卫星移动通信系统简述

1、卫星移动通信系统简述卫星移动通信系统简述（张乃通、张中兆、郑海鸥）摘要：本文重点介绍卫星移动通信在当前“个人通信”、“信息高速公路”中的 必要性：概述了非同步中、低轨卫星移动通信系统的几项关键技术及卫星移动通信系统可能的 市场前景。一、个人通信信息高速公路 卫星移动通信随着21世纪的到来，卫星通信将进入个人通信时代。这个时代的最大特点就是卫星通信终端达到手持化，个人通信实现全球化。所谓个人通信，是移动通信的进一步发展，是面向个人的通信，国际电联称之为通用个人通信（UPT），在北美则称为个人通信业务时 间、任何地点可与其他任何人实现任何方式的通信。只有利用卫星通信覆盖全球的特点，通过卫 星通信系

2、统与地面通信系统（光纤、无线等）的结合，才能实现名符其实的全球个人通信。1993年美国提出的发展以光纤通信为基础的“国家信息基础设施（NII）”计划有两个特征：1）利用通信光纤网组成全球通信网，实现计算机网络化和信息双向交流：2）用多媒体技术普及计算帆的使用。在美国政府报告中对信息高速公路的明确定义为：它是一 个能给用户提供大量信息的电通信网、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络。具体地说，就是在全国范围内利用光缆等通信手段作为信息流通的干线，通过这些干线和多媒体向全国提供教育、科研、卫生、商务、金融、文化娱乐等广泛的服务。简言之，NII的最终目 标是达到所有的人经由“信息高速公路”联

3、机通信实现“居家上学”、“居家上班”。它提出 了一个广义的、现代的“全民服务”的概念强调给所有想要得到这种服务的美国人，无论在什么 地点都能提供一种方便而且负担得起的手段来享用先进的电信和信息服务。从这个意义上说它实现了在固定状态下的个人通信，但如果缺乏无线通信手段就还不能说实现了在移动状态下的 个人通信。在这个计划中，几乎只字不提卫星通信，这是因为目前C、Ku频段卫星通信频带相对较窄，在与宽带光纤通信接口时成为“瓶颈”的缘故。为此，美国Calling通信公司率先提 出了使用Ku频段发射840颗（现已改用288颗），1375km高，分布在12个轨道上，每轨道面24颗星，轨道倾角84.7度的小型

4、卫星的Teledestc全球通情系统方案，以与地面光纤通信实现算 机联网和信息双向传输，系统峰值负荷可达到200万个双向标准信道。1994年以美国移动卫星公司（AMSC）、美国AT&T等18家卫星制造、应用厂商及通信广播公司组成的“卫星信息高速 公路联谊会”不断向美国政府反映：未来的信息高速公路不应成为光缆独领风骚的一统天下，应该将卫星通信列为信息高速公路的国家信息基础设施（NII）的组成部分。与此同时，美国三大卫星制造公司各自推出了使用Ka频段地球静止轨道星座全球通信系统的计划：美国休斯空 间通信公司提出了以15颗大容量地球静止卫星构成“太空之路”（Spaceway）的计划：洛克希 德马丁公

5、司提出了耗资40亿美元，以9颗大容量静止卫星布置在5个轨道位置的“序宙链路” （Astrolink）计外；洛拉尔空间系统公司也不甘示弱，提出了 “控制星”Cyberstar）计划。 美国休斯空间通信公司还在1995年日内瓦世界电信展览会上推出了超大容量HS 702新型卫 星平台，卫星重达4.6吨，翼展27m，功率高达15kw，通信转发器，装到90台。为此，建立空中信息高速公路大有后来居上之势。空中信息高速公路的飞速发展再一次显示了卫星通信的优势。总之，信息高速公路建设离不开无线通信系统、通信卫星、光纤在“路”的建设中所起的作 用。80年代中期出现了小卫星，这种小卫星能及时采用当代高新技术，急速

