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未来卫星系统及多媒体服务技术

2/14/2005来源:卫星通信人气:9757

  摘要:近年来,在未来的长期发展(也就是2010-2020年),意大利Alenia公司根据ESA合同(例如,“未来卫星概念、结构、技术及服务能力”)已经研究出了通信卫星系统的新结构。本文仅论述了全部论述的一部分,并不是该研究的摘要。事实上本文只适合于和通信系统相关的领域;也已经研制出的遥感将不在本文中提及。

  从服务需求和市场分析出发,基于六个地球同步轨道卫星的未来多媒体卫星系统的设计一直在进行,给出了每颗卫星有效载荷及平台的预算和性能。结果,几百万移动用户(也就是在128kbps速率有6百万掌中宝(Palm Top)移动用户)固定用户(也就是在1.2Gbps处的3000个固定站)将通过这个系统能得到服务。

    用于未来卫星有效载荷和平台的技术是设计一个未来多媒体系统的主要标准。本文论述了几个未来的参考技术:高温超导体,光纤转换开关,数字设备的多芯片模块(3D-MCM),MEMS和精致的材料,极轻的天线和电子束处理。对于每一项技术,都将给出优先权和改进的基本原理。

  概述了主要的商业优点,本文在完成所论及的ESA研究期间的商业调查将不做进一步研究。

  1、简介

  多媒体是无线通信的自然发展趋势。

  自从在电子设备领域中其技术迅猛发展以来(也就是微处理器、多芯片模块、数字压缩技术等),已经制定出了各种综合的通信方尖:能在相同的通信链路中处理声音、数据、静态和动态的视频。

  多媒体的重要作用已经在其广泛的应用中体现出来:视频会议、远程教育、远程医疗、视频点播……

  * 任何事情:声音、传真、原文、二进位数据、图像、视频,任何组合成部分。多媒体的应用有非常大的驱动力,它可以以人们想要的任何方式进行传递;

  * 任何地点:一个普通用户能传递信息给位于一球另一侧的一个有地址的用户。使用无线这种趋势通常被用来验证蜂窝系统爆炸性增长。从晶体管便携式收音机到蜂窝式电话,主要的价值一直是基于人们的需要,而不受物理范围的限制,在任何地方都能通信;

  * 任何时间:实时通信的趋势是基于带有声音传递、传真和电子邮件服务信息的不断增长,基本目标是及时到达终点,因此允许发射者和接收者在任何时候都能传递信息;

  * 任何人:不仅固定用户能使用中等大小的天线,而且那些小型终端、便携式和移动用户也可以使用。根据终端的类型和尺寸大小,每个用户都能独立地与其他用户进行通信。

  2、中期多媒体空间系统的计划

  欧洲正专心致力于各种计划,包括:

  * ISIS(交互式卫星多媒体信息)计划,如国际电信联盟(ITU-R),欧洲邮电主管部门会议(CEPT),联邦通信委员会(FCC),在这些标准化组织框架下来促进相关的行为,并且在特殊利益集团1的框架下从技术上支持UMTS论坛活动。在多媒体应用框架下,ISIS计划通过卫星论证了交互式服务(交互式电视、因特网、远程教育、远程医疗)的技术和经济的可行性。ISIS将应用Ku频段进行上行链路服务,并且应用Ka频段进行下行返回交互式链路服务,主要支持不对称通信业务量。Ku频段和数字视频广播(DVB)平台的应用将主要允许应用现有技术在用户房屋处安装发展中的卫星中继,因此可降低所需的发展资金。在ISIS框架中的传导试验将作为操作系统的先驱能够提供对称交互式服务(远程会议、远程教育),通过使用Ka频段,在给定的上行和下行方向中主要开发宽带能力。

  * SECOMS/ABATE(可移动多媒体服务的卫星极高频(EHF)通信/先进通信技术卫星(ACTS)宽带航空终端及试验)计划:正式卫星通信的主要资格操作员的参与,SECOMS系统的任务计划是:(1)对从几Kbps到2Mbps速率灵活分布的便携式和移动用户,论证宽带多媒体卫星服务的可行性;(2)基于Ka频段和EHF频段的应用,完成先进卫星系统结构的可行性研究;(3)定义毫米波卫星信道模式;(4)定度宽带小尺寸终端;(5)通过意大利ITALSAT卫星,完成现场试验和服务。

