卫星标准体系主要包括数字电视广播（Digital Video Broadcast, DVB）标准和地球同步轨道卫星移动通信（GEO-Mobile Radio, GMR）标准。目前，大部分商用低轨卫星的通信技术基于 ETSI 的第三代数字卫星电视广播标准（DVB-S2/S2X）[3][4][5]。DVB-S2 在 DVB 的基础上进行升级以支持交互式互联网业务，可以支持广播业务（Broadcasting satellite service，BSS）和固定业务（Fixed satellite service，FSS），但对于移动卫星业务（mobile satellite service，MSS）的支持能力较差。DVB 不具备移动性管理功能和核心网功能，和地面固定无线接入通信比较相似，移动通信业务能力较差。

GMR[6]用于 GEO 卫星实现 MSS。GMR 基于地面数字蜂窝标准GSM，可接入到 GSM 核心网。GMR 包括三个版本，其中 GMR-1 仅支持GEOMSS 的电路域业务；GMR-2 即 GMPRS-1，基于 GPRS，在 R1 基础上增加分组域业务；GMR-3即 GMR-1 3G，在 R2 基础上演进到 3G，与 UMTS 兼容。GMR 协议在Thuraya卫星通信系统中采用，Thuraya 卫星系统为区域卫星移动通信系统，主要负责为亚太地区提供语音业务。

现有的卫星通信体制极大的推动了商用卫星和卫星技术的发展,但是现有的卫星通信体制也存在一定的局限性： （1）现有协议难以满足卫星互联网需求。DVB-S 主要针对广播业务，缺乏上层协议设计和用户管理功能，在业务上很难支持大带宽、多接入的卫星互联网业务；GMR 频谱效率低，同样无法满足卫星互联网的大容量和高速率要求；（2）标准体制多，互相不兼容；产业规模小，成本高，无规模经济优势。面向未来的天地一体化，卫星网络和地面网络应避免独立发展、相互竞争，形成融合发展、互帮互助的趋势，逐步走向一体； （3）终端设备形态繁杂多样，难以统一。国内外卫星通信设备形态多种多样，各国终端采用的标准制式也不尽相同，亟需制定相关标准以促进卫星通信行业设备形态的一致性。

3.卫星通信系统技术路线

卫星通信技术持续发展演进，目前，可分为传统卫星通信技术和3GPPNTN类卫星通信两大类技术路线。 （1）传统卫星通信技术路线 卫星通信技术体制的发展演进历程，是一个不断提高传输质量、增加传输容量、扩大应用范围的过程。传统卫星通信技术可分为窄带卫星移动通信和宽带卫星移动通信系统。 窄带卫星移动通信系统主要使用 S、L 等低频段进行通信，可提供语音、短信和中低速数据业务，典型的技术体制有 GMR-1、S-UMTS 等。窄带卫星移动通信系统通常将卫星通信功能融合到智能手机中，具有卫星覆盖和地面覆盖融合、独立天网、部分卫星运营商和地面运营商融合、卫星终端和地面终端融合等特点，适用于窄带手机直连卫星、卫星物联网等场景。典型的卫星系统有国外的Thuraya、Inmarsat、GlobalStar 等卫星系统，我国的天通一号、北斗卫星（短报文）等卫星系统。

随着宽带业务需求迅速增强和技术不断发展，基于宽带数据通道、前向单载波、返向载波灵活配置等技术的高通量卫星通信系统日益成熟并广泛部署，典型卫星系统有国外的 Starlink、Oneweb、Jupiter 等，我国的中星、亚太等。典型的技术体制有 DVB-S/S2/RCS、Surfbeam2 等。这些高通量卫星具有全球覆盖、独立天网、独立卫星运营商、独立卫星终端等特点，主要适用于卫星宽带接入。在当前全球卫星通信产业快速迈入卫星互联网的阶段，高通量移动通信已成为卫星互联网的重要组成部分。

（2）3GPP NTN 技术演进路线 3GPP NTN 技术演进路线是指由 3GPP 等地面移动通信组织制定的天地一体融合技术演进方案。该技术路线在 5G 体制基础上基于卫星通信场景进行针对性改进，将网络覆盖范围扩大到传统地面基础设施缺乏或经济上不可行的偏远和服务欠佳地区，消除数字鸿沟。NTN 标准能够与地面蜂窝系统兼容，可以提供天地融合的服务能力，具有卫星覆盖和地面覆盖融合互补、卫星运营商和地面运营商融合、卫星终端和地面终端融合等特点。与传统卫星通信技术“烟囱式”的标准格局相比，3GPP NTN 技术完全公开透明，有利于生态发展。该技术演进路线逐步成为卫星通信技术发展最重要的方向之一。

（3）类 3GPP NTN 技术演进路线 类 3GPP NTN 技术是指与 3GPP NR-NTN 技术采用类似技术体制，并结合低轨卫星星座通信特点，进行针对性技术优化和改进的一种技术体制路线。类3GPPNR-NTN 技术主要应用于卫星宽带应用场景，基于低轨卫星星座，可较好提供低时延、大带宽的宽带卫星业务。类 3GPP NTN 技术通过在终端侧进行蜂窝通信和地面通信功能集成，可实现卫星覆盖和地面覆盖的融合互补。同时，相比于3GPPNTN 技术，该技术有部分私有属性，符合国家信息基础设施的安全性要求。该技术演进路线也逐步成为卫星通信技术发展最重要的方向之一。