6、提高卫星的功能密集度，应用新的设计概念和科学管理方法，从而使现代小卫星具有成本低、重量 轻、体积小、性能高、研制周期短五大特点。对重量在几百kg以下的卫星定义为小卫星的观 点，目前被较多人所接受。英国萨里大学将小卫星又作了进一步细分：小于500kg统称为小卫星 （Small）；100500kg称为超小卫星（mini）； 10100kg称为微型卫星（micro）；小于10kg则称为纤卫星（mano）:重量小于1kg的称为“纳米”卫星。由于小卫星技术的发展，目前卫星移动通信系统采用非同步的中、低轨道卫星。因为它具有传播时延短、路径损耗低、能更有效地频率再用、卫星研制周期短、能多星发 射、卫星互为备

7、份抗毁能力强、多星组网可买现真正意义上的全球覆盖等。这些特点对于实现 终端手持化具有同步卫星不可比拟的优势。近年来提出的众多中、低轨道卫星移动通信系统中发展最快的系统为：低轨道(LEO)的钦(Iridium)和全球星(GlobalStar)系统：中轨道(ME0) 的国际移动通信卫星Inmarsat?-21 (ICO)。二、有关中、低轨卫星移动通信系统的几项关键技术1.星座运行于一定的轨道上，构成一个中、低轨卫星系统需要的所有卫星习惯上称 为一个星座。卫星星座的轨道高度及星座配置是关系到卫星覆盖能力和通信质量的重要参数。轨道高度(H)就卫星在空间运行的轨道形状来说，有圆轨道和椭圆轨道之分。卫星轨

8、道与 地球赤道可以构成不同的夹角(称为倾角)，倾角等于零的称为赤道轨道；倾角等于90。的 称为极轨道：倾角在090。之间的称为倾斜轨道。圆轨道又可分为三种：低轨道(LE0)500kmVHV2000km：中轨道(MEO) 5000kmVHV20000km：地球静止轨道(GEO) H = 35680km。与H有关的参数最小仲角(a m)和单星覆盖面积。在卫星移动通信系统中，由于移动用户的位置是随帆的，此时通信链路的多 径效应严重程度完全取决于卫星仰角的高低。研究结果表明仲角小于20。时，卫星移动通信 系统的特性完全与地面移动通信信道特性一样存在多径现象：当仰角在20。40。之间时，其 通信链路已基

9、本不存在多径现象，仅有漫反射：如果仰角大于40。，信道质量会更好；如果仰 角大于70。，则信道质量总是好的。由此可见卫星仰角的大小决定了通信链路的传输质量，但 在一个卫星移动通信系统中，由于移动用户的位置不定，其对卫星的仰角也不可能完全一致。为了便于对不同卫星移动通信系统进行比较，我们引入了卫星最小仰角的概念。最小仰角是在覆盖区内用户看到卫星的最坏情况时的仰角a m。一般讲H越 高，a m越大，单星的覆盖面积也越大。另一方面当H一定时，a m随卫星数目的增加而增加， 即要维持一定65a m，H越小，系统所需卫星数越多。星座的最少卫星数与H和a m呈函数关系，用单颗卫星所能覆盖的区域去除整个设计

10、的服务区域即可获得最小卫星数。自由空间损耗轨道高度(H)低时，由传输路径长度决定的自由空间损耗也较小LEO的H 仅是GEO的1/201/80，所以其路径损耗通常比GEO低数十dB。然而对于一定的卫星覆盖区，H越小，覆盖区中心与边缘的自由空间衰减的一致性越差。3）信号传播延时H越小，信号传播延时减小：LEO的传播延迟是535ms, MEO的传播延时是 7080ms, GEO的传播延时是250270ms。（3）星座对地面的通信覆盖在低轨卫星系统中的每颗卫星仅能观察2.5%5%的地球覆盖面，其中Iridium 为 2.53%,GlobalStar为5.08%:中轨卫星系统中的每颗卫星能观察23%27