  * 欧洲天路(EuroSkyWay)计划(K/Ka频段交互式移动/固定多媒体服务的GEO固定卫星系统),搜集来自OBP机构的计划技术成果。

  * 天空站(SkyStation)计划(在本地Q频段或K/Ka频段中便携式和固定多媒体服务的同温层地面轨道、SEO、平台,如一个城市或一个城镇),是CEC体系内的ACTS的一个框架,也是在美国SkyStation国际公司合作中的计划的一个框架内。

  * 未来通信任务、技术及结构计划:卫星多媒体系统的研究将来在未来长期的发展中(也就是2010-2020年)继续进行。

  3、未来卫星多媒体系统需求

  在一个长期内(大约2002-2010年),可以构思出新的卫星应用和移动多媒体服务,将需要以下几点:

  (1)较大的带宽以提供较高的容量和较高的数据率;

  (2)星上较高的灵活性以及在终端的小型化和低费用,以便允许提高灵活度和处理传输衰减;

  (3)在上行和下行链路上的数据率,在每个服务中所采用的传输系统/协定。

  由于在技术领域中持续的发展,服务需求将有越来越多地变化。在数据压缩处理改进以后信息率将降低,该协定将作全面考虑,意味着该协定不仅将考虑一个或几个应用类型,而且要把所有可能的应用汇集到相同标准格式中。因特网可能将成为核心应用,为了提高运行速度将采用虚拟机器概念。对多媒体服务未来长期的发展来看,宽带综合业务数字网/异步传输模式(B-ISDN/ATM)是最有前途的协定。应解决的问题与下列问题有关:(1)交互性,(2)完全连通性,(3)实时性,(4)全球覆盖性,(5)大的用户通信量,(6)高安全性和可靠性……

  通信性能当然是根据质量、功率、有效载荷、天-地-天接口来考虑卫星的类型而定的,服务效率取决于上述参数的适当组合。

  这些方面和等候时间,用户在相同的可视区域内队列长度,信息长度,相关的来控制系统特性。

  卫星和同温层平台将组成空间部分,星间链路将在一个全球覆盖区域内提供数据流,地面部分将有一个信关站,该主关站能把数据从本地区域传送到一个更宽的区域内,指定地面站将捕获、处理和储存该数据。主要的控制站将处理大量的用户通信信息,用户部分将有固定式的、便携式的和移动的用户终端。这里有各种用户终端:不同尺寸、形状、功能和应用将刻画出多媒体设想的特征。

  4、未来卫星多媒体系统的设计

  预期的长途通信(TLC)GEO卫星种类是与未来运载火箭直接相连的下面两种飞行器类型是最有前途的:

  1、航天器(S/C)发射质量=3500Kg(如美国的宇宙神号(ATLAS2AS),中国长征2捆(CZ2E),日本的H2……)

  2、S/C发射质量=7000Kg(如欧空局的阿里安5火箭)。

  由目前技术和2010-2020年技术设计出的宇宙飞船的结构之间的比较是由目前用户数的总和得出的,(该结构是由分析、调查和思考共同得出的,如火箭的特性、卫星和有效载荷的大小、功率和质量预算、链路预算,当然都受技术制约。)可以发现:

  1颗卫星-sa2010-2020=6-8颗卫星,现在我们注意到该比较是根据相同数据率的几个频道得出的;   

  1颗卫星-ba2010-2020=12-20颗卫星现在这里:

  sa=小天线

  ba=大天线

  这个结论是由下面一个完整系统设计的逻辑流程得出的。平台预算是第一步,然后链路预算和系统性能计算使计算所有当前的用户量成为可能,使其具有一种服务需求(如数据传输率)和所需卫星传输功率的功能,显而易见也具有卫星最大功率能力的功能。

  在这些制约和评估下,可以推断出一个未来的多媒体卫星系统是如何不仅在频率带宽内受局限,而且实际上在功率上也受限制:例如,由于受热消耗和火箭发射器的制约,卫星有功率局限性。实际上,分析显示一颗3500Kg卫星的最大功率能力约为5000W作为峰值。在2010-2020年,对相同卫星可获得的功率能力将约为25000W;在也,5倍多。在卫星平台和有效载荷技术中,只有当许多改进得到证实时才能得出这个结论。

