國外衛星移動通信新進展與發展趨勢

徐 烽,陳 鵬

(中國空間技術研究院西安分院,西安 710100)

1 引 言

衛星通信是地球站之間或航天器與地球站之間利用衛星轉發器進行的無線電通信,主要包括衛星固定通信、衛星移動通信、衛星直接廣播和衛星中繼通信四大領域。前三者是地球站之間利用衛星轉發器進行的,后者是航天器與地球站之間利用衛星轉發器進行的[1]。衛星移動通信由于具有覆蓋范圍廣、建站成本和通信成本與距離無關等優點,是實現全球移動通信必不可少的手段,而且特別適合難以鋪設有線通信設施地區的移動通信需求。

衛星通信始于20世紀60年代,在70～80年代達到鼎盛時期。80年代末、90年代以后,由于光纖通信系統和地面蜂窩移動通信的迅速崛起,衛星通信失去了傳統的國際、國內長途通信和陸地移動通信等主要領地[2]。但進入新世紀以來,衛星通信定位更加合理,揚長避短,在與其它通信方式的競爭中仍有了長足的發展。從地理上看,增長最快的地區將在北美、中國、南亞,以及拉丁美洲和中歐的一些地區中[3]。從目前衛星通信的發展特點看,衛星移動通信仍然是發展較快的業務,對相關市場動態和技術發展進行緊密的跟蹤是有必要的。

2 衛星移動通信的發展動態

從全球衛星通信產業鏈來看,“衛星通信服務”的銷售收入占整個行業鏈的50%以上,并持續增長[4]。據衛星通信專業國際咨詢公司Euroconsult分析,衛星行業在2008年保持了強勁增長,衛星移動業務(MSS)行業運營商的收入超過了12億美元。雖受到金融危機的影響,但地面網絡無法覆蓋地區的關鍵性移動通信對衛星移動通信的需求仍然十分強勁。2009年,衛星產業仍保持強勁增長態勢,增長率為11%,其中衛星移動通信服務也保持穩定增長。

從目前的衛星移動通信市場發展情況看,靜止軌道衛星移動通信發展是最好的,而且其中的許多系統已經支持手持機通信;另一方面,中低軌道衛星移動通信系統發展不景氣。

2.1 靜止軌道衛星移動通信系統

靜止軌道衛星移動通信系統中,提供全球覆蓋的有“國際移動衛星”(Inmarsat)系統,提供區域覆蓋的亞洲蜂窩衛星(ACeS)系統、瑟拉亞衛星(Thuraya)系統、MSAT(已改稱 SkyTerra)系統和TerraStar系統等[2]。上述系統中波束覆蓋包含中國的有Inmarsat、Thuraya和ACeS系統[5]。

2.1.1 國際移動衛星(Inmarsat)系統

Inmarsat系統是由國際移動衛星公司經營的全球衛星移動通信系統。自1982年開始經營以來,該系統衛星已發展到第四代,且其第五代衛星也已在開發之中。現在國際移動衛星公司已發展成為世界上唯一能為海、陸、空各行業用戶提供全球化、全天候、全方位公眾通信和遇險安全通信服務的企業[6]。

目前Inmarsat利用11顆GEO衛星組成的3個星座在全球范圍提供衛星移動通信服務,其中最新的是其3顆Inmarsat-4衛星。Inmarsat-4衛星采用了一副能產生多波束的9 m直徑的L頻段大天線和一臺具有信道選擇和波束成形功能的透明彎管式數字信號處理器(DSP),共有200個點波束、19個寬波束和1個全球波束,其點波束提供用戶終端的衛星等效全向輻射功率強度高達67 dBW。它的應用將使用戶終端進一步小型化,實現手持式用戶終端電話通信,并使通信數據速率進一步提高,實現432 kbit/s高清晰視頻直播移動通信。Inmarsat-4衛星支持所有Inmarsat業務和寬帶全球區域網(BGAN)新業務,后者包含因特網、內部網、視頻點播、視頻會議等接入業務[7]。

Inmarsat在2010年8月與波音公司簽約,由其制造3顆第五代衛星Inmarsat-5,構建下一代全球衛星通信系統Global Xpress,為60cm的VSAT終端提供下行50Mbit/s、上行5Mbit/s的高速數據傳輸。每顆Inmarsat-5衛星有效載荷有89個Ka頻段的點波束,獨立于現有的L頻段衛星提供移動或固定的通信服務。Global Xpress系統計劃在2014年完成部署。

