Ka频段宽带卫星通信时代呼之欲来

目前，我国自主研制的Ka频段高通量通信卫星受到广泛关注。这颗卫星投入运营后，我国将正式步入使用国产Ka频段宽带卫星进行多媒体通信的崭新时代。
　　作为无线通信的特定形式，卫星通信有哪些频段？我国缘何开展Ka频段宽带通信卫星的研究？它将给人们的现代生活带来哪些影响？未来应用前景如何？中国航天报记者就此进行了调查采访。
　　调查背景：轨位和频率资源紧张Ka频段优势独具
　　中国卫通集团有限公司副总工程师沈永言告诉记者，卫星通信使用到的频段有很多，目前涵盖L、S、C、Ku、Ka等频段。这些频段就类似架设在太空与地球之间 的多条行车道，信息通过叠加在某一频段内的载波上进行传送，从而实现端到端的通信。这其中，信息就相当于乘客，载波就相当于汽车或渡船。沈永言说，频段的范围就相当于公路的宽度，直接影响到信息传输的速度和数量。
　　他介绍，不同的频段有不同的特点。一般来说，频段越低，电波进入雨层中引起的衰 减越小，绕射能力越强，对终端天线的方向性要求也低，它较适合用于移动通信环境，但缺点是带宽较小。而频段越高，情况正好相反。人们早期使用的L、S频段 就处于低端，传递话音、文字等低速率信息不成问题，但很难满足当今社会多媒体视频等宽带内容的传输需求。而C、Ku频段相对较高，它们传输容量较大，是目 前卫星通信领域的主流频段。
　　为什么世界各国都在争相开发、应用Ka频段的卫星通信？中国航天科技集团公司科技委顾问、中国工程院院士张履谦 认为主要有两方面的原因。一是C和Ku频段的卫星轨位十分紧张，地球赤道上空有限的地球同步卫星轨位几乎已被各国占满；这两个频段内的频率也被大量使用， 这迫使人们寻找、开发更高频段来满足新的通信需求。二是Ka频段卫星通信优势明显，具体体现在三个方面：其一，Ka频段工作范围为26.5-40GHz， 远超C频段（3.95-8.2GHz）和Ku频段（12.4-18.0GHz），可以利用的频带更宽，更能适应高清视频等应用的传输需要；其二，由于频率 高，卫星天线增益可以做得较大，用户终端天线可以做得更小更轻，这有利于灵活移动和使用；其三，运用多波束技术和相控阵技术，可以让卫星上的天线灵活地改 变指向，以满足对多点通信和星上交换的应用需要。
　　关于Ka频段宽带卫星通信容量话题，沈永言形象地给记者打了个比方。C和Ku频段的频率工 作范围相对有限，只能行驶30个座位的大巴，而Ka频段的频率工作范围要大数倍，可以跑100个座位的大巴，承载能力变大不言自明。此外，多点波束和频率 复用技术的运用相当于将单层大巴车改装成了多层巴士，这使得卫星通信容量得以数十倍甚至百倍以上的增加。
　　基于此，越来越多的国家把注意力和 研究重心放在了Ka频段宽带卫星通信的开发运用上。统计资料显示，目前全球在轨的全Ka频段宽带通信卫星有20余颗，2016年全球Ka频段商用通信卫星 将达50颗左右。就我国而言，加紧Ka频段卫星研制及相关应用研究，对于跟踪国际先进卫星通信技术、更好地利用航天技术服务民众生活，其意义十分重大。
　　应用前景：Ka频段宽带通信卫星能给生活带来哪些改变？
　　随 着技术进步和人民生活水平的提高，简单的语音对话、文字沟通早已不能满足人们沟通交流的需求。坐在电视前，人们更喜爱观看高清视频节目；网上冲浪，人们需 要赏心悦目的超媒体内容和更流畅的网速；乘坐车船飞机旅行，人们也希望享受无限WiFi的畅爽；甚至作为新闻工作者，全时空传播的发展趋势也要求记者能在 偏远地区和通信中断等恶劣环境下，迅速传递音视频资料，将新闻资讯在第一时间呈现给观众……，而这一切需求，Ka频段宽带卫星通信都能够轻松满足。
　　对Ka频段宽带卫星通信的应用领域，沈永言进行了梳理：面向千家万户的宽带接入服务、企业联网、移动运营商的基站中继和应急备份、机载车载船载“动中通”通信，高清视频采集和分发、区域性卫星电视直播等。
