国际和区域卫星通信系统的发展近况.docx

国际/区域卫星通信系统的发展近况

摘 要 在光纤通信、全光网和地面峰窝移动通信迅猛发展的新世纪里，人们正关心着卫星通信的现状和发展。本文将对国际上二个最大的通信系统INTELSAT与INMARSAT新的发展情况和亚太地区二个先进的区域卫星ACES与THURAYA系统的技术特点作比较详细的介绍。对低轨卫星LEO/小卫星的应用和宽带卫星系统的发展作重点描述，然后对卫星通信发展的技术热点和新业务开发的趋向，作一些讨论与预测。
关键词 卫星通信 通信卫星 低轨卫星 宽带多媒体 VSAT
1.国际卫星系统
1.1 INTELSAT的新一代卫星系统
1.1.1 系统的新部署
国际通信卫星（INTELSAT）系统已经发展到第Ⅷ代卫星，目前正开发Ⅸ代卫星和Ⅹ代卫星。按2000年10月统计，在轨卫星共19颗，其中，大西洋区（AOR）10颗，印度洋区（IOR）4颗，太平洋区（POR）3颗和亚太地区（APR）2颗。到2003年将增加4个轨道位置，计划在全球配置24颗卫星。
到2003年，Ⅸ代卫星将替代Ⅵ代星，Ⅹ代星将替代Ⅶ代星。在此期间，INTETSAT将发射9颗新的卫星，其中7颗Ⅸ代星布置在AOR与IOR洋区，2颗Ⅹ代星布置在AOR洋区，卫星的部署作了较大的变动。
卫星系统部署的主要内容有：
（1）开发新一代卫星
新一代卫星的下行e、i、r、p和 上行G/T值均比上一代有很大的提高和改善，业务种类增多，通信容量也增大。在INTELSAT的卫星系列中，Ⅸ代星是通信容量最大功能最全的卫星。
·Ⅸ代星工作于C及Ku频段，C频段有48个转发器，最多可同时开通44个。Ku频段有16个转发器，可同时开通12个，通过7次频率复用，工作有效可用带宽达3456MHz（C频段为2736MHz，Ku频段为720MHz）能同时传输3200条（在使用DCME数字线路倍增器后达160000条）话路及3路广播电视。
·Ⅸ代卫星的功率增大。C频段的E、I、R、P比Ⅵ代星高出4.5—7.9dBw，Ku频段高出2.3—3.2dBw，减轻了地面的负担，可用小天线开通业务，传输质量可与光纤信道媲美。
·增加区域波束，调整了复盖区。将Ⅵ代星四个区域波束中的东南波束分离成二个，成为五个区域波束的配置。扩大了东中区域波束及西半球波束的复盖面积共有全球波束1个、半球波束2个，区域波束5个。
（2）增添新的轨道位置
INTELSAT组织近年来，逐步实现2°间隔的轨道位置，注册新添的轨道位置有5个，其中64°E已有卫星在用，还有4个位置（340°E°、33°E、157°E、178°E）将部署卫星，运行业务。
（3）开发Ka频段的卫星系统
INTELSAT在2000年申请注册了8个轨道位置，运行Ka频段的卫星业务，现正研究星体结构及网络组成，拟在2004年后，部署Ka频段卫星提供业务。
1.1.2 卫星业务的新发展
（1）发展宽带高速业务
中速数据IDR业务是INTELSAT传输公用交换网业务的主要方式，它一直采用的是QPSK/FDMA制式，传输速率为64kbps—44.736Mbps。近年来，INTELSAT组织开发了高效的8PSK TCM格状编码MODEM，来提高频带利用率，8PSK 2/3TCM MODEM，加上RS纠误外码后，用于IDR业务的传输时，比特误码率BER大大优于10-10，不但质量比过去好，并且等约了20%的频带资源。目前已有50多家用户采用这种TCM/IDR技术。
INTELSAT计划在10年内推广应用，TCM/IDR技术，来逐步替代QPSK/IDR技术。并将进一步开发16QAM、64QAM的MODEM用于更高速率的数据业务。
（2）电视业务数字化及卫星新闻采集业务（SNG）
