應急通信第一反應器
—— 衛(wèi)星移動通信

· 文|中國電子科技集團公司第五十四研究所 王艷君 汪春霆

中國電子設備系統(tǒng)工程公司 張文方

應急通信第一反應器
—— 衛(wèi)星移動通信

· 文|中國電子科技集團公司第五十四研究所 王艷君 汪春霆

中國電子設備系統(tǒng)工程公司 張文方

衛(wèi)星移動通信(MSS)系統(tǒng)可實現(xiàn)大范圍、遠距離的漫游和機動通信，可提供話音、短報文、傳真和數據等業(yè)務，在應急通信、全面覆蓋和普遍服務方面極具優(yōu)勢。本文首先介紹了全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，及各類衛(wèi)星移動通信終端的功能、性能等主要指標及其在應急通信系統(tǒng)中的典型應用。在此基礎上，對比了衛(wèi)星移動通信終端和VSAT應用于應急系統(tǒng)中的不同特點，并就衛(wèi)星移動通信在國家應急通信體系中的作用與典型應用進行了分析和討論。

一、引言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（MSS）是利用衛(wèi)星作為中繼器，實現(xiàn)移動用戶之間、移動用戶和地面固網、蜂窩網或其他專網用戶之間通信的系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、作用距離遠、組網靈活、通信費用基本與距離無關、受地形地物影響小等突出優(yōu)點?？商峁C動靈活的話音、短報文、傳真和數據通信，在應急通信、全面覆蓋和普遍服務方面極具優(yōu)勢。

按照通信衛(wèi)星所處的軌道位置不同，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)分為地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和非同步軌道（non-GSO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)兩種：

GEO衛(wèi)星運行在高度約35800km的赤道面上，其特點是投資少、技術復雜度低，但不能實現(xiàn)兩極覆蓋。

non-GSO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GEO，中低軌道衛(wèi)星距地面近，具有較低的傳輸時延和線路損耗。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，系統(tǒng)運行管理難度大[1]。

二、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)組成

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段構成，如圖1所示。

1.空間段

空間段主要指移動通信衛(wèi)星。為了保證對服務區(qū)的持續(xù)覆蓋，non-GSO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的空間段由多顆衛(wèi)星組成，例如“銥”（Iridium）系統(tǒng)空間段由66顆工作衛(wèi)星組成。而GEO系統(tǒng)通常一顆衛(wèi)星就可實現(xiàn)對特定區(qū)域的覆蓋。由于GEO星地傳輸距離達到三萬多千米，為了實現(xiàn)對大量手持終端的支持，星上多采用大口徑多波束天線和高功率功放，例如，Skyterra系統(tǒng)天線口徑達到創(chuàng)紀錄的22m，最多可形成500個點波束，平臺功率達到13kW。

圖1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)組成

2.地面段

地面段包括信關站、衛(wèi)星測控站和運行控制中心等。

衛(wèi)星測控站系統(tǒng)負責衛(wèi)星的在軌運行控制任務。運行控制中心負責網絡規(guī)劃、用戶等級規(guī)劃、波束之間無線資源的規(guī)劃和分配、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視、網絡性能采集、分析和優(yōu)化等任務。

信關站是衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的核心，完成用戶管理、業(yè)務接入、信息交換和互聯(lián)互通等工作。典型信關站由衛(wèi)星接入網和核心網組成。接入網內包括衛(wèi)星天線與射頻設備、無線傳輸與控制設備和網管設備等。核心網包括電路域設備和分組域設備，支持電路業(yè)務、分組業(yè)務的處理，并可與地面公共交換電話網絡（PSTN）、公共陸地移動網絡（PLMN）、Internet以及IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）網絡實現(xiàn)互聯(lián)互通。

根據運營的需要，在上述信關站組成設備之外，還可以增加承擔用戶管理、業(yè)務開通、計費賬務功能的支撐系統(tǒng)以及承載增值業(yè)務的其他設備等。

3.用戶段

用戶段由各類終端組成。根據應用形態(tài)，終端可以分為手持、便攜、固定、車/船載、機載、嵌入式等多種終端類型。根據其類型不同，采用不同的功放、天線、外圍接口、業(yè)務界面等。終端的核心是基帶處理芯片和射頻處理芯片。前者承擔衛(wèi)星移動通信空中接口的基帶調制解調、復用、無線承載管理、業(yè)務處理、用戶注冊和鑒權加密等功能，后者為實現(xiàn)特定頻點上的頻譜模板和提高射頻通道性能提供支撐。

