移动卫星通信系统优化方案

移动卫星通信系统是为舰船、车辆、飞机、边远地点用户或运动部队提供通信手段的一种卫星通信系统。它包括移动台之间、移动台与固定台之间、移动台或固定台与公共通信网用户之间的通信。近年来，虽然陆地移动通信系统的发展很快，但是陆地移动通信系统的覆盖范围即便是陆地部分也是有限的，并没有覆盖全球的所有陆地部分。随着全球化经济的发展，个人移动的范围扩大，个人通信的需求也逐步增加。为了实现全球个人通信的目标，必须借助卫星通信系统的全球覆盖特点。因此未来的全球个人通信系统将是地面陆地移动通信系统、卫星移动通信系统与地面公共通信网的结合。

利用卫星提供移动通信业务按照卫星的轨道分布可以分成三种：高轨移动卫星通信系统、中轨移动卫星通信系统、低轨移动卫星通信系统。由于用户在移动或卫星在移动，移动卫星通信系统技术与固定业务的卫星通信系统有较大的不同。

①由于围绕地球存在范·艾伦辐射带，该辐射带是带电粒子组成的高能粒子带，表现为强电磁辐射，其中α粒子、质子和高能粒子穿透力强，对电子电路破坏性大。范·艾伦辐射带由高度不同的内外两层圆环带组成，高度分别从1 500 km到5 000 km和13 000 km到20 000 km。卫星移动通信系统的卫星轨道应尽量避免在此两个圆环内。

②由于卫星功率有限，移动台的天线尺寸不能太大，因此在移动台G/T 值不能太大的情况下，为保证通信质量，要求卫星具有较高的EIRP值，但一个移动台占用卫星功率过多又限制了系统的容量，采用多波束卫星天线是解决此矛盾的有效途径，这意味着对卫星技术提出了更高的要求。

③由于移动台在移动，卫星在移动，因此系统在非高斯信道工作，且移动带来多径衰落，因此在系统设计时应考虑多径衰落余量，降低了系统的容量。

④众多的移动台共享有限的卫星资源，为充分利用卫星资源，需要合理的多址联接方式、信道分配方式、调制解调和编码技术。

⑤移动台要求高度的机动性，因此小型化也是十分重要的考虑因素。

1.高轨移动卫星通信系统

采用同步轨道的卫星移动系统特点是，卫星的覆盖面大，相当于移动通信中的大区制，移动终端的越区切换少，系统实现简单；其缺点是星地距离大，距离衰减很大，因此地面终端不可能做得很小。

（1）国际海事卫星移动通信系统

国际海事卫星移动通信系统（Inmarsat）是基于同步轨道的移动卫星通信系统，具有服务范围大、流动性大、用户多、业务量小的特点，海事卫星移动通信系统投入运行后，由于它覆盖面大，通信质量高而且稳定，因此具有很多用户。

Inmarsat系统由空间段、岸站（CES）和移动终端（MES）三大部分组成，如图10.55所示。

图10.55　Inmarsat系统组成

1）空间段

空间段由通信卫星、网络控制中心（NOC）和网络协调站（NCS）组成。

①通信卫星

Inmarsat卫星分布在地球同步静止轨道上，距离地球35 800 km。Inmarsat现有4颗星重叠覆盖地球，并有备用星，其所处位置如下。

·大西洋区东区：西经16度。

·大西洋区西区：西经54度。

·印度洋区：东经65度。

·太平洋区：东经178度。

Inmarsat通信卫星的基本功能是接收发自岸站和船站的信号，将其放大并再次传送给它们，卫星转发器执行频率转换：

·在岸到船方向从6 GHz波段变频到1.5 GHz波段；

·在船到岸方向从1.6 GHz波段变频到4 GHz波段。

②网络控制中心（NOC）

网络控制中心设在伦敦国际卫星组织总部，负责监测、协调和控制网络内卫星的操作运行。依靠计算机检查卫星工作状态，同时还对各地面站的运行情况进行监督，协助网络协调站对有关事务进行协调。