2.1.2 亞洲蜂窩衛星(ACeS)系統

亞洲蜂窩衛星(ACeS)系統是由印度尼西亞等國家建立起來的區域性個人衛星移動通信系統,覆蓋東亞、東南亞和南亞地區,它的覆蓋面積超過了2.848×107km2,覆蓋區國家總人口約為 30億。ACeS系統能夠向地面上固定式、移動式、便攜式和手持式等各類用戶終端提供雙模(衛星-GSM900)的話音、傳真、低速數據、因特網服務以及區域性漫游等項業務[5,8]。

ACeS系統利用一顆Garuda衛星完成覆蓋。Garuda衛星重4500kg,功率為14 kW,設計壽命12年,服務區覆蓋整個亞洲。Garuda星上裝有兩副12 m直徑的L頻段收發大天線,共有140個點波束,覆蓋我國約為45個點波束,其等效全向輻射功率強度高達73 dBW。該星可同時提供11000條電話信道,用戶總容量可達200萬,可在星上進行話路的路由和交換。

2006年9月,ACeS與 Inmarsat達成合作,通過ACeS的Garuda 1衛星和Inmarsat的Inmarsat-4系列衛星提供全球衛星移動通信服務。

2.1.3 瑟拉亞衛星(Thuraya)系統

Thuraya系統是一個由總部設在阿聯酋阿布扎比的Thuraya衛星通信公司建立的區域性靜止衛星移動通信系統。Thuraya系統的衛星網絡覆蓋包括歐洲、北非、中非、南非大部、中東、中亞、南亞等110個國家和地區,約涵蓋全球1/3的區域,可以為23億人口提供衛星移動通信服務。Thuraya系統終端整合了衛星、GSM、GPS 3種功能,向用戶提供語音、短信、數據(上網)、傳真、GPS定位業務。Thuraya衛星發射重量5250kg,在軌重量3200kg,太陽能電池提供11～13 kW的功率,星上載有12.25 m口徑衛星天線,可以產生250～300個波束,提供和GSM 兼容的移動電話業務。移動衛星終端包括手持、車載和固定終端等。Thuraya總共可提供13750條信道,信道帶寬27.7 kHz,調制方式為π/4-QPSK,多址方式為FDMA/TDMA,信道比特速率46.8 kbit/s,可以為終端提供2.4/4.8/9.6 kbit/s的數據傳輸速率[5]。

最近幾年Thuraya業務發展順利。2007年,Thuraya推出衛星/GSM雙模移動電話Thuraya SG-2520;2008年1月,Thuraya-3衛星升空,進一步擴展了在亞洲和澳大利亞的覆蓋;2009年,Thuraya推出號稱世界上最堅固的衛星電話Thuraya XT.

2.1.4 SkyTerra(原MSAT)

SkyTerra公司,原稱 MSV(Mobile Satellite Ventures),2010年7月,SkyTerra又改名為LightSquared。MSV原來通過MSAT-1和MSAT-2兩顆GEO衛星提供衛星移動電話服務。2010年11月,委托波音公司制造的SkyTerra 1衛星成功發射,該衛星使用波音的702HP平臺,重5360kg,設計壽命15年。

LightSquared利用SkyTerra 1衛星構建SkyTerra系統,該系統通過結合衛星和地面技術,在全美國范圍內提供4G-LTE無線寬帶網絡。現有的支持WiFi的設備,如 PC、筆記本等,可以通過數據卡、嵌入式Modem、路由器等連接到LightSquared LTE衛星網絡。LightSquared預計到2012年即可在智能電話和其它一些新型的下一代設備上提供其新的網絡接入服務,其SkyTerra2衛星計劃在2011年發射。

另外,值得一提的是MSV在2001年9.11事件之后提出的ATC技術[9]。ATC全稱為Ancillary Terrestrial Component,即輔助地面組件,通過ATC技術的應用,可以實現衛星網絡與地面網絡的無縫集成,用戶在衛星網絡與地面網絡之間可以實現透明地轉換。ATC基站和GEO衛星復用同一頻段,并且采用幾乎相同的空中接口形式,手持機只需要采用單模式即可(主要指射頻和基帶部分單模式)。

2.1.5 TerraStar

TerreStar公司在2009年7月成功發射大容量專用靜止軌道移動通信衛星TerraStar-1,可與WCDMA、CDMA2000或者LTE等多種新技術體制結合開發終端。TerraStar-1提供下一代全IP衛星網絡,覆蓋范圍包括美國、波多黎各和美國維爾京群島,可提供語音和數據服務。TerraStar-1用戶鏈路天線直徑達18 m,采用2 GHz的S頻段頻率,衛星重6900kg,支持與地面蜂窩網中同樣大小的手持機通信。

