衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)中的應用研究

1、    衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)中的應用研究    張軍 周亮 張詩怡摘要：地球表面70%是海洋，隨著人類征服海洋的腳步越來越快，人們在海洋上的活動越來越頻繁，例如軍事活動，石油勘探，遠洋捕魚，游輪航行等。為了方便在海洋上的作業(yè)，對海上通信提出了要求，衛(wèi)星通信漸漸進入了人們的視野。本文以衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)的應用為主題，對主流的衛(wèi)星系統(tǒng)進行了介紹，總結出該技術存在的機遇及所帶來的挑戰(zhàn)。關鍵詞：衛(wèi)星;海洋互聯(lián)網(wǎng);無線網(wǎng)絡;海上通信：tp393        ：a：1009-3044（2019）18-0042-0321世紀是海洋的

2、世紀，實現(xiàn)“海洋信息化”有著深遠的意義，衛(wèi)星是可以說是目前實現(xiàn)海洋互聯(lián)網(wǎng)絡的唯一方式。在海洋上，亦或是地曠人稀的區(qū)域，衛(wèi)星是一種極具吸引力的通信方式，相比于陸地互聯(lián)網(wǎng)絡，衛(wèi)星覆蓋面更廣，魯棒性好，同時也能實現(xiàn)廣播及多播，可謂優(yōu)點多多。但衛(wèi)星由于自身特性的限制，又有著無法忽略的缺點，例如價格昂貴，速度慢，維護難等，無法滿足大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)用戶的需求。本文將針對衛(wèi)星的利弊進行詳細的分析，對其在海洋互聯(lián)網(wǎng)中的應用進行綜述，尋求優(yōu)化的海洋互聯(lián)網(wǎng)解決方案。1 海洋互聯(lián)網(wǎng)概述廣袤的海洋下埋藏著難以想象的豐富寶藏，在陸地資源被消耗殆盡的今天，開發(fā)海洋資源由此顯得格外重要。不論是在海洋上進行運輸、作業(yè)、或是軍事巡

3、航的船只，還是提供休閑娛樂的游輪都非常需要互聯(lián)網(wǎng)，因為互聯(lián)網(wǎng)不僅能為常年在海上的人提高生活質(zhì)量，令他們與外界取得聯(lián)系，更能在關鍵時刻提供及時的救援等。因此，衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)上的應用是非常值得研究的一個課題。本文將對分別對衛(wèi)星應用于海洋互聯(lián)網(wǎng)絡的利和弊進行詳細的分析，旨在更全面的了解海洋衛(wèi)星，試圖找出優(yōu)化海洋互聯(lián)網(wǎng)或取代海洋衛(wèi)星的無線網(wǎng)絡。2 衛(wèi)星概述衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有獨特的全球覆蓋，連續(xù)的廣播能力，需求帶寬靈活性和對移動終端的支持1。這些特質(zhì)讓他成為了一個理想的海洋互聯(lián)網(wǎng)接入服務提供者。一個衛(wèi)星網(wǎng)絡內(nèi)在就是一個廣播系統(tǒng)。衛(wèi)星網(wǎng)絡能像寬帶接入網(wǎng)絡一般提供服務，高速骨干網(wǎng)絡連接異構性網(wǎng)絡，或是簡單

4、的用戶與固定終端或移動終端之間的通信鏈接。然而，衛(wèi)星網(wǎng)絡與現(xiàn)有的陸地英特網(wǎng)設施在合作上存在新的挑戰(zhàn)。在多點光束天線技術，低雜音接收器以及星上處理技術的支持下，衛(wèi)星與便攜設備通過使用s，l和最新的ku和ka帶取得直接聯(lián)系。同樣的，天空中的衛(wèi)星還能夠配置有效荷載與衛(wèi)星內(nèi)部鏈接，這樣便允許衛(wèi)星內(nèi)部不同光束流量的交換以及不同衛(wèi)星之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)。衛(wèi)星網(wǎng)絡主要依賴于3個重要的部分：一個在對地同步軌道運行的衛(wèi)星，一些地球站，也稱網(wǎng)關，通過無線電波（微波）在衛(wèi)星之間傳遞英特網(wǎng)信號，和在用戶的家中或公司里一個有收發(fā)器的vsat（非常小的光圈終端）蝶形天線。衛(wèi)星的其他組成部分包括一個用戶終端的貓，能夠翻譯與電腦間