INTELSAT卫星组织于1994年8月批准了IESS-503“数字电视传输工作特性”标准，它规定了数字电视（DTV）载波的工作性能要求。DTV编译码器的速率从64kb/s可视电话开始到140Mb/s的高清晰度电视（HDTV），规定采用H.261和MPEG等压缩传输标准。对DTV进行业务分类将演播室直接到户（DTH）、卫星新闻采集业务（SNG）和HDTV业务的速率进行分级。
INTELSAT卫星组织已公布，到2003年1月偶用电视业务将完全实现数字化传输。数字卫星新闻采集业务（DSNG）将利用Ⅸ代卫星功率大，组网灵活的优异性能，大力推行DSNG业务，预计到2001年底，将有120多国家和地区约500个地球站投入运行。
（3）宽带VSAT（BVSAT）业务[1]
INTELSAT卫星组织订出了IESS-313标准，计划在2000年到2001年开展BVSAT新业务。在AOR 328.5°E(IS-801)、APR 110.5°E(APR-2)、IOR 64°E(IS-804)、IOR 62°E（IS-901）和IOR 60°E（IS-902）卫星上建立五条BVSAT网络。IS-801和IS-804卫星的BVSAT已经于2000年7月和12月相继开通。效果很好。
BVSAT业务是一个先进的带宽按需分配（BOD）系统，能为各国的用户很快地调配网络和ISP的连接，支持用户宽带应用的急需，其中包括Intranet/Internet、VPN、WAN/LAN的互连、视频会议、IP电话、FR电话远程教学和远程医疗。它的设计是基于面向分组交换的平台，支持地面IP、FR、以太网、ISDN和ATM协议，支持非对称连接、组播（Multicasting）和广播，支持多转发器运行和适时多重连接。线路速率从64kb/s到4Mb/s。
1.2 INMARSAT的新业务和新标准
INMARSAT系统已经从第一代INMARSAT-1发展到第三代INMARSAT-3。相继推出了A、B/M、C、Mini-M、D及AERO等适合各种用户终端的标准。现在运行的是INMARSAT-3第三代卫星，它在大西洋配置2颗、太平洋1颗，印度洋1颗，卫星工作频段，固定岸站用C频段（6/4GHz）全球波束覆盖，移动站用L频段，全球波束和5个点波束覆盖，通过卫星转发器将L转为C，C转为L完成岸站与移动站之间的通信。另外，还有C转C，L转L的专用链路。
INMARSAT能提供全球陆、海、空移动用户的电话、传真和数据业务。在A标准用的是FM模拟电话，但在B标准、M标准、Mini-M标准，话音都已经数字化，传输速率从16kb/s、6.4kb/s降到4.8kb/s。终端尺寸逐步缩小，数据业务迅速发展，通信效率不断提高。近年来，INMARSAT在Mini-M的基础上，提出M4新业务，制定了新的F站标准。并且正开展第四代宽带卫星系统INMARSAT I-4，实现新型宽带全球区域网（B-GAN）。
1.2.1 M4业务及F标准站
INMARSAT第三代卫星L频段除全球波束外，还有点波束覆盖，利用点波束就可用笔记本PC那样小的Mini-M终端进行通信，其功能与M标准一样，但体积减小，费用降低，为大量陆地用户提供了更好的移动通信条件。随着信息技术的发展INTERNET的无线接入以及电子商务等业务的市场需求，INMARSAT在Mini-M基础上开发了M4新业务[2]。
M4就是Multi-Media Mini-M的意思，是一种多媒体新业务，M4不但能提供Mini-M的话音（4.8kbps AMBE）、2.4kbps的低速数据和传真业务，还采用16QAM调制方式及TURBO纠误码，来支持电路交换的64 kbps的ISDN业务。下一步M4将利用64 kbps共享信道，来支持开通INMARSAT分组数据业务（IPDS）。
