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世界太空互联网发展研究

供稿人:杜渐  供稿时间:2015-11-30   关键字:太空互联网  卫星通信  高空平台  HAPS  

太空互联网(天基互联网)有两种主要的实现方式,一是通过通信卫星(部分需要地面站辅助)构成的星座网实现;二是通过高空平台(High Attitude Platform Station,HAPS)实现,即将无线基站安放在可在高空长时间驻留的飞行器上,如高空气球、飞艇、无人飞机等,来组网提供移动通信或数据服务。

其中,卫星通信在技术上已经相对成熟,除了大量直播卫星之外,上世纪70-90年代海事卫星(Inmarst)、全球星(Globalstar)、铱星(Iridium)等卫星通信公司已在开展商业数据通信运营。而当前卫星通信正在向宽带化方向发展,如:美国的Intelsat、Viasat、HughesNet、欧洲Eutelsat等公司都在大规模部署装备Ka波束的宽带通信卫星。此外,美国媒体发展投资基金(Media Development Investment Fund,MDIF)、思科公司等在微小卫星Outernet、太空互联路由等技术领域进行了大量投入。欧、美、日等国在本世纪初开始大规模开展高空平台(HAPS)的研究,如:美国军方曾验证利用高空飞艇(HAA)进行导弹目标的监测、跟踪(2002年),欧洲曾提出CAPANINA计划,研制基于飞艇平台的宽带移动通信载荷技术(2004年),日本也曾开展飞艇的定点驻空飞行,以及数字广播、电波探测、光通信等实验(2004年)。随着HAPS技术的逐渐成熟,Google、Facebook等相继提出了Google Loon、Facebook internet.org等项目,开始积极推动相关领域的大规模商业化工作。

一、卫星通信网络

就利用卫星提供互联网接入而言,目前主要有两种技术途径:一种是利用中(MEO)、低轨(LEO)卫星构成星座,提供面向全球(区域)用户的互联网接入服务,典型的系统有全球星(Globalstar)、铱星(Iridium)、O3B等;另一种是利用地球同步轨道卫星(GEO)[[1]]、大型多波束天线技术,提供高速互联网接入服务,典型的系统有美国的Intelsat、Viasat、HughesNet、欧洲Eutelsat等。

LEO与GEO卫星通信系统各有特点:①从组网难易程度、建设成本来看,LEO卫星通信系统的控制相对复杂,系统建设周期长,投资巨大;而GEO组网所需卫星数量较少,网络结构相对简单,总成本低而且建设周期较短。②从对地覆盖来看,1颗GEO卫星理论上可以覆盖地球表面约42.4%的面积,3颗GEO卫星可以覆盖(除两极之外)全球大部分地区[[2]];LEO单颗卫星覆盖范围小于GEO,但可以通过增加星座组网的卫星数量实现更大的覆盖。③从通信延时来看,GEO卫星距离地球较远,传播延时大,单跳延时即达250~270ms;LEO卫星距离地球相对较近,传播延时小,单跳延时在10~20ms左右,即使横跨半个地球的多跳延时也仅有100~200ms左右,能更好的支持实时业务。④从天线功率来看,由于距离地球较近,LEO卫星星地链路损耗远小于GEO卫星,可显著降低对用户终端的有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)和品质因数(Gain to Noise Temperature,G/T)等要求,终端所需的天线尺寸和发射功率相对较低。⑤从网络抗冲击能力看,GEO卫星星座有一定的冗余量,少量卫星被毁,系统仍可维持一定的可用性。

目前,卫星通信有两个重要的发展趋势,一是采用Ka频段多波束天线的高吞吐量卫星(HTS)得到前所未有的发展,几乎所有处于计划中的通信卫星都将采用Ka频段,二是包括思科、Google等在内的传统IT企业开始涉足卫星通信市场。

二、高空平台(HAPS)

高空平台(HAPS,High Altitude Platform Station)将无线基站安放于长时间停留在高空的飞行器上来提供通信业务,被认为是一种具有广阔前景的宽带无线接入技术。

HAPS综合了地面无线系统和卫星系统的技术优点,理论上可以用少量的网络设施实现大区域和高密度覆盖。与地面无线系统需要进行基站建设,卫星系统需要发射卫星和修建地面站不同,HAPS可以大幅度降低投入成本。与卫星通信系统相比,HAPS 具有高容量、高频谱利用率、时延小、路径损耗小、易维护、易升级、可迅速建设等优点;与地面通信系统相比,HAPS 具有超大覆盖、低功率、易升级、可迅速建设等优点;此外,HAPS还具有受地震等灾害影响小的特点。近年来,Google、Facebook等互联网企业开始积极关注HAPS,以向偏远地区等推广其互联网服务。


[[1]] 高度约 35786km

[[2]] GEO卫星轨道在赤道上空,由于卫星仰角方面的原因, GEO卫星通信系统无法很好的覆盖两极地区。

参考文献

1、http://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_Internet_access 

2、http://www.zhihu.com/question/22688652 

3、http://www.techrepublic.com/article/outernet-and-o3b-making-internet-access-available-to-all-using-satellite-technology/ 

4、http://synergytek.com.tw/blog/2014/04/30/google_haps_patent_portfolio/ 

 


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