5、來回的信號，和一個集中化的網(wǎng)絡控制中心來監(jiān)控整個系統(tǒng)。衛(wèi)星與一個寬帶網(wǎng)關共同工作，并且控制著一個星型網(wǎng)絡技術，這樣所以網(wǎng)絡連接都會從中心處理器經(jīng)過。經(jīng)過配置，可以連接到中心處理器的遠程vsat數(shù)量事實上是沒有限制的。衛(wèi)星按照合適的軌道圍繞地球運行，基于緯度，我們可將衛(wèi)星分為兩大類：對地同步軌道（geostationary earth orbit，geo）和非對地同步軌道（non-geo）2。（1）geo衛(wèi)星位于地球赤道上35800km高的地方，因為距離很遠，所以有信號傳播延時以及信號衰減的問題3。典型的geo衛(wèi)星通訊使用高頻率，以弱化信號在傳輸路徑中的的衰減。因為這些原因，geo更適用于固定設

6、備的通信，這里的固定設備指的是使用大尺寸天線的陸地基站。（2）非geo衛(wèi)星使用2種可能的軌道：近地軌道，在離地球500-2000km的高度，中軌道，在離地球8000-12000km的高度4。與geo衛(wèi)星相比，非geo衛(wèi)星離地球更近，因此傳輸信息時允許低得多的端到端時延，同時和更好的鏈路預算情況。但不幸的是，非geo衛(wèi)星系統(tǒng)需要幾個衛(wèi)星（例如星群）以覆蓋一片區(qū)域或整個地球，所以需要頻繁的交互過程，從一個衛(wèi)星天線光束到另一個天線光束，或從一個衛(wèi)星到另一個衛(wèi)星，甚至是一個陸地網(wǎng)關到另一個陸地網(wǎng)關。3 各類衛(wèi)星系統(tǒng)的比較接下來，我們介紹一些目前正在運作的衛(wèi)星系統(tǒng)，如基于近地軌道的iridium系統(tǒng)和g

7、lobalstar系統(tǒng)，基于對地同步軌道的inmarsat bgan系統(tǒng)和thuraya系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，衛(wèi)星天線具有多個點光束，這些點光束能夠放射到地球上的信元，因此對地球?qū)崿F(xiàn)了類似蜂窩的覆蓋。irdium是當今衛(wèi)星系統(tǒng)的祖先之一。提供的服務上，irdium系統(tǒng)支持語音和低比特率的數(shù)據(jù)傳輸。iridium衛(wèi)星群是一個衛(wèi)星的大集合，向全球的衛(wèi)星電話、尋呼器、收發(fā)器提供聲音和數(shù)據(jù)服務。iridium通信集團擁有并營運這個衛(wèi)星群，負責出售衛(wèi)星群的設備和進入服務的權限。irdium是唯一一個可以覆蓋全球的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括了極地地區(qū)，航空與海洋區(qū)域。系統(tǒng)由66個活動的近地衛(wèi)星組成，采用無線通信網(wǎng)絡，并