IPDS是一种分布式的平台，用来高效地提供数据业务。设法让多个MES（移动站）合成一个“移动接点”（MAN）共享一个64 kbps的SCPC信道，通过卫星与地面网络相连。它首先着眼支持IP网络，为移动用户开通各种新业务。
M4多媒体新业务为INTERNET、PSTN、ISDN开辟了广阔的应用空间，为企业和个人形成一个简练、实用的移动办公室。
M4系统业务的运行成功，导致F标准的建立。INMARSAT在1999年9月通过推行F标准的决议。F系统将是在M4系统的基础上进行全面改造，加上海上遇险安全功能（GMDSS系统），形成业务标准，并将逐步代替A系统，以满足21世纪海上安全通信高速数据多媒体通信和INTERNET网络数据传输的要求。
1.2.2 INMARSAT I-4卫星和B-GAN[3]
INMARSAT与欧洲ASTRIUM卫星公司签订了生产三颗第4代宽带卫星INMARSAT I-4，这个新系列的卫星将把B-GAN变为现实。INMARSAT-I-4将采用功率最大的同步轨道移动通信卫星，将于2003年发射2颗，2004年投入工作，定位于54°W和64°E，卫星重5吨多，使用可展开的大天线，每颗星大约有200个点波点，射向地面，采用频率复用技术，扩大通信容量满足和扩大移动用户全球业务的需求。2004年投入运行时，它将使第三代蜂窝电话用户扩大成视频通道，并使广大乡村和偏远地区能高速接入INTERNET。一个轻巧的终端就可获得432 kbps的数据服务。B-GAN可使用户的LAN扩展为移动的全球区域网GAN，既提供高质量全移动的ISDN接入，又提供移动IP业务的接入，并且还支持导航业务，扩大和增强导航信号的应用，它是将IT基础设施扩展成IT Network的重要举措。
2.区域卫星系统
2.1 Aces亚洲蜂窝卫星系统[4]
Aces亚洲蜂窝卫星系统是第一个用同步卫星实现手持机蜂窝移动通信的系统。是一个很成功的个人卫星通信系统。它的设想是由印尼PSN公司提出来，它和美国马丁公司、菲律宾长途电话公司（PLDT）和泰国Jasmine海外公司合股，于1994年组建了Aces公司，2000年2月发射第一颗卫星GARUDA-1，定位于123°E覆盖西到印度、巴基斯坦，东到菲律宾、巴布亚、新几内亚，南到印尼、北到中国、日本。卫星重4.5吨，是马丁公司最大的卫星A2100AXX系列，卫星装有2个12米口径的天线（一收一发），对关口站通信用C频段，对用户通信用L频段，在L频段可提供73dBW的AEIRP，15.3dB/K的G/T值，能为200万用户开通11000个电话信道。
Aces系统的地面段包括卫星控制设施（SCF），网络控制中心（NCC）、关口站和用户终端。SCF和NCC都设在印尼巴坦岛共用15米天线的地面站，SCF监视控制GARUDA卫星，NCC管理控制系统资源。关口站提供ACES与公用网PSTN、PLMN的接口，使用户能与世界任何地方的任何人通信。各关口站能提供Aces网与GSM网漫游至本关口站的连接，在初期，在印尼、菲律宾、泰国设立关口站，随后印度和台湾也将建立Aces关口站，向亚洲的8个国家和地区提供Aces业务。另外Aces公司已向28个国家和地区签订了GSM国际漫游协议。Aces用户终端有手持机、移动式和固定式三种，均为Aces/GSM双模终端，手持机使用爱立信R-190双模手机，重量200克，体积为130×50×32mm。用卫星工作时终端的话音业务速率为3.6kbps，数据业务为2.4kbps（用GSM网工作时数据速率为9.6kbps）。
根据最近的报道，为了增强Aces系统的竞争力，拟用50MHz带宽，利用先进的信道编码Tubro码，高效的64QAM调制方式，实现128kbps的高速数据传输，配置多媒体网关（MGS）和多媒体终端建立一个完整的多媒体系统（AMS）提供INTERNET/INTRANET业务及ISDN业务。
