衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現狀

1、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現狀與應用課題組成員：郜凌云劉萍吳龍飛張智力鄭良緣周韋一、概述現有的地面通信基礎設施不能為所有地區(qū)提供良好的通信服務，而在陸地、海 上、空中、運輸、救災、軍事等許多環(huán)境下又需要移動通信服務。衛(wèi)星通信網絡在這種場景下是唯一的選擇，這就是移動衛(wèi)星系統(tǒng)（MSS引起人們的關注，同時帶來商機的原因。人們使用多點波束天線技 術、低噪聲接收技術及星上處理技術，使工作在L、S頻段和新開發(fā)的Ku、Ka頻段 小型終端甚至是手機直接接入衛(wèi)星系統(tǒng)。而在衛(wèi)星裝備再生轉發(fā)器并建立星間鏈路，就可以實現衛(wèi)星不同波束間和衛(wèi)星 間的流量交換。衛(wèi)星在相應的軌道繞地球運轉，按其軌道高度,可分為運行在地球赤道上的

2、靜止 軌道衛(wèi)星（GEO和非同步軌道衛(wèi)星（non-GEO兩種。靜止軌道衛(wèi)星運行在高度約35800km的赤道面上，長距離傳輸造成了巨大的 傳輸路徑損耗和通信時延，典型的靜止軌道衛(wèi)星工作在 S、L、Ku及Ka等頻段上，頻率越高損耗越 大,所以需要盡量大尺寸的天線。因此，它比較適合固定衛(wèi)星服務。但是仍然有一些 GEO系統(tǒng)為移動通信提供服務。非靜止軌道衛(wèi)星有兩種可用的軌道類型：5002000km的低軌道（LEO和800012000km的中軌道(MEO。相對于靜止軌道衛(wèi)星，中低軌道衛(wèi)星距地面近，具有較低的傳輸時延和 線路預算。但是非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)復雜，需要多顆衛(wèi)星來保證有效的覆蓋率。這 需要進行頻繁的衛(wèi)

3、星天線波束間、不同衛(wèi)星間、甚至地面關口站間的越區(qū)切換。MSS系統(tǒng)還會受到障礙物的遮擋、反射等問題影響，以及低功率便攜式終端小 天線回路預算的限制。為了解決這個問題，可以采用兩種類似但又各具特色的設計 方案:混合網絡與綜合網絡?；旌暇W絡是在不能看見衛(wèi)星的情況下，用地面中繼器來轉發(fā)本地衛(wèi)星信號，還可 利用地面蜂窩系統(tǒng)提供返回鏈路來簡化移動終端的功率管理。由于使用了本地無線系統(tǒng)，衛(wèi)星覆蓋范圍擴大到了室內和城市地區(qū)，基站可將衛(wèi)星信號轉換到本地無線系統(tǒng)，反之亦 然。綜合網絡是把地面蜂窩系統(tǒng)作為替代系統(tǒng)，連接移動用戶的上行或下行通路。二、衛(wèi)星移動系統(tǒng)相關介紹1瀕段衛(wèi)星移動系統(tǒng)所使用的頻段范圍由世界無線電大

4、會進行分配。固定衛(wèi)星業(yè)務使用C/K頻段,移動業(yè)務使用較低的L/S頻段。由于較低的信號損耗及大氣影響 丄/S系統(tǒng)可以采用小 尺寸的車載天線。但隨著寬帶業(yè)務的需求，及可用的L/S頻率資源的短缺(上行 19802010MHZ,下行21702200MHZ,促使MSS系統(tǒng)向更高的頻率發(fā)展，開始采用 Ku和Ka頻段。目前,工作在Ku頻段上的MSS系統(tǒng)可分為多種載體提供寬帶業(yè)務，比如火車、 飛機、汽車、艦船。Ku頻段衛(wèi)星的點波束主要覆蓋陸地，因此這種MSS系統(tǒng)主要 用于固定用戶，不具備為海上用戶提供良好覆蓋的能力。2. 移動終端的天線及天線仰角移動終端的天線系統(tǒng)要求高效可靠、高靈敏度、高增益及低干擾，因此移

5、動終端一般采用全向天線。為了改進鏈路設計，可以采用具有快速跟蹤算法的相控陣定向天線來代替全向 天線。移動終端能向各個方向發(fā)射并接收信號，所以可能會對其他衛(wèi)星網絡造成干擾，例如低軌衛(wèi)星系統(tǒng) 與GEO系統(tǒng)間干擾。為此，需要對發(fā)射功率及最低仰角進行控制。在MSS系統(tǒng)中，另一個重要的問題是移動終端天線所對衛(wèi)星的最小仰角。在 MSS系統(tǒng)環(huán)境下，需避免最低的仰角出現，否則陸地移動用戶會頻繁地出現信號被樹、建筑物、山 等阻斷的現象。而在空中和海上，這種情況不十分嚴重。增加仰角可以發(fā)送傳輸質 量，但需要更多衛(wèi)星，相應的系統(tǒng)造價也會增加。因此,MSS系統(tǒng)最佳的仰角大約為 20度。但是在第一代MSS系統(tǒng)中,最小仰