③网络协调站（NCS）

网络协调站是整个系统的重要组成部分。在每个洋区至少有一个地面站兼作网络协调站，并由它来完成该洋区内卫星通信网络必要的控制和分配工作。网络协调站的任务包括：分配语音、数据和高速数据信道频率，在一个公共信道上转发收自地面站电传信道上的分配信息，对所有海用终端发布国际海事卫星业务通告。

2）岸站（CES）

岸站是指设在海岸附近的地球站，它既是卫星系统与地面陆地电信网络的接口，又是一个控制和接入中心，其主要功能有：

·对从船舶、陆上和在空中来的呼叫分配和建立信道；

·信道状态（空闲、正在受理申请、占线等）的监视和排队管理；

·船站、陆上和航空站识别码的编排和核对；

·登记呼叫，产生计费信息；

·遇难信息的监收；

·卫星转发器频率偏差补偿；

·通过卫星的自环测试；

·在多地面站运行时的网络控制功能；

·对船舶、陆上核航空终端进行基本测试；

·对卫星终端用户提供各类技术服务。

每个岸站至少分配到一个时分多路复用/时分多址接续载波用于网络协调站及卫星终端之间的信令交换。在各个洋区工作的每一个不同类型的岸站都有一个唯一与它有关的两位或三位数字接续码（如北京海事卫星地面站印度洋区C 标准岸站的接续码为311），世界各地的许多国家都设有国际海事卫星系统岸站，典型的岸站抛物面天线直径为11～13 m，该天线永久地指向该洋区运转的卫星。

典型的岸站设备如下。

·射频系统：包括天线、高功率放大器、低噪声放大器、上下变频器等。

·接续控制部分：包括信道单元、信令转换设备、交换设备、终端授权数据库、呼叫记录处理等。

·与公众通信网的接口：微波设备或光缆等。

3）移动终端

Inmarsat开发了许多不同的终端支持不同的业务，用户可通过终端使信号上达卫星，在经过地面站，通过国际或国内的公众通信网与其他固定或移动用户通信，反过来，公众网等固定或移动用户也可以通过卫星与卫星终端通信。

4）Inmarsat业务

·在海事上的应用包括：直拨电话、电传、传真、电子邮件和数据连接。

·在航空上的应用包括：驾驶舱语音、数据、自动位置与状态报告和旅客直拨电话。

·在陆地上的应用包括：微型卫星电话、传真、数据和运输方向上的双向数据通信、位置报告、电子邮件和车队管理等。

（2）Thuraya系统

Thuraya系统是一个由总部设在阿联酋阿布扎比的区域性静止卫星移动通信系统。Thuraya系统的卫星网络覆盖包括欧洲、北非、中非、南非大陆、中东、中亚、南亚等110个国家和地区，约涵盖全球1/3的区域，可以为23亿人口提供卫星移动通信服务。Thuraya系统终端整合了卫星、GSM、GPS三种功能，向用户提供语音、短信、数据（上网）、传真、GPS定位等业务。

Thuraya是阿拉伯语中“枝形吊灯”的意思，暗指系统中的星载天线系统，该天线系统可向地球表面发送大量窄波束（多于250个）并可改变辐射区域的轮廓和辐射强度。此外，卫星的辐射功率可在各波束之间进行灵活的再分配，这使得通信容量能够灵活变化以适应不同服务区域的实时负载。

Thuraya系统提供话音、低速数据和导航业务，具体为：GSM 音质的话音通信，9.6 kbit/s数据和传真，标准的二代GSM 业务以及增强业务，所提供业务的主要特征如下。

