3.4 卫星固定业务和卫星移动业务

3.4.1 卫星固定业务和卫星移动业务简介

卫星固定业务是利用一个或多个卫星在处于给定位置的地球站之间的无线电通信业务；该给定位置可以是一个指定的固定地点或指定区域内的任何一个固定地点。在某些情况下，这种业务可运用于卫星间业务的卫星至卫星的链路，也可包括其他空间无线电通信业务的馈线链路。

空间卫星移动业务涉及卫星移动业务、卫星陆地移动业务、卫星水上移动业务、卫星航空移动业务、卫星航空移动（R）业务和卫星航空移动（OR）业务，共6类。卫星移动业务（Mobile-Satellite Service）是在移动地球站和一个或多个空间电台之间的一种无线电通信业务；或者该业务所利用的各空间电台之间的无线电通信业务；或者利用一个或多个空间电台在移动地球站之间的无线电通信业务。该业务也可以包括其运营所必需的馈线链路。卫星陆地移动业务（Land Mobile-Satellite Service）是移动地球站位于陆地上的一种卫星移动业务。卫星水上移动业务（Maritime Mobile-Satellite Service）是移动地球站位于船舶上的一种卫星移动业务；营救器电台和应急示位无线电信标电台也可参与此种业务。卫星航空移动业务（Aeronautical Mobile-Satellite Service）是移动地球站位于航空器上的卫星移动业务；营救器电台与应急示位无线电信标电台也可参与此类业务。卫星航空移动（R）业务[Aeronautical Mobile-Satellite（R）Service]是主要供国内或国际民航航线的飞行安全和飞行正常通信使用的卫星航空移动业务。卫星航空移动（OR）业务[Aeronautical Mobile-Satellite（OR）Service]是主要供除国内和国际民航航线外的通信使用的卫星航空移动业务，包括那些与飞行协调有关的通信。

卫星固定业务和卫星移动业务应用广泛，典型的应用系统包括卫星电视转播、高通量卫星、卫星移动通信系统和卫星互联网，表3.2为中国卫通集团股份有限公司（简称中国卫通）的卫星资源列表，由表可见，我国共有17个轨道位置 ^[8] ，在轨卫星16颗，其中高通量卫星1颗（中星26号），卫星容量大于100Gbps。目前，卫星移动业务应用发展趋势是构建天地一体化网络，发展6G网络，实现地面移动业务和卫星移动业务的融合，如手机直连卫星，表3.3为中高轨卫星手机直连/试验技术路线对比，表3.4为低轨卫星手机直连/试验技术路线对比。

在表3.3中，天通表示中国电信运营的高轨道卫星，华为Mate 50可以利用北斗卫星为用户提供短消息服务，华为Mate 60 Pro可以利用天通卫星为用户提供语音服务；NTN表示非地面网络（Non-Terrestrial Network）；MSS频率表示卫星移动业务频率。手机直连卫星要求允许卫星运营商使用UHF频段（614～652MHz、663～698MHz、698～758MHz、775～788MHz、805～806MHz、824～849MHz、869～894MHz）和S频段（1850～1915MHz、1930～1995MHz、2305～2320MHz、2345～2360MHz）的地面频谱，目前该要求已得到ITU的许可（2023年2月）。手机在直连卫星时，中高轨卫星要求采用信关站及其内部署基站、数字透明处理载荷、数字波束成形网络和超大口径可展开天线（30m以上）等技术；低轨卫星要求采用信关站或其内部署基站、星上基站（星上路由器和星间链路）、波束成形网络和超大口径可展开天线 ^[9] 。

下面分别介绍卫星电视转播和高通量卫星，本书第5章5.3.2节将讨论卫星互联网。

3.4.2 卫星电视转播

卫星电视转播就是利用卫星转播电视的技术，与地面电视转播比较，卫星电视转播具有传播质量高、覆盖范围广和性价比高等优点。1962年7月23日，人类历史上首次通过卫星实现了美国和欧洲之间的电视实况转播，开启了卫星电视转播的时代。1964年10月10日，卫星转播了日本东京奥运会的比赛实况，观看实况比赛公众数量的增加扩大了奥运会在全球的影响力。1969年7月19日，全球47个国家7亿多人同时观看了卫星转播的“阿波罗11号”人类第一次登月这一历史事件的实况，进一步扩大了卫星电视转播的影响力。1985年8月，我国正式通过租用的国际通信卫星向全国传送中央电视台第一套节目，开启了我国卫星电视转播的新纪元，在中国广播电视史上写下了光辉的一页 ^[10] 。1988年3月7日，我国“东方红2号甲”卫星发射成功，用于传送中央电视台第一套和第二套节目。随后，我国经历了“亚洲1号”卫星发射，购买美国“中星5号”，以及“亚太1A”卫星、“亚洲2号”卫星和“鑫诺1号”卫星发射等阶段。1999年10月，我国实现了所有省级电视台全部通过通信卫星播出。1997年以来，随着数字卫星电视技术的应用，十几个省的广播节目与电视节目一起采用DVB-S数字标准传送，我国进入数字卫星电视时代。1998年年底，国家广播电视总局开始采用DVB-S标准进行卫星广播电视直播试验，并从1999年元旦开始试验广播。1999年10月以后，国家广播电视总局又将上述试验广播称为“村村通”电视，并扩大播出中央和省级电视节目和广播节目，以及境外监管平台节目。2023年12月，我国直播卫星开通数量达到了1.3519亿户 ^[11] ，从根本上解决了我国广播电视覆盖问题。图3.5为卫星电视接收系统框图，系统主要由天线、高频头、卫星接收机和电视机组成。天线的作用是将无线电波转换为高频电流，分正馈抛物面天线和偏馈抛物面天线；高频头的功能是下变频，主要由混频器、低噪声放大器、中放和本振组成，用于接收C波段和Ku波段的卫星信号；卫星接收机对中频信号进行解码。目前，“村村通”直播卫星接收系统市场价格（包括天线、高频头、卫星接收机和馈线）仅为100元左右，奠定了大规模推广应用的基础。

