衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與比較分析

+ 原著：Paolo Chini, Giovanni Giambene, Sastri Kota翻譯：呂京梅 王琦

一、概述

現(xiàn)有的地面通信基礎設施不能為所有地區(qū)提供良好的通信服務，而在陸地、海上、空中、運輸、救災、軍事等許多環(huán)境下又需要移動通信服務。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡在這種場景下是唯一的選擇。這就是移動衛(wèi)星系統(tǒng)（MSS）重新引起人們的興趣，同時帶來商機的原因。人們使用多點波束天線技術、低噪聲接收技術及星上處理技術，使工作在L、S頻段和新開發(fā)的Ku、Ka頻段小型終端甚至是手機直接接入衛(wèi)星系統(tǒng)。而在衛(wèi)星裝備再生轉發(fā)器并建立星間鏈路，就可以實現(xiàn)衛(wèi)星不同波束間和衛(wèi)星間的流量交換。

衛(wèi)星在相應的軌道繞地球運轉，按其軌道高度，可分為運行在地球赤道上的靜止軌道衛(wèi)星（GEO）和非同步軌道衛(wèi)星（non-GEO）兩種。

●靜止軌道衛(wèi)星運行在高度約35800km的赤道面上，長距離傳輸造成了巨大的傳輸路徑損耗和通信時延，典型的靜止軌道衛(wèi)星工作在S、L、Ku及Ka等頻段上，頻率越高損耗越大，所以需要盡量大尺寸的天線。因此，它比較適合固定衛(wèi)星服務。但是仍然有一些GEO系統(tǒng)為移動通信提供服務。

●非靜止軌道衛(wèi)星有兩種可用的軌道類型：500～2000km的低軌道（LEO）和8000～12000km的中軌道（MEO）。相對于靜止軌道衛(wèi)星，中低軌道衛(wèi)星距地面近，具有較低的傳輸時延和線路預算。但是非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)復雜，需要多顆衛(wèi)星來保證有效的覆蓋率。這需要進行頻繁的衛(wèi)星天線波束間、不同衛(wèi)星間、甚至地面關口站間的越區(qū)切換。

MSS系統(tǒng)還會受到障礙物的遮擋、反射等問題影響，以及低功率便攜式終端小天線回路預算的限制。為了解決這個問題，可以采用兩種類似但又各具特色的設計方案：混合網(wǎng)絡與綜合網(wǎng)絡。

混合網(wǎng)絡是在不能看見衛(wèi)星的情況下，用地面中繼器來轉發(fā)本地衛(wèi)星信號，還可利用地面蜂窩系統(tǒng)提供返回鏈路來簡化移動終端的功率管理。由于使用了本地無線系統(tǒng)，衛(wèi)星覆蓋范圍擴大到了室內和城市地區(qū)，基站可將衛(wèi)星信號轉換到本地無線系統(tǒng)，反之亦然。

綜合網(wǎng)絡是把地面蜂窩系統(tǒng)作為替代系統(tǒng)，連接移動用戶的上行或下行通路。部分綜合網(wǎng)絡的案例將在第3章和第4章進行討論。

為了定義地面部分，歐盟委員會推出了“地面補充組件”（CGC）的概念，而美國使用“地面輔助組件”（ATC）這一術語。盡管CGC與混合網(wǎng)絡相關而ATC與綜合網(wǎng)絡相關，但這些概念相互間是可以轉化的。無論是何種情況，地面系統(tǒng)均可建立在3G、WiFi和WiMAX等系統(tǒng)上。

本文以目前運營的幾個衛(wèi)星移動系統(tǒng)為案例，主要論述MSS系統(tǒng)的以下幾個方面內容：主要設計議題，適用標準和移動系統(tǒng)的分析比較方法，并對它們的性能、資源利用效率和用戶移動性進行了分析比較。本文組成部分為：第1章對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)進行了概述；第2章為衛(wèi)星移動網(wǎng)的設計理念；第3章列出了適用于衛(wèi)星移動通信的五個標準；第4章介紹了幾個MSS系統(tǒng)；第5章對上面的幾個系統(tǒng)的性能等相關參數(shù)進行了對比；第6章是MSS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

二、衛(wèi)星移動系統(tǒng)設計理念

本章包括支持移動用戶的衛(wèi)星系統(tǒng)設計的重要發(fā)展和獨特的解決方案。

1.媒介

（1）頻段和法規(guī)