8、可通過內(nèi)部鏈接在衛(wèi)星間傳輸數(shù)據(jù)。對于語音電話，端到端的路徑通過內(nèi)部鏈接在空中建立;對于數(shù)據(jù)交換服務，系統(tǒng)可能會使用內(nèi)部鏈接來傳輸流量到最近的irdium的陸地網(wǎng)關。目前，有5個網(wǎng)關在服務中。irdium為美國國防部門提供服務，同時，也密切監(jiān)控地球的自然環(huán)境。globalstar是當今衛(wèi)星系統(tǒng)的另一個祖先。globalstar系統(tǒng)提供實時語音，數(shù)據(jù)傳輸和傳真服務。系統(tǒng)一能夠為在正負70緯度的地區(qū)提供通信服務（極地地區(qū)除外），二能為有陸地網(wǎng)關的區(qū)域提供服務。globalstar由48個彎曲管道形狀的近地衛(wèi)星組成，沒有內(nèi)部鏈接。在衛(wèi)星覆蓋下，一個新的呼叫可以尋址到網(wǎng)關。目前，全球有25個服務中的網(wǎng)關

9、，每個網(wǎng)關的覆蓋半徑約為2000km。根據(jù)噪音等級，globalstar的語音服務采用不同的比特編碼率，分別為2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s。傳輸文件速度最大則為9.6kbit/s。在全球，globalstar擁有超過31500的用戶（2008年6月統(tǒng)計），是全球最大的移動衛(wèi)星語音和數(shù)據(jù)傳輸服務的提供商。globalstar為全球120個以上的國家用戶提供商業(yè)或者娛樂服務。globalstar的產(chǎn)品包括移動和固定衛(wèi)星電話，單工以及雙工衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器以及衛(wèi)星通話時間包。2007年末，globalstar的子公司spot llc推出了一個掌上型衛(wèi)星短信服務于個人安全監(jiān)測

10、裝置，被稱為spot衛(wèi)星短信。globalstar的客戶種類包括：石油，政府，煤礦，林業(yè)，捕魚業(yè)，公共設施，軍事，交通，重大建筑工程，緊急預案，業(yè)務連續(xù)性以及娛樂用戶。thuraya由領先的國家電信運營商和國際投資公司在1997年建立，現(xiàn)由美國波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司管理、實現(xiàn)、安裝。thuraya覆蓋超過110個國家，從歐洲，北非，中非，中東，中亞到印度次大陸。thuraya支持的衛(wèi)星通信服務包括：類似gsm的語音服務，傳真/數(shù)據(jù)傳輸服務，英特網(wǎng)連接服務（通過一個筆記本大小的終端設備），此外，還有一項新開發(fā)的基于ip的服務。thuraya由2個對地同步衛(wèi)星組成，分別為thuraya-2和thuray

11、a-3（09年取代thuraya-1衛(wèi)星，以擴大對亞洲以及澳大利亞的覆蓋區(qū)域）。thuraya采用雙工模式，既能夠進入陸地gsm又可進入不在服務區(qū)域的衛(wèi)星系統(tǒng)，因此允許了客戶在廣闊區(qū)域不收干擾的漫游。速度方面，語音服務同globalstar相同，采用不同的比特編碼率，分別為2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s，英特網(wǎng)連接速度為144kbit/s，基于ip的新服務速度則可以高大444kbit/s。1997年，thuraya由領先國家電信運營商和國際投資公司在uae建立42.使用2個對地同步衛(wèi)星，thuraya覆蓋超過110個國家，從歐洲，北非，中非，中東，中亞到印度次大陸。

12、thuraya-3最近替換了thuraya-1衛(wèi)星，擴大了亞洲（例如中國、日本）和澳大利亞的覆蓋區(qū)域。國際海事衛(wèi)星組織（international maritime satellite organization， inmarsat）建立于1979年，用于服務海洋社區(qū)，是利用美國通信衛(wèi)星公司（cosmat）的marisat衛(wèi)星進行衛(wèi)星通信的。inmarsat控制著一個geo衛(wèi)星群，提供覆蓋整個世界（除了極地地區(qū)）的移動電話，傳真，數(shù)據(jù)通信服務。inmarsat使用12個geo衛(wèi)星，4個inmarsat-2，5個inmarsat-3，和3個inmarsat-4，在距離赤道上空約35700km的同步