2010年10月,TerreStar Corporation宣布其控股子公司 TerreStar Networks重組。2010年11月,由AT&T提供的TerreStar GENUS蜂窩/衛星雙模智能電話投入使用,該終端設計輕便,使用內置天線,可利用TerreStar-1衛星提供的網絡覆蓋提供衛星移動通信服務(包括語音、數據、短消息業務)。

2.2 中軌道衛星移動通信系統

中軌衛星移動系統中最廣為人知的是Odyssey系統和ICO系統,另外歐空局也曾設計了一個MAGSS-14系統。但由于一些商業原因,它們均已被取消或到目前仍未成功運行。新的O3b中軌衛星通信系統則試圖在提供衛星寬帶接入的基礎上提供語音通信服務。

2.2.1 Odyssey系統

Odyssey(奧德賽)系統是由TRW公司推出的中軌道衛星移動通信系統[10]。Odyssey系統可以作為現存陸地蜂窩移動通信系統的補充和擴展,支持動態、可靠、自動、用戶透明的服務。系統最主要的用戶終端是手持機。系統可以提供各種業務,包括語音、傳真、數據、尋呼、報文、定位等。手持機的數據速率可以達到2.4 kbit/s,還可以提供4.8～19.2 kbit/s的數據速率。因與ICO系統之間商業上的原因,Odyssey系統已于1997年12月被取消,而TRW則成為ICO的大股東。

2.2.2 ICO系統

ICO(Intermediate Circular Orbit)全球衛星通信系統[11]是由ICO全球通信有限公司經營的。ICO系統由空間段和地面段組。空間段是位于中圓軌道的12顆星,地面段稱為ICONET。ICO系統與現有地面固定和移動通信網相聯,構一個完整的天地結合的系統,利多模手機或其它終端實現隨時隨地的通信。ICO系統的空間段由 12顆處在中等軌道高度(MEO)上的衛星組成,其中10顆是主用衛星,另2顆為在軌備用衛星。系統采用傾斜圓軌道,軌道高度為10390km,軌道傾角45°,所有衛星分布在相互垂直的2根軌道面上,每根軌道面有1顆備份衛星。ICO衛星發射重量2600kg,設計壽命約12年。衛星使用了砷化鎵太陽能電池,能在衛星壽命末期提供超過8700W的功率。每顆衛星可提供4500條信道。ICO衛星采用了獨立的用戶鏈路收發天線。兩副天線安裝在ICO衛星星體上,其口徑超過2 m,并采用了數字波束形成技術。每副用戶鏈路天線由127個輻射單元組成,用于產生163個收或發點波束。每個ICO點波束將為用戶鏈路提供最小8 dB、平均超過10dB的鏈路余量。

由于銥系統的影響,ICO全球通信公司在2000年2月18日申請破產保護,5月3日美國破產法庭批準ICO全球通信公司的重組計劃,Craig McCaw同意向新ICO全球通信公司注資12億美元,5月17日正式成立新ICO全球通信公司,繼續ICO項目。由于負責衛星制造的Boeing公司沒能按期交付衛星,截至2010年底,ICO系統只有一顆衛星在軌(2001年6月發射升空)。

2008年4月,ICO公司發射了一顆GEO衛星“ICO-G1”,提供衛星移動通信服務,該星有可能替代一直未成功投入運行的中軌ICO系統。

2.2.3 MAGSS-14系統

MAGSS-14(Medium Altitude Global Satellite System)是設計支持手持機和移動終端語音通信的中軌道衛星移動通信系統[12],由歐空局開發。MAGSS-14系統的空間段包括14顆中軌道衛星組成的星座,這種設計非常利于系統的階梯型升級,并可完成全球覆蓋,系統在 L頻段上實現與用戶終端的通信。目前該系統仍未成功部署。

2.2.4 O3b

O3b是一個新的中軌衛星通信系統,通過衛星提供寬帶網絡接入,可提供語音通信和數據傳輸服務,由O3b網絡公司開發。O3b網絡公司是由互聯網巨頭Google、媒體巨頭馬隆(John Malone)旗下的海外有線電視運營商Liberty Global和匯豐銀行等組織在2007年聯合組建的一家互聯網接入服務公司。

O3b在亞洲、非洲、拉丁美洲和中東等地區超過150個國家提供衛星通信服務,為電信運營商和ISP提供一個光纖速率的衛星骨干網絡。O3b將成為世界上第一個使用MEO衛星的超低延遲、Ka頻段、擁有光纖速率的衛星網絡。O3b衛星轉發器具有GEO衛星系統3～4倍的容量,這使得用戶可以享受類似光纖接入的網絡帶寬。由于使用MEO衛星,使得網絡往返時延僅約100ms。