衛(wèi)星移動系統(tǒng)所使用的頻段范圍由世界無線電大會進行分配。固定衛(wèi)星業(yè)務使用C/K頻段，移動業(yè)務使用較低的L/S頻段。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)長期探索L/S頻段技術。由于較低的信號損耗及大氣影響，L/S系統(tǒng)可以采用小尺寸的車載天線。但隨著寬帶業(yè)務的需求，及可用的L/S頻率資源的短缺（上行：1980～2010MHz，下行：2170～2200MHz），促使MSS系統(tǒng)向更高的頻率發(fā)展，開始采用Ku和Ka頻段。ITU-R已經(jīng)把Ka頻段的一部分資源分別分配給MSS和FSS系統(tǒng)。其中，分配給FSS系統(tǒng)的29.9～30GHz用于地面到空間鏈路，20.1～21.3GHz用于空間對地面鏈路，作為主要用途。分配給MSS系統(tǒng)的14～14.5GHz用于地面到空間鏈路，10～12GHz用于空間到地面鏈路，作為次要用途。

目前，工作在Ku頻段上的MSS系統(tǒng)可為多種載體提供寬帶業(yè)務，比如火車、飛機、汽車、艦船。Ku頻段衛(wèi)星的點波束主要覆蓋陸地，因此這種MSS系統(tǒng)和L/S頻段衛(wèi)星來說，不具備為海上用戶提供良好覆蓋的能力。事實上，Ku衛(wèi)星主要用于固定用戶，沒有多少Ku/Ka衛(wèi)星提供海洋的覆蓋。針對不斷增長的帶寬需求和覆蓋問題，Ku/Ka衛(wèi)星的波束配置最終形成折中方案。

歐洲早期用于MSS系統(tǒng)的L/S頻段協(xié)議已經(jīng)過時。為此，2007年2月歐盟委員會召開了專家協(xié)商會，與會的所有MSS系統(tǒng)制造商和運營商，共同商討了用于MSS系統(tǒng)的L/S頻段的使用問題。有意思的是，在這次磋商會上，為了分配帶寬給MSS，召開了一次拍賣會來確定用戶對L/S帶的使用權。會議的主要成果是確定了對頻譜有需求的機構數(shù)量和參加拍賣的機構數(shù)量。2008年12月,歐盟聯(lián)盟委員會決定接受4個申請者的申請, 并于2009年5月最終選定了國際移動衛(wèi)星公司和Solaris公司(Eutelsat和SESASTRA的合資企業(yè))。

（2）移動終端的天線

移動終端的天線設計是非常重要的，包括規(guī)格、造價及所采用的技術。此外，天線系統(tǒng)要求高效可靠，高靈敏度、高增益及低干擾。移動終端一般采用全向天線。為了改進鏈路設計，可以采用具有快速跟蹤算法的相控陣定向天線來代替全向天線。移動終端能向各個方向發(fā)射并接收信號，所以可能會對其他衛(wèi)星網(wǎng)絡造成干擾，例如低軌衛(wèi)星系統(tǒng)與GEO系統(tǒng)間干擾。為此，需要制定一些要求，例如發(fā)射功率的控制及最低仰角。

另外，還可以根據(jù)不同的應用環(huán)境對終端天線進行設計。比如，鐵路系統(tǒng)可依賴于對陸地覆蓋良好的Ku頻段衛(wèi)星，但火車天線是小的低指向性天線，會對鄰星產(chǎn)生較高的干擾。在空中和海上，飛機和船只可能處于覆蓋區(qū)邊緣，因此需要相應的天線設計。

移動終端上的天線大小決定了它對上/下行傳輸?shù)母蓴_特性。在Ku頻段上行線路的離軸傳輸功率流量受限(所以分配給MSS作為次用業(yè)務)，這就意味著移動用戶的等效全向輻射功率（EIRP）受到約束。為了減少干擾，人們可以采用擴頻技術，如直接序列、跳頻和突發(fā)重復等。在DVBS2的移動擴展標準DVB-S2/DVB-RCS中，上行鏈路就采用了DS擴頻方式，下行鏈路是突發(fā)重復。眾所周知，在DS方法中傳輸比特被高碼率的擴頻碼序列所調制，突發(fā)重復則是在相同的時隙多次傳送相同的包。

