+ 原著：Paolo Chini, Giovanni Giambene, Sastri Kota翻譯：呂京梅 王琦

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）重新引起人們的興趣，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：500～2000km的低軌道（LEO）和8000～12000km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(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)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。部分綜合網(wǎng)絡(luò)的案例將在第3章和第4章進(jìn)行討論。

為了定義地面部分，歐盟委員會(huì)推出了“地面補(bǔ)充組件”（CGC）的概念，而美國使用“地面輔助組件”（ATC）這一術(shù)語。盡管CGC與混合網(wǎng)絡(luò)相關(guān)而ATC與綜合網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，但這些概念相互間是可以轉(zhuǎn)化的。無論是何種情況，地面系統(tǒng)均可建立在3G、WiFi和WiMAX等系統(tǒng)上。

本文以目前運(yùn)營的幾個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)為案例，主要論述MSS系統(tǒng)的以下幾個(gè)方面內(nèi)容：主要設(shè)計(jì)議題，適用標(biāo)準(zhǔn)和移動(dòng)系統(tǒng)的分析比較方法，并對它們的性能、資源利用效率和用戶移動(dòng)性進(jìn)行了分析比較。本文組成部分為：第1章對衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行了概述；第2章為衛(wèi)星移動(dòng)網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念；第3章列出了適用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；第4章介紹了幾個(gè)MSS系統(tǒng)；第5章對上面的幾個(gè)系統(tǒng)的性能等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了對比；第6章是MSS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

二、衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

本章包括支持移動(dòng)用戶的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展和獨(dú)特的解決方案。

1.媒介

（1）頻段和法規(guī)

衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)所使用的頻段范圍由世界無線電大會(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。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)長期探索L/S頻段技術(shù)。由于較低的信號(hào)損耗及大氣影響，L/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：1980～2010MHz，下行：2170～2200MHz），促使MSS系統(tǒng)向更高的頻率發(fā)展，開始采用Ku和Ka頻段。ITU-R已經(jīng)把Ka頻段的一部分資源分別分配給MSS和FSS系統(tǒng)。其中，分配給FSS系統(tǒng)的29.9～30GHz用于地面到空間鏈路，20.1～21.3GHz用于空間對地面鏈路，作為主要用途。分配給MSS系統(tǒng)的14～14.5GHz用于地面到空間鏈路，10～12GHz用于空間到地面鏈路，作為次要用途。

目前，工作在Ku頻段上的MSS系統(tǒng)可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)和L/S頻段衛(wèi)星來說，不具備為海上用戶提供良好覆蓋的能力。事實(shí)上，Ku衛(wèi)星主要用于固定用戶，沒有多少Ku/Ka衛(wèi)星提供海洋的覆蓋。針對不斷增長的帶寬需求和覆蓋問題，Ku/Ka衛(wèi)星的波束配置最終形成折中方案。

歐洲早期用于MSS系統(tǒng)的L/S頻段協(xié)議已經(jīng)過時(shí)。為此，2007年2月歐盟委員會(huì)召開了專家協(xié)商會(huì)，與會(huì)的所有MSS系統(tǒng)制造商和運(yùn)營商，共同商討了用于MSS系統(tǒng)的L/S頻段的使用問題。有意思的是，在這次磋商會(huì)上，為了分配帶寬給MSS，召開了一次拍賣會(huì)來確定用戶對L/S帶的使用權(quán)。會(huì)議的主要成果是確定了對頻譜有需求的機(jī)構(gòu)數(shù)量和參加拍賣的機(jī)構(gòu)數(shù)量。2008年12月,歐盟聯(lián)盟委員會(huì)決定接受4個(gè)申請者的申請, 并于2009年5月最終選定了國際移動(dòng)衛(wèi)星公司和Solaris公司(Eutelsat和SESASTRA的合資企業(yè))。

（2）移動(dòng)終端的天線

移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)是非常重要的，包括規(guī)格、造價(jià)及所采用的技術(shù)。此外，天線系統(tǒng)要求高效可靠，高靈敏度、高增益及低干擾。移動(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，需要制定一些要求，例如發(fā)射功率的控制及最低仰角。

另外，還可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境對終端天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如，鐵路系統(tǒng)可依賴于對陸地覆蓋良好的Ku頻段衛(wèi)星，但火車天線是小的低指向性天線，會(huì)對鄰星產(chǎn)生較高的干擾。在空中和海上，飛機(jī)和船只可能處于覆蓋區(qū)邊緣，因此需要相應(yīng)的天線設(shè)計(jì)。

