張華沖，韓 星，謝華軍，楊 松

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32053部隊，廣東 廣州 510010)

0 引言

國際海事衛(wèi)星組織(International Maritime Satellite Organization，Inmarsat)，成立于1979年，1994年12月更名為國際移動衛(wèi)星通信公司，英文簡稱Inmarsat保持不變[1]。經(jīng)過近40年穩(wěn)定發(fā)展，Inmarsat所屬的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了第五代，提供安全救險和商用寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)，全面為海、陸、空等移動用戶提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。Inmarsat是世界最早的地球同步軌道(Geo synchronous Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，也是世界最大的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，在用衛(wèi)星終端超過30多萬臺，覆蓋全球約85%土地(除南、北兩極)和世界上大約98%人口，占據(jù)了全球衛(wèi)星移動通信市場48%的份額。

海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Global Xpress，GX)是Inmarsat最新一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，提供無縫的全球覆蓋和移動寬帶服務(wù)，其用戶覆蓋政府、海事、企業(yè)、能源和航空等領(lǐng)域[2]。

目前，針對海事五代衛(wèi)星系統(tǒng)的研究多集中在應(yīng)用方面，對其采用的關(guān)鍵技術(shù)的分析較少。文獻[1-2]介紹了海事、邊遠地區(qū)開發(fā)方面的應(yīng)用。文獻[3-4]介紹了遇險救護、航空、電視廣播方面的應(yīng)用。文獻[5]介紹了海事五代衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

本文針對海事五代衛(wèi)星采用的關(guān)鍵技術(shù)展開深入討論，分析了其抵抗雨衰冗余配置方案、提高通信容量和傳輸可靠性的原理及成功經(jīng)驗。總結(jié)海事五代衛(wèi)星的技術(shù)特點，有助于推動我國衛(wèi)星移動通信、應(yīng)急通信事業(yè)的發(fā)展。

1 海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用全IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，整個系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 空間段

空間段包括3顆Inmarsat 5主衛(wèi)星和1顆備份衛(wèi)星，位于赤道上空的地球同步軌道，可對全球南北緯78°之間的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全面覆蓋。衛(wèi)星載荷采用透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，通過全球波束和點波束與地面段和用戶段設(shè)備進行通信。衛(wèi)星的軌位、覆蓋區(qū)域及發(fā)射時間如表1所示。

表1 海事五代衛(wèi)星軌位、覆蓋區(qū)域及發(fā)射時間

衛(wèi)星軌位覆蓋區(qū)域發(fā)射時間Inmarsat-5F162.6°E歐洲、中東、非洲和亞洲2013-12-08Inmarsat-5F255°W美洲及大西洋地區(qū)2015-02-01Inmarsat-5F3179.6°E太平洋、亞洲、美洲西部2015-08-28Inmarsat-5F4(備份星)117.5°E中國及一帶一路沿線2017-05-16

1.2 地面段

地面段包括衛(wèi)星關(guān)口站(Satellite Access Station，SAS)、網(wǎng)絡(luò)運行中心(NOC)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)(DCN)和網(wǎng)關(guān)等，負責完成前向信號和反向信號的收發(fā)與控制、信道資源分配、QoS控制、IPv4/IPv6協(xié)議實現(xiàn)、動態(tài)路由控制、波束切換、加密控制、衛(wèi)星控制及與其他網(wǎng)絡(luò)(如PSTN)的接口等。地面段共有6個SAS，每顆衛(wèi)星與一主一備2個SAS通信。不同的衛(wèi)星關(guān)口站通過地面光纖網(wǎng)相連。

1.3 用戶段

用戶段包括用戶終端設(shè)備和USIM卡，用戶終端通過空中接口與海事五代衛(wèi)星進行通信。

Inmarsat GX終端涵蓋海、陸、空領(lǐng)域，所有終端廠商需經(jīng)過Inmarsat嚴格認證。終端天線尺寸范圍為45～240 cm，根據(jù)安裝方式分為固定式和便攜式；根據(jù)支持頻段分為僅Ka頻段、混合Ka/L頻段、Ku/Ka頻段等。

GX終端的生產(chǎn)廠商有：COBHAM，Intellian，SKYWARE Technologies等。

COBHAM的GX終端集成了iDirect公司的modem模塊，內(nèi)置GPS模塊，配置WLAN口與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信，配置LAN(或WLAN)口連接用戶終端設(shè)備。以該公司的典型便攜式產(chǎn)品EXPLORER 5075GX[6]為例介紹其主要參數(shù)：

