卫星通信的“天马”

六、卫星通信的“天马”——微波

卫星通信作为无线电通信的一种，是借助无线电波来搭载传送信息的。我们打电话时发出的语音信号、电视台播送的视频信号，最终是调制在无线电载波上才能送上卫星的。也就是说，我们需要传送的信息，是骑上了无线电这匹快马才得以传送的，而卫星通信要先将信息发往太空，显然需要借助似“天马行空”的无线电波才行。因此频率的选择非常重要。那么，究竟什么样的无线电波才是卫星通信能用得上的“天马”呢？

我们都知道，无线电波是频率介于75千赫和约10吉赫之间的电磁波。无线电波根据其波长可以分为长波、中波、短波、超短波和微波。这些波段的划分无明显的界限，但它们的传播特性却有显著的差别。

无线电传播方式有三种：一种是在可见范围（视距）内直接传播，称为空间波；另一种依靠绕射沿地面传播；再一种是通过大气电离层重返地面的波，称为天空波。

长波主要靠地面波来传播，传播距离取决于发射机的功率大小和地面环境，一般不超过3000千米。

短波可以借天空波传送到地球任何地方。由于电离层主要由太阳辐射形成，所以它的高度和特性是随昼夜、季节、太阳话动周期和地面位置等变化而变化的，因此短波通信会受电离层变化的影响而不稳定，衰落现象严重。

超短波和微波能够直接穿透电离层而到达太空，而沿地面的传播衰减很大。

由此可见，长波、中波和短波根本到不了太空，只有能到达太空的超短波和微波才符合卫星通信的入门条件。

同时，卫星通信工作频段的选择和划分直接影响卫星通信系统的通信容量、质量、可靠性、设备复杂程度和成本，也影响到它与其他通信系统的协调。因此，卫星通信频段的选择还需进一步研究。

对于卫星通信系统工作频段的选择，主要考虑以下因素：

（1）在工作频段内噪声与干扰要小。

（2）电波传播过程中损耗小。

（3）有较宽的工作频带。

（4）能充分利用现有的通信技术与设备。

（5）与其他通信和雷达等微波设备间的干扰尽可能小。

综合上述因素，确实只有微波才是卫星通信的“天马”，这不仅是因为微波能够直接穿透电离层而到达太空，而且微波频段很宽，对已有的微波通信技术和设备略做修改即可利用。而且频率越高，对天线增益越大，天线尺寸可越小。而从降低噪音考虑，选用1～30吉赫频段较为合适。同时，为了避免相互干扰，地面向卫星发射的电波率，即所谓的上行频率，和卫星向地面发射电波的频率，即下行频率，二者是不相同的。

早期的同步卫星主要采用上行6GHz／下行4GHz频段，即所谓的C波段，以便于使用成熟的微波中继通信技术。目前Ku波段(11/14GHz)已广泛应用于民用卫星通信和卫星广播业务。Ka波段(20/30GHz)也已投入应用。随着通信业务的急剧增长，人们正在探索使用更高频率乃至光波的可能性。

目前，在C频段，其中有常规的500MHz带宽，上行5925～6425MHz，下行3700～4200MHz；另有575MHz带宽，上行5850～6425MHz，下行3625～4200MHz；还有扩展的800MHz带宽，上行5850～6650MHz，下行3400～4200MHz。随着卫星通信业务量的增加，又开发使用了Ku频段。全球通用为上行14～14.25MHz，14.25～14.5MHz，下行10.95～11.2GHz，11.45～11.7GHz。第Ⅰ区使用上行14.00～14.50GHz，下行12.50～12.75GHz。第Ⅱ区使用上行14.00～14.50GHz，下行11.7～11.95GHz，11.95～12.20GHz。第Ⅲ区使用，上行14.00～14.50GHz，下行12.20～12.50GHz，12.50～12.75GHz[Ⅰ区包括欧洲、非洲、前苏联的亚洲部分、蒙古、伊朗西部边界以西的亚洲国家；Ⅱ区包括南美洲、北美洲和格陵兰、夏威夷；Ⅲ区包括亚洲的其他部分（含中国、澳大利亚、新西兰）]。另外还有30／20GHz，称为Ka频段，上行29.5～30GHz，下行19.7～20.2GHz。同步卫星移动业务使用1.6／1.5GHz频段，称为L频段，上行1626.50～1660.50MHz，下行1524～1529MHz。

在微波频带，整个通信卫星的工作频带大都有500MHz宽度，为了便于放大和发射信号及减少变调干扰，一般在卫星上设置若干个转发器。每个转发器的工作频带宽度为36MHz或72MHz。

下面介绍卫星通信中地面站的电子“地址”——卫星通信线路的多址连接方式。

有人将卫星通信比喻为太空“鸿雁传书”，这个“鸿雁”当然是处于微波波段的无线电波了。同时，我们知道，多址通信是卫星通信的显著特点之一，它是指在卫星覆盖区内任一地面站通过静止卫星可以进行双边或多边通信连接。这大大提高了卫星通信线路的利用率，并为建立国际卫星通信网创造了条件。不过，在卫星覆盖区内有众多地面站，如果暂不考虑用于移动通信的移动地面站，则可以认为这些地面站在地面上的真实地址是完全确定的。如果我们要去参观，根据其地面地址就可找到它们。