移動(dòng)終端上的天線大小決定了它對上/下行傳輸?shù)母蓴_特性。在Ku頻段上行線路的離軸傳輸功率流量受限(所以分配給MSS作為次用業(yè)務(wù))，這就意味著移動(dòng)用戶的等效全向輻射功率（EIRP）受到約束。為了減少干擾，人們可以采用擴(kuò)頻技術(shù)，如直接序列、跳頻和突發(fā)重復(fù)等。在DVBS2的移動(dòng)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2/DVB-RCS中，上行鏈路就采用了DS擴(kuò)頻方式，下行鏈路是突發(fā)重復(fù)。眾所周知，在DS方法中傳輸比特被高碼率的擴(kuò)頻碼序列所調(diào)制，突發(fā)重復(fù)則是在相同的時(shí)隙多次傳送相同的包。

（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)中天線直徑可達(dá)到2m左右。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。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。

（4）天線仰角

在MSS系統(tǒng)中，另一個(gè)重要的問題是移動(dòng)終端天線所對衛(wèi)星的最小仰角。這在FSS系統(tǒng)中的要求不是十分嚴(yán)格，因?yàn)樘炀€位置和方向在最初設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)行最佳選擇，從而保證視線傳輸條件。而在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。增加仰角可以改善傳輸質(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°。但是在第一代MSS系統(tǒng)中，最小仰角只有大約10°。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。

（5）信道模型

歐洲航天局（ESA）在Ku/Ka頻段上進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)，為MSS系統(tǒng)定義了信道模型。特別是在陸地移動(dòng)情況下，信道可具有三態(tài)馬爾可夫（ Markov）的信道模型特征：非視距、陰影、阻擋。在Ku及Ka頻段上，每個(gè)狀態(tài)呈現(xiàn)出瑞斯（Rice）分布特點(diǎn)。多徑、陰影和阻擋現(xiàn)象也出現(xiàn)在L頻段。但是，對L頻段信道的一個(gè)典型選擇是二態(tài)馬爾可夫模型（好、壞）。這些模型參數(shù)由移動(dòng)終端所處的環(huán)境以及仰角條件所決定。

2.物理層

對于MSS系統(tǒng)來說，選擇合適的空中接口非常重要，恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制編碼技術(shù)可以更好地適應(yīng)由于運(yùn)動(dòng)引起的信道變化。適應(yīng)信道的變化意味著，要有一個(gè)反饋通路告知發(fā)射端需要什么樣的物理層傳輸參數(shù)，從而為接收端提供一定的質(zhì)量保證。這種方式僅適用于低速的陸地移動(dòng)用戶，對高頻段用戶來說更是至關(guān)緊要。

當(dāng)信號(hào)通道被遮擋時(shí)會(huì)造成解調(diào)器失鎖，造成通信的中斷?？p隙填充、空分技術(shù)和時(shí)分技術(shù)等各類解決方案可以用來應(yīng)對非視線傳輸。

3.媒體接入控制層

衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)需要考慮越區(qū)切換問題。在非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)中，用戶移動(dòng)性受制于衛(wèi)星星座的活動(dòng)性。而在GEO情況下，用戶的移動(dòng)性僅表現(xiàn)在飛機(jī)、火車和艦船上。因此，為MAC層(layer 2)的資源分配了更多的交付優(yōu)先權(quán)。由于越區(qū)業(yè)務(wù)受到額外切換時(shí)延的影響，蜂窩小區(qū)接收資源時(shí)需要適當(dāng)?shù)膬?yōu)先次序，否則相關(guān)的會(huì)話將在較高層中被終止。

4.網(wǎng)絡(luò)層

在IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星具有星上IP路由切換能力，可利用因特網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）開發(fā)的移動(dòng)IP（MIP）來支持越區(qū)切換過程，但是MIP的越區(qū)切換反應(yīng)期較長，美國國家航空航天局（NASA）和思科公司（CISCO）已經(jīng)研發(fā)了許多項(xiàng)目來改進(jìn)MIP。