O3b衛星星座計劃在2012年部署,將首先發射8顆衛星組成第一階段的星座,以后將擴展至16顆衛星。

2.3 低軌道衛星移動通信系統

自20世紀90年代以來,低軌衛星移動通信系統廣受關注,世界各國研發了多個低軌衛星移動通信系統,而2000年銥星系統的破產,導致這股熱潮迅速降溫。幾個典型的低軌衛星移動通信系統包括Iridium、Globalstar、Orbcomm、Teledesic等 ,目前成功運行的只有Iridium、Globalstar、Orbcomm這3個系統。

2.3.1 Iridium

銥系統是由66顆低軌衛星組成的低軌衛星全球移動通信系統,1998年11月開始商業運營,2000年3月破產,2001年新的銥衛星公司成立,并重新提供通信服務。該系統全球覆蓋包含兩極地區,星上轉發器采用先進的處理和交換技術,多點波束天線,且有星際鏈路,是最先進的低軌衛星通信系統;其星際鏈路和饋線鏈路為Ka頻段,用戶鏈路為L頻段,它提供電話、傳真、數據和尋呼等業務。用戶終端有單模、雙模和三模手機,車載機和固定終端[7]。新的銥星公司成立后,由于得到政府的扶持和美國軍方的大訂單,目前運轉良好。

目前銥衛星公司正在積極開發其新的“NEXT”衛星星座計劃[13]。NEXT是一個對第二代衛星星座的大膽構想。NEXT沿用現有的Iridium星座結構,完成對整個地球的100%的覆蓋。設計81顆衛星(66顆代替現有星座,6顆在軌備份,9顆地面備份)。NEXT將大大提升現有的Iridium移動通信服務(更高的數據速率、更強的服務和設備,可利用IP技術的優勢,并與現有設備后向兼容)。NEXT還可以為商家、政府、科研機構等提供在衛星上放置傳感器載荷的服務,可實現對地球表面和大氣的7×24小時的實時監控。NEXT預計在2017年完成部署。

2.3.2 Globalstar

全球星系統是由48顆低軌衛星組成的全球衛星移動通信系統,1999年開始商業運營。衛星采用透明轉發器、多波束天線,用戶鏈路和饋線鏈路同為VHF頻段,向用戶提供尋呼、傳真、短數據和定位等業務。用戶終端有手機、車載、機載、船載等移動終端,以及半固定和固定終端[7]。

進入21世紀之后,Globalstar的業務發展不太理想,不過2009年,Globalstar成功獲得法國出口信貸機構Coface的融資,這將對其以后業務發展提供充足的資金動力。

2.3.3 Orbcomm

軌道通信系統(Orbcomm)是美國Orbcomm公司和加拿大Teleglobe公司聯合經營的LEO衛星移動通信系統,該系統通過29顆低軌衛星組成的全球衛星移動通信網絡為用戶提供衛星移動通信業務,1997年開始商業運營。衛星采用處理轉發器、單波束天線,終端為單模手機和尋呼機。

目前,Orbcomm利用其低軌衛星提供低速、低成本、近乎實時的雙向數據傳輸服務。其特有的以M2M(Machine to Machine)為中心的網絡以較低的成本實現用戶設備的低速連接,包括“衛星M2M”、“地面M2M”和“雙模式M2M”,可以利用衛星和地面蜂窩網絡實現資產跟蹤、管理和遙控。

2009年9月,Orbcomm公司與Space Exploration Technologies(SpaceX)公司聯合聲明,將發射18顆第2代衛星,計劃發射時間在2010年至2014年之間。

2.3.4 Teledesic

Teledesic系統是由Teledesic公司(1990年6月成立)發展的低軌道衛星通信系統,它通過低軌衛星為地面衛星終端提供Internet接入服務,同時在網絡接入的基礎上可實現語音移動通信。Teledesic系統由Craig McCaw和Bill Gates投資建設,并首先獲得了非GEO衛星服務的Ka頻段的分配。Teledesic系統最初的目標是利用900多顆低軌衛星提供接近光纖質量的互聯網接入服務,并與地面光纖網絡實現無縫集成。由于銥星系統失敗的影響,Teledesic系統已降低了其系統原計劃的規模和復雜度,且該系統至今尚未成功部署。

