移動互聯網與衛星通信

+ 張健 天津七一二通信廣播有限公司

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移動互聯網與衛星通信

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【摘要】本文從通信角度對移動互聯網的特點進行了分析，介紹了當前主流的衛星通信系統，并對衛星通信用于移動互聯網進行了分析。

一、移動互聯網時代的特點

目前，移動通信已經進入4G時代，基于移動互聯網各類應用已經滲透到普通百姓的方方面面，面向個人的移動互聯網正在迅速改變人們的生活方式。根據中國互聯網信息中心發布的《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2014年6月，我國網民手機上網使用率首次超越PC端，手機成第一大上網終端設備。移動終端正在全面侵蝕PC，移動互聯網更受網民的喜愛。站在不同的視角對移動互聯網時代特點有不同的說法，在從事通信領域從業人員看，移動互聯網有如下特點：

一是覆蓋地域廣。由于移動互聯網面向的普通百姓，因此只要是有人的地方都需要互聯網提供服務。目前，移動互聯網主要依托地面公用移動通信網，我國三大運營商的移動網都已覆蓋了縣鎮以上的人口密集區域，圖1是我國經濟大省廣東省4G移動網的覆蓋范圍（來自廣東移動實時覆蓋圖），可以看出南部發達地區基本是絕大部分實現了無縫覆蓋，但粵北地區則有大量的空白地區，主要是這些地區地處延綿山區、人口較少，經濟相對落后。由此可以推測全國范圍，由于建網成本及效益等問題，全國還有相當地域處于空白狀態。這些空白地區為衛星通信應用提供的發展的空間。

圖1　廣東移動4G網絡覆蓋圖

二是接入方便?；ヂ摼W是覆蓋全球的網絡，能夠提供用戶的隨機接入，早期采用電話線、ADSL等方式，目前主要使用光纖接入和無線接入方式，前者可提供的接入帶寬大，后者具有接入方便的優點。其中，無線接入主要是通過公用移動網絡接入和熱點接入兩種方式，由于移動通信網覆蓋的廣域性，已經超過傳統的話音成為主要業務，成為移動互聯網主要的接入方式；同時，WiFi由于其可提供的大帶寬、更經濟成為當前首選的接入方式，各電信運營商在建設各種電信網絡的同時也在大量建設WiFi接入站點。圖2是在2014年互聯網調查中手機網民首選的網絡接入方式。

圖2　WiFi成為主流的移動接入方式

三是帶寬不斷增加。面向個人生活、工作的服務內容越來越多，成為當今創業熱點區域，由此帶來的帶寬需求不斷增加。圖3是移動通信網帶寬變化帶來的應用需求的變化，每次變化帶來的不僅僅是由語音到視頻這樣的業務類型的變化，而是其創新服務的出現，這些新的服務可為人們的生活帶來巨大的影響。因此，移動互聯網對帶寬的需求是不斷增加的，這也是當前地面移動5G發展的驅動力。

圖3　帶寬增加導致應用模式的變化

四是用戶終端快速變化。使用移動互聯網的用戶都是個人用戶，隨著網絡升級及技術發展，移動用戶終端正在向智能化發展，當前主流的安卓和蘋果操作系統已經成為移動終端的標準，基于此的各類應用APP如雨后春筍般出現；同時，傳統的桌面PC正在向平板變化，微軟正在推出面向平板、手機等跨平臺應用的WIN10，一代終端大都在兩年以內被新一代終端替代。近期，可穿戴設備成為用戶終端發展的熱點，包括以手腕為支撐的watch類（包括手表和腕帶等產品），以腳為支撐的shoes類（包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產品），以頭部為支撐的Glass類（包括眼鏡、頭盔、頭帶等），以及智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產品形態。另外，用戶有原來被動接受服務模式向主動選擇服務轉變，用戶可根據自己的喜好選擇喜歡的應用或舍棄不喜好的應用；通信網也面臨著同樣的競爭局面，各運營商通過提供補貼等優惠方式爭取用戶，網絡流量費總體呈下降態勢。

四是用戶終端快速變化。使用移動互聯網的用戶都是個人用戶，隨著網絡升級及技術發展，移動用戶終端正在向智能化發展，當前主流的安卓和蘋果操作系統已經成為移動終端的標準，基于此的各類應用APP如雨后春筍般出現；同時，傳統的桌面PC正在向平板變化，微軟正在推出面向平板、手機等跨平臺應用的WIN10，一代終端大都在兩年以內被新一代終端替代。近期，可穿戴設備成為用戶終端發展的熱點，包括以手腕為支撐的watch類（包括手表和腕帶等產品），以腳為支撐的shoes類（包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產品），以頭部為支撐的Glass類（包括眼鏡、頭盔、頭帶等），以及智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產品形態。另外，用戶有原來被動接受服務模式向主動選擇服務轉變，用戶可根據自己的喜好選擇喜歡的應用或舍棄不喜好的應用；通信網也面臨著同樣的競爭局面，各運營商通過提供補貼等優惠方式爭取用戶，網絡流量費總體呈下降態勢。