11、%的地球 覆盖面：同步轨道中每颗卫星能观察34%的地球覆盖面。2 .通信体制主要包括调制方式和多址方式。在中、低轨卫星移动通信系统中，大多采用 PSK类调制，其优点是频谱利用率高，比较适合频率间隔密集的个人通信。缺声、是对相位干扰 敏感，因此采用PSK调令与纠错编码相结合的方案。该方案虽然频率利用率有所降低，误码 率指标却可得到保证。在中、低轨卫星个人通信系统中有大量用户入网工作，他们如何互不干扰地 共用通信资源，要通过多址技术来解决问题。在一般卫星通信中采用的FDMA、TDMA、CDMA 等多址技术原则上在中、低轨卫星移动通信系统中均可采用。从当前中、低轨卫星移动通信系统所采 用的多址方式来

12、看，在多址方面有两个趋势，一个趋势是较普遍地采用CDMA，例如Globalstar 等均采用CDMA技术。CDMA理论上允许用户随帆地访问卫星，抗干扰能力强一目前对使用CDMA 有两个有利条件：1）Onalcomm公司的CDMA陆地数字蜂窝标准已被国际电联（IIU）推荐为国际陆 地移动通信使用的一种标准体制：2） 16101612.5MHZ （上行）和2483.52520MHz （下行）MSS 和RDSS频段中专门分出11.35MHz频宽（上行频段的低端，下行频段的低端）给CDMA用，其余 的5.15MHZ频宽供FDMA/TDMA使用。以此来缓和CDMA和FDMA / TDMA支撑着之间的争论

13、。第二个 趋势是混合使用两种多址技术。MF-TDMA （多频时分多址）：这种方法是FDMA与TDMA的结合，在这种多址 方法中，转发器带宽先分成多个频率槽，每个频率槽再由多个地面终端时分共用。Iridium采用了 这种多频时分多址技术，它将10.5MHz分成了 3条3.15MHz的频率信道。每条信道中再采用帧长90ms的TDMA，每个帧可容纳生个50kb/S用户接入。该技术要求协同波束的利用（即接通和断开天 线波束）；协调波束之间的频率管理：提供准确的时间同步。它是比较复杂的，它要求高度复杂的软件来达到上述要求。一FDMA+CDMA:在Globalstar系统中采用了该组合多址方式。在Glob

14、alstar系统中，16.5MHz的上行和下行带宽各分成13三条1.25MHz的CDMA信道，6个天线波束中都采用 这种相同的划分方法。每条1.25MHZ信道根据卢、波束天线增益不同，可支持2744个用产，结 果每颗卫星的总容量为2808个全双工话音电路（传输速率为4.8kb / S，误码率为1X10-3，CDMA的设计完全类似于Oualcomm公司在陆地移动通信系统中所使用的多址方式。3网络结构中、低轨卫星系统能提供局部、区域和全球通信且有与之对应的网络结构。局部通信称为有限距离通信，一般为几十几百km；区域通信指几个国家或一个洲的特定区 域通信：全球通信指在世界范围内建立通信链路。由于卫星

15、将依据轨道力学运动，地球站也将随 地球表面运转，因此，中、低轨卫星通信系统的网络拓外结构是动态的。网络节卢、相互移动，有时还被地球阻挡，作为全球通信系统，通信的连通状态随时间而变化，通信线路也无法固定不变。因而往往采用自适应编路网络结构。中、低轨卫星移动通信系统主要由三部分组成，即卫星、用户终端和关口站。这三部分通过相应的链路接续起来，构成各种卫星移动通信网络。这些链路为：1）用户链路：用户终端与卫星之间的链路，有的称为业务链路。2）馈送链路：关口站与卫星之间的链路。其带宽一般为200MHz左右，通常工作在Ka和C频段。3）星间链路：空中卫星间的链路，也可称交叉键路。通过星间键路能实现更为有效