2.2. Thuraya卫星系统[5]
有影响的区域卫星系统，除上述的Aces系统外，还有阿联酋的Thuraya卫星系统，它是阿拉伯国家的区域卫星系统。其覆盖区域包括欧洲、北非、中非、中东、中亚及印度等99个国家和地区。此系统由美国休斯公司承包，第一颗卫星（Thuraya-1）已于2000年10月21日发射升空定点在44°E的同步轨道位置。第二颗卫星（Thuraya-2）将定点于25°E位置。该系统所用的工作频段与Aces系统一样，用户链路用L频段，上行为1626.5—1660.5MHz，下行为1525—1559 MHz，占34 MHz、带宽。馈送链路用C频段，上行为6425—6725 MHz，下行为3400—3625，占300 MHz带宽。卫星重量为5.25吨，天线直径为12.25M形成250—300个点波束，通过30次频率复用，达到很高的频谱利用率。能支持13750条信道，可支持175万用户的通信业务。
Thuraya系统的终端也采用双模式工作，支持GSM标准业务，提供话音、传真和数据业务，传输速率为2.4—9.6Kbps另外，系统能借助GPS系统提供定位服务。
总之，用GEO卫星实现个人通信比LEO卫星系统的话费要低得多，一般在1美元/分以下，在市场上很有竞争力。
3.低轨卫星系统（LEO）
自从铱系统宣布破产后，Globalstar和ICO的发展也比较缓慢，窄带LEO/MEO卫星系统的发展，令人关注，发人深思。如何处理好技术驱动和市场驱动的关系，是值得思考的战略定位问题，铱系统破产了但铱系统应用的技术应当说是成功的。最近传出的消息，铱星公司已被一家私人公司收购，成立新铱星公司，重新定位它的目标用户，宣布于3月30日重新开始新的通信业务。
我们从发展眼光看小的LEO卫星的应用应当有它的发展前途。在这里介绍一下小卫星Orbcomm系统的开发情况。Orbcomm是第一个投入商用的小LEO系统，Orbcomm轨道卫星系统[6]是一个广域、分组交换、双向数据通信系统。用户终端（SC）是通过卫星到关口站，再由关口站接入地面公用网与其他用户通信。Orbcomm系统包括空间段、地面段和用户段。
空间段 由36个小卫星组成，主星座为4个轨道平面（A、B、C、D平面）每平面有8颗卫星。A、B、C三个平面对赤道倾斜45°，D平面为O°，卫星高度为825km，4个轨道平面互成45°。2个辅助平面F和G，每平面有2颗卫星互相错开180°，卫星高度为780 km，F平面倾斜70°，G平面倾斜108°。每颗卫星的地面覆盖区大约有直径为5400 km的地区。每颗小卫星仅重43kg，在太阳能板和天线未展开时，是直径为1m，厚度为16cm的园盘体，一旦全部展开，其长度约为4m，太阳能板的总宽度约2.2m。
Orbcomm系统中，卫星到用户终端的下行频率为VHF的137—138MHz对用户有12个下行信道，每个卫星用12个下行信道中的一个，向用户发射，采用频率共享，4次复用，数据速率为4.8kbps。卫星对关口站有一个下行通道，每个关口站分享这一信道采用的是TDMA方式，数据速率为57.6 kbps。用户终端到卫星的上行频率使用148—150.5MHz频段，卫星接收部分有6个上行用户接收机，1个对关口站的接收机和1个DCASS接收机，DCASS是动态信道指配系统的意思，DCASS接收机是一个扫描接收机，可以在全频段内扫描测试干扰，在5秒钟内选出可用信道。所有卫星都能发射400.1MHz信标。卫星的天线分系统是由关口站、用户，UHF信标三个相互分开的园极化四线螺旋天线单元组成，可在同一轴向展开。