（3） 衛(wèi)星天線及頻率復用

使用高度指向的多點波束衛(wèi)星天線是實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信的一個關鍵問題，此類天線由大型可展開反射面和饋源系統(tǒng)組成，現(xiàn)在GEO系統(tǒng)中衛(wèi)星天線的直徑最大可達到25m，在LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中天線直徑可達到2m左右。點波束的集中覆蓋可獲得高天線增益。目前，系統(tǒng)設計的衛(wèi)星天線可達上百個波束，即在GEO中可達百個，在LEO/MEO系統(tǒng)中可達到數(shù)十個。所分配的頻率被分成不同的載波分給不同的波束，以避免相鄰波束間的干擾，而在相隔足夠遠的波束上的同一載波可以被重復使用。簇由一組波束組成，每個簇中所有載波都會被利用。簇的大小是指所包含的波束數(shù)量，比如在銥星系統(tǒng)中每個簇有12個波束、BGAN中每個簇有27個波束；在Thuraya 系統(tǒng)中每個簇有21個波束。GEO系統(tǒng)，例如BGAN和Thuraya 系統(tǒng)中的簇規(guī)格較大。這是因為要覆蓋同樣的區(qū)域，GEO系統(tǒng)需要比LEO系統(tǒng)更窄的波束，衛(wèi)星天線上的波束間距離更近，這意味著會有更大的相互干擾，因而需要更大的簇規(guī)格來減少干擾的影響。

（4）天線仰角

在MSS系統(tǒng)中，另一個重要的問題是移動終端天線所對衛(wèi)星的最小仰角。這在FSS系統(tǒng)中的要求不是十分嚴格，因為天線位置和方向在最初設計時可進行最佳選擇，從而保證視線傳輸條件。而在MSS系統(tǒng)環(huán)境下，需避免最低的仰角出現(xiàn)，否則陸地移動用戶會頻繁地出現(xiàn)信號被樹、建筑物、山等阻斷的現(xiàn)象。而在空中和海上，這種情況不十分嚴重。增加仰角可以改善傳輸質量，但需要更多衛(wèi)星，相應的系統(tǒng)造價也會增加。因此，MSS系統(tǒng)最佳的仰角大約為20°。但是在第一代MSS系統(tǒng)中，最小仰角只有大約10°。最小仰角的限制要求在星座設計時選擇合適的衛(wèi)星數(shù)量，這也是為什么GEO系統(tǒng)不能為兩極地區(qū)提供服務的原因。

（5）信道模型

歐洲航天局（ESA）在Ku/Ka頻段上進行了一項試驗，為MSS系統(tǒng)定義了信道模型。特別是在陸地移動情況下，信道可具有三態(tài)馬爾可夫（ Markov）的信道模型特征：非視距、陰影、阻擋。在Ku及Ka頻段上，每個狀態(tài)呈現(xiàn)出瑞斯（Rice）分布特點。多徑、陰影和阻擋現(xiàn)象也出現(xiàn)在L頻段。但是，對L頻段信道的一個典型選擇是二態(tài)馬爾可夫模型（好、壞）。這些模型參數(shù)由移動終端所處的環(huán)境以及仰角條件所決定。

2.物理層

對于MSS系統(tǒng)來說，選擇合適的空中接口非常重要，恰當?shù)恼{制編碼技術可以更好地適應由于運動引起的信道變化。適應信道的變化意味著，要有一個反饋通路告知發(fā)射端需要什么樣的物理層傳輸參數(shù)，從而為接收端提供一定的質量保證。這種方式僅適用于低速的陸地移動用戶，對高頻段用戶來說更是至關緊要。

當信號通道被遮擋時會造成解調器失鎖，造成通信的中斷。縫隙填充、空分技術和時分技術等各類解決方案可以用來應對非視線傳輸。

3.媒體接入控制層

衛(wèi)星移動系統(tǒng)需要考慮越區(qū)切換問題。在非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)中，用戶移動性受制于衛(wèi)星星座的活動性。而在GEO情況下，用戶的移動性僅表現(xiàn)在飛機、火車和艦船上。因此，為MAC層(layer 2)的資源分配了更多的交付優(yōu)先權。由于越區(qū)業(yè)務受到額外切換時延的影響，蜂窩小區(qū)接收資源時需要適當?shù)膬?yōu)先次序，否則相關的會話將在較高層中被終止。

4.網(wǎng)絡層

在IP衛(wèi)星網(wǎng)絡中，衛(wèi)星具有星上IP路由切換能力，可利用因特網(wǎng)工程任務組（IETF）開發(fā)的移動IP（MIP）來支持越區(qū)切換過程，但是MIP的越區(qū)切換反應期較長，美國國家航空航天局（NASA）和思科公司（CISCO）已經(jīng)研發(fā)了許多項目來改進MIP。

作為上述MIP的替代品，波音Connexion業(yè)務（飛行中基于GEO系統(tǒng)的因特網(wǎng)連接服務，2006年停止）允許全球IP移動使用邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）。特別需要指出的是，人們?yōu)橐苿悠脚_(飛機或艦船, 安裝有數(shù)據(jù)無線電收發(fā)機/路由器和 802.11 A/b/g的無線電接入點)分配了一個C級IP地址區(qū)段。當飛機或艦船經(jīng)過相關的網(wǎng)關區(qū)域時，由最近的地面網(wǎng)關有選擇性地分配給相關地址。當飛機或艦船員離合開該區(qū)域時，最近的網(wǎng)關則停止IP地址段的分配。