作為上述MIP的替代品，波音Connexion業(yè)務(wù)（飛行中基于GEO系統(tǒng)的因特網(wǎng)連接服務(wù)，2006年停止）允許全球IP移動(dòng)使用邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）。特別需要指出的是，人們?yōu)橐苿?dòng)平臺(tái)(飛機(jī)或艦船, 安裝有數(shù)據(jù)無線電收發(fā)機(jī)/路由器和 802.11 A/b/g的無線電接入點(diǎn))分配了一個(gè)C級(jí)IP地址區(qū)段。當(dāng)飛機(jī)或艦船經(jīng)過相關(guān)的網(wǎng)關(guān)區(qū)域時(shí)，由最近的地面網(wǎng)關(guān)有選擇性地分配給相關(guān)地址。當(dāng)飛機(jī)或艦船員離合開該區(qū)域時(shí)，最近的網(wǎng)關(guān)則停止IP地址段的分配。

IEEE 802.21的MIH標(biāo)準(zhǔn)被人們用來管理基于IP綜合網(wǎng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與其他移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的越區(qū)功能。

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-SH）。

定義以上標(biāo)準(zhǔn)的主要?jiǎng)恿υ谟谛l(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)該能為移動(dòng)用戶提供同地面系統(tǒng)一樣的接入特性，下面是對這些標(biāo)準(zhǔn)的說明。

1.GSM

GSM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。特別是我們可以考慮將GMR（GEO MOBILE RADIO）空中接口標(biāo)準(zhǔn)用在GEO的移動(dòng)業(yè)務(wù)中。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）開發(fā)了GMR-1（應(yīng)用于Thuraya ）和GMR-2（應(yīng)用于ACeS）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)可使用GEO衛(wèi)星的空中接口。

2.S-UMTS

UMTS是3G地面蜂窩技術(shù)之一，S-UMTS是ETSI在衛(wèi)星環(huán)境下對這一技術(shù)的擴(kuò)展。UMTS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），ETSI TC SES小組定義了S-UMTS G系列規(guī)范，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2 GHz，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)星的上行通路采用2GHz頻段上的WCDMA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。這與ITU-R 4C工作小組最近的意見相一致，該小組專注于衛(wèi)星組件的多載波空中接口，其目的是與不斷發(fā)展的第四代地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相兼容，如 UMTS (LTE) 和 WiMAX。

3.DVB-S2

DVB-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)。為此，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。DVB-SH就是S-DMB與DVB-H的結(jié)合，采用S頻段。

5.DVB-SH

DVB-SH是ETSI的移動(dòng)廣播標(biāo)準(zhǔn)，它采用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)（比如：城區(qū)及室內(nèi)）。DVB-SH也對地面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 2.2 GHz,接近 3G 地面頻率)，以及 DVB-H 的UHF頻段。DVB 規(guī)范為IP數(shù)據(jù)廣播( DVBIPDC)，允許兩種系統(tǒng)相互補(bǔ)充。

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)（通過一個(gè)附加的回傳通道，UMTS），移動(dòng)中的用戶可接入這些服務(wù)。

目前，人們對DVB-SH標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)服務(wù)的興趣越來越濃，這也是為什么ICO選擇DVB-SH 作為它的移動(dòng)視頻服務(wù)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)用覆蓋北美的ICO-G1 靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)。

四、目前在役的衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)

本章介紹目前正在運(yùn)營的一些MSS系統(tǒng)。

1.“銥”星系統(tǒng)

“銥”星是最早的MSS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)，如圖1所示。“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，其系統(tǒng)組成如圖2。“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)對地面上南北緯70°之間大部分地區(qū)的覆蓋，地面段由若干網(wǎng)關(guān)站組成，一個(gè)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?！叭蛐恰毕到y(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?！叭蛐恰辈捎肈S-CDMA 物理層技術(shù)，擴(kuò)頻因子為128。它采用了路徑分集技術(shù)以減少陰影和阻擋對傳輸?shù)挠绊?。每次呼叫可保證有多達(dá)三顆可視衛(wèi)星的信號(hào)合成?！叭蛐恰碧峁?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.Inmarsat系統(tǒng)

1979年成立的國際移動(dòng)衛(wèi)星公司（INMARSAT），目前為企業(yè)、海運(yùn)及航空用戶提供寬帶通信服務(wù)，INMARSAT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)，如圖3示。INMARSAT公司當(dāng)前有了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-5）和3顆第四代衛(wèi)星（Inmarsat-4）。

當(dāng)前，全球?qū)拵Ь钟蚓W(wǎng)（BGAN）系統(tǒng)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。典型的配置為19個(gè)寬波束，228個(gè)窄波束和1個(gè)全球波束，只有窄波束可用于地面移動(dòng)通信。這個(gè)系統(tǒng)可提供信息速率為4.5 ～492kbit/s的、三種等級(jí)的便攜應(yīng)用終端。其中，一級(jí)終端能達(dá)到 492 kbit/s(上行及下行) 的傳輸速率, 二級(jí)終端能實(shí)現(xiàn) 464 kbit/s 下行傳輸速率和 448 kbit/s 上行傳輸速率, 三級(jí)終端能達(dá)到384 kbit/s 下行傳輸速率和240 kbit/s的上行傳輸速率。

