引言
自卫星通信（SatComs）问世以来，它们已经找到了众多应用领域，包括媒体广播、回传、新闻采集等。如今，随着基于互联网的应用的发展，SatComs正在经历一个转型阶段，重新聚焦于数据服务，即宽带SatComs的系统设计。
卫星的通信系统层面设计
卫星通信系统的系统层面包括星座设计、通信架构、与其他系统的接口和频谱管理，旨在实现高效、经济的全球通信覆盖。
1. 星座类型：卫星星座按轨道高度分为LEO、MEO和GEO，影响通信的延迟和覆盖范围。GEO卫星覆盖广泛但延迟较高，而LEO和MEO需多颗卫星实现全球覆盖。轨道偏心率影响卫星的移动速度，从而影响多普勒频移。设计卫星星座时需评估多个参数，平衡覆盖、延迟和成本。
2. 通信架构：基本结构包括空间段（卫星星座）、地面段（网关站和控制设施）和用户段（终端设备）如图一所示。卫星控制通过TT&C站执行，而GW站负责网络管理和回传。
图1.卫星通信系统架构
拓扑结构分为星型和网状，星型适用于点对多点，网状适用于点对点，ISLs可提升性能，如图二所示。
图2.通信拓扑结构
3. 与其他系统的接口
（1） NTN与xG系统接口：从系统层面来看在3GPP对NTN的研究中已经确定了多种架构选项。不同的架构选项基于有效载荷类型和用户访问链路类型，如图三所示。在透明有效载荷的情况下（图3-a），卫星提供用户和地面基站之间的连接。另一方面，在再生有效载荷的情况下（图3-b），基站功能可以由卫星执行。此外，由于再生有效载荷，也可以建立卫星间链路（ISL），这在卫星星座的情况下对切换程序有利。这两种架构选项都可以确保对地面用户设备的直接或非直接访问。
图3.非地面网络架构
（2） 地面站网络与云接口：为了访问数千甚至更多在LEO轨道上卫星的数据，可以通过在各种星座之间共享的地面站网络，可以从绕地球轨道的众多卫星中收集数据并存储在中央云中。
AWS地面站等基于云服务，降低了自建地面站的成本和数据访问延迟。在这种情况下，感兴趣的客户只需要访问云，而不需要长期投资于个人地面站基础设施。
4. 频谱：卫星通信主要在1-50 GHz的EHF波段，不同频段适用于不同服务。C和Ku波段因拥堵而转向Ka波段，但Ka波段更易受天气影响。5G部署需频谱重分配，C波段的重新分配可能影响卫星服务。馈电链路研究向Q/V波段迁移，同时认知无线电和ISTB解决频谱稀缺问题。
卫星的通信系统的应用及实例
1.5G非地面网络
国际电信联盟为2020年及以后的国际移动电信定义了5G的三组用例：增强型移动宽带eMBB、大规模机器类型通信mMTC和超可靠低延迟通信uRLLC。
3GPP已研究且表明卫星在5G中的角色，确认NTN的5G用例包括增强网络可靠性、服务普遍性和服务可扩展性。
（1）eMBB的卫星用例
回传和塔台馈送（BATF）：卫星辅助网络边缘的流量回传和内容广播，优化5G基础设施。
干线和前端馈送（THEF）：在偏远地区提供直接5G连接，补充地面基础设施。
混合多媒体服务（HYMP）：通过地面-卫星宽带混合连接，扩展5G服务到服务不足区域。
移动中的通信（COOM）：为飞机、船舶、火车等提供5G服务，支持移动平台通信。
（2）mMTC的卫星用例
广域IoT服务：如能源监控、车队管理、农业监控等，覆盖广阔区域。
局部区域IoT服务：如智能电网、移动平台监控，收集本地数据并报告。
（3）uRLLC的卫星用例
辅助支持高可靠性、低延迟的通信服务，如自动驾驶、远程手术等。
2. 极低地球轨道（VLEO）和卫星通信辅助航空网络
（1） 极低地球轨道（VLEO）：运行在100到450公里高度，结构简单、体积小、成本低。面临大气阻力带来的轨道寿命短和频繁更换的挑战，但也提供了轨道和高度控制的机会。
（2）高空平台（HAPs）：运行在15到25公里高度，作为高空伪卫星补充传统卫星网络，其优势包括：提供区域通信服务、适应不同通信需求、 传播延迟低，适合延迟敏感的应用、可服务众多地面单元。
（3）低空平台（LAPs）：无人机（UAVs）是最突出例子，其优势包括：快速灵活部署、强烈的视距（LoS）连接、可自主和受控移动。
图4.多层通信架构
3. 航空和海上跟踪与通信
（1）自动相关监视-广播（ADS-B）
ADS-B系统利用飞机的全球导航卫星系统数据和气压高度，实现与空中交通管制的自动通信和监视，其优势在于自动化和无需人工干预，但地面接收器受限于地平线，难以覆盖大洋或偏远地区。
图5.ADS-B 层次结构
（2）海事自动识别系统（AIS）
AIS系统通过卫星接收器实现全球船只跟踪与定位，由国际海事组织监管，提高了海上航行的安全性和效率。它支持无人驾驶船只的跨洋航行，优化燃油使用，并促进清洁能源应用。同时，为繁忙港口提供辅助信息，增强海上交通管理。
结论
随着互联网应用和服务的蓬勃发展，我们对通信技术的需求愈发严苛。不仅要宽带、高速，还要异构、超可靠和低延迟。在这样的背景下，卫星通信技术迎来了其发展的关键转折点。
本文综合分析了卫星通信的最新技术进步，从科学探索到工业应用，再到标准化制定，全面捕捉了这一领域的动态。特别指出了卫星通信在当前研究中的重点应用和用例，如5G非地面网络、航空与海上跟踪、地球观测数据收集，以及空间通信等。
学术引用：
Kodheli O, Lagunas E, Maturo N, et al. Satellite communications in the new space era: A survey and future challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2020, 23(1): 70-109.
Kodheli, Oltjon, et al."Satellite communications in the newspace era: A survey and future challenges." /EEECommunications Surveys & Tutorials 23.1(2020):70-109.
Kodheli, O., Lagunas, E., Maturo, N., Sharma, S. K., Shankar,B., Montoya, J.F. M., .. & Goussetis, G.(2020).Satellitecommunications in the new space era: A survey and futurechallenges.lEEE Communications Surveys & Tutorials, 23(1),70-109.
文：选编自IEEE
编辑：黄玉杰
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