卫星移动通信系统的发展现状.docx

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卫星移动通信系统的发展现状

卫星移动通信系统的发展现状与应用

课题组成员：

郜凌云刘萍吴龙飞张智力郑良缘周韦

一、概述

现有的地面通信基础设施不能为所有地区提供良好的通信服务，而在陆地、海上、空中、运输、救

灾、军事等许多环境下又需要移动通信服务。

卫星通信网络在这种场景下是唯

一的选择，这就是移动卫

星系统（MSS引起人们的关注，同时带来商机的原因。

人们使用多点波束天线技术、低噪声接收技术及星上处理技术，使工作在L、S频段和新开发的Ku、Ka频段小型终端甚至是手机直接接入卫星系统。

而在卫星装备再生转发器并建立星间链路，就可以实现卫星不同波束间和卫星间的流量交换。

卫星在相应的轨道绕地球运转，按其轨道高度,可分为运行在地球赤道上的静止轨道卫星（GEO和非同步轨道卫星（non-GEO两种。

•静止轨道卫星运行在高度约35800km的赤道面上，长距离传输造成了巨大的传输路径损耗和通

信时延，典型的静止轨道卫星工作在S、L、Ku及Ka等频段上，频率越高损耗越大,所以需要尽量大尺寸的天线。

因此，它比较适合固定卫星服务。

但是仍然有一些GEO系统为移动通信提供服务。

•非静止轨道卫星有两种可用的轨道类型：

500~2000km的低轨道（LEO和

8000~12000km的中轨道

（MEO。

相对于静止轨道卫星，中低轨道卫星距地面近，具有较低的传输时延和线路预算。

但是非静止轨道卫星系统复杂，需要多颗卫星来保证有效的覆盖率。

这需要进行频繁的卫星天线波束间、不同卫星

间、甚至地面关口站间的越区切换。

MSS系统还会受到障碍物的遮挡、反射等问题影响，以及低功率便携式终端小天线回路预算的限制。

为了解决这个问题，可以采用两种类似但又各具特色的设计方案:

混合网络与综合网络。

混合网络是在不能看见卫星的情况下，用地面中继器来转发本地卫星信号，还可利用地面蜂窝系统

提供返回链路来简化移动终端的功率管理。

由于使用了本地无线系统，卫星覆

盖范围扩大到了室内和城市地区，基站可将卫星信号转换到本地无线系统，反之亦然。

综合网络是把地面蜂窝系统作为替代系统，连接移动用户的上行或下行通路。

二、卫星移动系统相关介绍

1濒段

卫星移动系统所使用的频段范围由世界无线电大会进行分配。

固定卫星业务使

用C/K频段,移动业

务使用较低的L/S频段。

由于较低的信号损耗及大气影响丄/S系统可以采用小尺寸的车载天线。

但随着宽带业务的需求，及可用的L/S频率资源的短缺（上行1980~2010MHZ,下行2170~2200MHZ,促使MSS系统向更高的频率发展，开始采用Ku和Ka频段。