① 天線口徑：0.75 m；

② 接收G/T值：17.3 dB/K；

③ 發(fā)射EIRP值：51.5 dBW；

④ 一鍵尋星：支持；

⑤ 支持業(yè)務(wù)類型：語音(VoIP)、數(shù)據(jù)、傳真和直播等；

⑥ 尺寸(長/寬/高)：57.1 cm×53.6 cm×28.9 cm；

⑦ 重量：20.2 kg。

1.4 空中接口參數(shù)

海事五代衛(wèi)星空中接口的主要參數(shù)如下：

① 衛(wèi)星星座：4顆GEO衛(wèi)星；

② 波束配置：1全球波束+89個固定點波束+6個可調(diào)整點波束[3]；

③ 頻段：用戶上行鏈路：29.0～30.0 GHz，RHCP極化；下行19.2 ～20.2 GHz，LHCP極化；

④ EIRP(固定點波束)：51 dBW(40 MHz)；

⑤ 信號體制：前向DVB-S2 ACM；

反向MF-TDMA；

⑥ 數(shù)據(jù)吞吐率：下行50 Mbps/上行5 Mbps(固定點波束)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 關(guān)口站冗余配置降低了雨衰影響

海事五代衛(wèi)星采用Ka頻段。Ka頻段雖然頻譜可用率高，但是雨衰對該頻段衛(wèi)星通信影響很大。有數(shù)據(jù)表明，在大于0.1%的時間內(nèi)對于30 GHz的上行頻率雨衰可超過40 dB，而20 GHz的下行頻率雨衰也將超過20 dB。降雨除了直接使信號的功率下降以外，還會產(chǎn)生極化損失、增大地面站天線的噪聲、溫度等，這些因素都會使得Ka頻段衛(wèi)星通信可靠性降低。

在海事五代衛(wèi)星饋電鏈路中，采用位置分集技術(shù)抵抗雨衰影響。在每顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域布設(shè)2個關(guān)口站，其中位于希臘的Nemea關(guān)口站和意大利的Fucino關(guān)口站將負責印度洋衛(wèi)星的業(yè)務(wù)接續(xù)，位于美國的Lino Lakes和加拿大的Winnipeg將負責大西洋衛(wèi)星的業(yè)務(wù)接續(xù)，位于新西蘭的Warkworth和Auckland負責太平洋衛(wèi)星的業(yè)務(wù)接續(xù)。每對關(guān)口站地理上相距幾百km。一般的，對于較大降雨，當2個接收站點距離超過20 km時，即可認為接收信號是不相關(guān)的。

每個洋區(qū)的2個關(guān)口站通過網(wǎng)絡(luò)匯接中心(MMP)連接到海事衛(wèi)星全球網(wǎng)絡(luò)，互為備份，能夠自動切換。保證衛(wèi)星通信與衛(wèi)星控制不中斷。關(guān)口站配置示意如圖2所示。

圖2 關(guān)口站配置示意

每對關(guān)口站配置一個MMP，全球范圍內(nèi)的3個MMP分別部署在紐約、悉尼和阿姆斯特丹，通過多協(xié)議標簽交換網(wǎng)絡(luò)(MPLS)互聯(lián)。關(guān)口站與MMP之間通過專用光纖連接，支持帶寬可達2～10 Gbps。MPLS是基于標記(Label)機制的分組交換機制，是用于IP骨干網(wǎng)絡(luò)的交換標準。

2.2 雙衛(wèi)星星座架構(gòu)進一步提高了傳輸可靠性

海事四代衛(wèi)星系統(tǒng)基于L波段，L頻段傳輸鏈路受雨雪、溫度等天氣等影響極小，是衛(wèi)星通信的黃金頻段。為了進一步降低雨衰對海事五代用戶通信的影響，提高通信可靠性，Inmarsat對海事五代與四代系統(tǒng)進行了混合組網(wǎng)。在受到雨雪天氣影響的情況下，通信業(yè)務(wù)將切換至四代星系統(tǒng)承載，待雨雪停止，五代星系統(tǒng)信號恢復(fù)后，業(yè)務(wù)將再切換至五代星系統(tǒng)承載[9]。Ka與L頻段混合組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 Ka與L頻段混合組網(wǎng)架構(gòu)