·语音：卫星语音通话功能（GSM 音质，MOS 分离于3.4），语音留言信箱服务，WAP服务。

·传真：ITU-T G3标准传真。

·数据：作为调制解调器，连接PC进行数据传送，速率为2.4/4.8/9.6 kbit/s。

·短信：增值的GSM 短信息服务。

·定位：内置GPS，提供卫星定位导航，提供距离和方向服务，定位精度100米。

1）Thuraya系统的组成及其功能

Thuraya系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，如图10.56所示。

图10.56　Thuraya系统的体系结构

注：AOC（Advanced Operations Center）高级操作中心；MSC（Mobile Switching Center）移动交换中心；OSS（Operational Support System）技术支持系统；PSTN（Public Switched Telephone Network）公共交换电话网络；PLMN（Public Land Mobile Network）公用陆地移动通信网；SIT（Satellite In Orbit Equipment）在轨卫星测试设备；SOC（Satellite Operations Center）卫星操作（控制）中心；UBS（Uplink Beacon Station）上行信标站；PGW（Primary Gateway）主关口站

①Thuraya系统的空间段

Thuraya的卫星网络可为最偏远的地方提供覆盖，确保无拥塞的卫星通信始终保持连接。Thuraya系统的空间段包括太空的卫星和地面的卫星控制设备（SCF）两部分。太空卫星由三颗相同的静止轨道卫星（Thuraya-l、Thuraya-2和Thuraya-3）组成，其基本信息见表10.3。

表10.3　Thuraya系列卫星的基本信息

Thuraya-1：第一颗名为Thuraya 1的卫星位于韩国上空进行测试，由Sea Launch在Zenit 3SL火箭上于2000年10月21日发射，发射时重量为5 250千克。

Thuraya-2：第二颗卫星由SeaLaunch于2003年6月10日发射，它位于44度经度的地球同步轨道上，倾斜度为6.3度。卫星可以同时处理13 750个语音呼叫。该卫星目前服务于欧洲、中东、非洲和亚洲部分地区。卫星包括两个太阳能电池板机翼，每个机翼包含5个面板，产生11千瓦的电力（寿命结束时）。卫星有两个天线系统：一个圆形C 波段天线，直径为1.27米；一个12×16 米的Astro Mesh 反射器，128 个元件的L 波段天线，由加利福尼亚州Carpenteria的Astro Aerospace提供。这些天线支持多达351个独立的点波束，每个波束可配置为在使用需要时集中功率。

Thuraya-3：第三颗卫星于2008年1月15日成功发射。Thuraya-3 卫星在技术上与Thuraya-2卫星相同，但位于经度为98.5度的地球同步轨道上，倾斜角度为6.3度。

Thuraya卫星是非常先进的大型商用通信卫星，采用双体稳定技术，设计寿命12年，在轨尺寸为34.5 m×17 m，其外形如图10.57所示。

图10.57　Thuraya卫星

Thuraya卫星包括平台和有效载荷两部分。卫星平台分为指向控制、姿态维持、电源和热控等部分，部分主要参数如表10.4所示。

表10.4　Thuraya系列卫星的主要参数

有效载荷子系统指星上的通信设备，包括星载天线、数字信号处理和交换单元，具体如下。

·12.25米口径卫星天线：可以产生250～300 个波束，提供和GSM 兼容的移动电话业务。

·星上数字信号处理：实现手持终端之间或终端和地面通信网之间呼叫的路由功能，便于公共馈电链路覆盖和点波束之间的互联，以高效利用馈电链路带宽和便于各个点波束之间的用户链路的互联。

·数字波束成形功能：能够重新配置波束覆盖，能够扩大波束也可以形成新的波束，可以实现热点区域的最优化覆盖，可以灵活地将总功率的20%分配给任何一个点波束。

·高效利用频率：频率复用30次。

·系统能够同时提供13 750条双工信道，包括信关站和用户之间、用户与用户之间的通信链路。

·调制方式：QPSK；FDMA 载波信道带宽：27.7 k Hz；信道比特速率：46.8 kbit/s。

卫星与用户之间的连接是通过L频段，而卫星与关口站之间的连接是通过C波段。

②Thuraya系统的地面段

Thuraya系统的地面段融合了GSM 和GPS。地面段的规模包括：能够同时提供13 750条双工信道，能够为175万用户提供服务，包括信关站和用户之间、用户与用户之间的通信链路，拥有一个主信关站和多个区域性信关站，主信关站建在阿联酋的阿布扎比，其中主信关站最大提供6 000的信道，而区域信关站最多提供2 000的信道，区域信关站是根据主信关站而设计，可以根据当地的具体情况进行相应的调整，提供优质可靠的服务。地面段同时也能与Internet、PSTN\ISDN 进行互联，很大程度地方便了用户。地面段组成部分及其主要功能见表10.5。