圖4　可穿戴設備成為發展熱點

五是M2M成為移動互聯網的新熱點。M2M有Machine-to-Machine及Mobile-to-Mobile解釋，無論何種含義，都是基于移動互聯網的新型應用。在Machine-to-Machine方面，依托于移動互聯網，用于安全監測、自動售貨機、貨物跟蹤等遠距離收集信息、設置參數和發送指令等；在Mobile-to-Mobile方面，用戶通過移動端獲取商家在移動端提供的服務，用戶在移動端進行消費、支付和社交，商家在移動端完成經營、收費和管理。無論是機器還是人，M2M是一種以機器終端智能交互為核心的、網絡化的應用與服務，是未來移動互聯網的發展趨勢和應用落腳點，也是物聯網的重要組成部分。目前，世界電信運營商都將M2M作為未來新的增長點，通過合作建立全球M2M通信市場產業聯盟，建立同一標準的M2M服務平臺。分析機構Machina預測，M2M全球市場規模將從2010年的1210億美元增加到2020年的9480億美元，年增長率23％（其中我國增長率為16％），人手將有5-10部聯網終端。

二、當前衛星通信發展情況

衛星通信具有覆蓋地域廣、組網靈活、通信質量好、天然的廣播特性等優點，是地面通信網有益的補充。隨著技術的發展，衛星通信系統中通信衛星轉發器的性能和應用系統站型的業務能力不斷提高，能夠為各類用戶提供良好的服務。

（一）在同步軌道衛星通信方面

在同步軌道衛星通信系統方面，主要是在移動衛星通信系統和高容量衛星通信系統（HTC）兩個方向發展。

1.移動衛星通信系統

典型的有INMARSAT、THURAYA等系統，系統采用L、S頻段，為提高系統用戶容量和減小用戶終端體積重量和功耗，衛星采用多波束覆蓋地球方式，如2005年首發的INMARSAT4衛星有1個全球波束、19個寬波束和228個窄點波束，手持終端可支持9.6kbps的業務，寬帶全球區域網服務（BGAN）可提供IP和電路交換服務，包括互聯網接入、視頻會議、LAN和其他服務，最高速度可達492 kbit/s。2007年發射的THURAYA F2衛星有351個波束，小型便攜終端可支持444kbps接收和202kbps發送，手持式終端最高上行可達60 kbps、下行15 kbps。

圖5　典型的衛星通信移動終端

2013年，Global Xpress(GX)（Inmarsat 5）首星發射，目前已有3顆在軌。衛星采用Ka頻段，透明轉發，有89個固定波束和6個高容量可控點波束，采用靈活的功率帶寬分配，前向速率最50Mbps、返向最高5Mbps，3個衛星覆蓋全球（見圖5）。應用裝備提供0.6至2.4米站型，有固定、車載、機載和便攜等形式。其中，為民用航空提供的機載通信能力將是Ku頻段機載衛星通信能力的兩倍。

圖5　Inmarsat5覆蓋示意圖

2.高容量衛星通信系統

當前寬帶通信衛星的主要是高吞吐量衛星（HTS High-Throughout Satellite）或高容量衛星（HCS High-Capacity Satellite），單星容量是一般衛星的數十倍。目前已經有多個HTS衛星發射入軌或正在研制，主要使用Ku頻段和Ka頻段，這類衛星通過多波束的頻率復用方式，擴展指派給衛星的可用頻譜資源，提高衛星的EIRP和G/T性能，滿足小口徑終端發送和接收高速業務的需求，有星載處理和透明轉發兩種使用方式。

寬帶衛星通信到今天已經發展了三代：第一代系統上世紀80年代提出的VSAT系統，只能夠為用戶提供2048kbps為主的業務傳輸，衛星采用大波束覆蓋，轉發器為多用戶共享方式，主要為公司分散的用戶提供組網服務，終端售價5000-10000美元；第二代系統出現于2005至2007年的互聯網發展階段，能夠為用戶提供256kbps-3Mbps的業務傳輸，用于互聯網業務的延伸，并出現了專用的寬帶衛星，如IPstar、Spaceway等，衛星具有多點波束高增益天線，采用頻率復用技術，基于IP的專用的應用系統能夠為用戶提供較好的QoS，終端售價在500美元左右；第三代系統就是2010年后出現的新一代寬帶衛星系統，用戶的傳輸通過量大于10Mbps，可滿足新一代互聯網的視頻應用需求，衛星容量達到100Gbps以上，比第二代系統衛星提高十倍以上，每個衛星支持上百萬用戶，具有50Mbps至500Mbps能力的終端售價在500美元以下，已經有Ka-Sat和ViaSat等衛星在軌工作，每Mbps的使用費用進一步下降。