目前,工作在Ku频段上的MSS系统可分为多种载体提供宽带业务，比如火车、飞机、汽车、舰船。

Ku频段卫星的点波束主要覆盖陆地，因此这种MSS系统主要用于固定用户，不具备为海上用户提供良好覆盖的能力。

2.移动终端的天线及天线仰角

移动终端的天线系统要求高效可靠、高灵敏度、高增益及低干扰，因此移动终

端一般采用全向天线。

为了改进链路设计，可以采用具有快速跟踪算法的相控阵定向天线来代替全向天线。

移动终端能向各个

方向发射并接收信号，所以可能会对其他卫星网络造成干扰，例如低轨卫星系统与GEO系统间干扰。

为此，需要对发射功率及最低仰角进行控制。

在MSS系统中，另一个重要的问题是移动终端天线所对卫星的最小仰角。

在MSS系统环境下，需

避免最低的仰角出现，否则陆地移动用户会频繁地出现信号被树、建筑物、山等阻断的现象。

而在空中和海上，这种情况不十分严重。

增加仰角可以发送传输质量，但需要更多卫星，相应的系统造价也会增加。

因此,MSS系统最佳的仰角大约为20度。

但是在第一代MSS系统中,最小仰角只有大约10度。

最小仰角的限制要求在星座设计时选择合适的卫星数量，这也是为什么GEO系统不能为两极地区提供服务的原因。

3.卫星天线及频率复用

使用高度指向的多点波束卫星天线是实现卫星移动通信的一个关键问题，此类

天线由大型可展开反射面和馈源系统组成，现在GEO系统中卫星天线的直径最大可达到25m,在LEO卫星系统中天线可达到2m左右。

由于点波束的集中覆盖可获得高天线增益，目前，系统设计的卫星天线可达上百个波束，即在GEO中可达百个，在LEO/MEO系统中可达到数十个。

所分配的频率被分成不同的载波分给不同的波束以避免相邻波束间的干扰，而在相隔足够远的波束上的同一载波可以被重复使用。

簇由一组波束组成，每个簇中所有载波都会被利用。

簇的大小是指所包含的波束数量,比如在铱星系统中每个簇有12个波束、BGAN中每个簇有27个波束;在Thuraya系统中每个簇有21个波束。

GEO系统例如BGAN和Thuraya系统中的簇规格较大。

这是因为要覆盖同样的区域，GEO系统需要比LEO系统更窄的波束，卫星天线上的波束间距离更近，这意味着会有更大的相互干扰，因而需要更大的簇规格来减少干扰的影响。

三、MSS系统标准

目前可认为至少有以下5种标准与卫星移动系统有关：

•经由卫星的全球移动通信系统GSM

•卫星通用移动通信系统S-UMTS

•数字视频广播-版本2（DVB-S2及相关反馈链路标准；

•卫星数字多媒体广播（S-DMB

•数字视频广播卫星手持终端系统（DVB-SH

1.GSM

GSM是目前世界上最流行的蜂窝通信标准，它的通用分组无线服务技术（GPRS支持包数据交换服务。

GSM是地面系统，但它的格式”也可以被推广应用到卫星系统中。

欧洲电信标准协会（ETSI开发了GMR-1和GMR-2两个GMR规范，它们都源自于GSM,包含了GSM系统过渡到GEO系统的内容。

GMR允许通过卫星接入到GSM核心网,除了地面蜂窝覆盖和频率复用的概念,GSM和GMR还有其他相似之处,尤其是人们所关心的物理层之上的协议层的内容。

移动终端可以是双模式，从而

允许使用的地面GSM接口,或当地面信号消失时可使用GEO卫星的空中接口。

2.S-UMTS

UMTS是3G地面蜂窝技术之一，系统具有宽带码分多址（WCDMA空中接口,双工方式为频分双工（FDD。

S-UMTS是ETSI在卫星环境下对这一技术的扩展,以兼容基于WCDMA方式的UMTS系统的卫星空中接口。

S-UMTS不仅要补充UMTS系统对地面的覆盖，还将把UMTS服务扩展到地面移动网络未能覆盖的区域。

S-UMTS使用的频段大约2GHz,接近地面3G系统所用的频段。

S-UMTS支持用户速率最高为144Kbit/s,向持有小型设备的一般移动用户提供多媒体服务。

在S-UMTS发展的第一阶段，经由卫星的上行通路2GHz频段上的WCDMA方式,支持广播与多播业务，有可能发掘地面3G系统作为返回通路以支持交互式业务。

其发展的第二阶段，将允许移动手机以卫星信道为返回通道，它采用工作在5GHz频段上的、具有最佳链路设计的、基于正交频分复用技术（OFDM的空中接口。

3.DVB-S2

DVB-S2是第二代卫星广播传输标准，也可在新的操作模式下用于交互式点对点的业务，即因特网接入,新的操作模式可根据收方的传输条件采取动态的调制方式及自适应编码。

DVB-S2最初是为固定通信用户设计的标准，但是目前它已被扩展到为飞机、火车提供Ku、Ka频段通信服务。