BGAN用專有的Inmarsat空中接口替換了3G系統(tǒng)的WCDMA空中接口 (即IAI2接口)，它使用了不同的各種調(diào)制選項(xiàng)，如QPSK 、16QAM和 π/4 QPSK ，通過編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變編碼速率，其中，三級(jí)終端只能以π/4 QPSK發(fā)射和 QPSK/16QAM接收方式工作。窄波束只能使用16QAM 調(diào)制方案。為了獲得高的傳輸效率，BGAN可根據(jù)終端的性能、傳輸功率、帶寬、編碼速率、調(diào)制方式進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

BGAN所支持的電路交換和包交換的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如下：

●IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：包括安全虛擬私人網(wǎng)絡(luò)接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、相關(guān)的辦公室應(yīng)用和瀏覽因特網(wǎng)，以及文件傳輸；

●IP流業(yè)務(wù): 向申請者提供具有服務(wù)品質(zhì)(QoS)保證的IP 流傳輸業(yè)務(wù),比如現(xiàn)場直播視頻或電視會(huì)議；

●話音(電路交換)業(yè)務(wù): 通過座機(jī)、用戶手持機(jī)及藍(lán)牙手機(jī)的低比率電話呼叫業(yè)務(wù)。

●短信業(yè)務(wù):可通過便攜式電腦或移動(dòng)電話發(fā)送和接收160字符以內(nèi)的短信。

目前，BGAN正準(zhǔn)備提供一項(xiàng)新的業(yè)務(wù)，即通過基站及相關(guān)衛(wèi)星鏈路為空客公司及波音公司的客機(jī)提供移動(dòng)電話業(yè)務(wù)。

由INMARSAT和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合主辦的BGAN-X項(xiàng)目已經(jīng)將終端類型擴(kuò)展到11種，包括3種航空、3種海上和2種陸地汽車應(yīng)用，它們使用全向及定向性天線。BGAN只對陸地便攜終端提供點(diǎn)對點(diǎn)通信，而在BGAN-X中把此項(xiàng)業(yè)務(wù)擴(kuò)展到了船舶和飛機(jī)，還包括了多播業(yè)務(wù)。BGAN 核心網(wǎng)絡(luò) (3GPP 第4個(gè)版本網(wǎng)絡(luò)) 不能支持多播服務(wù)，因此,BGAN-X遵循新的3GPP架構(gòu)，提供多媒體廣播和多播服務(wù)。

最后, INMARSAT與ESA合作確定了一個(gè)增強(qiáng)型的Inmarsat 載荷（Inmarsat-XL, 將加入現(xiàn)有的BGAN 和BGAN-X服務(wù)），它具有較高的傳輸率、優(yōu)化的多播/廣播和單跳連接能力。這個(gè)載荷將會(huì)搭載于2012年發(fā)射的Alphasat衛(wèi)星上。

4.Thuraya

Thuraya 1997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。Thuraya的技術(shù)方案由美國波音公司衛(wèi)星系統(tǒng)部提出。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200～300個(gè)點(diǎn)波束，空中接口采用FDMA/TDMA多址方式，每個(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。

表1 MSS系統(tǒng)的特點(diǎn)

表2 圖4中的參數(shù)值

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移動(dòng)手持機(jī)可提供的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)包括：GSM話音、傳真、數(shù)據(jù)（速率選項(xiàng)有2.4/4.8/9.6kbit/s）以及短信。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?，F(xiàn)在，Thuraya 可實(shí)現(xiàn)速率為444 kbit/s的高速IP業(yè)務(wù)。

5.其它MSS系統(tǒng)

中圓軌道全球通信系統(tǒng)（ICO）計(jì)劃采用12顆高度為10390km的MEO衛(wèi)星組成星座，但實(shí)際上ICO由新發(fā)射的GEO衛(wèi)星（ICO-G1）支撐，它為美國大陸地區(qū)提供S頻段移動(dòng)服務(wù)，包括4.8kbit/s的話音業(yè)務(wù)，2.4kbit/s的數(shù)據(jù)，傳真、短信及定位業(yè)務(wù)。

