衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)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(xiàn)有的地面通信基礎(chǔ)設(shè)施不能為所有地區(qū)提供良好的通信服務(wù)，而在陸地、海 上、空中、運(yùn)輸、救災(zāi)、軍事等許多環(huán)境下又需要移動(dòng)通信服務(wù)。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在這種場景下是唯一的選擇，這就是移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)（MSS引起人們的關(guān)注，同時(shí)帶來商機(jī)的原因。人們使用多點(diǎn)波束天線技 術(shù)、低噪聲接收技術(shù)及星上處理技術(shù)，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(jī)直接接入衛(wèi)星系統(tǒng)。而在衛(wèi)星裝備再生轉(zhuǎn)發(fā)器并建立星間鏈路，就可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星不同波束間和衛(wèi)星 間的流量交換。衛(wèi)星在相應(yīng)的軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，按其軌道高度,可分為運(yùn)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(yùn)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(shí)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(wù)。但是仍然有一些 GEO系統(tǒng)為移動(dòng)通信提供服務(wù)。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(duì)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(shí)延和 線路預(yù)算。但是非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜，需要多顆衛(wèi)星來保證有效的覆蓋率。這 需要進(jìn)行頻繁的衛(wèi)

3、星天線波束間、不同衛(wèi)星間、甚至地面關(guān)口站間的越區(qū)切換。MSS系統(tǒng)還會(huì)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(yù)算的限制。為了解決這個(gè)問題，可以采用兩種類似但又各具特色的設(shè)計(jì) 方案:混合網(wǎng)絡(luò)與綜合網(wǎng)絡(luò)。混合網(wǎng)絡(luò)是在不能看見衛(wèi)星的情況下，用地面中繼器來轉(zhuǎn)發(fā)本地衛(wèi)星信號(hào)，還可 利用地面蜂窩系統(tǒng)提供返回鏈路來簡化移動(dòng)終端的功率管理。由于使用了本地?zé)o線系統(tǒng)，衛(wèi)星覆蓋范圍擴(kuò)大到了室內(nèi)和城市地區(qū)，基站可將衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換到本地?zé)o線系統(tǒng)，反之亦 然。綜合網(wǎng)絡(luò)是把地面蜂窩系統(tǒng)作為替代系統(tǒng)，連接移動(dòng)用戶的上行或下行通路。二、衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)介紹1瀕段衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)所使用的頻段范圍由世界無線電大

4、會(huì)進(jìn)行分配。固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)使用C/K頻段,移動(dòng)業(yè)務(wù)使用較低的L/S頻段。由于較低的信號(hào)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(wù)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(wù)，比如火車、 飛機(jī)、汽車、艦船。Ku頻段衛(wèi)星的點(diǎn)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(dòng)終端的天線及天線仰角移動(dòng)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(dòng)終端一般采用全向天線。為了改進(jìn)鏈路設(shè)計(jì)，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(dòng)終端能向各個(gè)方向發(fā)射并接收信號(hào)，所以可能會(huì)對(duì)其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(duì)發(fā)射功率及最低仰角進(jìn)行控制。在MSS系統(tǒng)中，另一個(gè)重要的問題是移動(dòng)終端天線所對(duì)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(xiàn)，否則陸地移動(dòng)用戶會(huì)頻繁地出現(xiàn)信號(hào)被樹、建筑物、山 等阻斷的現(xiàn)象。而在空中和海上，這種情況不十分嚴(yán)重。增加仰角可以發(fā)送傳輸質(zhì) 量，但需要更多衛(wèi)星，相應(yīng)的系統(tǒng)造價(jià)也會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的衛(wèi)星數(shù)量，這也是為什么GEO系統(tǒng)不能為兩極地區(qū)提供服 務(wù)的原因。3. 衛(wèi)星天線及頻率復(fù)用使用高度指向的多點(diǎn)波束衛(wèi)星天線是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信的一個(gè)關(guān)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(xiàn)在GEO系統(tǒng)中衛(wèi)星天線的直徑最大可 達(dá)到25m,在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中天線可達(dá)到2m左右。由于點(diǎn)波束的集中覆蓋可獲得 高天線增益，目前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星天線可達(dá)上百個(gè)波束，即在GEO中可達(dá)百個(gè)，在 LEO/MEO系統(tǒng)中可達(dá)到數(shù)十個(gè)。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(yuǎn)的波束上的同一載波可以被重復(fù)使用。

7、簇由一組波束組成，每個(gè)簇中所有載波都會(huì)被利用。簇的大小是指所包含的波束數(shù) 量,比如在銥星系統(tǒng)中每個(gè)簇有12個(gè)波束、BGAN中每個(gè)簇有27個(gè)波束;在 Thuraya系統(tǒng)中每個(gè)簇有21個(gè)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?yàn)橐采w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(huì)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(biāo)準(zhǔn)目前可認(rèn)為至少有以下5種標(biāo)準(zhǔn)與衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)：經(jīng)由衛(wèi)星的全球移動(dòng)通信系統(tǒng) GSM衛(wèi)星通用移動(dòng)通信系統(tǒng)S-UMTS數(shù)字視頻廣播-版本2（DVB-S2及相關(guān)反饋鏈路標(biāo)準(zhǔn)；衛(wèi)星