16、的全球覆盖，信号传输延时短。为此，需采用星上处理，卫星较复杂，星间链路多采 用Ka频段（上述几种卫星移动通信系统中只有“铱”系统计划有星间键路，工作在Ka频段） 或光频段。非实时通信即所谓存贮转发式传输，在这当中，信息从发方发出到收方收到 需要有一定的延时，所以又能传输数据、消息、无线寻呼、电子邮件等。实行非实时通信的网 络有两种：1）星上存贮。在这种网络结构中，当卫星处于发方可视范围时用户就向卫 星发射包括目标用户地址的信令和信息数据，卫星先把数据信息存贮起来，待卫星飞抵收方可规 范围后，再把信息发送下来，在海湾战争中，美海军陆战对曾使用Macsat（多址卫星）每天 有10分钟用来将信息发回

17、美国。2）在地面站存贮。用户把信息发给可视范围内的卫星，卫星将信息转发到 一个地面站存贮起来，待有卫星既能覆盖这个地面站，又能覆盖终端用户或其附近地面站时， 再通过该卫星转发信息。关口站关口站用于卫星移动通信网与公共电话网和地面移动网之间的接口，它完成 协议转换、流量控制、寻址、路由选择、分组的打包和拆包等功能。它也是卫星网到网管及卫 星控制系统的接续点。有的关。站本身就有网络管理功能。关口站通常使用高增益天线，而且要用几副天线接收几颗卫星信号。每个网 使用的关口站数目很不相同，具有星上处理能力和星间链路的卫星移动通信网使用关口站较 少，例如Iridium计划在全世界使用1520个关口站。而采

18、用“弯管式”转发器的卫星系统中， 所有交换和转接均要通过关口站完成，所以关口站的数量较多，而且关口站的位置决定服务区的 大小。用户手持终端个人卫星通信的一个重要要求就是达到终端手持化，这当中手持终端的价格 和重量因素涉及到个人卫星通信能否普遍使用的两个因素。全球星和铱系统均采用四相相移键控调制。2个系统均采用维特比泽码的卷 积码格式的前向纠错码（FECC）。三、发展概况三种星座卫星移动通信系统据国际电信联盟（ITU）的专家预测，到2000年，全球电信业总值将达11.2万亿美元，并将首次超过世界汽车业的总产值，该数字表明，到2000年，电信业将继续成 为世界发展最快的产业。在电信领域最引人瞩目的

19、将是通信市场，它将占全球电信市场的25%： 今后10年，预计全世界总共发射的静止轨道卫星约350颗，此外在今后7年内，吴国Teledesic 公司计划发射LEO卫星840颗，以提供全球宽带自选服务项目。目前，国际上出现“三种星座通信系统”，所谓“三种星座通信系统”为：1）小低轨（little LEO）卫星移动数据传输系统；2）大低轨（big LEO）卫星移动电话系统；3）宽带多媒体通信系统（Ka波段）。（1）小低轨系统Orbcomm将是轨道通信公司组建的全世界第一个小卫星星座系统。Orbcomm 只能买现数据（非话音）全球通信小卫星星座系统，该星座具有投资少、周期短、兼备通信和 定位能力、卫星

20、重量轻、用户终端为于帆、星座运行时自动化水平高、自主功能强等优点。其 具体数据为：由36颗小卫星及地面部分（含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施）组 成。共由5个轨道平面，其中第1轨道平面为2颗卫星，轨道高度736/749km，倾角70,卫星重 量39.5kg，第24三个轨道平面，每个轨道平面布置8颗卫星，倾角45，轨道高度775km圆轨 道，第5轨道平面为2颗卫星，倾角计划为105，轨道高度为700km，主要为增大高纬度地区通 信覆盖区，以上5个轨道平面总共28颗卫星，另外8颗卫星为备份，为发射失败后的补充，若全 部发射成功，这8颗卫星将在发射进入第6轨道平面，倾角为生45从而增加通信实

