移动卫星通信

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移动卫星通信(mobile satellite communication)

　　移动卫星通信就是利用卫星作为中继站，实现地面、空中、海上移动用户之间，或移动用户与固定用户之间的相互通信。它是卫星通信的一种重要方式。

　　移动卫星通信与固定卫星通信相比要求要高很多。由于实际要求限制，一般天线的口径小，收发能力差，特别在行进中通信可能会遇到如传输延迟、背景噪声以及受到遮挡等不利条件。因此，移动卫星通信比固定站址的卫星通信系统要复杂的多。固定站址的卫星通信，地球站使用的天线口径比较大，收发能力强、卫星的发射功率可以低一些。而移动卫星通信的天线都安置在车、船、飞机上，天线口径小，收发能力较差；由于条件限制，它也不可能具备固定站址的卫星通信系统中高精度的对卫星的自动跟踪设备，移动卫星通信系统的天线指向能力低，所以对卫星的发射功率要求比较高。另外，由于移动卫星通信用户的移动，高山、建筑、树木的遮挡、地球表面的反射等，使得移动卫星通信的通信信道也比较复杂。

　　移动卫星通信系统主要由卫星转发器、地面主站、地面基站、地面网络协调站和众多的远程移动站组成，如图1所示。

　　图1　　移动卫星通信系统的组成

　　1．卫星转发器

　　转发地面、空中、海上固定站和移动站的信息，起中继作用，所以也称为卫星中继站。

　　2．地面主站

　　较大容量的地球站，是移动卫星通信系统的核心。主站也称关口站，它担负公众电话网和移动卫星通信网之间的转接，为远程移动站和固定站用户提供语音和数据传输通道。对于公众网数据业务的传输和接收，主站要完成数据的分组交换、接口协议转换、路由选择等。网络控制中心也设在主站内，它主要执行下面三个功能：

　　1)对卫星转发器的性能、工作状态进行监测控制，根据要求控制卫星转发器的切换。

　　2)承担全网络的管理，如发送信令和信标信号，对整个系统性能和所有设备进行监测、故障查询及切换、频谱监视、频率和功率控制、记费等。

　　3)完成按需分配多址(Demand Assigned Multiple Access，DAMA)控制。移动终端通过信令发出呼叫申请，网络控制中心收到申请信号后，通过数据库找出空闲业务信道，再通过信令告之移动终端和相关的地面主站。

　　3．地面基站

　　是小容量的固定地球站，它主要完成远程移动终端与地面专用通信系统(或蜂窝通信网)之间的转接作用，其接口、协议和信令要和相应的地面网制式兼容。

　　4．网络协调站

　　负责某覆盖区域的信息分配和网络管理。协调站也可由覆盖区内的地面基站兼任。

　　5．远程移动站

　　可以是车、船、飞机及步行的人等。它的设备包括：天线、射频单元和终端，终端又可以分为无线电终端、电话终端、数据终端。在终端设备上配置有单片机，担任DAMA处理功能，通过信令信道接收网络控制中心的指令，并自动调整业务信道。

　　移动卫星通信系统通常可以按通信系统的应用分类，也可以按卫星和终端的状态分类，还可以按卫星的轨道分类。

　　1．按应用分类

　　移动卫星通信系统可分为海事卫星移动系统(Maritime Mobile Satellite System，MMSS)、航空卫星移动系统(Aero Mobile Satellite System，AMSS)和陆地卫星移动系统(Land Mobile Satellite System，LMSS)。

　　1)海事移动卫星系统

　　该系统主要用于改善海上救援工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增强海上通信业务和无线定位能力。国际海事卫星组织(International Maritime Satellite Organization，INMARSAT)于1979年7月16日成立，总部设在英国伦敦。中国是创始成员国之一，目前有11颗运行和备用卫星，代表着其第一代和第二代卫星系统。卫星运行在四个区域：太平洋、印度洋、大西洋东区和大西洋西区。第三代卫星已于1996年发射，与前两代卫星不同的是，每一颗第三代卫星除有全球波束外还带有五个点波束。点波束可在小范围内集中较大的功率，因此地面可以使用小型、低功率移动终端，从而降低空间段的费用。

　　2)航空卫星移动系统

　　该系统主要用于飞机和地面之间为机组人员和乘客提高语音和数据通信。早在1964年利用卫星进行航空移动通信就已经被提出来了，但由于技术、经济、国际合作、所有权和经营权等方面的问题而拖延，一直到1988年才在海事卫星进行了飞行通信试验。既而在1991年通过海事卫星在新加坡、挪威和英国的三个地球站，向太平洋、印度洋和大西洋上空的飞机提供通信。目前，包括中国在内，世界上的各大航空公司的飞机上都有机载站。