地面段 包括关口站（GES）和控制中心（GCC），GCC则包括信关消息交换系统（GMSS），和网络管理系统（NMS）。它为用户提供卫星通信信道以及与地面公用网、专用网的连接。
用户段 用户通信终端（SC）是一个VHF的天线Modem，上行发射频率148—150MHz，下行接收频率137—138MHz，用SDPSK调制方式，数据速率为2.4kbps，RS232接口，重量为720克。
4.宽带卫星系统的发展
随着信息业务需求的不断增长，话音、传真和低速数据业务已经不能满足需要，目前的趋势正朝着按用户和企业的要求，随时随地提供多媒体信息的全球信息网络的方向发展，其业务包括快速Internet接入、视频点播、交互视频、远程教育、远程医疗和大型文件传输等。这个支持宽带多媒体业务的要求对卫星系统提出了新的挑战。如何迎着这个机会，发展宽带卫星系统呢，下面列出了近期将开发运行的几个宽带卫星系统。
（1）Astrolink系统
Astrolink卫星系统星座是由4—9颗GEO同步卫星构成，工作在Ka频段，上行为28.35—28.8GHz，下行为29.25—30GHz，它采用星上处理（OBP）和卫上交换（OBS），每颗卫星都是通信网的一个组成部分。系统支持多媒体业务，数据速率为16kbps—9.0Mbps，90cm口径天线的小终端可支持的数据速率为384kbps。它是一个大型的移动通信平台。
（2）Cyberstar系统
Cyberstar卫星系统星座是由3颗GEO同步卫星构成，工作在Ka频段，可为Internet业务提供者（ISP）以及其他商业组织和多媒体信息提供者提供IP/及IP多点广播业务，它的容量为9.6Gbps，采用的是帧中继和ATM技术基础。
（3）Spaceway系统
Spaceway卫星系统是体斯公司开发的，系统采用GEO与MEO的混合结构。整个系统由4颗GEO卫星和20颗MEO卫星组成，工作在Ka频段。系统使用4颗GEO在轨卫星满足高速传输。高度为10352公里的4轨道面，每平面5颗的20颗中轨卫星，支持交互式的宽带多媒体业务。它的超小型VSAT终端天线口径为66cm。系统的传输速率为16Kbps—6Mbps。
（4）Skybridge系统
Skybridge卫星系统是一个卫星宽带接入系统，它由80颗1469km高的LEO卫星组成，分10轨道平面，每平面8颗卫星，轨道平面倾角为53°。每颗卫星有45个波束，每个波束能覆盖直径为700km的地面小区。工作频段为Ku频段，上行频率为12.75—14.5GHz，下行频率为10.7—12.75GHz，卫星系统的设计基于弯管中继，支持高速数据，Internet接入及交互多媒体业务，数据率为16Kbps—60Mbps，Spaceway网关站通过ATM交换与地面网连接，整个系统可以容纳2000万个用户。
（5）Teledesic系统
Teledesic卫星系统的卫星星座是由12个轨道平面上的288颗卫星组成，每平面为24颗卫星，卫星高度为1375km、最小倾斜角为40.25°。卫星系统工作在Ka频段，上行频率为28.6—29.1GHz，下行频率为18.8—9.3GHz，每个轨道平面上相邻卫星的星间链路工作频率为60GHz。
Teledesic系统采用完全的星上处理（OBP）和星上交换（OBS），设计成“空中Internet”，提供高质量话音、数据和多媒体信息业务。多址接入方式，上行是多频时分多址（MF—TDMA），下行为异步时分多址（ATDMA）。网络容量，计划为10Gbps。用户连接的上行速率为2Mbps，下行速率为64Mb/s。可用率可达99.9%。
5.卫星系统发展中的热点
通过对上述卫星系统的了解，可以看出卫星系统的业务发展和技术热点。