可是，“太空鸿雁”实际上是无线电波，它没有真正的眼睛，又如何来找到需要进行通信的地面站呢？

原来，这些地面站除了有确切的地理地址外，还可被赋予另一种确切的电子“地址”，此地址可以是不同的频率、不同的时隙和不同的代码。

卫星通信能同时实现多方向多个地面站之间的相互联系，这种特性称为多址连接特性。而实现多址连接的技术基础是信号分割，也就是在发射端对信号进行适当的设计，使系统中各地面站所发射的信号各有差别；而各地面站接收端则具有信号识别能力，可从混合的信号中选择出本站所需的信号。但任意一个地面站所发射的电波，经卫星转发后都能被其他站所接收。

对于多址连接方式来说，最关键的是每个地面站都能迅速准确地从卫星转发下来的总信号中分辨出发给自己的信号，因此，自己必须有一个电子“地址”。考虑实际存在的噪声和其他因素的影响，最有效的分割和识别方法是利用某些信号的正交性来实现多址连接。

常用的多址连接方式有频分多址、时分多址、码分多址和空分多址四种。

目前的卫星通信多采用频分多址技术（FDMA），不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。这种寻址方法在通信技术中普遍使用，而且历史悠久。早期无线电通信机就都采用这种办法。甲电台要和乙电台通信，双方都调谐到同一载波频率即可。那个载波频率，便是一个电台的地址。接收方将调谐回路调到那个载频，即找到了发送台的电子“地址”，双方即可通信了。而在这里，不过是卫星、地面站代替了电台，原理上没有什么不同。这种寻找频率“地址”的办法，对于点对点大容量的通信比较适合。

近年来，卫星通信已逐渐采用时分多址技术(TDMA)，即每一地球站占用同一频带，但各个地球站占用不同的时隙，在这里，时隙代替了频率，成为另一种电子“地址”。通常，人们把所有地面站时隙在卫星内占有的整个时段叫卫星的一个时帧，而把各地面站的时隙叫分帧。由于各地面站只在自己的分帧内向卫星发射信号，所以各载波不是同时进入卫星的，也就是说在任一时刻卫星转发器放大的只有一个载波。这种分时复用方式就允许各地面站采用相间的载波频率，它与频分多址相比有一系列优点，如不会产生互调干扰，不需用上下变频把各地球站信号分开，适合数字通信，可根据业务量的变化按需分配，可采用数字话音插空等新技术，这能使容量增加5倍。

另一种多址技术是码分多址（CDMA），即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但由不同的代码来区分不同的地址，这和普通电话号码系统有点类似。不过，这里为了灵活调动话路，提高抗干扰能力，通信双方用一种随机变化的码，即随机码。也就是说，随机变化的一种代码，变成了“地扯”。不过，实际上无法产生真正的随机码，这里采用的是伪随机码，其效能接近随机码。

码分多址具有抗干扰能力强，有较好的保密通信能力，可灵活调动话路等优点。其缺点是频谱利用率较低。它比较适合于容量小，分布广，有一定保密要求的系统使用。

还有一种空分多址(SCMA)是指在卫星上安装多个天线，这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域。不同区域的地球站所发射的电波在空间不会互相重叠，即使在同一时间，不同区域的地球站使用相同频率来工作，它们之间亦不会形成干扰。当然，这要求天线波束的指向非常精确。但目前还不可能精确到每个地球站，只能到一定的区域，因此，在卫星通信中，空分多址并不单独使用，往往和时分多址等组合使用。这好比电话号码，空分多址只提供区号，具体用户号由时分多址方式提供。

由于采用上述四种基本分址方式及其组合方式，卫星通信才能正确寻址。不会发生诸如本该打到澳洲悉尼的电话，结果打到新西兰去了之类的错误。

卫星通信把中继站送上了天，确实得“天”独厚，具有了地面通信所不可能具有的诸多优点，如通信距离远，覆盖面积大，可以通过它实现全球通信；而且不受地面条件的限制，也不受大气扰动的影响，可靠性高。总之，归纳起来卫星通信的优点为四个字，那就是多，宽，好，省。

多，就是可以实现多址联接。其他类型的通信，如微波接力、光缆通信等多是属于干线或点对点的通信，服务区域为一条线，不在线上的点就无法进行通信。而卫星通信“站得高，看得远”，实现了面覆盖，一颗同步卫星覆盖了三分之一以上的地球表面，可以“看”到地球最大跨度达一万八千余千米。而微波通信一般是50千米左右设一个中继站，一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于三百多个微波中继站。

在覆盖区域内的各点，即各个地址，均可通过该卫星进行通信。它不仅可以实现陆地上任意两点间的通信，而且能实现船与船、船与岸上、空中与陆地之间的通信，它为组建多方向、多点的高效率立体通信网提供了高度的灵活性，这是卫星通信的突出优点。