IEEE 802.21的MIH標準被人們用來管理基于IP綜合網(wǎng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡與其他移動網(wǎng)絡之間的越區(qū)功能。

三、MSS系統(tǒng)標準

目前可認為至少有以下5種標準與衛(wèi)星移動系統(tǒng)有關：

●經(jīng)由衛(wèi)星的全球移動通信系統(tǒng)（GSM）；

●衛(wèi)星通用移動通信系統(tǒng)（S-UMTS）；

●數(shù)字視頻廣播-版本2（DVB-S2）及相關反饋鏈路標準；

●衛(wèi)星數(shù)字多媒體廣播（S-DMB）；

●數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星手持終端系統(tǒng)（DVB-SH）。

定義以上標準的主要動力在于衛(wèi)星通信系統(tǒng)應該能為移動用戶提供同地面系統(tǒng)一樣的接入特性，下面是對這些標準的說明。

1.GSM

GSM是目前世界上最流行的蜂窩通信標準，它的通用分組無線服務技術（GPRS）支持包數(shù)據(jù)交換服務。GSM是地面系統(tǒng)，但它的“格式”也可以被推廣應用到衛(wèi)星系統(tǒng)中。特別是我們可以考慮將GMR（GEO MOBILE RADIO）空中接口標準用在GEO的移動業(yè)務中。歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）開發(fā)了GMR-1（應用于Thuraya ）和GMR-2（應用于ACeS）兩個GMR規(guī)范，它們都源自于GSM，包含了GSM系統(tǒng)過渡到GEO系統(tǒng)的內容。GMR允許通過衛(wèi)星接入到GSM核心網(wǎng)，除了地面蜂窩覆蓋和頻率復用的概念，GSM和GMR還有其他相似之處，尤其是人們所關心的物理層之上的協(xié)議層的內容。移動終端可以是雙模式，從而允許使用的地面GSM接口，或當?shù)孛嫘盘栂r可使用GEO衛(wèi)星的空中接口。

2.S-UMTS

UMTS是3G地面蜂窩技術之一，S-UMTS是ETSI在衛(wèi)星環(huán)境下對這一技術的擴展。UMTS系統(tǒng)具有寬帶碼分多址（WCDMA）空中接口，雙工方式為頻分雙工（FDD），ETSI TC SES小組定義了S-UMTS G系列規(guī)范，以兼容基于WCDMA方式的UMTS系統(tǒng)的衛(wèi)星空中接口。S-UMTS不僅要補充UMTS系統(tǒng)對地面的覆蓋，還將把UMTS服務擴展到地面移動網(wǎng)絡未能覆蓋的區(qū)域。S-UMTS使用的頻段大約2 GHz，接近地面3G系統(tǒng)所用的頻段。S-UMTS支持用戶速率最高為144Kbit/s，向持有小型設備的一般移動用戶提供多媒體服務。

在S-UMTS發(fā)展的第一階段，經(jīng)由衛(wèi)星的上行通路采用2GHz頻段上的WCDMA方式，支持廣播與多播業(yè)務，有可能發(fā)掘地面3G系統(tǒng)作為返回通路以支持交互式業(yè)務。其發(fā)展的第二階段，將允許移動手機以衛(wèi)星信道為返回通道，它采用工作在5GHz頻段上的、具有最佳鏈路設計的、基于正交頻分復用技術（OFDM）的空中接口。這與ITU-R 4C工作小組最近的意見相一致，該小組專注于衛(wèi)星組件的多載波空中接口，其目的是與不斷發(fā)展的第四代地面移動網(wǎng)絡相兼容，如 UMTS (LTE) 和 WiMAX。

3.DVB-S2

DVB-S2是第二代衛(wèi)星廣播傳輸標準，也可在新的操作模式下用于交互式點對點的業(yè)務，即因特網(wǎng)接入，新的操作模式可根據(jù)收方的傳輸條件采取動態(tài)的調制方式及自適應編碼。DVB-S2最初是為固定通信用戶設計的標準，但是目前它已被擴展到為飛機、火車提供Ku、Ka頻段通信服務。為此，有許多問題需要解決，比如嚴格的頻率規(guī)范、多普勒效應、頻繁的越區(qū)切換及同步捕獲與維持的修復過程等。此外，在鐵路上會出現(xiàn)遮擋、快衰落、長時間遮擋等問題。為了支持移動用戶服務，DVB組織推出了DVB-RCS標準新版本，這個標準被命名為DVB-RCS+M。