表1給出了當前主流衛(wèi)星移動通信終端的主要參數，表2給出了衛(wèi)星移動寬帶（≥128kbit/s）終端的主要參數。

表1 當前全球主要運營商手持終端技術指標

表2 當前全球主要運營商寬帶終端技術指標

三、國內外MSS系統(tǒng)在應急通信中的應用現(xiàn)狀

全球在運營的主要MSS系統(tǒng)，包括地球同步軌道的海事衛(wèi)星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）、光平方（LightSquard） 和低軌道的“銥”（Iridium）、全球星（Globalstar）、軌道（Obcomm）。共有各類激活終端290余萬部，除采用低數據速率（LDR）傳輸應用于數據采集和財產跟蹤外，應急通信是MSS系統(tǒng)發(fā)展的主要驅動力和最重要的應用方向。在近年重大的自然災害中，MSS起到了關鍵作用，被稱為應急通信的第一反應器[2]。

1.手持終端在應急通信中的應用

MSS手機是應急場所最重要的通信手段，特別是在災難發(fā)生的72小時以內。在此時間段內，地面網絡無法使用，而救援機構需要了解災難地區(qū)的實時消息來進行災情評估，進而組織救援活動。MSS手機可以幫助救援組織在幾分鐘內建立好應急通信中心，提高了災難救助效率和水平。據歐洲咨詢公司對歷次災難發(fā)生后MSS業(yè)務量的統(tǒng)計，災害發(fā)生2到5周內，災害發(fā)生區(qū)域，會形成大量的MSS通信量。但隨著大量救援力量的到來和當地地面電信網絡的恢復，MSS手持服務變得不那么合算，也不再能滿足不斷增加的電信需求。因此，衛(wèi)星電話逐漸被VSAT和地面通信系統(tǒng)代替；并且在事件發(fā)生后的幾周，成為了后備的通信工具。

1999年，Iridium公司在臺灣大地震發(fā)生后，為救援人員提供了20 臺Iridium 9500手機。2005年，美國政府事務處在從“卡特里娜”颶風恢復的過程中，廣泛地使用了Iridium手機。2005年，亞洲海嘯過后，在恢復階段，許多Iridium和Thuraya手機被救援事務處使用。2011年3月，在海嘯襲擊了日本沿海地區(qū)后，國際電信聯(lián)盟（ITU）緊急調運了78部Thuraya衛(wèi)星電話和13臺Iridium衛(wèi)星電話用于災難救助。上述兩個系統(tǒng)2011年在亞太地區(qū)都出現(xiàn)了MSS通信量劇增的情況[3]。

2．寬帶終端在應急通信中的應用

由于受到MSS寬帶終端數據速率、使用成本等方面的限制，它在應急通信中的應用不如MSS手機使用廣泛。但是，與VSAT相比，MSS寬帶設備體積小、重量輕、安裝成本低，這使得它更適合在需要快速部署和需要具有靈活性的情況下使用。因此MSS寬帶終端通常用在需要進行網絡瀏覽、郵件收發(fā)、低速視頻傳輸等領域。特別是在使用靈活并需要快速建立通信的新聞采訪領域，MSS寬帶終端使用量較大。2011年日本海嘯之后，曾緊急部署了37臺Inmarsat BGAN終端。

圖2是2003年以來，重大自然災害發(fā)生次數與MSS終端使用量的對比關系，其中由于在2005年發(fā)生了印度洋海嘯和美國的“卡特里娜”颶風，救災中大量使用了MSS終端，因此導致了圖中2005年MSS終端的使用出現(xiàn)了峰值。

圖2 近十年來自然災害發(fā)生數量與MSS業(yè)務量對比

2008年5月12日，汶川發(fā)生8.0級強震，地面通信網絡遭到嚴重破壞，在國內外相關公司支持下，工信部調集了包括Inmarsat、Thuraya、ACeS等系統(tǒng)的數百部終端投入搶險救災，對指揮部第一時間掌握災情，及時進行人員和物資調度，為抗震救災工作的順利開展起到了巨大作用。

2010年4月14日，青海省玉樹地區(qū)發(fā)生7.1級強烈地震，在供水、供電和通信設施遭受破壞情況下，玉樹地區(qū)廣泛建立的基于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的村村通衛(wèi)星電話能夠不受地面通信設施損毀的影響，及時向外傳遞信息，對災情普查和人員搜救也發(fā)揮了重要作用[4]。