6、角只有大約10度。最小仰角的限制要求 在星座設計時選擇合適的衛(wèi)星數量，這也是為什么GEO系統(tǒng)不能為兩極地區(qū)提供服 務的原因。3. 衛(wèi)星天線及頻率復用使用高度指向的多點波束衛(wèi)星天線是實現衛(wèi)星移動通信的一個關鍵問題，此類天線由大型可展開反射面和饋源系統(tǒng)組成，現在GEO系統(tǒng)中衛(wèi)星天線的直徑最大可 達到25m,在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中天線可達到2m左右。由于點波束的集中覆蓋可獲得 高天線增益，目前，系統(tǒng)設計的衛(wèi)星天線可達上百個波束，即在GEO中可達百個，在 LEO/MEO系統(tǒng)中可達到數十個。所分配的頻率被分成不同的載波分給不同的波束 以避免相鄰波束間的干擾，而在相隔足夠遠的波束上的同一載波可以被重復使用。

7、簇由一組波束組成，每個簇中所有載波都會被利用。簇的大小是指所包含的波束數 量,比如在銥星系統(tǒng)中每個簇有12個波束、BGAN中每個簇有27個波束;在 Thuraya系統(tǒng)中每個簇有21個波束。GEO系統(tǒng)例如BGAN和Thuraya系統(tǒng)中的簇 規(guī)格較大。這是因為要覆蓋同樣的區(qū)域，GEO系統(tǒng)需要比LEO系統(tǒng)更窄的波束，衛(wèi) 星天線上的波束間距離更近，這意味著會有更大的相互干擾，因而需要更大的簇規(guī)格 來減少干擾的影響。三、MSS系統(tǒng)標準目前可認為至少有以下5種標準與衛(wèi)星移動系統(tǒng)有關：經由衛(wèi)星的全球移動通信系統(tǒng) GSM衛(wèi)星通用移動通信系統(tǒng)S-UMTS數字視頻廣播-版本2（DVB-S2及相關反饋鏈路標準；衛(wèi)星

8、數字多媒體廣播（S-DMB數字視頻廣播衛(wèi)星手持終端系統(tǒng)（DVB-SH1. GSMGSM是目前世界上最流行的蜂窩通信標準，它的通用分組無線服務技術（GPRS 支持包數據交換服務。GSM是地面系統(tǒng)，但它的 格式”也可以被推廣應用到衛(wèi)星系 統(tǒng)中。歐洲電信標準協會（ETSI開發(fā)了 GMR-1和GMR-2兩個GMR規(guī)范，它們都源 自于GSM,包含了 GSM系統(tǒng)過渡到GEO系統(tǒng)的內容。GMR允許通過衛(wèi)星接入到 GSM核心網,除了地面蜂窩覆蓋和頻率復用的概念,GSM和GMR還有其他相似之 處,尤其是人們所關心的物理層之上的協議層的內容。移動終端可以是雙模式，從而允許使用的地面GSM接口,或當地面信號消失時可

9、使用 GEO衛(wèi)星的空中接口。2.S-UMTSUMTS是3G地面蜂窩技術之一，系統(tǒng)具有寬帶碼分多址（WCDMA空中接口 ,雙 工方式為頻分雙工（FDD。S-UMTS是ETSI在衛(wèi)星環(huán)境下對這一技術的擴展,以兼 容基于 WCDMA方式的UMTS系統(tǒng)的衛(wèi)星空中接口。 S-UMTS不僅要補充UMTS 系統(tǒng)對地面的覆蓋，還將把UMTS服務擴展到地面移動網絡未能覆蓋的區(qū)域。S- UMTS使用的頻段大約2GHz,接近地面3G系統(tǒng)所用的頻段。S-UMTS支持用戶速 率最高為144Kbit/s,向持有小型設備的一般移動用戶提供多媒體服務。在S-UMTS發(fā)展的第一階段，經由衛(wèi)星的上行通路2GHz頻段上的WCDMA

10、方 式,支持廣播與多播業(yè)務，有可能發(fā)掘地面3G系統(tǒng)作為返回通路以支持交互式業(yè) 務。其發(fā)展的第二階段，將允許移動手機以衛(wèi)星信道為返回通道，它采用工作在 5GHz頻段上的、具有最佳鏈路設計的、基于正交頻分復用技術 （OFDM的空中接 口。3.DVB-S2DVB-S2是第二代衛(wèi)星廣播傳輸標準，也可在新的操作模式下用于交互式點對點 的業(yè)務，即因特網接入,新的操作模式可根據收方的傳輸條件采取動態(tài)的調制方式及 自適應編碼。DVB-S2最初是為固定通信用戶設計的標準，但是目前它已被擴展到為 飛機、火車提供Ku、Ka頻段通信服務。但仍有許多問題需要解決，比如嚴格的頻 率規(guī)范、多普勒效應、頻繁的越區(qū)切換及同步捕

