移動衛星通信

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移動衛星通信(mobile satellite communication)

　　移動衛星通信就是利用衛星作為中繼站，實現地面、空中、海上移動用戶之間，或移動用戶與固定用戶之間的相互通信。它是衛星通信的一種重要方式。

　　移動衛星通信與固定衛星通信相比要求要高很多。由於實際要求限制，一般天線的口徑小，收發能力差，特別在行進中通信可能會遇到如傳輸延遲、背景雜訊以及受到遮擋等不利條件。因此，移動衛星通信比固定站址的衛星通信系統要複雜的多。固定站址的衛星通信，地球站使用的天線口徑比較大，收發能力強、衛星的發射功率可以低一些。而移動衛星通信的天線都安置在車、船、飛機上，天線口徑小，收發能力較差；由於條件限制，它也不可能具備固定站址的衛星通信系統中高精度的對衛星的自動跟蹤設備，移動衛星通信系統的天線指向能力低，所以對衛星的發射功率要求比較高。另外，由於移動衛星通信用戶的移動，高山、建築、樹木的遮擋、地球錶面的反射等，使得移動衛星通信的通信通道也比較複雜。

　　移動衛星通信系統主要由衛星轉發器、地面主站、地面基站、地面網路協調站和眾多的遠程移動站組成，如圖1所示。

　　圖1　　移動衛星通信系統的組成

　　1．衛星轉發器

　　轉發地面、空中、海上固定站和移動站的信息，起中繼作用，所以也稱為衛星中繼站。

　　2．地面主站

　　較大容量的地球站，是移動衛星通信系統的核心。主站也稱關口站，它擔負公眾電話網和移動衛星通信網之間的轉接，為遠程移動站和固定站用戶提供語音和數據傳輸通道。對於公眾網數據業務的傳輸和接收，主站要完成數據的分組交換、介面協議轉換、路由選擇等。網路控制中心也設在主站內，它主要執行下麵三個功能：

　　1)對衛星轉發器的性能、工作狀態進行監測控制，根據要求控制衛星轉發器的切換。

　　2)承擔全網路的管理，如發送信令和信標信號，對整個系統性能和所有設備進行監測、故障查詢及切換、頻譜監視、頻率和功率控制、記費等。

　　3)完成按需分配多址(Demand Assigned Multiple Access，DAMA)控制。移動終端通過信令發出呼叫申請，網路控制中心收到申請信號後，通過資料庫找出空閑業務通道，再通過信令告之移動終端和相關的地面主站。

　　3．地面基站

　　是小容量的固定地球站，它主要完成遠程移動終端與地面專用通信系統(或蜂窩通信網)之間的轉接作用，其介面、協議和信令要和相應的地面網制式兼容。

　　4．網路協調站

　　負責某覆蓋區域的信息分配和網路管理。協調站也可由覆蓋區內的地面基站兼任。

　　5．遠程移動站

　　可以是車、船、飛機及步行的人等。它的設備包括：天線、射頻單元和終端，終端又可以分為無線電終端、電話終端、數據終端。在終端設備上配置有單片機，擔任DAMA處理功能，通過信令通道接收網路控制中心的指令，並自動調整業務通道。

　　移動衛星通信系統通常可以按通信系統的應用分類，也可以按衛星和終端的狀態分類，還可以按衛星的軌道分類。

　　1．按應用分類

　　移動衛星通信系統可分為海事衛星移動系統(Maritime Mobile Satellite System，MMSS)、航空衛星移動系統(Aero Mobile Satellite System，AMSS)和陸地衛星移動系統(Land Mobile Satellite System，LMSS)。

　　1)海事移動衛星系統

　　該系統主要用於改善海上救援工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增強海上通信業務和無線定位能力。國際海事衛星組織(International Maritime Satellite Organization，INMARSAT)於1979年7月16日成立，總部設在英國倫敦。中國是創始成員國之一，目前有11顆運行和備用衛星，代表著其第一代和第二代衛星系統。衛星運行在四個區域：太平洋、印度洋、大西洋東區和大西洋西區。第三代衛星已於1996年發射，與前兩代衛星不同的是，每一顆第三代衛星除有全球波束外還帶有五個點波束。點波束可在小範圍內集中較大的功率，因此地面可以使用小型、低功率移動終端，從而降低空間段的費用。

　　2)航空衛星移動系統

　　該系統主要用於飛機和地面之間為機組人員和乘客提高語音和數據通信。早在1964年利用衛星進行航空移動通信就已經被提出來了，但由於技術、經濟、國際合作、所有權和經營權等方面的問題而拖延，一直到1988年才在海事衛星進行了飛行通信試驗。既而在1991年通過海事衛星在新加坡、挪威和英國的三個地球站，向太平洋、印度洋和大西洋上空的飛機提供通信。目前，包括中國在內，世界上的各大航空公司的飛機上都有機載站。