四、MSS寬帶和VSAT在應急通信應用中的對比分析

在應急衛(wèi)星通信領域，MSS寬帶終端與VSAT扮演了既相互合作，共同完成各類應急通信需求，又相互滲透，彼此爭取更大市場份額的角色。特別是近年來，隨著新系統(tǒng)能力的增強，VSAT天線尺寸大幅下降，終端的移動性空前提高，加上靈活的資費政策，VSAT對MSS寬帶終端在應急通信中的應用造成了一定的沖擊。

1．工作頻段不同帶來服務差異

MSS系統(tǒng)工作于L或S頻段，而VSAT系統(tǒng)工作在Ku或Ka頻段，相對于Ku和Ka，L、S頻段頻率低，鏈路可用性強，加之在系統(tǒng)設計中MSS系統(tǒng)通常保留較多鏈路余量，因此通常認為MSS比VSAT具有更強的系統(tǒng)可用性。

但也正是因為較低的工作頻段，目前分配給MSS系統(tǒng)的頻譜資源十分有限，這很大程度上導致了MSS系統(tǒng)使用中的局限性。根據目前的技術和頻譜的分配情況，MSS終端數據速率最高只能達到650kbit/s（如Inmarsat的MSS終端）。盡管通過采用多波束技術大幅提高了MSS系統(tǒng)的頻率復用率，進而提升了系統(tǒng)容量，但對于單個終端的速率影響不大。而VSAT終端工作頻段較高，其較高的天線增益可支持高速的數據傳輸，目前VSAT終端的最低起步速率通常為512 kbit/s，相對于MSS，具有明顯的速率優(yōu)勢。

2．不同定價策略對其應用于應急通信中的影響

受到系統(tǒng)建設成本及工作頻段的稀缺性、通信容量的有限性以及運營商所采用的商業(yè)模式等多種因素的影響，MSS寬帶終端的使用成本是比較昂貴的，特別是對于數據業(yè)務，通常是以每MB為單位進行收費。例如Inmarsat BGAN，它在標準IP模式下的平均零售價在每MB 4美元到6美元，在數據流模式下是3～30美元/分鐘。即使能保證每月大容量使用，每MB的價格也僅能便宜幾十美分。其他的系統(tǒng)如Thuraya IP，在標準IP模式下其平均價格可以變?yōu)槊縈B 4美元，而在數據流模式下變?yōu)?～15美元/分鐘。

而Ku頻段的移動VSAT有64 kbit/s到2Mbit/s的下載速度和無限使用數據包，并且根據使用的不同的數據速率、QoS和其他服務選擇，固定月租為1500到8000美元不等，平均每MB的數據傳輸費用遠低于1美元，具有明顯的價格優(yōu)勢。

近兩年，為了對應來自VSAT的價格優(yōu)勢，MSS運營商推出了針對特殊應用的優(yōu)惠套餐，例如，2012年10月，Inmarsat為IsatPhone Pro終端應用于非政府組織（NGOs）人道主義援救行動推出了優(yōu)惠套餐，3個SIM卡綁定情況下，每月可享受高達3000分鐘的通話時長[5]。

MSS寬帶終端與VSAT總體對比情況如表3所示。

表3 MSS寬帶終端與VSAT終端對比表

五、結束語

我國是一個自然災害高發(fā)國家，搶險救災對成熟可靠的應急通信手段有迫切的需求。而衛(wèi)星移動通信素有“應急通信第一反應器”之稱，在國內外歷次重大災害的救災中發(fā)揮了巨大作用。隨著我國自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)研制建設工作的開展，可支持話音、數據、導航等綜合業(yè)務的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)必將極大促進我國應對自然災害等重大突發(fā)事件的應急通信保障能力。

[1] 汪春霆，張俊祥，潘申富，等. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[2] 陳思，張健. 應急通信保障手段——衛(wèi)星移動通信[J]. 衛(wèi)星與網絡. 2009（8）：20-22 .

[3] 陳旭彬，劉海洋. 衛(wèi)星通信在應急通信中的應用[J]. 數字通信世界. 2012（10）：67-69 .

[4] 李廣俠，馬沖，胡婧. 衛(wèi)星通信在突發(fā)事件中的應用[J]. 數字通信世界. 2009（6）：36-39 .

[5] Euroconsult. MOBILE SATELLITE COMMUNICATIONS MARKETS SURVEY PROSPECTS TO 2022[R]. 4th ed. 2013.