（二）在中低軌星座衛星通信方面

相對同步軌道衛星，中低軌衛星具有電波傳播損耗小、傳輸時延低的優勢，但衛星相對地面移動，需要多個衛星對服務區域形成穩定覆蓋。目前，已經投入使用或將要投入使用的低軌星座衛星通信系統有銥星、全球星、O3b等系統，其中銥星、全球星系統分別有66 和48顆衛星，全球覆蓋，使用的L頻段用戶鏈路，提供面向個人用戶的話音、數據服務，其中銥星公司的機器至機器（M2M）數據服務正在不斷增長，2017年將部署完新一代銥星（Iridium NEXT），通信速率將由128kbps提高到1Mbps。

O3b系統當前正在建設的寬帶星座網絡，采用Ka頻段用戶鏈路，12顆衛星位于赤道上空8062km，每個衛星12個可移動波束，其中2個用于信關站、10個用于用戶服務，可對南北緯45度以內地球表面進行覆蓋，每個波束直徑700Km，有兩個216MHz轉發器，通過雙極化復用和空間隔離頻率復用，每個轉發器最高可提供1.6Gbps（800Mbps x 2）。通過建設地面接入站點方式，為移動運營商和互聯網服務商提供話音和數據服務，地面站采用兩副自動跟蹤的Ka頻段天線，前向廣播采用BVB-S2、ACM，載波速率最高45Msps；返向接入體制采用MF-TDMA DVB-RCS、DVB-S2 ACM連續載波（SCPC）方式，最高速率最高分別為4.4Mbps和24Mbps。首批四顆衛星2013年6月發射，第二批4顆衛星2014年7月發射。

圖6　O3b星座組成圖

（三）衛星互聯網成為推動的衛星通信發展引擎

近年來，隨著通信衛星技術的發展，特別是大容量通信衛星的發展，用戶使用衛星的費用呈逐年下降的態勢，用戶數量不斷增加，具備了與地面通信方式競爭能力，寬帶接入需求不斷增加，有力地推動了衛星通信產業的發展。從銥星公司和GlobalStar公司披露的數據來看，公司的用戶人均費用逐年走低。GlobalStar公司用戶的人均費用從2006年至今下降了60％以上。北美咨詢機構NSR預測，全球衛星互聯網的總供應容量將從2011年200Gbit/s增長到2021年的1.6Tbit/s，這尚不包括O3b衛星星座的容量；全球寬帶用戶將從2011年的350萬增加到2021年的910萬，其中互聯網寬帶接入用戶達到810萬，全球寬帶衛星通信的服務和終端設備收入將會翻番，預計有63.5億美元的增長。

三、衛星通信如何與移動互聯結合

由于地面網絡覆蓋受限，為衛星通信在移動互聯網領域提供了發展空間。但傳統的衛星通信采用的C、Ku頻段固定衛星通信體制，主要是面向固定或機動用戶應用，無法保障面向個人的移動互聯網應用。雖然近年來面向個人用戶的各類移動衛星通信網投入使用，但受限于手持設備能力，只能夠支持電話和低速數據應用，與當前主流應用的高帶寬移動互聯網需求存在相當差距，如何利用衛星通信解決地面公用通信網難以覆蓋地區的移動互聯網應用成為一個難題。通過對前面衛星通信發展情況分析，可以看出衛星通信與移動互聯網結合的途徑主要有以下途徑：

（一）間接服務方式

為充分發揮衛星通信覆蓋地域廣、寬帶傳輸的優勢，在與移動互聯網結合中采用熱點接入方式，間接為用戶提供移動互聯網服務。目前，O3b、INMARSAT 5及使用Ku、Ka頻段HTS衛星的系統地球站都具有很高的雙向通信速率，可支持數十Mbps的用戶接入。主要有以下三個途徑

一是利用我國現有衛星方式。目前，我國通信衛星主要采用Ku頻段、國土廣域覆蓋為主，EIRP及G/ T較差，為提供寬帶IP接入服務，建設采用基于DVBRCS或其他體制的VSAT系統，為移動運營商在其無法覆蓋地域提供基站延伸，為移動互聯網用戶提供3G 或4G無線方式接入基站，再通過衛星線路接入移動網絡；對覆蓋保障地域較小應用，設置WiFi接入點，通過衛星接入互聯網，如目前鐵路、民航可以使用基于Ku頻段通信衛星，設置車載、機載WiFi，實現地空互聯網通信，如圖7、圖8所示。