在用戶側(cè)，負責進行業(yè)務(wù)切換的設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)切換控制器(Network Service Device，NSD)，不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過NSD分別輸出給用戶設(shè)備(包括話機、計算機等)；在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，海事四代和海事五代系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分別通過各自的關(guān)口站SAS接入到MMP，在MMP中進行網(wǎng)絡(luò)切換與數(shù)據(jù)交換。

目前，Inmarsat推出的FX服務(wù)即是這種混合組網(wǎng)在海事方面的成功案例。未來Inmarsat的五代星系統(tǒng)業(yè)務(wù)將與四代星系統(tǒng)業(yè)務(wù)并網(wǎng)運營10年以上，這2代衛(wèi)星通信系統(tǒng)各自明確定位及相互補充，不但提高了通信可靠性，也給行業(yè)用戶帶來更多的業(yè)務(wù)選擇。

2.3 點波束與頻率復(fù)用技術(shù)保證了高帶寬

海事五代衛(wèi)星配置了3種類型的波束。

全球波束(Global Beam)：該波束具有很低的EIRP值和G/T值，使用GSC-outbound(GSC-OB)信號，承載全球服務(wù)信道(GSC)，信道上承載廣播信息，為終端下發(fā)活動點波束、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)信道的載波配置參數(shù)等信息。

固定點波束(Global Service Beam)：每顆衛(wèi)星提供89個固定點波束，其中72個為活動點波束[7]，單個點波束的3 dB主瓣寬度在2.02°左右，地面覆蓋區(qū)域的直徑約1 300 km。每個活動點波束可以配置1或2個信道，且可以動態(tài)調(diào)整。每個信道帶寬為40 MHz。

高容量點波束(High Capacity Payload Beam)：每顆衛(wèi)星配置8個可調(diào)整的高容量點波束，其中2個點波束用于網(wǎng)關(guān)饋電鏈路，另外6個點波束可以用于商用頻段和軍用頻段[8-9]，為全球熱點地區(qū)提供額外的帶寬。高容量點波束主瓣寬度為1.2°，地面覆蓋直徑約為800 km，這種波束有100 MHz的可用雙向帶寬，每個波束可以承載1或者2個信道，具有信道動態(tài)分配能力。

固定點波束和高容量點波束用于承載用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。固定點波束分配的下行頻段[10]為：19.7～20.2 GHz；上行頻段為：29.5～30 GHz。采用頻率復(fù)用技術(shù)，整顆衛(wèi)星可用帶寬總計為：2×72×40 MHz=5.76 GHz。單個點波束的通信速率可達：下行50 Mbps/上行5 Mbps。高容量點波束用戶上行鏈路：29.0～29.5 GHz；用戶下行鏈路：19.2～19.7 GHz。

在災(zāi)害救護、運動會等人口聚集地區(qū)，除了可以提供固定點波束的通信容量外，還可以調(diào)整高容量點波束指向，使其波束覆蓋這些熱點地區(qū)，提供額外的通信容量。固定點波束的廣域覆蓋性與高容量點波束的可調(diào)整能力，極大地滿足了全球范圍的各種通信需求[11]。

2.4 切換技術(shù)保證了移動服務(wù)性能

切換問題是衛(wèi)星移動通信中的特殊問題，對航海、航空及車載終端等，由于衛(wèi)星終端在不同波束間移動導致的鏈路切換對業(yè)務(wù)的影響要降到最小。GX終端支持波束切換與衛(wèi)星切換。

每個GX終端配置了2個接收機，在同一衛(wèi)星的波束之間能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換。當GX終端由波束1移動到波束2時，由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)決定終端進行波束切換，網(wǎng)絡(luò)向終端發(fā)送一條指令，啟動第2個接收機，接收波束2的下行信號；終端的第2個接收機與波束2同步后，網(wǎng)絡(luò)就把通信業(yè)務(wù)無縫切換到波束2。

當終端由一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)進入另一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)時，就要進行衛(wèi)星切換。由于終端天線需要重新指向新的衛(wèi)星，不可避免地會發(fā)生業(yè)務(wù)中斷。GX終端通過接收廣播信息，獲取需要切換的目標衛(wèi)星位置，因此終端可以快速跟蹤到目標衛(wèi)星，業(yè)務(wù)中斷時間約為30 s。

2.5 自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)