4.S-DMB

韓國、日本和歐洲的3G移動網(wǎng)絡可提供組播/廣播服務，向用戶提供了許多移動娛樂服務。S-DMB標準是3G移動網(wǎng)基于衛(wèi)星廣播的擴展，可提供GSM或3G蜂窩移動系統(tǒng)類型的多媒體廣播及多播業(yè)務（MBMS）。

S-DMB由GEO衛(wèi)星和一些安裝在3G基站上的地面中繼器組成，它可以應對城市中多遮擋的傳輸環(huán)境。韓國2005年就開展了S-DMB業(yè)務。它也可提供數(shù)字無線廣播業(yè)務和視頻業(yè)務，它采用的頻段是VHF和L。DVB-SH就是S-DMB與DVB-H的結合，采用S頻段。

5.DVB-SH

DVB-SH是ETSI的移動廣播標準，它采用OFDM作為空中接口，為小型終端用戶提供音/視頻廣播服務。DVB-SH利用靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)及地面補充組件（CGC）系統(tǒng)可形成大范圍的覆蓋：地面中繼器可覆蓋衛(wèi)星所不能及的地區(qū)（比如：城區(qū)及室內）。DVB-SH也對地面DVB-H系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域進行了擴展，終端可操作在雙模式下，即 DVB-SH 工作在S頻段(約 2.2 GHz,接近 3G 地面頻率)，以及 DVB-H 的UHF頻段。DVB 規(guī)范為IP數(shù)據(jù)廣播( DVBIPDC)，允許兩種系統(tǒng)相互補充。

DVB-SH主要用于廣播業(yè)務，也可進行數(shù)據(jù)傳輸及基于IP的交互式服務（通過一個附加的回傳通道，UMTS），移動中的用戶可接入這些服務。

目前，人們對DVB-SH標準及相關服務的興趣越來越濃，這也是為什么ICO選擇DVB-SH 作為它的移動視頻服務平臺，這個平臺用覆蓋北美的ICO-G1 靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)。

四、目前在役的衛(wèi)星移動系統(tǒng)

本章介紹目前正在運營的一些MSS系統(tǒng)。

1.“銥”星系統(tǒng)

“銥”星是最早的MSS系統(tǒng)之一，它是唯一能夠提供包括兩極地區(qū)、空中及海洋在內的全地球覆蓋的MSS系統(tǒng)，如圖1所示。“銥”星系統(tǒng)是基于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)，支持話音和低速數(shù)據(jù)的傳輸，可在任何地區(qū)、時間提供服務。它的衛(wèi)星星座由66顆具有星上處理功能及星間鏈路的衛(wèi)星組成。端到端話音呼叫可直接在空中進行交換，數(shù)據(jù)交換可通過星間交換直接被傳送到距離目的關口站最近的衛(wèi)星上。目前有5個關口站在工作，“銥”系統(tǒng)為也為美國國防部服務。最近，“銥”星公司宣布計劃第二代基于IP的衛(wèi)星系統(tǒng)，它能實現(xiàn)連續(xù)不斷的環(huán)境監(jiān)視和對地成像，可進行高速率數(shù)據(jù)傳輸。

2.“全球星”系統(tǒng)

“全球星”系統(tǒng)也是移動衛(wèi)星系統(tǒng)的先驅，它使用48顆低軌衛(wèi)星，沒有星際鏈接，其系統(tǒng)組成如圖2。“全球星”衛(wèi)星上裝有8m孔徑的天線，由多個圓形面板組成，可產(chǎn)生16個點波束，實現(xiàn)對地面上南北緯70°之間大部分地區(qū)的覆蓋，地面段由若干網(wǎng)關站組成，一個地面呼叫通過衛(wèi)星直接連接到所覆蓋區(qū)域上的關口站。“全球星”系統(tǒng)有25個關口站分布在全球，每個網(wǎng)關覆蓋半徑約2000km的區(qū)域。“全球星”采用DS-CDMA 物理層技術，擴頻因子為128。它采用了路徑分集技術以減少陰影和阻擋對傳輸?shù)挠绊憽Ｃ看魏艚锌杀ＷC有多達三顆可視衛(wèi)星的信號合成。“全球星”提供實時的話音、傳真、數(shù)據(jù)。語音編碼速率根據(jù)背景噪聲的大小，有2.4、4.8或9.6Kbit/s的速率可選。“全球星”正計劃開發(fā)改進型的第二代衛(wèi)星系統(tǒng)。

3.Inmarsat系統(tǒng)

1979年成立的國際移動衛(wèi)星公司（INMARSAT），目前為企業(yè)、海運及航空用戶提供寬帶通信服務，INMARSAT通過GEO衛(wèi)星為除兩極的全球范圍提供移動電話、傳真及數(shù)據(jù)通信業(yè)務，如圖3示。INMARSAT公司當前有了12顆GEO衛(wèi)星：4顆第二代衛(wèi)星（Inmarsat-2）、5顆第三代衛(wèi)星（Inmarsat-5）和3顆第四代衛(wèi)星（Inmarsat-4）。