二是利用國外現有衛星方式。由于我國現有通信衛星能力受限，無法滿足移動互聯網較高傳輸能力應用需求，可采用INMARSAT 5等衛星開展移動互聯網接入服務。其中，我國民航部門正在計劃利用INMARSAT 5系統在民航飛機開展面向乘客的機載互聯網服務，通過在飛機站安裝衛星終端。據報道，2014年霍尼韋爾航空航天集團與國航簽署了一份諒解備忘錄，將在國航的空客A330飛機上測試GX Aviation空中網絡連接方案，國航將成為首家與霍尼韋爾及國際海事衛星合作測試GX Ka波段連接方案的航空公司。

圖7　列車衛星通信

圖8　機載衛星通信

三是建設我國的HTS衛星。隨著地面公用通信網的發展，我國衛星通信保障的重點正在向應急通信、海上通信和通信基礎設施薄弱邊遠地區的通信轉移，為應對互聯網高速業務需求不斷增加，急需發展我國的HTS通信衛星。在我國HTS衛星設計要考慮重點覆蓋我國人口稀少地域，按照我國降雨分布及人口分布，結合地面公用移動通信網發展，合理設計波束覆蓋地域；同時，同步設計應用系統技術體制，研制不同形式的衛星通信終端。在HTS衛星終端研制中，必須引入與傳統VSAT不同的技術，以適合HTS特有的特點，主要是：每個波束超過100MHz的帶寬，考慮信關站能夠支持10至20個波束和Gbps的容量、用戶終端有更高的吞吐量、能夠克服雨衰等技術，其中成熟波形以DVB為基礎進行擴展，以適應點波束中更大的帶寬。

（二）直接服務方式

針對直接面向用戶的移動衛星通信系統，開展互聯網應用是當前世界各移動衛星通信系統重點開展的工作，如GLOBALSTAR系統的WIFI熱點、THURAYA系統的蘋果皮、Orbcomm數傳模塊（見圖8）等。當前，我國正在建設S頻段衛星移動通信系統，雖然手持用戶只能提供9.6kbps窄帶業務，具備了支持移動互聯的能力，建議相關研制單位在終端設計中，參考國外同類產品特點，充分考慮移動互聯網需求。同時，應進一步發揮衛星通信廣域覆蓋優勢，拓展衛星通信在物聯網、M2M等新興領域的應用，如油氣田作業、輸油輸氣管線、物流、農業、醫療保健、公用事業等產業。另外，為增大衛星覆蓋范圍、減少電波傳播時延、提高用戶終端業務能力，借助移動互聯網發展勢頭，建設覆蓋全球的星座衛星通信系統是十分必要的，為用戶提供高質量的移動互聯網服務。

另外，使用Ku、Ka頻段通信衛星、直接面向用戶的VSAT系統也是保障車輛、游船等小型平臺移動互聯網應用手段，相對L、S頻段移動衛星通信，能夠提供更高的傳輸帶寬。目前，我國建設了大量的“動中通”車載站，具備了移動互聯網應用條件，隨著業務模式由傳統的提供遠程傳輸線路向互聯網轉變，通過對用戶站和接入點改造能夠方便支持互聯網業務。同時，積極跟蹤當前VSAT技術發展，研制新一代的VSAT系統，通過對當前國外新一代VSAT分析，主要特點有：一是充分考慮互聯網應用需求和系統的靈活性、可擴展性及運行效率，能夠為用戶提供高速寬帶IP接入；二是針對新型的HTS衛星轉發器特點，參考DVB-S2X標準，通過對現有DVB-S2進行改進，擴展最高傳輸符合速率，優化調制編碼模式，適應比傳統的36/54MHZ轉發器更寬的轉發器；三是在傳統的SCPC和MF-TDMA多址方式基礎上，充分保留SCPC方式鏈路高效和MF-TDMA組網靈活的優點，為適應IP變化較大和視頻穩定不同的業務特點，擴展多址方式，通過使用網管控制、優先級設置及突發SCPC方式，調制解調器在MF-TDMA和DVB-S2 SCPC之間可動態變化，到達最佳的衛星資源利用率，并支持多種應用方式。

圖8　移動衛星通信支持移動互聯網應用

四、結束語

在移動互聯網時代，連接和接入成為人們工作和生活的必要前提，用戶具有了空前選擇權，地面光纖基礎設施能力不斷提高，移動4G正在建設的同時5G也成為網絡制造商、運營商及研究部門關注的熱點，傳統的衛星通信生存空間正在面臨著地面通信網絡極大的挑戰。因此，衛星通信從業人員必須要調整思維模式，在互聯網領域尋找需求、發現需求、創造需求，與互聯網深度融合，才能夠發掘出衛星通信的活力。

【參考文獻】

1.中國移動互聯網調查研究報告，中國互聯網絡信息中心，2014年8月

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