11、獲與維持的修復過程等。此外，在鐵路上會出現遮擋、快衰落、長時間遮擋等問題。為了支持移動用戶服務，DVB組織推出了 DVB-RCS標準新版本，這個標準被命名為 DVB-RCS+M。4.S-DMB韓國、日本和歐洲的3G移動網絡可提供組播/廣播服務，向用戶提供了許多移 動娛樂服務。S-DMB標準是3G移動網基于衛(wèi)星廣播的擴展，可提供GSM或3G蜂 窩移動系統(tǒng)類型的多媒體廣播及多播業(yè)務（MBMS。S-DMB由GEO衛(wèi)星和一些安裝在3G基站上的地面中繼器組成，它可以應對城 市中多遮擋的傳輸環(huán)境。韓國2005年就開展了 S-DMB業(yè)務。它也可提供數字無 線廣播業(yè)務和視頻業(yè)務，它采用的頻段是VHF和L。5.

12、DVB-SHDVB-SH就是S-DMB與DVB-H的結合,采用S頻段,它是ETSI的移動廣播標 準采用OFDM作為空中接口，為小型終端用戶提供音/視頻廣播服務。DVB-SH利 用靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)及地面補充組件（CGC系統(tǒng)可形成大范圍的覆蓋：地面中繼器可 覆蓋衛(wèi)星所不能及的地區(qū)。DVB-SH也對地面DVB-H系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域進行了擴展， 終端可操作在雙模式下，即DVB-SH工作在S頻段（約2.2GHZ,以及DVB-H的UHF 頻段。DVB-SH主要用于廣播業(yè)務，也可進行數據傳輸及基于IP的交互式服務，移動 中的用戶可接入這些服務。四、目前在役的幾種主要的衛(wèi)星移動系統(tǒng)1. 銥”星系統(tǒng)銥”星是最早的M

13、SS系統(tǒng)之一，它是唯一能夠提供包括兩極地區(qū)、空中及海洋 在內的全地球覆蓋的MSS系統(tǒng)。銥”星系統(tǒng)是基于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的無線通信網，支 持話音和低速數據的傳輸，可在任何地區(qū)、時間提供服務。它的衛(wèi)星星座由66顆具有星上處理功能及星間鏈路的衛(wèi)星組成。端到端話音呼叫可直接在空中進行交換，數據交換可通過星間交換直接被傳送到距離目的關口站最近的衛(wèi)星上。目前有5個關口站在工作，銥”系統(tǒng)為也為美國國防部服務。最近，銥”星公司宣布計劃第二代 基于IP的衛(wèi)星系統(tǒng),它能實現連續(xù)不斷的環(huán)境監(jiān)視和對地成像，可進行高速率數據傳 輸。2. 全球星”系統(tǒng)全球星”系統(tǒng)也是移動衛(wèi)星系統(tǒng)的先驅，它使用48顆低軌衛(wèi)星，沒有星際鏈接。

14、全球星”衛(wèi)星上裝有8m孔徑的天線，由多個圓形面板組成，可產生16個點波束，實現 對地面上南北緯70度之間大部分地區(qū)的覆蓋，地面段由若干網關站組成，地面呼叫通過衛(wèi)星直接連接到所覆蓋區(qū)域上的關口站。全球星”系統(tǒng)有25個關口站分布在全球,每個網關覆蓋半徑約2000km的區(qū)域。全球星”采用DS-CDMA物理層技術，擴 頻因子為12 8。它采用了路徑分集技術以減少陰影和阻擋對傳輸的影響。每次呼叫 可保證有多達三顆可視衛(wèi)星的信號合成。全球星”提供實時的話音、傳真、數據。語音編碼速率根據背景噪聲的大小，有2.4、4.8或9.6Kbit/s的速率可選。 全球星” 正計劃開發(fā)改進型的第二代衛(wèi)星系統(tǒng)。3.1 nm

15、 arsat 系統(tǒng)Inmarsat系統(tǒng)通過GEO衛(wèi)星為除兩極的全球范圍提供移動電話、傳真及數據 通信業(yè)務，目前為企業(yè)、海運及航空用戶提供寬帶通信服務。該系統(tǒng)當前有12顆GEO衛(wèi)星:4顆第二代衛(wèi)星（Inmarsat-2、5顆第三代衛(wèi)星（Inmarsat-3和3顆第四代衛(wèi) 星（Inm arsat-4o當前,全球寬帶局域網系統(tǒng)（BGAN通過3顆Inmarsat-4衛(wèi)星為移動及固定用戶 提供電話、因特網、短信等服務，并與地面3G系統(tǒng)整合。BGAN使用透明轉發(fā)器, 饋送鏈路工作在C頻段,并且有一個全球波束；衛(wèi)星到用戶鏈路工作在L頻段,使用了 可提供256個窄波束的可展開天線。這個系統(tǒng)可提供信息速率為4.