當前，全球寬帶局域網(wǎng)（BGAN）系統(tǒng)通過3顆Inmarsat-4衛(wèi)星為移動及固定用戶提供電話、因特網(wǎng)、短信等服務，并與地面3G系統(tǒng)整合。BGAN使用透明轉發(fā)器，饋送鏈路工作在C頻段，并且有一個全球波束；衛(wèi)星到用戶鏈路工作在L頻段，使用了可提供256個窄波束的可展開天線。典型的配置為19個寬波束，228個窄波束和1個全球波束，只有窄波束可用于地面移動通信。這個系統(tǒng)可提供信息速率為4.5 ～492kbit/s的、三種等級的便攜應用終端。其中，一級終端能達到 492 kbit/s(上行及下行) 的傳輸速率, 二級終端能實現(xiàn) 464 kbit/s 下行傳輸速率和 448 kbit/s 上行傳輸速率, 三級終端能達到384 kbit/s 下行傳輸速率和240 kbit/s的上行傳輸速率。

BGAN用專有的Inmarsat空中接口替換了3G系統(tǒng)的WCDMA空中接口 (即IAI2接口)，它使用了不同的各種調制選項，如QPSK 、16QAM和 π/4 QPSK ，通過編碼技術實現(xiàn)可變編碼速率，其中，三級終端只能以π/4 QPSK發(fā)射和 QPSK/16QAM接收方式工作。窄波束只能使用16QAM 調制方案。為了獲得高的傳輸效率，BGAN可根據(jù)終端的性能、傳輸功率、帶寬、編碼速率、調制方式進行自適應調整。

BGAN所支持的電路交換和包交換的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務如下：

●IP數(shù)據(jù)業(yè)務：包括安全虛擬私人網(wǎng)絡接入企業(yè)網(wǎng)絡、相關的辦公室應用和瀏覽因特網(wǎng)，以及文件傳輸；

●IP流業(yè)務: 向申請者提供具有服務品質(QoS)保證的IP 流傳輸業(yè)務,比如現(xiàn)場直播視頻或電視會議；

●話音(電路交換)業(yè)務: 通過座機、用戶手持機及藍牙手機的低比率電話呼叫業(yè)務。

●短信業(yè)務:可通過便攜式電腦或移動電話發(fā)送和接收160字符以內的短信。

目前，BGAN正準備提供一項新的業(yè)務，即通過基站及相關衛(wèi)星鏈路為空客公司及波音公司的客機提供移動電話業(yè)務。

由INMARSAT和歐洲航天局（ESA）聯(lián)合主辦的BGAN-X項目已經(jīng)將終端類型擴展到11種，包括3種航空、3種海上和2種陸地汽車應用，它們使用全向及定向性天線。BGAN只對陸地便攜終端提供點對點通信，而在BGAN-X中把此項業(yè)務擴展到了船舶和飛機，還包括了多播業(yè)務。BGAN 核心網(wǎng)絡 (3GPP 第4個版本網(wǎng)絡) 不能支持多播服務，因此,BGAN-X遵循新的3GPP架構，提供多媒體廣播和多播服務。

最后, INMARSAT與ESA合作確定了一個增強型的Inmarsat 載荷（Inmarsat-XL, 將加入現(xiàn)有的BGAN 和BGAN-X服務），它具有較高的傳輸率、優(yōu)化的多播/廣播和單跳連接能力。這個載荷將會搭載于2012年發(fā)射的Alphasat衛(wèi)星上。

4.Thuraya

Thuraya 1997成立于阿拉伯聯(lián)合酋長國，由兩顆GEO衛(wèi)星覆蓋了110多個國家，跨越歐洲、中北非洲、中東、中亞和印度次大陸。Thuraya的技術方案由美國波音公司衛(wèi)星系統(tǒng)部提出。最近發(fā)射的Thuraya-3衛(wèi)星取代了Thuraya-1衛(wèi)星,擴大了亞洲地區(qū)的覆蓋范圍 (包括中國和日本) 以及大洋洲。如今，Thuraya 系統(tǒng)有兩顆 GEO 衛(wèi)星 (Thuraya-2 和Thuraya-3),采用工作在L頻段上的GMR-1 空中接口。Thuraya 衛(wèi)星裝有 12.25m孔徑的L頻段發(fā)射天線/接收反射面天線，每顆衛(wèi)星可以產(chǎn)生200～300個點波束，空中接口采用FDMA/TDMA多址方式，每個載波具有40ms的幀結構，24個時隙，每個電路需用3個時隙。