  关于7000kg卫星种类,最大功率能力现在大约为14000W作为最高点功率。在2010-2020年间这种任务类型所需的功率能力将大给是7000W,也就是5倍多。

  由链路预算计算和用户需求而得出的S/C天线直径值如表1所示:对于现今技术和2010-2020年环境下,由链路预算计算和用户需求而得出的射频(RF)卫星传输功率值在表2中给出:

表1 S/C天线直径值
固定的
Rx   Tx
PALM点
Rx   Tx
重叠点
Rx  Tx
S/C天线直径
1.25m
2.1m
1.36m
2.55m
1.36m
2.55m
S/C小天线(sa)直径(2010年)
1m
1.5m
1m
2m
1m
2m
S/C大天线(ba)直径(2010年)
3m
4.5m
3m
6m
3m
6m

表2 射频RF卫星传输功率值
RF S/C Tx功率(1996年和2020年) 固定的 PALM点 重叠点
卫星小天线 19W 0.4W 0.5W
卫星大天线 10W 0.2W 0.3W

表3 用户总数及比例
3500S/C类的性能
固定的
PLAM点
重叠点
用户/时间(现在)
500
4300
22000
用户/时间(2010-2020年)
sa   ba
500  300
sa   ba
300000 600000
sa   ba
150000 400000
比例(现在:2010年)
1:1 1:4.5
1:7.8  1:14.5
1:7.8  1:20.4

表4 用户总数及比例
7000S/C类的性能
固定的
PLAM点
重叠点
用户/时间(现在)
650
153000
77000
用户/时间(2010-2020年)
sa  ba
500 300
sa  ba
1000000  2000000
sa  ba
500000 900000
比例(现在:2010年)
1:1 1:4.5
1:6.3 1:13.5
1:6.3 1:11.4

  表3给出了目前用户的总数以及现有技术与长期技术下可能用户的比例。

  可以看出,在长远环境中使用一颗大的对地静止轨道卫星(如7000kg类型)将等效于使用3颗中等卫星(如3500kg类型),也就是:

  1颗卫星7000kg型=2-3颗卫星3500kg型

  从我们的分析得出另一个结论:总的发卫星质量将随着功率需求的增加而越来越减小影响。事实上,如果我们使用了下列公式:

  mL=mP/L+K*PW

  (这里mL是总的发射卫星质量,mP/L是总的有效载荷卫星质量)常量K为0.4-0.5,表示现在的可用技术,当K为长期技术时下降为0.07-0.09。

  5、在相同的ESA研究(如“未来任务、结构及技术”)框架下,已经鉴定(发现)了作为预测未来多媒体卫星系统的新技术:

  * 数字压缩技术(静止的和移动的图像);

  * 雨衰补偿技术(在Ka和EHF频段,至少补偿2dB);

  * 超轻天线反射器技术;

  * 波束增益补偿技术(交叉的和覆盖边缘);

  * 高温超导体(HTS);

  * 光纤(卫星间链路(ISL),波束成型网络(BFN)和开关矩阵);

  * 星上处理机(路由选择、编码、业务管理、同步、全连接管理等的硬件和软件(H/W和S/W));

  * 与数了设备结合起来的单片微波集成电路(MMIC);多片模块(MCM),三维(3D)堆栈式存储器(MCM)、3DMCM以及3D-超大规模集成电路(VLSI);

  * 带有改进性能的TWTA与/或多功率模块(MPM);

  * 改进性能的低噪声放大器(LNA);

  * 天线指向的MPMS技术;

  * 天线指向的SMART技术。

  6、结论

  飞行器性能,包括平台和有效载荷,是与今天的一些技术约束相连的,这些技术约束明显限制了得到服务的用户总数,在未来长期的几种发展中将在技术领域中得到验证,并因此使多媒体系统性能得到不断的改进。

  已经设计和研制出了一个端对端多媒体系统,从服务需求和考虑三个部分(也就是地面部分、用户部分和空间部分)出发,来考虑所有系统参数以及技术条件。

  摘自《卫星与网络》2001年第7-8期