　　3)陸地衛星移動系統

　　對於幅員遼闊、山區和沙漠占比重很大的國家，目前的蜂窩移動通信所不能完全覆蓋，該系統利用衛星為行駛在對地面蜂窩移動通信不能覆蓋的地區的運行車輛提供通信服務。美國、加拿大、澳大利亞等國都在進行開發和研究，並已實現在車、船和飛機等移動體上的通信，甚至實現到手機的通信。衛星移動通信以其通信面積廣的獨特優勢得到了國際上高度重視。

　　2．按衛星的軌道分類

　　按衛星距離地球的高度可分為三種衛星軌道：低地球軌道(LEO)、中地球軌道(MEO)和高地球軌道(GEO)。

　　1)低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛星距地面500～5000km，運行周期為2～4h。

　　利用LEO衛星使實現手持機個人通信成為現實。衛星的軌道高度低，使得傳輸延時短，路徑損耗小，多個衛星組成的系統可以實現真正的全球覆蓋。採用蜂窩通信、多址、點波束、頻率復用等技術也為低軌道衛星移動通信提供了技術保障。整個系統如同結構上連成一體的大型平臺，在地球錶面形成蜂窩狀服務小區，服務區內用戶至少被一顆衛星覆蓋，用戶可以隨時接人系統。因此，LEO衛星系統被認為是最有前途的衛星移動通信系統。但系統要求衛星數量多，發射投資高，衛星壽命也相對較短，系統技術複雜。

　　2)中地球軌道(MediumEarthOrbit，MEO)衛星距地面5000～20000km，運行周期4～12h。

　　MEO系統中的衛星數量少於LEO系統，每顆衛星對其覆蓋地區的服務時間比LEO衛星長，因此，該系統的控制和切換均比較簡單，衛星及地球站成本低，衛星壽命較長。MEO系統兼顧了LEO系統和GEO系統的特點。

　　3)高地球軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)嚴格的講應該叫做靜止地球軌道，實際上就是前面介紹過的同步地球衛星。由於衛星距地面35800km，比前兩者高得多，所以通常把它稱為高地球軌道。它的運行周期為24h。

　　GEO移動衛星通信系統最早用於海事通信業務，以後又發展用於航空移動通信。近年又推出了用於陸地攜帶型移動衛星通信系統，可提供語音、數據和傳真服務。自20世紀60年代以來，人類已將數以百計的通信衛星送入GEO，由於該軌道的衛星的壽命長、使用簡單，在實現國際遠距離通信和電視傳輸方面，這些衛星一直擔當主角。但GEO衛星通信系統也存在一些問題。

　　a)需要有較大口徑的通信天線。自由空間中，信號強度與傳輸距離的平方成反比，也就是說，信號強度隨距離的加大衰減的速度很快。因為GEO衛星距地球過遠，所以要求拋物面天線的口徑比較大。

　　b)信號經過遠距離傳輸會帶來較大的時延。高軌道衛星距離地球35800km，地球的兩個用戶通過衛星中繼通話，信號要傳輸70000km以上，會產生零點幾秒的時延。這種時延會使人在通話中感到明顯的不適應。在數據通信中，時延限制了反應速度，信息將會滯留在緩衝器中。

　　c)軌道資源緊張。GEO衛星在赤道上只有一條，相鄰衛星的間隔又不可以過小，GEO衛星只能提供180個軌道位置。這其中還包括了許多實用價值較差，處於大洋上空的位置。

　　移動衛星通信系統，尤其是數量眾多的小衛星中、低軌移動通信系統是一個非常龐大而技術非常複雜的大系統。其主要關鍵技術有：

　　(1)衛星軌道選定和發射控制技術。

　　(2)衛星大型多波束天線及控制、轉發技術。

　　(3)星上交換和處理技術。

　　(4)大型衛星平臺技術。

　　(5)星上大功率輸出技術。

　　(6)衛星星間通信技術。

　　(7)通道切換技術(硬切換、軟切換)。

　　(8)系統內外頻率兼容和干擾控制技術。

　　(9)防竊聽加密技術。

　　(10)高效糾錯編解碼演算法和調製解調技術，多址技術(FDMA、TDMA、CDMA)。

　　(11)小型高效移動終端天線技術，包括手持機天線和機載天線。

　　(12)網管和網控技術(信令路由、業務路由、通道分配等)。

　　(13)網路接續技術(衛星網與地面網接續)。

　　為了簡化系統的複雜程度，有些移動衛星通信系統不採用星間通信鏈路，少數系統採用FDMA方式，多數採用TDMA或CDMA方式，具體採用哪種多址方式與系統容量有關。但CDMA方式能提供軟切換通道，使通道的切換更為可靠。網路管理及與地面網的接續，通常是由網控關口站和網控中心(NCC)來實現的。