表1 MSS系統(tǒng)的特點

表2 圖4中的參數(shù)值

星上處理設備可以實現(xiàn)任意點波束間移動設備到移動設備的連接，雙模手持機可接入到地面GSM系統(tǒng)或Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶可以在不中斷服務的情況下跨區(qū)域漫游。Thuraya移動手持機可提供的衛(wèi)星通信業(yè)務包括：GSM話音、傳真、數(shù)據(jù)（速率選項有2.4/4.8/9.6kbit/s）以及短信。Thuraya還可通過便攜式終端提供速率達到144kbit/s的因特網(wǎng)接入，調制方式為APSK。現(xiàn)在，Thuraya 可實現(xiàn)速率為444 kbit/s的高速IP業(yè)務。

5.其它MSS系統(tǒng)

中圓軌道全球通信系統(tǒng)（ICO）計劃采用12顆高度為10390km的MEO衛(wèi)星組成星座，但實際上ICO由新發(fā)射的GEO衛(wèi)星（ICO-G1）支撐，它為美國大陸地區(qū)提供S頻段移動服務，包括4.8kbit/s的話音業(yè)務，2.4kbit/s的數(shù)據(jù)，傳真、短信及定位業(yè)務。

Hispasat衛(wèi)星系統(tǒng)包括6顆GEO衛(wèi)星，系統(tǒng)提供基于IP的寬帶、移動服務、因特網(wǎng)接、內容分配、遠程醫(yī)療、電視教育、IP電話、視頻流傳輸及IPTV等業(yè)務。

亞洲蜂窩系統(tǒng)（ACeS）由一顆GEO衛(wèi)星及3個網(wǎng)關站組成，它采用GMR-2空中接口，與GSM地面網(wǎng)相兼容，為亞洲手機用戶提供話音和部分數(shù)據(jù)業(yè)務。

SkyTerra （原為MSV）移動衛(wèi)星系統(tǒng)將構建一個衛(wèi)星/地面綜合IP網(wǎng)，系統(tǒng)空間段由兩顆GEO衛(wèi)星組成，為美國地區(qū)提供移動寬帶服務，為公眾安全、艦船管理提供話音、因特網(wǎng)接入。由地面基站構成的ATC分系統(tǒng)支持衛(wèi)星系統(tǒng)，提供覆蓋的延伸。

TerreStar是一個新成立的移動網(wǎng)絡公司，計劃建造一個基于IP的衛(wèi)星與地面綜合通信網(wǎng)，服務于美國大陸。其將工作在2GHZ附近的兩個相鄰10Mhz頻段。

Solaris移動公司在2009年4月發(fā)射了W2A衛(wèi)星，它工作在S頻段上，為歐洲提供移動通信服務，系統(tǒng)屬衛(wèi)星、地面混合網(wǎng)，保證不間斷的覆蓋。DVB-SH標準支持移動電視，為了最佳的傳輸性能，智能天線被安裝在移動電話中。

五、比較

本小結是對MSS系統(tǒng)的比較，包括人們最關心的系統(tǒng)特性和數(shù)據(jù)評估，其重點是BGAN、全球星、銥星和Thuraya。

1.MSS系統(tǒng)基本特性

表1給出了上述MSS系統(tǒng)的基本特性。關注的重點在系統(tǒng)所采用的調制方式、多址接入技術、衛(wèi)星軌道類型、網(wǎng)絡特性及所支持的業(yè)務。表1表明，在一些較新的MSS 系統(tǒng)(如BGAN和Solaris)中提供了多媒體服務，而一些老的系統(tǒng)（如“全球星”)則只提供了低速的數(shù)據(jù)及話音業(yè)務。

2.定量比較

本小節(jié)對BGAN、“全球星”、“銥”星和Thuraya幾個系統(tǒng)間不同參數(shù)作定量比較，其中，“銥”系統(tǒng)采用TDD雙工方式空中接口，其他幾個系統(tǒng)都使用FDD雙工的空中接口。BGAN和Thuraya是GEO系統(tǒng)，而“銥”星和全球星是低軌衛(wèi)星系統(tǒng)。在圖4中顯示了4個L/S頻段MSS系統(tǒng)的重要參數(shù)比較，包括用戶數(shù)量、覆蓋區(qū)域、系統(tǒng)復雜性、通話費用、系統(tǒng)成本、寬帶性能及多媒體服務等多個方面。表2列出了圖4中的參數(shù)的數(shù)值范圍。