8、數(shù)字多媒體廣播（S-DMB數(shù)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(biāo)準(zhǔn)，它的通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS 支持包數(shù)據(jù)交換服務(wù)。GSM是地面系統(tǒng)，但它的 格式”也可以被推廣應(yīng)用到衛(wèi)星系 統(tǒng)中。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI開發(fā)了 GMR-1和GMR-2兩個(gè)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(nèi)容。GMR允許通過衛(wèi)星接入到 GSM核心網(wǎng),除了地面蜂窩覆蓋和頻率復(fù)用的概念,GSM和GMR還有其他相似之 處,尤其是人們所關(guān)心的物理層之上的協(xié)議層的內(nèi)容。移動(dòng)終端可以是雙模式，從而允許使用的地面GSM接口,或當(dāng)?shù)孛嫘盘?hào)消失時(shí)可

9、使用 GEO衛(wèi)星的空中接口。2.S-UMTSUMTS是3G地面蜂窩技術(shù)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(duì)這一技術(shù)的擴(kuò)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(bǔ)充UMTS 系統(tǒng)對(duì)地面的覆蓋，還將把UMTS服務(wù)擴(kuò)展到地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的一般移動(dòng)用戶提供多媒體服務(wù)。在S-UMTS發(fā)展的第一階段，經(jīng)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(wù)，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(wù)。其發(fā)展的第二階段，將允許移動(dòng)手機(jī)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(shè)計(jì)的、基于正交頻分復(fù)用技術(shù) （OFDM的空中接 口。3.DVB-S2DVB-S2是第二代衛(wèi)星廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)，也可在新的操作模式下用于交互式點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 的業(yè)務(wù)，即因特網(wǎng)接入,新的操作模式可根據(jù)收方的傳輸條件采取動(dòng)態(tài)的調(diào)制方式及 自適應(yīng)編碼。DVB-S2最初是為固定通信用戶設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但是目前它已被擴(kuò)展到為 飛機(jī)、火車提供Ku、Ka頻段通信服務(wù)。但仍有許多問題需要解決，比如嚴(yán)格的頻 率規(guī)范、多普勒效應(yīng)、頻繁的越區(qū)切換及同步捕

11、獲與維持的修復(fù)過程等。此外，在鐵路上會(huì)出現(xiàn)遮擋、快衰落、長時(shí)間遮擋等問題。為了支持移動(dòng)用戶服務(wù)，DVB組織推出了 DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)新版本，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被命名為 DVB-RCS+M。4.S-DMB韓國、日本和歐洲的3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可提供組播/廣播服務(wù)，向用戶提供了許多移 動(dòng)娛樂服務(wù)。S-DMB標(biāo)準(zhǔn)是3G移動(dòng)網(wǎng)基于衛(wèi)星廣播的擴(kuò)展，可提供GSM或3G蜂 窩移動(dòng)系統(tǒng)類型的多媒體廣播及多播業(yè)務(wù)（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(yīng)對(duì)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(wù)。它也可提供數(shù)字無 線廣播業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)，它采用的頻段是VHF和L。5.

12、DVB-SHDVB-SH就是S-DMB與DVB-H的結(jié)合,采用S頻段,它是ETSI的移動(dòng)廣播標(biāo) 準(zhǔn)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(wù)。DVB-SH利 用靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)及地面補(bǔ)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(duì)地面DVB-H系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域進(jìn)行了擴(kuò)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(wù)，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及基于IP的交互式服務(wù)，移動(dòng) 中的用戶可接入這些服務(wù)。四、目前在役的幾種主要的衛(wèi)星移動(dòng)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(nèi)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(wǎng)，支 持話音和低速數(shù)據(jù)的傳輸，可在任何地區(qū)、時(shí)間提供服務(wù)。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(jìn)行交換，數(shù)據(jù)交換可通過星間交換直接被傳送到距離目的關(guān)口站最近的衛(wèi)星上。目前有5個(gè)關(guān)口站在工作，銥”系統(tǒng)為也為美國國防部服務(wù)。最近，銥”星公司宣布計(jì)劃第二代 基于IP的衛(wèi)星系統(tǒng),它能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的環(huán)境監(jiān)視和對(duì)地成像，可進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳 輸。2. 全球星”系統(tǒng)全球星”系統(tǒng)也是移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)的先驅(qū)，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(gè)圓形面板組成，可產(chǎn)生16個(gè)點(diǎn)波束，實(shí)現(xiàn) 對(duì)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(wǎng)關(guān)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(guān)口站。全球星”系統(tǒng)有25個(gè)關(guān)口站分布在全球,每個(gè)網(wǎng)關(guān)覆蓋半徑約2000km的區(qū)域。全球星”采用DS-CDMA物理層技術(shù)，擴(kuò) 頻因子為12 8。它采用了路徑分集技術(shù)以減少陰影和阻擋對(duì)傳輸?shù)挠绊?。每次呼?可保證有多達(dá)三顆可視衛(wèi)星的信號(hào)合成。全球星”提供實(shí)時(shí)的話音、傳真、數(shù)據(jù)。語音編碼速率根據(jù)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(jì)劃開發(fā)改進(jìn)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(dòng)電話、傳真及數(shù)據(jù) 通信業(yè)務(wù)，目前為企業(yè)、海運(yùn)及航空用戶提供寬帶通信服務(wù)。該系統(tǒng)當(dāng)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(dāng)前,全球?qū)拵Ь钟蚓W(wǎng)系統(tǒng)（BGAN通過3顆Inmarsat-4衛(wèi)星為移動(dòng)及固定用戶 提供電話、因特網(wǎng)、短信等服務(wù)，并與地面3G系統(tǒng)整合。BGAN使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器, 饋送鏈路工作在C頻段,并且有一個(gè)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(gè)窄波束的可展開天線。這個(gè)系統(tǒng)可提供信息速率為4.