但仍有许多问题需要解决，比如严格的频率规范、多普勒效应、频繁的越区切换及同步捕获与维持的修复过程等。

此外，在

铁路上会出现遮挡、快衰落、长时间遮挡等问题。

为了支持移动用户服务，DVB组

织推出了DVB-RCS标准新版本，这个标准被命名为DVB-RCS+M。

4.S-DMB

韩国、日本和欧洲的3G移动网络可提供组播/广播服务，向用户提供了许多移动娱乐服务。

S-DMB标准是3G移动网基于卫星广播的扩展，可提供GSM或3G蜂窝移动系统类型的多媒体广播及多播业务（MBMS。

S-DMB由GEO卫星和一些安装在3G基站上的地面中继器组成，它可以应对城市中多遮挡的传输环境。

韩国2005年就开展了S-DMB业务。

它也可提供数字无线广播业务和视频业务，它采用的频段是VHF和L。

5.DVB-SH

DVB-SH就是S-DMB与DVB-H的结合,采用S频段,它是ETSI的移动广播标准采用OFDM作为空中接口，为小型终端用户提供音/视频广播服务。

DVB-SH利用静止轨道卫星系统及地面补充组件（CGC系统可形成大范围的覆盖：

地面中继器可覆盖卫星所不能及的地区。

DVB-SH也对地面DVB-H系统的覆盖区域进行了扩展，终端可操作在双模式下，即DVB-SH工作在S频段（约2.2GHZ,以及DVB-H的UHF频段。

DVB-SH主要用于广播业务，也可进行数据传输及基于IP的交互式服务，移动中的用户可接入这些服务。

四、目前在役的几种主要的卫星移动系统

1.铱”星系统

铱”星是最早的MSS系统之一，它是唯一能够提供包括两极地区、空中及海洋在内的全地球覆盖的MSS系统。

铱”星系统是基于低轨卫星系统的无线通信网，支持话音和低速数据的传输，可在任何地区、时间提供服务。

它的卫星星座由66颗具

有星上处理功能及星间链路的卫星组成。

端到端话音呼叫可直接在空中进行交换，

数据交换可通过星间交换直接被传送到距离目的关口站最近的卫星上。

目前有5个

关口站在工作，铱”系统为也为美国国防部服务。

最近，铱”星公司宣布计划第二代基于IP的卫星系统,它能实现连续不断的环境监视和对地成像，可进行高速率数据传输。

2.全球星”系统

全球星”系统也是移动卫星系统的先驱，它使用48颗低轨卫星，没有星际链接。

全球星”卫星上装有8m孔径的天线，由多个圆形面板组成，可产生16个点波束，实现对地面上南北纬70度之间大部分地区的覆盖，地面段由若干网关站组成，地面呼叫通

过卫星直接连接到所覆盖区域上的关口站。

全球星”系统有25个关口站分布在全

球,每个网关覆盖半径约2000km的区域。

全球星”采用DS-CDMA物理层技术，扩频因子为128。

它采用了路径分集技术以减少阴影和阻挡对传输的影响。

每次呼叫可保证有多达三颗可视卫星的信号合成。

全球星”提供实时的话音、传真、数据。

语音编码速率根据背景噪声的大小，有2.4、4.8或9.6Kbit/s的速率可选。

全球星”正计划开发改进型的第二代卫星系统。

3.1nmarsat系统

Inmarsat系统通过GEO卫星为除两极的全球范围提供移动电话、传真及数据通信业务，目前为企业、海运及航空用户提供宽带通信服务。

该系统当前有12颗

GEO卫星:

4颗第二代卫星（Inmarsat-2、5颗第三代卫星（Inmarsat-3和3颗第四代卫星（Inmarsat-4o

当前,全球宽带局域网系统（BGAN通过3颗Inmarsat-4卫星为移动及固定用户提供电话、因特网、短信等服务，并与地面3G系统整合。

BGAN使用透明转发器,馈送链路工作在C频段,并且有一个全球波束；卫星到用户链路工作在L频段,使用了可提供256个窄波束的可展开天线。

这个系统可提供信息速率为4.5~492kbit/s的、

三种等级的便携应用终端。

4.Thuraya

Thuraya1977成立于阿拉伯联合酋长国，由两颗GEO卫星覆盖了110多个国家,跨越欧洲、中北非洲、中东、中亚和印度次大陆。

最近发射的Thuraya-3卫星取代

了Thuraya-1卫星,扩大了亚洲地区的覆盖范围（包括中国和日本以及大洋洲。

如今,Thuraya系统有两颗GEO卫星（Thuraya-2和Thuraya-3采用工作在L频段上的GMR-1空中接口。

Thuraya卫星装有12.25m孔径的L频段发射天线/接收反射面天线，每颗卫星可以产生200~300个点波束,空中接口采用FDMA/TDMA多址方式，每个载波具有40ms的帧结构,24个时隙，每个电路需用3个时隙。