在圖4中，整體性能評估結果是陰影區(qū)域越大越好，可見BGAN系統(tǒng)性價比最高。

六、衛(wèi)星移動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

未來MSS系統(tǒng)要想開展新型業(yè)務、降低系統(tǒng)造價、增強業(yè)務滲透，必須面對新的挑戰(zhàn)。引起人們關注的研發(fā)問題包括以下幾個方面：全IP移動衛(wèi)星網(wǎng)端到端的服務保證、衛(wèi)星地面混合網(wǎng)無中斷服務，為提高頻率資源復用系數(shù)采用的高方向性多點波束衛(wèi)星天線、用戶移動跨區(qū)管理協(xié)議、開展新的寬帶業(yè)務、小型經(jīng)濟節(jié)能型的智能終端的開發(fā)。以上述問題為基礎，我們可以總結出一些重要的發(fā)展趨勢。

當前，許多MSS公司宣布計劃構建基于IP的移動衛(wèi)星系統(tǒng)，包括“銥”系統(tǒng)、“全球星”及MSV。此外，DVB項目組有意制定下一代DVB-RCS（DVB-RCS NG)系統(tǒng)標準，支持增強移動性能和通用的基于IP的協(xié)議。

WARC 2011正在考慮增加新的頻率到MSS系統(tǒng)，實現(xiàn)C頻段上與地面系統(tǒng)的兼容。未來 MSS 需要與地面的寬帶整合 (如WiMAX 和WiFi)，具有合適的公共接口和服務。可是要支持小型移動終端，衛(wèi)星及移動終端都需要最佳的天線技術，以接近線路預算。這個技術的改進還應解決相互干擾問題（以提高資源復用率）、高效的傳輸技術的采用（如OFDMA空中接口用于地面4G蜂窩系統(tǒng)UMTS LTE）。此外，新型基于交叉層的空中接口設計應允許全協(xié)議棧的最佳化，提高通信容量和質量。實現(xiàn)低費用的移動終端將是這個最優(yōu)化過程的成果，同時也促進了衛(wèi)星移動通信業(yè)務的發(fā)展。

MSS系統(tǒng)中一個的緊要問題是跨區(qū)切換過程中的無縫連接，這個切換過程包括同一衛(wèi)星和不同衛(wèi)星上的不同天線波束間，甚至衛(wèi)星波束與地面蜂窩小區(qū)間的切換。由此，MSS系統(tǒng)需支持基于IP業(yè)務的系統(tǒng)內部和系統(tǒng)間的跨區(qū)切換。我們假設未來的衛(wèi)星能再生處理轉發(fā)器并操作在IP層面上，那么衛(wèi)星內部切換應采用IP微移動協(xié)議，而衛(wèi)星間和系統(tǒng)間的切換需包含MIP方案。Satsix項目組正在研發(fā)基于IP的移動支持業(yè)務，因為在任何情況下有效的移動管理協(xié)議都需使用在層面3中，防止在切換過程中路由重建引起的過多延遲。

最后，MSS系統(tǒng)未來的業(yè)務之一是移動廣播，包括移動電視和多媒體下載。這一技術在日本、韓國和美國已經(jīng)廣泛使用，在歐洲由于管理問題則有所推遲。如前所述，歐洲衛(wèi)星公司和SES-ASTRA已發(fā)射了W2A衛(wèi)星，星上S頻段轉發(fā)器可支持移動電視，遵循DVB-SH規(guī)范，這將形成新的衛(wèi)星通信的市場份額。

七、結束語

目前，由于衛(wèi)星移動系統(tǒng)可以隨時隨地提供服務，人們對MSS系統(tǒng)的研發(fā)產(chǎn)生了新的興趣。在這篇論文中，我們的研究重點是：MSS系統(tǒng)有別于其他衛(wèi)星系統(tǒng)的、獨特的性能特征；已經(jīng)存在的MSS系統(tǒng)重要標準和服務；同時還特別關注了衛(wèi)星與地面的混合網(wǎng)絡和綜合網(wǎng)絡。本文縱覽了部分正在運行中和計劃中的MSS系統(tǒng)主要特性，并在確定的分析框架下對包括用戶移動性在內的多項參數(shù)進行了分析比較。

總之，GEO系統(tǒng)引起了人們更多的關注，因為它提供了較高的用戶密度和較低的成本。此外，用于GEO系統(tǒng)的定向多點波束天線設計受到特別的重視，它可以提高系統(tǒng)的功效和容量。我們相信本文為MSS系統(tǒng)的設計與市場研究提供了有用的框架。可以斷定的是，面對未來MSS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)，即衛(wèi)星移動業(yè)務在整個衛(wèi)星通信市場中只占有一個小的份額，只要在技術層面和跨層協(xié)議設計方面進行探索，就可以尋找到提高擴展衛(wèi)星移動業(yè)務的機遇。

（譯自Wiley InterScience的有關論文）