16、5492kbit/s的、三種等級(jí)的便攜應(yīng)用終端。4. ThurayaThuraya 1977成立于阿拉伯聯(lián)合酋長國，由兩顆GEO衛(wèi)星覆蓋了 110多個(gè)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(kuò)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(chǎn)生200300個(gè)點(diǎn)波束,空中接口采用FDMA/TDMA多址方式，每

17、 個(gè)載波具有40ms的幀結(jié)構(gòu),24個(gè)時(shí)隙，每個(gè)電路需用3個(gè)時(shí)隙。星上處理設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)波束間移動(dòng)設(shè)備到移動(dòng)設(shè)備的連接，雙模手持機(jī)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(wù)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(dá)到 144kbit/s的因特網(wǎng)接入，調(diào)制方 式為APSK。現(xiàn)在,Thuraya可實(shí)現(xiàn)速率為444kbit/S的高速IP業(yè)務(wù)。五、衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)在搶險(xiǎn)救災(zāi)中的應(yīng)用眾所周知,在破壞性強(qiáng)的大型災(zāi)害事故發(fā)生的情況下，例如颶風(fēng)、地震、強(qiáng)泥石 流等,公共通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能遭到毀滅性的損壞而使公眾通信網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)的大通信流量會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)堵 塞。而且由于通信流往往是匯聚式的，比如119、120報(bào)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(bào)險(xiǎn)情和指揮救援，如果通信 不暢，勢必會(huì)大大延緩救援進(jìn)度，造成嚴(yán)重后果。因此，暢通、可靠的衛(wèi)星通信是取得 大型災(zāi)害事故搶險(xiǎn)救援勝利的保證。搶險(xiǎn)救災(zāi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在突發(fā)事件地域，不依賴于原有的通信網(wǎng)絡(luò)快 速構(gòu)成應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，使得現(xiàn)場指揮部和指揮中心可以快速建立起通信聯(lián)絡(luò)，并提供 144Kbps-10Mbps的傳輸速率；在一個(gè)網(wǎng)內(nèi)可以同時(shí)傳遞語音、圖像、數(shù)據(jù)等信息；支持多方位動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)傳輸以及高清視頻會(huì)議等。因此，在全國全面

19、建立衛(wèi)星通信 網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星通信手段實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)救災(zāi)應(yīng)急通信保障，滿足全天候、全過程、全方 位”的應(yīng)急通信保障要求，是今后應(yīng)急通信的發(fā)展趨勢。武警部隊(duì)是搶險(xiǎn)救災(zāi)的中堅(jiān)力量，目前各總隊(duì)均配備有衛(wèi)星應(yīng)急通信指揮車。 由于小型越野應(yīng)急衛(wèi)星通信指揮車的機(jī)動(dòng)性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可以快速進(jìn)入開闊地帶進(jìn)行信號(hào)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(shí)間無法與外 界取得聯(lián)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(duì)出動(dòng)多 臺(tái)衛(wèi)星通信指揮車隨抗震救災(zāi)分隊(duì)執(zhí)行跨區(qū)域增援任務(wù)，為抗震救災(zāi)提供了有力的 通信保障。搶險(xiǎn)救援應(yīng)急通信指揮車通常配置有報(bào)警器、車載電臺(tái)、車載或便攜式衛(wèi)星設(shè) 備、單兵無線圖傳、3G車載DVR、手提式發(fā)電機(jī)、配電箱、顯示屏、攝像機(jī)、專 業(yè)信息采集器，以及車頂應(yīng)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(shè)備、移 動(dòng)視頻通信系統(tǒng)、移動(dòng)語音通信系統(tǒng)、綜合接入平臺(tái)、車載固定攝像機(jī)、視頻會(huì)議 終端、電源等系統(tǒng)和設(shè)備組成，可以實(shí)現(xiàn)以通信車為中心2.5km范圍內(nèi)無線語音通 信和1km范圍內(nèi)的WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋，極大地拓展了車載移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