卫星电视转播经历了从模拟到数字，从高清到超高清的转换。超高清电视又可以称为4K/8K（Ultra High-Definition，UHD）电视。所谓4K是指图像、视频分辨率达到3840×2160，8K是指图像、视频分辨率达到7680×4320，而高清（High-Definition，HD）分辨率仅为1920×1080。2018年10月1日，中央广播电视总台4K超高清频道开播；2019年2月4日直播了《2019年中央广播电视总台春节联欢晚会》；2019年10月1日直播了中华人民共和国成立70周年庆祝活动；2021年7—8月转播了2020年东京奥运会。2022年1月24日，中央广播电视总台CCTV-8K超高清频道开播，“百城千屏”公共大屏项目同时启动。2022年北京冬奥会期间，CCTV-8K超高清频道在冬奥高铁专列清河、延庆、太子城、崇礼4站120多块超高清大屏上进行了冬奥赛事展播。2023年8月18日，CCTV-8K超高清频道上线央视频App。

国家广播电视总局非常重视发展高清超高清电视，2022年6月21日，国家广播电视总局发布文件《国家广播电视总局关于进一步加快推进高清超高清电视发展的意见》，重点任务部分要求包括：①加快推进高清超高清电视制播能力建设；②有序关停标清电视频道；③大力推动有线电视网络高清超高清化发展；④加快推进直播卫星高清超高清进程；⑤持续推进IPTV高清超高清化进程；⑥稳步推进地面无线电视高清化。随着国家高清超高清进程的加快，“大屏”“小屏”将共同发展。

3.4.3 高通量卫星

高通量卫星（High Throughput Satellite，HTS）采用多点波束技术和频率复用技术，在相同的频谱资源下高通量卫星的通信容量是传统卫星通信容量的数倍。单波束卫星和高通量多点波束卫星覆盖示意图如图3.6所示。

高通量多点波束卫星通过采用类似地面蜂窝通信的技术实现了空间、时间、频率和功率的动态复用，从而提高了卫星通信容量。目前，HTS单位带宽资费仅为陆地网络的几倍，未来甚至可与其持平，可满足地面网络无法覆盖区域的宽带互联网接入需求。表3.5给出了国内外部分高通量卫星的运行基本情况 ^[12] ，从表中可见，2017年ViaSat-2容量为260Gbps，2023年我国中星26号容量已超过100Gbps。未来卫星通信容量将超过1Tbps，HTS应用前景广阔。

多点波束技术和频率复用技术是HTS的核心技术。在传统的多波束卫星通信系统中，每颗卫星的频谱资源和功率资源一般根据事先确定的规则分配到各个载波上，在卫星的生命周期内不变，这种固定的资源分配方式限制了卫星容量的增加。为了解决这一问题，研究人员提出了跳波束（Beam Hopping）技术。该技术能够显著提高链路的传输能力，满足时空动态分布、需求相差迥异的业务需求。其工作原理是基于同一个时刻并不是卫星上所有的波束都在工作，而是只有其中的一部分波束工作的实际，采用时间分片的思想通过相控阵天线控制波束按需跳变到有业务请求的波位，这样减少了因信道空闲而造成的资源浪费。同时，工作波束能够动态使用系统的全部带宽和功率，大大提高了星上资源的利用率。

跳波束卫星通信系统的组成示意图如图3.7所示 ^[13] ，系统由网络控制中心（Network Control Center，NCC）、GEO（Geosynchronous Earth Orbit）卫星和多种用户终端组成。NCC作为整个卫星通信网络的运行和管理中心，实现资源管理、运行管理、业务管理、用户管理、配置管理和安全管理等功能，提供系统的网络时钟同步、跳波束指令生成、用户接入与控制、路由与协议交换等功能。GEO卫星上的波束控制器解调NCC的波束跳变指令，控制实现波束的跳变，覆盖有业务需求的终端波位。跳波束系统将传统数据业务连续突发，更改为基于时隙的突发，在特定的分配时隙内接收和发送自己的数据业务。用户终端在跳波束卫星通信系统中仅在波束驻留期间收发信号，其他时间无任何信号，终端需要具备突发接收功能和获取收发信号并实现同步的能力。