　　3)陆地卫星移动系统

　　对于幅员辽阔、山区和沙漠占比重很大的国家，目前的蜂窝移动通信所不能完全覆盖，该系统利用卫星为行驶在对地面蜂窝移动通信不能覆盖的地区的运行车辆提供通信服务。美国、加拿大、澳大利亚等国都在进行开发和研究，并已实现在车、船和飞机等移动体上的通信，甚至实现到手机的通信。卫星移动通信以其通信面积广的独特优势得到了国际上高度重视。

　　2．按卫星的轨道分类

　　按卫星距离地球的高度可分为三种卫星轨道：低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)和高地球轨道(GEO)。

　　1)低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星距地面500～5000km，运行周期为2～4h。

　　利用LEO卫星使实现手持机个人通信成为现实。卫星的轨道高度低，使得传输延时短，路径损耗小，多个卫星组成的系统可以实现真正的全球覆盖。采用蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。整个系统如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接人系统。因此，LEO卫星系统被认为是最有前途的卫星移动通信系统。但系统要求卫星数量多，发射投资高，卫星寿命也相对较短，系统技术复杂。

　　2)中地球轨道(MediumEarthOrbit，MEO)卫星距地面5000～20000km，运行周期4～12h。

　　MEO系统中的卫星数量少于LEO系统，每颗卫星对其覆盖地区的服务时间比LEO卫星长，因此，该系统的控制和切换均比较简单，卫星及地球站成本低，卫星寿命较长。MEO系统兼顾了LEO系统和GEO系统的特点。

　　3)高地球轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)严格的讲应该叫做静止地球轨道，实际上就是前面介绍过的同步地球卫星。由于卫星距地面35800km，比前两者高得多，所以通常把它称为高地球轨道。它的运行周期为24h。

　　GEO移动卫星通信系统最早用于海事通信业务，以后又发展用于航空移动通信。近年又推出了用于陆地便携式移动卫星通信系统，可提供语音、数据和传真服务。自20世纪60年代以来，人类已将数以百计的通信卫星送入GEO，由于该轨道的卫星的寿命长、使用简单，在实现国际远距离通信和电视传输方面，这些卫星一直担当主角。但GEO卫星通信系统也存在一些问题。

　　a)需要有较大口径的通信天线。自由空间中，信号强度与传输距离的平方成反比，也就是说，信号强度随距离的加大衰减的速度很快。因为GEO卫星距地球过远，所以要求抛物面天线的口径比较大。

　　b)信号经过远距离传输会带来较大的时延。高轨道卫星距离地球35800km，地球的两个用户通过卫星中继通话，信号要传输70000km以上，会产生零点几秒的时延。这种时延会使人在通话中感到明显的不适应。在数据通信中，时延限制了反应速度，信息将会滞留在缓冲器中。

　　c)轨道资源紧张。GEO卫星在赤道上只有一条，相邻卫星的间隔又不可以过小，GEO卫星只能提供180个轨道位置。这其中还包括了许多实用价值较差，处于大洋上空的位置。

　　移动卫星通信系统，尤其是数量众多的小卫星中、低轨移动通信系统是一个非常庞大而技术非常复杂的大系统。其主要关键技术有：

　　(1)卫星轨道选定和发射控制技术。

　　(2)卫星大型多波束天线及控制、转发技术。

　　(3)星上交换和处理技术。

　　(4)大型卫星平台技术。

　　(5)星上大功率输出技术。

　　(6)卫星星间通信技术。

　　(7)信道切换技术(硬切换、软切换)。

　　(8)系统内外频率兼容和干扰控制技术。

　　(9)防窃听加密技术。

　　(10)高效纠错编译码算法和调制解调技术，多址技术(FDMA、TDMA、CDMA)。

　　(11)小型高效移动终端天线技术，包括手持机天线和机载天线。

　　(12)网管和网控技术(信令路由、业务路由、信道分配等)。

　　(13)网络接续技术(卫星网与地面网接续)。

　　为了简化系统的复杂程度，有些移动卫星通信系统不采用星间通信链路，少数系统采用FDMA方式，多数采用TDMA或CDMA方式，具体采用哪种多址方式与系统容量有关。但CDMA方式能提供软切换信道，使信道的切换更为可靠。网络管理及与地面网的接续，通常是由网控关口站和网控中心(NCC)来实现的。