海事五代系統(tǒng)中前向鏈路采用DVB-S2 ACM技術(shù)，處于同一個點波束內(nèi)的多個用戶數(shù)據(jù)以TDM方式復(fù)用在同一個載波中，依靠HDLC地址區(qū)分不同用戶的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)站根據(jù)每個用戶所處地點的EIRP、終端天線口徑和終端回傳的信道參數(shù)等，自適應(yīng)地調(diào)整前向鏈路的調(diào)制方式、編碼參數(shù)和符號速率。支持的調(diào)制方式有QPSK，8PSK，16APSK，32APSK；編碼方式采用BCH+LDPC級聯(lián)碼[12]，支持的編碼率為1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9。形成多種編碼調(diào)制參數(shù)組合，不同的參數(shù)組合具有不同的抗噪性能，能夠適應(yīng)的信噪比范圍為-1.7～13.8 dB。關(guān)口站根據(jù)信道質(zhì)量自適應(yīng)地選擇最優(yōu)的編碼調(diào)制組合，參數(shù)逐幀可變，保證每個用戶數(shù)據(jù)的可靠傳輸，并提供最優(yōu)的傳輸速率。

典型的前向鏈路傳輸示意如圖4所示。對于信道條件惡劣的用戶，系統(tǒng)選擇低階調(diào)制、糾錯能力強的編碼參數(shù)，保證了傳輸可靠性；對于信道質(zhì)量較好的用戶，系統(tǒng)選擇階數(shù)高的調(diào)制方式、編碼率高的參數(shù)，從而保證高的數(shù)據(jù)率，提高了傳輸效率。與固定調(diào)制編碼方式相比，海事五代衛(wèi)星系統(tǒng)中采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)一方面大大提高了信道利用率，另一方面增強了海事五代信號抗截獲、抗偵收能力。

圖4 前向鏈路傳輸示意

3 海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用

海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有高頻段、高穩(wěn)定性、全球覆蓋和動中通等特點，其應(yīng)用主要包括以下幾個方面[13]：VoIP應(yīng)用，提供話音通信服務(wù)；實時視頻音頻傳輸、視頻會議等；辦公應(yīng)用，包括VPN接入、SAP和電子郵件；實時交互式服務(wù)；高速寬帶網(wǎng)絡(luò)接入；高速文件傳輸；遠程醫(yī)療；軍事應(yīng)用[10]。

海事衛(wèi)星波束覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區(qū)，可以為用戶提供高速、高容量和可靠、經(jīng)濟的通信服務(wù)，在通信領(lǐng)域為“一帶一路”國家戰(zhàn)略鋪平了道路。

隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的推進，各類航運船舶在通信帶寬、速率和業(yè)務(wù)類型等方面提出了越來越高的要求，海事五代衛(wèi)星系統(tǒng)可以方便地在船上開展語音通信、移動聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控、視頻會議和遠程醫(yī)療等工作，為海洋漁業(yè)捕撈、海洋資源勘探、海洋權(quán)益保障和遠洋航運安全等方面提供了保障。

海事五代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展對我國提出的“一帶一路”、海洋戰(zhàn)略的發(fā)展起到了強力推進作用。

4 結(jié)束語

目前，在提供服務(wù)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，海事五代衛(wèi)星代表了最高的技術(shù)水平，無論從帶寬、覆蓋范圍、用戶體驗，還是支持用戶數(shù)量等方面都是其他衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)無法相比的。

現(xiàn)階段，Inmarsat除了大力發(fā)展海事五代衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)以外，還制訂了海事六代衛(wèi)星系統(tǒng)的規(guī)劃。Inmarsat已經(jīng)與Airbus Defence and Space公司簽訂了海事六代衛(wèi)星訂購合同[14]，合同額為6億美元，并開展了相關(guān)技術(shù)研究。海事六代衛(wèi)星采用L/Ka雙頻段構(gòu)建全新的通信網(wǎng)絡(luò)，并計劃于2020年發(fā)射衛(wèi)星[15]。

我國的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)尚處于起步階段，與國際先進水平還有較大差距。海事五代衛(wèi)星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及其中的點波束與頻率復(fù)用技術(shù)、雙星座系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)等代表著衛(wèi)星移動通信的發(fā)展方向。跟蹤并借鑒這些技術(shù)，對促進我國的衛(wèi)星移動通信事業(yè)的發(fā)展及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[16]的建設(shè)具有重要意義。