Hispasat衛(wèi)星系統(tǒng)包括6顆GEO衛(wèi)星，系統(tǒng)提供基于IP的寬帶、移動(dòng)服務(wù)、因特網(wǎng)接、內(nèi)容分配、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電視教育、IP電話、視頻流傳輸及IPTV等業(yè)務(wù)。

亞洲蜂窩系統(tǒng)（ACeS）由一顆GEO衛(wèi)星及3個(gè)網(wǎng)關(guān)站組成，它采用GMR-2空中接口，與GSM地面網(wǎng)相兼容，為亞洲手機(jī)用戶提供話音和部分?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

SkyTerra （原為MSV）移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)將構(gòu)建一個(gè)衛(wèi)星/地面綜合IP網(wǎng)，系統(tǒng)空間段由兩顆GEO衛(wèi)星組成，為美國地區(qū)提供移動(dòng)寬帶服務(wù)，為公眾安全、艦船管理提供話音、因特網(wǎng)接入。由地面基站構(gòu)成的ATC分系統(tǒng)支持衛(wèi)星系統(tǒng)，提供覆蓋的延伸。

TerreStar是一個(gè)新成立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)公司，計(jì)劃建造一個(gè)基于IP的衛(wèi)星與地面綜合通信網(wǎng)，服務(wù)于美國大陸。其將工作在2GHZ附近的兩個(gè)相鄰10Mhz頻段。

Solaris移動(dòng)公司在2009年4月發(fā)射了W2A衛(wèi)星，它工作在S頻段上，為歐洲提供移動(dòng)通信服務(wù)，系統(tǒng)屬衛(wèi)星、地面混合網(wǎng)，保證不間斷的覆蓋。DVB-SH標(biāo)準(zhǔn)支持移動(dòng)電視，為了最佳的傳輸性能，智能天線被安裝在移動(dòng)電話中。

五、比較

本小結(jié)是對MSS系統(tǒng)的比較，包括人們最關(guān)心的系統(tǒng)特性和數(shù)據(jù)評估，其重點(diǎn)是BGAN、全球星、銥星和Thuraya。

1.MSS系統(tǒng)基本特性

表1給出了上述MSS系統(tǒng)的基本特性。關(guān)注的重點(diǎn)在系統(tǒng)所采用的調(diào)制方式、多址接入技術(shù)、衛(wèi)星軌道類型、網(wǎng)絡(luò)特性及所支持的業(yè)務(wù)。表1表明，在一些較新的MSS 系統(tǒng)(如BGAN和Solaris)中提供了多媒體服務(wù)，而一些老的系統(tǒng)（如“全球星”)則只提供了低速的數(shù)據(jù)及話音業(yè)務(wù)。

2.定量比較

本小節(jié)對BGAN、“全球星”、“銥”星和Thuraya幾個(gè)系統(tǒng)間不同參數(shù)作定量比較，其中，“銥”系統(tǒng)采用TDD雙工方式空中接口，其他幾個(gè)系統(tǒng)都使用FDD雙工的空中接口。BGAN和Thuraya是GEO系統(tǒng)，而“銥”星和全球星是低軌衛(wèi)星系統(tǒng)。在圖4中顯示了4個(gè)L/S頻段MSS系統(tǒng)的重要參數(shù)比較，包括用戶數(shù)量、覆蓋區(qū)域、系統(tǒng)復(fù)雜性、通話費(fèi)用、系統(tǒng)成本、寬帶性能及多媒體服務(wù)等多個(gè)方面。表2列出了圖4中的參數(shù)的數(shù)值范圍。

在圖4中，整體性能評估結(jié)果是陰影區(qū)域越大越好，可見BGAN系統(tǒng)性價(jià)比最高。

六、衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

未來MSS系統(tǒng)要想開展新型業(yè)務(wù)、降低系統(tǒng)造價(jià)、增強(qiáng)業(yè)務(wù)滲透，必須面對新的挑戰(zhàn)。引起人們關(guān)注的研發(fā)問題包括以下幾個(gè)方面：全I(xiàn)P移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)端到端的服務(wù)保證、衛(wèi)星地面混合網(wǎng)無中斷服務(wù)，為提高頻率資源復(fù)用系數(shù)采用的高方向性多點(diǎn)波束衛(wèi)星天線、用戶移動(dòng)跨區(qū)管理協(xié)議、開展新的寬帶業(yè)務(wù)、小型經(jīng)濟(jì)節(jié)能型的智能終端的開發(fā)。以上述問題為基礎(chǔ)，我們可以總結(jié)出一些重要的發(fā)展趨勢。