16、5492kbit/s的、三種等級的便攜應用終端。4. ThurayaThuraya 1977成立于阿拉伯聯合酋長國，由兩顆GEO衛(wèi)星覆蓋了 110多個國家, 跨越歐洲、中北非洲、中東、中亞和印度次大陸。最近發(fā)射的Thuraya-3衛(wèi)星取代了 Thuraya-1 衛(wèi)星,擴大了亞洲地區(qū)的覆蓋范圍（包括中國和日本以及大洋洲。如 今,Thuraya系統(tǒng)有兩顆 GEO衛(wèi)星（Thuraya-2和Thuraya-3采用工作在L頻段上的 GMR-1空中接口。Thuraya衛(wèi)星裝有12.25m孔徑的L頻段發(fā)射天線/接收反射面天 線，每顆衛(wèi)星可以產生200300個點波束,空中接口采用FDMA/TDMA多址方式，每

17、 個載波具有40ms的幀結構,24個時隙，每個電路需用3個時隙。星上處理設備可以實現任意點波束間移動設備到移動設備的連接，雙模手持機可接入到地面GSM系統(tǒng)或Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)用戶可以在不中斷服務的情況下跨區(qū) 域漫游。Thuraya還可通過便攜式終端提供速率達到 144kbit/s的因特網接入，調制方 式為APSK?，F在,Thuraya可實現速率為444kbit/S的高速IP業(yè)務。五、衛(wèi)星移動系統(tǒng)在搶險救災中的應用眾所周知,在破壞性強的大型災害事故發(fā)生的情況下，例如颶風、地震、強泥石 流等,公共通信網絡設施可能遭到毀滅性的損壞而使公眾通信網絡陷入癱瘓。另外，在諸如類似911事件的緊急事件發(fā)生

18、期間，局部出現的大通信流量會造成網絡堵 塞。而且由于通信流往往是匯聚式的，比如119、120報警中心,更加重了通信的堵 塞。在這種情況下，救援人員需要利用各類通信手段通報險情和指揮救援，如果通信 不暢，勢必會大大延緩救援進度，造成嚴重后果。因此，暢通、可靠的衛(wèi)星通信是取得 大型災害事故搶險救援勝利的保證。搶險救災衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以實現在突發(fā)事件地域，不依賴于原有的通信網絡快 速構成應急通信網絡，使得現場指揮部和指揮中心可以快速建立起通信聯絡，并提供 144Kbps-10Mbps的傳輸速率；在一個網內可以同時傳遞語音、圖像、數據等信息；支持多方位動態(tài)圖像實時傳輸以及高清視頻會議等。因此，在全國全面

19、建立衛(wèi)星通信 網絡，利用衛(wèi)星通信手段實現搶險救災應急通信保障，滿足全天候、全過程、全方 位”的應急通信保障要求，是今后應急通信的發(fā)展趨勢。武警部隊是搶險救災的中堅力量，目前各總隊均配備有衛(wèi)星應急通信指揮車。 由于小型越野應急衛(wèi)星通信指揮車的機動性好、環(huán)境適應能力強，可以快速進入開闊地帶進行信號傳輸，避免因山體、建筑阻擋而造成通信失敗。例如在2008年“5.12汶川特大地震救援中，由于震區(qū)地面通信完全中斷，震區(qū)在第一時間無法與外 界取得聯系，外界也無法了解具體震情，汶川等地成為信息孤島”。武警部隊出動多 臺衛(wèi)星通信指揮車隨抗震救災分隊執(zhí)行跨區(qū)域增援任務，為抗震救災提供了有力的 通信保障。搶險救援應急通信指揮車通常配置有報警器、車載電臺、車載或便攜式衛(wèi)星設 備、單兵無線圖傳、3G車載DVR、手提式發(fā)電機、配電箱、顯示屏、攝像機、專 業(yè)信息采集器，以及車頂應急照明燈、手持指北針等。其中，車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由靜中通天線系統(tǒng)、IDU/ODU衛(wèi)星通信設備、移 動視頻通信系統(tǒng)、移動語音通信系統(tǒng)、綜合接入平臺、車載固定攝像機、視頻會議 終端、電源等系統(tǒng)和設備組成，可以實現以通信車為中心2.5km范圍內無線語音通 信和1km范圍內的WiFi網絡覆蓋，極大地拓展了車載移動通信系統(tǒng)的覆蓋范圍