　　沈永言说，中国人口众多、地域辽阔、发展不均衡，在中东部地区地面光纤网络轻松走入普通人家的时候，西部偏远山区的人们却因光纤铺设成本高、施工难度大而无缘享受宽带上网等信息服务，百姓平等接受信息服务的权利尚难保障。
　　相比为几十户山村铺设数十公里光缆的巨额投入和运行维护成本，通过Ka频段宽带卫星一步到位实现卫星通信，其综合性价比更高。在高铁沿线搭设基站和光缆提供WiFi联网服务也一样，显然不如通过Ka频段宽带卫星来的更简单有效。
　　但是，Ka频段宽带卫星也不是完美无缺，其用户终端和使用费用相对偏高，这就需要政府出面协调解决。例如澳大利亚实施了NBN宽带计划，由政府对宽带卫星用户终端提供补贴，以让卫星运营商、卫星终端设备提供商、地面服务提供商、终端用户等各取所需。
　　采 访中，沈永言强烈呼吁我国有关方面加大对Ka频段宽带卫星通信的重视力度，在财政等政策等方面给予必要的扶持。他认为，从国家层面推进Ka频段宽带卫星通 信广泛应用，至少有三个方面的益处：一是有利于我国通信卫星技术的快速进步、增强航天综合实力；二是带动激发卫星应用产业蓬勃发展，让民众从中获得更加畅 爽的使用体验；三是实现对百姓基本信息权利的有效保障，缩小信息化过程中的“数字鸿沟”，最终实现国家、企业、用户的互利共赢。
　　现状研究：ka频段宽带卫星通信之我国研究
　　国外对于Ka频段宽带卫星通信研究早在上世纪八九十年代就开始了。张履谦记得，那时他在对欧洲卫星通信技术的考察中就注意到了国外企业对于Ka频段应用的研究。回国后，他与同行的专家一道，撰写了我国应加紧跟踪研究Ka频段应用的报告并提交给了有关部门。
　　2005年，美国Wild Blue通信公司成功发射了世界上第一颗全Ka频段宽带通信卫星并开始试点应用。此后，各国的Ka频段宽带通信卫星开始向着系统容量更大、用户终端更小、业务速率更大的高通量方向发展。Ka频段的优势和广阔应用前景为更多国家所关注。
　　“十 一五”以来，五院通信卫星事业部、中国卫通等单位参与的“宽带多媒体卫星系统关键技术研究”课题立项并获得深入研究。该课题涵盖Ka频段宽带卫星的应用模 式、用户需求、系统方案、地面终端等内容。此外，“国家双向宽带多媒体教育卫星”论证对大容量宽带卫星提出了天地一体化系统解决方案，这些都为我国的Ka 频段高通量通信卫星研制奠定了重要基础。
　　沈永言介绍，由于技术体制等缘故，我国现有的卫星运控系统与Ka频段卫星并不能匹配，Ka频段高通 量通信卫星的地面运控系统也要全新设计、建设。与C和Ku频段传统卫星不同的是，Ka频段宽带卫星通信系统的设计更加注重天地一体，卫星运营商不能仅仅考 虑空间段卫星的运行管理，还要合理规划和应用地面段网络，其中，涉及产业链各个环节利益的商业模式创新极为重要。
　　他打比方说：“以前中国卫 通一般只需要向用户提供转发器资源及监测等服务，地面网络的组建和运维由用户自己承担，就像是“卖面粉”。然而在Ka频段宽带卫星通信时代，中国卫通要负 责建设地面关口站及相关运营支撑系统，以形成向用户直接提供服务的能力，要由“卖面粉”转为直接“卖馒头或面包”。虽然，卫星网络是整体性的，但是在商业 运营过程中，可能要动用批发、代理、虚拟运营等多种商业模式，来调动各方的积极性，形成完整的商业生态。
　　对我国来说，使用国产Ka频段宽带卫星进行多媒体通信的崭新时代并不遥远，呼之欲来，但通信卫星的技术革新永远不会就此停步。当记者请张履谦谈谈未来通信卫星的技术发展方向并概括出几个条 目时，他显得有些为难。他笑着对记者说：“人们的需求和技术创新引领着卫星通信技术的向前发展，这是很难用几条标准概括出来的。”
　　在他看来，当今社会大数据、云计算、多源信息融合、移动互联网、多星组网、陆海空天信息网和信息安全保障等技术的迅速发展，对通信技术提出了更多更新更高的要 求，除了要发展Ka频段通信技术以外，也要大力发展光通信、太赫兹和量子通信等技术。张履谦谈道，通过不懈创新和自我变革来满足人们对于通信不断涌现的新 需求，卫星和通信领域工作者，永远在路上。