出品：科普中国
制作：铁流
监制：中国科学院计算机网络信息中心
想必很多人在出差或旅游中都遇到过这样的情况：在飞机、高铁等快速移动的交通工具上，或者在边远山区、远洋船舶上时，手机信号时断时续，甚至根本就没有信号。在信息时代，当互联网已经融入人们的生活，手机信号时断时续不仅会影响人们的日常工作，还极大地限制了人们的社交和娱乐。
不过，随着中国卫星通信技术的进一步发展，在飞机、高铁上，用手机或笔记本电脑接入网络进行商务活动，在远洋游轮上给亲朋好友发邮件，在偏远山区与家人视频聊天将不再遥远。
技术限制使卫星通信难以普及
一直以来，传统的卫星通讯受到频段、发射功率、天线尺寸等因素的影响，能够满足普通老百姓日常使用的普适性卫星通信网络在技术上难度很大，截至目前，卫星通信的用户基本锁定于军队、政府、金融机构，以及一些实力雄厚的跨国公司。
根据香农定理，信息传输能力与带宽和发射功率成正比，与背景噪音功率成反比。这里先解释一下带宽，一般信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率，只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道，这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽，用来打个比喻的话，带宽好比是信息公路的宽度。
如果要把信息传输能力提升上去，比较现实的做法是提升“信息公路”的宽度，或者提升信号的发射功率。不过，过去信息传递路径相对有限，而且非常宝贵，“信息公路”的宽度天然受到限制。而受技术水平限制，信号的发射功率的提升也不是无节制的。因此，无线传输能力也会有一个上限。
当有限的资源面临庞大的用户，自然会导致上网就卡，甚至会出现无法接入的情况——在机场、宾馆、大礼堂等公共场所，经常遭遇公共WIFI始终难以接入，或虽然接入，但堪称龟速的情况。
同样的情况也会出现在无线通信中，而这也是无线通信不适合大数据量传输的根本原因。即便WIFI、LTE等被媒体炒得火热，但有线通信才是数据传输的大动脉，所谓5G通信也是以有线通信为基础，实现数据的高速传输。
除了带宽，卫星通信还要解决功率和天线的问题。在发射功率不变的前提下，距离近可以降低信号衰减，当信息传输距离扩大到海平面和近轨人造卫星的距离，要想实现信息的可靠传输，就必须提升下行功率（卫星信号到手机）和上行功率（手机信号到卫星），而要满足这一标准，会使电子元器件的体积大幅增加，这必然导致射频天线的尺寸根本塞不进当前以轻薄为主打要求的手机中。
事实上，原来的卫星通信终端，尺寸都比较大，一般都安装在建筑物上面或者大型的车辆上。
正是因此，卫星通信只能服务少数人，但用户数量少又带来价格过高的问题。比如美国当年的铱星计划，铱星移动通信系统最多只能满足50万用户的语音通信，而且由于用户体验非常一般，实际用户远远达不到这个数字，受巨大的研发费用、系统建设费用和维护费用拖累，铱星背上了沉重的债务负担，最终不得不申请破产，由美国军方当了接盘侠。
由此可见，过去的卫星通信仅仅只是作为补充的形式而存在，更多的卫星通信服务于军队、政府、金融机构，以及一些实力雄厚的跨国公司，无法向老百姓提供普适性服务。
中国高通量卫星技术取得突破
2016年8月6日，中国在西昌卫星发射中心成功将天通一号01星发射升空。
2017年4月12日，中国在西昌卫星发射中心采用长征三号乙运载火箭成功发射实践十三号卫星，卫星完成在轨试验后被命名为中星16号。
这两颗卫星对于中国卫星通信而言意义重大，中星16号是中国第一课高通量通信卫星，通信总容量超过20G，真正意义上实现了自主通信卫星的宽带应用。
而天通一号01星则是中国卫星移动通信系统的首发星，也被称为“中国版的海事卫星”，它的成功发射标志着我国迈入卫星移动通信的“手机时代”。
中星16号的最大特点就是采用了Ka频段宽带通信技术，换句话说就是采用了新的信息传递路径。这和过去的做法有什么差异呢？打个比方的话，就是原来的公路是4车道，现在中国建设了一条16车道的公路，这就使其具备过去卫星通信系统所不具备的优势。
一是大容量。Ka 频段的“信息公路”比过去的“信息公路”更加宽阔。在频率资源更加丰富的情况下，即使信道调制方式不变，卫星通信系统容量也将会大幅提升。
为了方便理解，还是打一个比方，过去的卫星通信系统是四车道，而且资源已经被大量“老客户”使用，没有多少冗余。而中国这次准备构建的卫星通信系统是16车道，而且没有多少“老客户”。这样一来，频率资源就更丰富，通信容量也更大，相对于以往的卫星通信系统得到数十倍的提升。
二是天线体积小。Ka 频段宽带卫星通信系统用户终端尺寸一般在 62cm 到 180cm 之间，诚然，这个指标对于直接把天线塞进智能手机还力有不逮，但已经远远小于传统卫星通信系统终端天线的尺寸。这使过去只能安装在建筑物上面或者大型车辆上的卫星通信终端走向人们的生活中，甚至在普通的家用SUV上就可以安装。
老百姓有望使用卫星通信系统
Ka频段宽带通信技术不仅适用于卫星通信系统，在民用航空器、远洋船舶、高铁、车辆等载具上都有广泛的应用前景。
虽然Ka 频段宽带卫星通信系统终端还很难塞进智能手机中，但却可以通过另一个方式实现普通用户与卫星直接的通信——在车辆、高铁、船舶、飞机上安装卫星通信系统终端，普通用户通过WIFI的形式，用自己的智能手机连接上安装在车辆、高铁、船舶、飞机上卫星通信系统终端，然后就像连接自己家中的WIFI一样，通过通信卫星直接访问互联网。
根据航天科技集团五院高级工程师张阁表示：“目前我们的这个设备，是支持500人以上的，就是你在一个豪华游轮上，装了这么一个设备，全船的人都可以通过WIFI，直接访问互联网。”
我们可以憧憬，在不远的将来，我们可以在国内的飞机、高铁上使用卫星通信系统与同事交流工作，在青藏高原观光时，使用卫星通信系统与朋友分享祖国自然风光的壮美，在远洋的船舶上使用卫星通信系统与家人报平安。
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