縱觀近幾年GEO、MEO、LEO衛星移動通信的發展可以看出,GEO衛星移動通信系統的發展可以說非常成功,其中 Inmarsat的發展又是最好的。而MEO和LEO衛星移動通信的發展相對不是很好。MEO和LEO衛星移動通信系統要獲得更好發展需要尋找新的發展思路,如O3b通過使用Ka提供寬帶接入,而Orbcomm則定位到低數據率、低延遲的數據服務。衛星移動通信的投入很大,必須找準定位,才能在與其它通信技術的競爭中順利發展。

3 衛星移動通信的發展趨勢

未來衛星移動通信發展的總趨勢是:從便攜式用戶終端向手持式用戶終端擴展;從單一的話音業務向多種業務發展;從窄帶業務向寬帶業務發展;從單獨組網到多網互連發展。這里的多網互連即借助地面通信網的優勢,實現與地面通信網的互連互通和在多制式網絡中的相互漫游,最后與地面通信網絡組成無縫隙覆蓋全球的個人通信系統。屆時,任何個人可在任何地點、任何時間與任何對象(人或計算機)互通任何信息(語言、圖像、文字和數據等),它將標志著真正的個人通信時代的到來。

(1)衛星移動通信與衛星固定、衛星直播融合。衛星固定通信業務和衛星直接廣播業務用戶終端進一步小型化和可移動性,與衛星移動通信業務用戶終端的區別將逐漸縮小;衛星固定通信、衛星移動通信、衛星直接廣播3種業務都在往寬帶多媒體通信業務方向發展[1]。這3種業務正在走向融合。

(2)衛星移動通信與地面移動通信網絡進一步融合。除了地面移動通信運營商通過發射衛星補充其網絡覆蓋范圍外,原有的衛星移動通信運營商也試圖通過新技術完成對地面網絡的覆蓋,通過向用戶提供綜合解決方案與現有的地面移動通信運營商爭奪地面用戶。隨著衛星通信容量的擴大和單用戶成本的降低、衛星技術與地面技術的結合越來越普遍,衛星通信正在成為個人通信的另一種選擇,未來各種智能電話將可在衛星和地面蜂窩網絡中無縫地自由轉換。

(3)衛星移動通信與衛星寬帶網結合,寬帶移動無疑是MSS未來的發展趨勢[13]。通過衛星移動通信網絡提供寬帶接入服務,或者通過衛星寬帶接入網絡提供語音通信服務,都是目前正在發展的一種趨勢。如Inmarsat-4就在其衛星移動通信系統的基礎上提供了寬帶全球域網絡(BGAN)服務,可為用戶終端提供高達492 kbit/s的網絡接入數據速率,提供因特網、內部網、視頻點播、視頻會議等接入業務[14,15]。而諸如O3b、Teledesic等衛星通信系統,則試圖在衛星網絡接入的基礎上為用戶提供通話服務。

(4)衛星移動通信與衛星定位服務相結合。目前衛星移動通信與衛星定位兩者都獲得了很好的發展,而兩者之間服務的結合也成為一種新的趨勢。多個衛星移動通信系統終端可支持基于GPS的衛星定位服務,而我國的“北斗”導航衛星系統更是在提供導航定位服務的同時可提供短報文通信服務。隨著衛星定位的應用越來越廣泛,衛星定位服務與衛星移動通信相結合也將越來越普遍。

(5)終端小型化、綜合化和智能化。終端將更廣泛地采用超大規模的專用集成電路(VLSI和ASIC)和數字信號處理技術DSP)使衛星通信終端從單一的以數據為主或話音為主發展為數話兼容的混合網絡設備更進一步發展為話音、數據、圖文、電視兼容的綜合業務終端[2]。

(6)高頻段、星上處理、星際鏈路的使用。為了滿足日益增加的帶寬需求的高速數據處理需求,使用高頻段(如Ka或更高頻段)已成為一種趨勢,而為了減少通信時延和滿足大容量通信的要求,星上路由、交換和星際鏈路等作為更高效的處理方式,也將得到更廣泛的應用。

4 結束語

在衛星通信迅速發展的形勢下,衛星移動通信發展動態值得關注,對比GEO、MEO和LEO 3類衛星移動通信的最新發展情況可發現,GEO類衛星移動通信系統發展是最好的,MEO和LEO類系統則發展不太理想。作為實現個人通信不可或缺的手段,衛星移動通信正在往融合、多元業務、寬帶、星上處理等方向發展。在找準定位的基礎上,衛星移動通信具有廣闊的發展空間。衛星移動通信在我國具有較大的市場需求,借鑒國外發展經驗和教訓,努力發展我國自主知識產權的衛星移動通信系統是我國衛星通信事業近期的一項重要任務。

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