表10.5　地面段组成部分及其主要功能

卫星的地面控制设备可以分为三类：命令和监视设备、通信设备，以及轨道分析和决策设备。命令和监视设备负责监视卫星的工作状况，使卫星达到规定的姿态并完成姿态保持。命令和监视设备又可以分为卫星操作中心（SOC）和卫星有效载荷控制点（SPCP），SOC 负责控制和监视卫星的结构和健康，而SPCP负责控制和监视卫星的有效载荷。轨道分析和决策设备的主要功能是计算卫星在空间的位置，并指示星上驱动设备进行相应的操作，这主要是为了保持卫星和地球的同步。通信设备用于通过一条专用链路传输指令及接收空间状态和流量报告。

③Thuraya系统的用户段

Thuraya系统的双模（GSM 和卫星）手持终端，融合了陆地和卫星移动通信两种服务，用户可以在两种网络之间漫游而不会使通信中断。Thuraya系统的移动卫星终端包括手持、车载和固定终端等，提供商主要有休斯网络公司和Ascom 公司。

Thuraya系统的主要产品见表10.6，其中SO-2510和SG-2520是Thuraya卫星通信公司的第二代手持终端，是目前最轻和最小的卫星手机，具有GPS功能、高分辨率的色彩屏幕、大的存储空间、USB接口和支持多国语言。

表10.6　Thuraya系统主要产品

2）Thuraya系统的主要技术指标

Thuraya系统能够通过手持机提供GSM 话质的移动话音通信以及低速数据通信，其技术指标见表10.7。

表10.7　Thuraya系统的技术指标

2.低轨（LEO）移动卫星通信系统

所谓低轨是指卫星轨道定位在1 500 km 以下。利用低轨移动卫星实现手持机个人通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低、传输时延短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用技术的发展也为低轨卫星移动通信提供了技术保障。因此，LEO 系统被认为是最新、最有前途的卫星移动通信系统。典型的低轨移动卫星通信系统包括“全球星”“铱星”系统。

低轨移动卫星系统也带来设计上的复杂性，由于卫星相对地面移动终端的高速运动，造成大的多普勒频移，影响接收信号的质量；另外，由于卫星高速运动，地面覆盖区域随着卫星的运动而变化，提供服务的卫星经过一段时间后必须将服务对象的业务切换到下一颗卫星。

（1）低轨移动卫星的系统组成

低轨卫星移动通信系统由卫星星座、关口地球站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元组成，如图10.58所示。

图10.58　卫星移动通信系统

1）空间段

空间段一般由卫星星座组成，其主要作用是提供地面段各设备收发信号之间的转换或交换。卫星之间可以有星际连接，也可以设计成无星际连接。

2）关口地球站

关口地球站的主要作用是提供卫星移动通信系统与地面网络的互联和控制卫星移动终端的接入，并保障用户在通信过程中信号不中断。关口地球站的作用有点类似于陆地移动通信系统中的网关。

3）系统控制中心

系统控制中心完成卫星星座的管理，如卫星轨道的修正、卫星工作故障诊断等，保障卫星在预定轨道上正常工作。

4）网络控制中心

网络控制中心类似于陆地移动通信系统中的移动交换机，其作用是管理卫星移动用户的账号、计费、监视各链路的工作状态等。

5）用户段

用户段主要是指卫星移动用户终端。通过卫星移动终端，移动用户可以在移动环境中获得话音和数据等通信服务。