21、时性，进一 步扩大全球覆盖面。Orbcomm几年来一直被认为处于领先地位。分析家们普遍认为，台球还可以 容纳12个低轨系统。但对Orbcomm系统外谁能成功尚不能下结论。当前参加竞争的有：美国 的 E-Sat，Final Analysis以及LEO-ONE3个系统（它们都在等待FCC批准）：俄罗斯的“信 使”（Gomets）系统，加拿大的Sila系统。A.Parker说：它们之间的竞争不在它们之间而在它们 同大低轨系统和地面系统之间。（2）大低轨系统目前希望最大的是：铱、全球星系统和ICO公司。到目前为止，“铱”系统 星座已布置完毕，并于1998年11月开上台商业业务，从而领先于其它竞争者，成

22、为世界上第一个 投入使用的大低轨系统。“铱”系统公司已在1997年第三季度开始“第一代铱卫星”（INX-IridiumNext Generation）的工作，而Motorda公司已为此计划工作了三年。INX系统的特点为：1） 该系统在某些情况下可允许用户在打同一电话时交替使用蜂窝业务和卫星业务：2） INX的手机 重200g，比目前“铱”手帆轻100g； 3）正在开发新技术，将使卫星的信号强度从16dB增加 到35dB； 4）考虑用一个电话号码作为使用户与用户的电传帆等产品进行联机的途径。L.Taglor 的咨询公司在一份研究报告中指出：到2003年，big LEO和GEO移动电话将会有150

23、0万个用户，其中big LEO将占有10001100万个用户，它们也将获得可观的经济回报。欧洲咨询公司的分析 家陈纳德（Chenard）预测说，big LEO系统之间将有一场市场大战，“它们的业务发展不平衡，而且都宣称要降低价格，看来将会发生价格大战。”（3）宽带多媒体系统据前不久预测，到2000年，全世界将有1.5已个使用Internet网的家庭需要高质量的电文、话音、数据和视频通信业务，这将是一个高达400亿美元的市场。为此，美国许 多卫星通信经营商纷纷向美国联邦通信委员会（FCC）提出申请，以期在此市场中占得一席之地。 经过前一轮角逐，目前已有13家公司获得了 FCC的许可证。他们都将利

24、用Ka波段（2030GHz）提供宽带、大容量、多媒体的卫星通信业务。最近，由欧空局（ESA）出资，美国的TelAstra 卫星咨询公司对14个已提出的宽带系统进行了排队比较（主要内容为：成本、进度风险性，并 获得其他公司的多大支持、系统是否会发生信号延迟、是否是全球性系统、地面系统的复杂程度 等），得出如下的排队情况:洛克希德-马丁公司的Astrolink系统:洛拉尔公司的Cyberstar：GE美国公司Gestar；摩托罗拉公司的M-star，M-star实际上包括三个独立的星座：1） GEO 的“盛世”（Millenonium）系统，2） M-star 系统（LEO），3） Ceestri

25、 系统（LEO）:休 斯公司的Spaceway：以及Teledesic系统。这6个领先的系 统，也有可能进一步被淘汰。因为据TelAstra司估计，假定卫星占有6%9.5%的市场份额，全球对卫星多媒体业务的需求为 108GbpS285GbpS，而上述6个系统合起来可以提供生38GbpS，为全球需求的2倍以另外摩托罗拉，洛克希德一马丁，休斯和Teledesic等公司的高层人士都同 意：Ka频段卫星系统的研制者面临着艰难的技术挑战。挑战概括起来有以下五点：1）采用Ka 频段卫星间链路的“铱”系统有178个定制的ASIC，平均每个有125000门，但在研制中的Ka频段系统，其处理器要比“铱”系统的处

26、理器复杂1001000倍：2）要保证高速传输的数据没有明息的时延；3）要克服信号雨衰：4）要保持星座中的卫星之间能进行光通信：5）要通过每 颗卫星上复杂的高功耗开关进行信息包的路由选择。2、市场预测据美国空间新闻周刊报道，华尔街分析家预测，未来10年内，全世界 的投资商将会在各种卫星通信系统中注入1000亿美元，以获取可观的利润。如Orion全球卫 星通信系统中的Orion-1卫星，虽然仅科出卫星转发器30%的通信容量，每年的营业收入就达 2000万美元：如果在今后5年内通信容量出租率达到85%，每年的收益可达2亿美元。目前Orion 卫星股份每股为1112美元。当卫星转发器出租率达到75%时