當(dāng)前，許多MSS公司宣布計(jì)劃構(gòu)建基于IP的移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)，包括“銥”系統(tǒng)、“全球星”及MSV。此外，DVB項(xiàng)目組有意制定下一代DVB-RCS（DVB-RCS NG)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，支持增強(qiáng)移動(dòng)性能和通用的基于IP的協(xié)議。

WARC 2011正在考慮增加新的頻率到MSS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)C頻段上與地面系統(tǒng)的兼容。未來 MSS 需要與地面的寬帶整合 (如WiMAX 和WiFi)，具有合適的公共接口和服務(wù)?？墒且С中⌒鸵苿?dòng)終端，衛(wèi)星及移動(dòng)終端都需要最佳的天線技術(shù)，以接近線路預(yù)算。這個(gè)技術(shù)的改進(jìn)還應(yīng)解決相互干擾問題（以提高資源復(fù)用率）、高效的傳輸技術(shù)的采用（如OFDMA空中接口用于地面4G蜂窩系統(tǒng)UMTS LTE）。此外，新型基于交叉層的空中接口設(shè)計(jì)應(yīng)允許全協(xié)議棧的最佳化，提高通信容量和質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)低費(fèi)用的移動(dòng)終端將是這個(gè)最優(yōu)化過程的成果，同時(shí)也促進(jìn)了衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。

MSS系統(tǒng)中一個(gè)的緊要問題是跨區(qū)切換過程中的無縫連接，這個(gè)切換過程包括同一衛(wèi)星和不同衛(wèi)星上的不同天線波束間，甚至衛(wèi)星波束與地面蜂窩小區(qū)間的切換。由此，MSS系統(tǒng)需支持基于IP業(yè)務(wù)的系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)間的跨區(qū)切換。我們假設(shè)未來的衛(wèi)星能再生處理轉(zhuǎn)發(fā)器并操作在IP層面上，那么衛(wèi)星內(nèi)部切換應(yīng)采用IP微移動(dòng)協(xié)議，而衛(wèi)星間和系統(tǒng)間的切換需包含MIP方案。Satsix項(xiàng)目組正在研發(fā)基于IP的移動(dòng)支持業(yè)務(wù)，因?yàn)樵谌魏吻闆r下有效的移動(dòng)管理協(xié)議都需使用在層面3中，防止在切換過程中路由重建引起的過多延遲。

最后，MSS系統(tǒng)未來的業(yè)務(wù)之一是移動(dòng)廣播，包括移動(dòng)電視和多媒體下載。這一技術(shù)在日本、韓國和美國已經(jīng)廣泛使用，在歐洲由于管理問題則有所推遲。如前所述，歐洲衛(wèi)星公司和SES-ASTRA已發(fā)射了W2A衛(wèi)星，星上S頻段轉(zhuǎn)發(fā)器可支持移動(dòng)電視，遵循DVB-SH規(guī)范，這將形成新的衛(wèi)星通信的市場份額。

七、結(jié)束語

目前，由于衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地提供服務(wù)，人們對MSS系統(tǒng)的研發(fā)產(chǎn)生了新的興趣。在這篇論文中，我們的研究重點(diǎn)是：MSS系統(tǒng)有別于其他衛(wèi)星系統(tǒng)的、獨(dú)特的性能特征；已經(jīng)存在的MSS系統(tǒng)重要標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)；同時(shí)還特別關(guān)注了衛(wèi)星與地面的混合網(wǎng)絡(luò)和綜合網(wǎng)絡(luò)。本文縱覽了部分正在運(yùn)行中和計(jì)劃中的MSS系統(tǒng)主要特性，并在確定的分析框架下對包括用戶移動(dòng)性在內(nèi)的多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了分析比較。

總之，GEO系統(tǒng)引起了人們更多的關(guān)注，因?yàn)樗峁┝溯^高的用戶密度和較低的成本。此外，用于GEO系統(tǒng)的定向多點(diǎn)波束天線設(shè)計(jì)受到特別的重視，它可以提高系統(tǒng)的功效和容量。我們相信本文為MSS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與市場研究提供了有用的框架?？梢詳喽ǖ氖?，面對未來MSS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)，即衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)在整個(gè)衛(wèi)星通信市場中只占有一個(gè)小的份額，只要在技術(shù)層面和跨層協(xié)議設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探索，就可以尋找到提高擴(kuò)展衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的機(jī)遇。

（譯自Wiley InterScience的有關(guān)論文）