13、軌道上運行5。船站、岸站、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)站和衛(wèi)星等部分組成了inmarsat系統(tǒng)。船站是設在船上的地球站，因業(yè)務需求被分為4個類型，他們分別為a型站、b型站、m型站和c型站標準，其中b型站與m型站采用了數(shù)字技術，最終將會取代a型站與c型站。船站有2個技術難點，一是對信號的接收，二是自身的設計。由于船只在航行過程中式持續(xù)在運動的，ses天線在跟蹤衛(wèi)星時，必須克服船身位移、偏航所產(chǎn)生的影響。同時，ses設備在體積上不宜過大，應做到盡量小巧，便于安裝，不會影響船只的正常航行。岸站是指設在海岸附近的地球站。沿岸行駛的船只可通過岸站進行與陸地的互聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務。它既是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的接口，又是一個控制和續(xù)接

14、中心，對從船舶或陸上來的呼叫進行分配并建立信道。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)站完成一個洋區(qū)內(nèi)衛(wèi)星通信必要的信道控制和分配工作，起著至關重要的作用，每個洋區(qū)至少一個。inmarsat系統(tǒng)的組成如下，對地同步衛(wèi)星光束分別發(fā)射到飛機、陸地車輛、移動終端、固定終端、岸站以及船站。下面具體介紹由inmarsat所支持的最具創(chuàng)新的系統(tǒng)（broadband global area network，bgan）。 bgan廣播全球區(qū)域網(wǎng)絡系統(tǒng)使用3個inmarsat-4衛(wèi)星（由eads atriump建造）給固定和移動用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入、話音、傳真、短信等通信服務。bgan提供了85%的全球無縫隙網(wǎng)絡覆蓋，終端設備重量約1-2

15、.5kg。bgan衛(wèi)星是彎的管道：饋電鏈路使用c帶并有能夠覆蓋全球的廣播;然后，用戶連接（通過衛(wèi)星給用戶的傳輸）在l帶并采用一個最高達256個光束的配置天線。傳統(tǒng)配置下，19個寬光束（大覆蓋），228細光束（專門覆蓋），和1個全球光束，只有細光束被使用在陸地移動通信中。這個系統(tǒng)允許3個等級的移動用戶終端通信，（信息比特率）在4.5kbit/s到492kbit/s左右。1等級終端可以達到最大492kbit的吞吐率（上行和下行），2等級下行可達到464kbit，上行可達到448kbit，此外，3等級下行可達到384kbit，上行可達到240kbit。bgan取代了wcdma的3g系統(tǒng)典型空中接口，

16、對空中接口的所有權（稱為inmarsat空中接口-2，iai2）進行不同的調(diào)整，3等級終端只能使用/4-qpsk進行傳輸，在qpsk和15qam下接收）。此外，細光束只使用16qam調(diào)整策略。可使傳輸功率，帶寬，編碼率，和調(diào)成策略適應終端能力和通道情況，以取得更高的傳輸效率。為了對現(xiàn)在正在運營的衛(wèi)星系統(tǒng)有一個更全面更清晰的了解，以下從地球覆蓋率、最大速度、系統(tǒng)價格、支持應用方面進行了總結，見表1。4 總結本文先簡單地介紹了構建海洋互聯(lián)網(wǎng)的意義，衛(wèi)星具有通信距離遠，全球覆蓋等特點，用其構建海洋互聯(lián)網(wǎng)是個非常好的選擇，詳細的介紹了主流的衛(wèi)星系統(tǒng)，對各系統(tǒng)進行了分析比較。然而，衛(wèi)星通信也有其缺點，如價格昂貴，速率低，要構建高速率低費用的海洋互聯(lián)網(wǎng)還需我們進一步研究。參考文獻：1 張軍，周亮，李卓卡.基于北斗定位技術的試卷運送管理系統(tǒng)j.電腦知識與技術，2018，14（11）：