星上处理设备可以实现任意点波束间移动设备到移动设备的连接，双模手持机

可接入到地面GSM系统或Thuraya卫星系统用户可以在不中断服务的情况下跨区域漫游。

Thuraya还可通过便携式终端提供速率达到144kbit/s的因特网接入，调制方式为APSK。

现在,Thuraya可实现速率为444kbit/S的高速IP业务。

五、卫星移动系统在抢险救灾中的应用

众所周知,在破坏性强的大型灾害事故发生的情况下，例如飓风、地震、强泥石流等,公共通信网络设施可能遭到毁灭性的损坏而使公众通信网络陷入瘫痪。

另外，

在诸如类似911事件的紧急事件发生期间，局部出现的大通信流量会造成网络堵塞。

而且由于通信流往往是汇聚式的，比如119、120报警中心,更加重了通信的堵塞。

在这种情况下，救援人员需要利用各类通信手段通报险情和指挥救援，如果通信不畅，势必会大大延缓救援进度，造成严重后果。

因此，畅通、可靠的卫星通信是取得大型灾害事故抢险救援胜利的保证。

抢险救灾卫星通信系统可以实现在突发事件地域，不依赖于原有的通信网络快速构成应急通信网络，使得现场指挥部和指挥中心可以快速建立起通信联络，并提供144Kbps-10Mbps的传输速率；在一个网内可以同时传递语音、图像、数据等信息；支

持多方位动态图像实时传输以及高清视频会议等。

因此，在全国全面建立卫星通信网络，利用卫星通信手段实现抢险救灾应急通信保障，满足全天候、全过程、全方位”的应急通信保障要求，是今后应急通信的发展趋势。

武警部队是抢险救灾的中坚力量，目前各总队均配备有卫星应急通信指挥车。

由于小型越野应急卫星通信指挥车的机动性好、环境适应能力强，可以快速进入开

阔地带进行信号传输，避免因山体、建筑阻挡而造成通信失败。

例如在2008年

“5.12汶川特大地震救援中，由于震区地面通信完全中断，震区在第一时间无法与外界取得联系，外界也无法了解具体震情，汶川等地成为信息孤岛”。

武警部队出动多台卫星通信指挥车随抗震救灾分队执行跨区域增援任务，为抗震救灾提供了有力的通信保障。

抢险救援应急通信指挥车通常配置有报警器、车载电台、车载或便携式卫星设备、单兵无线图传、3G车载DVR、手提式发电机、配电箱、显示屏、摄像机、专业信息采集器，以及车顶应急照明灯、手持指北针等。

其中，车载卫星通信系统主要由静中通天线系统、IDU/ODU卫星通信设备、移动视频通信系统、移动语音通信系统、综合接入平台、车载固定摄像机、视频会议终端、电源等系统和设备组成，可以实现以通信车为中心2.5km范围内无线语音通信和1km范围内的WiFi网络覆盖，极大地拓展了车载移动通信系统的覆盖范围，以适应在抢险救援时的现场通信，同时也形成了语音、视频、图像、数据等多种业务类型的接入和上传，增加了指挥中心的现场感和实时性。

六、结束语

随着近年灾难性事件、社会突发事件的频繁发生，如何保持应急通信的畅通和应急体系的有效运转已经成为一个无法回避的现实问题，卫星移动通信逐渐成为应急通信响应机制的核心，也是国家应急体系的基本保障。

地震灾害发生时，在所有的通信、交通、电力等均已遭到破坏的情况下，震中地区若有移动卫星电话，不仅可以第一时间了解准确信息，增强抢救的针对性，而且也可以统一调度资源，有序进行物资投放，大大提高救灾的效率，，极大的减少生命的死亡，减少损失。

如果在平时我们就将卫星移动通信终端配发到全国各地自然灾害频发的地区和乡村，平时用于解决村村通业务，灾害时用于抢险救灾、一旦灾害来临，支持手持终端的卫星移动通信系统就是解决抗灾、减灾、保护人民生命安全最快捷、有效、可靠的通信手段，甚至是解决灾害发生过程中通信的唯一应急通信手段。

卫星移动通信系统的高速发展，给人们的生活带来越来越多的便利以及丰富的娱乐，同时也在特殊情况下起着不可或缺的重要作用。

如何有效利用卫星通信资源，使其能够更好地在军事以及抢险救灾领域发挥更大的贡献，是我们今后一段时期内努力的方向之一。

总之,卫星移动通信在石油、金融、交通、航空、海事、武警、公安、应急通信、村通服务等诸多方面，都有相当广泛的应用和好评。

对国民经济、人民生活、社会进步都发挥着重要作用。

卫星移动通信可以全方位、多层次地满足人们对通信的需求。