27、，每股将达到20美元，持股者可 从中获净利5美元。据美国权威市场调查机构Frost & Sullivan公司预测：到2000年，全球卫 星通信地面设备市场的年营业额将增加到220亿美元.比1995年的营业额（约107亿美元）增长 一倍多，其中卫星手持电话和卫星直播电视接收机将占市场主导地位。卫星移动通信终端的全球市 场将从1995年底的4.54亿美元增加到2001年的24亿美元：包括直播电视机在内的广播地面 站的全球市场将从1995年的88亿美元增加到2001年的137亿美元。全球卫星地面设备市场报告预测：到2001年.卫星固定通信地面站的全球市场份额将占70%，相当于卫56亿美元，移动卫星

28、通信地面终端的市场份额占129%（64亿美元）。而在1995年固定通信地面设备市场占95%， 移动通信地面终端仅占4%。从地区分布看，到2001年.北美卫星地面设备市场的上占有量将从1995年的27.5%下降到20.8%：欧洲市场将从1995年的28.7%上升为2001年的30.6%。包括亚太地区在 内的其它地区市场占有率将从1995年的43.8%上升为2001年的48.6%。亚太地区是当前全球卫星通信市场的热点之一。中、日、美、印尼、马来西 亚、韩国、泰国、新加坡和台湾的几十家公司及国际移动卫星组织和国际通信卫星组织都在竞 相抢占市场。据统计，1995年亚洲上空共有32颗在轨通信卫星，共计7

29、92台通信转发器 可供用尸使用。至0本世纪末，亚洲上空的通信转发器将增加到1000台。亚太地区在卫星通信方面正处在蓬勃发展时期。这种趋势在过去几年如果说还不够明朗的话，那么现在已看得很清楚了。这个地区人口众多，经济迅速发展，但通信手段 落后。因此，在卫星通信方面增长潜力巨大。据欧洲咨询机构的一份调查报告预测：到2005年，亚太地区商业卫星市场可望做成70-100亿美元的生意，几乎相当于同期美、欧商业卫星市场份额的两倍，这意味着要制造和发射86-109颗新的通信卫星。欧洲咨询公司在1996年2月发表的一项调查报告中指出：亚太地区至少在未来10年内对电话服务的需求将会继续迅速发展。除光纤通信外，卫

30、星通信市场潜力巨大。因该地 区平均每100人中拥有20都直拨的国家很少。有些国家(如中国)每100人中只有10部直拨电话，而美国每100人中有90多都电话。亚太地区需要花2025年时间才能赶上美国现有的电话密度。因此，该公司的分析家预测，支持亚太地区国内程控电话迅速发展所需的卫星转发器将从1991年的850台猛增到2000年的2100台以上。该公司还预测，亚太国家为保持经济发展的步伐，对国际通信的需求增长势头将高于国内程控电话的增长速度，预计每年平均增长25%左右。第二个明显的结论是：由于卫星信号传输、卫星通信公司间合资和合作经营 的方式不受国界限制，亚太各国通信公司的目光纷纷投向本国之外的整个亚太市场。1995年1 月，东南亚六家大型通信公司已结成“联盟”，鼓励扩大各个卫星公司所经营的卫星通信网，最终建立由跨国公司经营的区域通信网，无需经多个不同政府部门的许可即可进行“一站到位” 的卫星通信。据美国空间新闻周刊1998年1月915日和2月28日的两期报道，亚洲金融危机已使全球卫星通信最热点的亚太市场蒙上阴云。一些受冲击最大的国家，如泰国ABCN 公司和印尼PSN公司不得不要求劳拉空间系统公司暂停生产原定今年初和年底发射的两颗L-Star电视直播卫星和一颗亚洲多媒体卫星