宽，这不但是指卫星站得高，因而地域“管得宽”，还由于卫星通信采用微波频段，即载波频率极高，在一定的相对通频带下，可使用的绝对通频带较宽，一般在数百兆赫以上，通信容量大，适用于多种业务传输，如多路电话、电视等。一颗现代通信卫星，可携带几个到几十个转发器，可提供几路电视和成千上万路电话。

好，指通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少，卫星通信的电波主要在大气层以外的宇宙空间传输，而宇宙空间近乎真空状态，电波传播比较稳定，且受地面和环境影响小，通信质量稳定可靠。同时只要地球站收发端处于同一卫星覆盖区，通过卫星向对方发送的信号自己也能接，从而可以监视本站所发的信息是否正确传输，进一步保证通信质量。

省，指成本低。在同样的容量、同样的距离下，卫星通信和其他的通信设备相比较，所耗的资金少，卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高。随着设计和工艺的成熟，成本还在降低。

由于卫星居高临下，其视区即波束可覆盖的区域可达地球表面积的42%，最大通信距离可达一万八千千米，中间无需再加中继站。通信质量有保证，对于长途通信，卫星通信比微波接力、电缆、光缆通信等省钱。实际上，不但是国际通信，在国内和区域通信，尤其是交通、经济不发达地区，卫星通信不但十分有效，而且相对说来节省投资。我国的“村村通”在很多地区就是通过卫星通信来实现的。

目前看来，卫星通信的致命缺点是安全性较差，卫星高高在上，孤立无援极易受到攻击和干扰。同时保密性也差，卫星通信具有广播特性，易被窃听。有人为此而送了性命。例如，1996年4月21日，逃窜中的原车臣“总统”杜达耶夫与妻子等人驱车到野外打卫星电话。他们把电话机放在汽车发动机的罩上，人站在旁边打。杜达耶夫和“自由”电台通完话后，又给另外一个人拨电话。就在他们通话时，两枚导弹呼啸而至，被分离分子奉为“民族英雄”的杜达耶夫当场被炸死。后经专家们分析认为，此前几个月，俄罗斯情报机构一直在追踪杜达耶夫。俄罗斯人拥有好几架装有电子智能设备的大型“伊尔76”运输机。利用这种设备，俄罗斯情报部门可以在几秒钟内发现卫星电话。因此他们知道杜达耶夫电话的频率。根据频率，不但可窃听，而且利用简单的无线电测向法连续进行两三次定位，就足以确定通话的位置，误差只有几米。

更严重的是卫星“高处不胜寒”，自身防卫能力差。早在1998年5月，发生了无线电通信系统最严重的事故。由“潘安赛”制造的价值2.65亿美元的太空通信卫星银河4号发生了故障。结果，美国大约有4100万人的传呼机立刻失灵。2005年年初，新西兰信息部官员宣布，由于一颗卫星离奇失踪，导致南太平洋十多个国家与地区以及部分南极地带无法与外界通话，这给当地居民造成极大不便。

由于卫星公开暴露在空间轨道上，易被窃听、干扰，甚至会被摧毁。在1999年，英国黑客控制了一颗军用通信卫星，改变其运行方向和线路，勒索金钱。卫星是整个通信网的重要关键节点，一旦被干扰或摧毁，将导致系统瘫痪。

对卫星上转发器实施干扰的手段目前主要有堵塞式干扰和插播干扰两种形式。堵塞式干扰是指强占转发器的功率，将转发器全部阻塞，使通过该转发器的电视广播或通信业务全部瘫痪。而所谓插播干扰，就是利用“功率掠夺”插播非法信号。不法分子正是利用卫星转发器透明性的弱点干扰正常卫星电视广播，进行非法宣传。从已发生的案例来看，这些恶意干扰的技术含量并不高，使用的也不过是卫星通信的常规设备，这暴露了目前我们卫星通信的弱点。为此，要认真学习和研究卫星通信新技术，设想未来可能发生的非法干扰方式，结合实际制定应急处理预案，堵截非法信号的传输渠道，保证卫星通信业务正常进行，确保广大观众正常收听和收看卫星广播电视节目。

卫星通信的另一缺点是时延，信号经卫星一次转接(单跳)需要270毫秒，这在打电话时会造成回音和通话重叠。

卫星通信还有一个与生俱来的缺点就是星蚀和日凌中断。在发生星蚀时，太阳、地球、卫星在一条直线上。地球在中间，它完全遮蔽了射至卫星上的太阳光，使卫星上的太阳能供电系统无法工作，供电中断，卫星只有靠备用蓄电池供电。

所谓日凌中断，仍发生在太阳、地球、卫星在一条直线上，不过这时卫星在中间，这时地球站的接收天线对准卫星，也同时对准太阳，强大的太阳噪声进入地球站淹没了卫星发来的信号，造成通信中断，这就叫日凌中断。对静止卫星来说，这种中断无法避免，幸好中断时间较短，累积时间为全年的百万分之二。并且可以预报，必要时可采取主、备卫星转换办法来实现不间断通信。

当然，这些问题有的已经得到了很好的解决（如星蚀和日凌中断）；有的仍在进一步解决（如安全性），但在大多数情况下，这些问题都未妨碍卫星通信的正常运行。