（1） GEO FSS与GEO MSS
国际/区域GEO卫星不论是INTELSAT的Ⅸ代星，或是INMARSAT的4代星，都是用提高卫星发射功率，改善接收G/T优值，利用点波束、区域波束覆盖来改善链路增益。采用高效调制、优质信道纠误、带宽授控（BOD）和星上处理（OBP）等新技术来高质量高效率地传输信息，从而开发高速数据、Internet接入、宽带交互视频多媒体业务。
在GEO FSS业务中，INTELSAT的BSAT业务的发展比较突出。在国际上新成立了一个“Global VSAT Forum”——全球VSAT论坛，研究VSAT的发展前景，经过调查研究认为VSAT是解决全球通信最后一公里的有效方案，有着广泛的应用空间，INTELSAT的BVSAT已经开通，各国厂商已经开发出很多新一代的VSAT产品，提供用户使用，例如Hughes公司的Direc PC和Direc Way Multimedia VSAT系统以及Gilat、NSI等公司的VSAT设备，使用效果都很好。
在GEO MSS业务中，INMARSAT M4和B-GAN的走向同BVSAT的走向相似，MSS业务和FSS业务都向小终端多媒体业务发展，不同的就是工作频段不一样，管理系统不一样。因此，两者在技术走向有一致性，在业务市场上有竞争性。
（2）GEO MSS和LEO MSS
GEO卫星覆盖范围大，系统简炼，但传输频径长时迟大，在开展适时通信如话音业务时就不太理想，如果要开通移动业务（MSS）就要求很大的卫星发射功率。LEO卫星系统虽然弥补了GEO系统的不足，但是卫星成群，频繁的频率切换及众多的卫星链路，使系统的结构变得复杂庞大。
由于技术的进步，大功率的卫星、12米口径的星上多波束天线系统研制成功，并进入了应用阶段，这使Aces、Thuraya及俄罗斯的镜面—KD等蜂窝卫星系统得到了发展。这些系统的造价在10亿美元以下，话费不到1美元/分。因此从经济上看GEO MSS的Ces蜂窝卫星系统比LEO MSS更有吸引力。
（3）LEO MSS中的大LEO与小LEO
英国Surrey大学移动通信研究组，通信系统研究纬中心，对第一代三个移动通信卫星系统ICO、Globalstar和Iridiam在0°—70°韦度内的业务可用性（Service Avaliability）进了摹拟测试，认为MSS质量，最重要的因素是信号遮挡（Shadowing）概率。提高卫星星座的平均仰角，使信号遮挡降低，会明显提高业务可用性。另一方面采用双星或多星分集接收，也能提高服务质量，但是这种系统的设计，是有一个上限的。
第一代LEO MSS用的LEO卫星，造价高，卫星高度低，系统的平均仰角低，可用性不理想。移动通信卫星系统用什么样的星座结构、GEO卫星还是LEO、MEO卫星，或是GEO和LEO/MEO混合结构，值得深入探讨。看来必须从市场需求，频率/轨道资源、性能、造价等因素来综合考虑。
随着技术的进步，小卫星（小LEO）的应用是一个发展方向，用小LEO组成特定的星座结构，构成全球数据通信系统是比较实用的。Orbcomm系统就是一个例子。
（4）未来宽带卫星系统的特点
它的特点有：
·多媒体通信要可靠的质量（QoS），宽带卫星网络传输系统均采用IP/ATM方式。
·宽带卫星系统为了获得支持多媒体通信的带宽，减轻用户终端的重量和体积，趋向使用Ka频段。
·在网络处理上从弯管中继开始走向星上交换处理。
·宽带卫星系统有用同步卫星（GEO），有的用低轨卫星（LEO），也有用GEO/LEO联合组成的，各有千秋没有定论。
结语
人们说，进入新世纪，卫星通信三大重要方向是“VSAT、移动通信和直播卫星”。从卫星系统近期发展的情况来看，固定卫星业务FSS发展的是BVSAT；移动卫星业务MSS发展的是多波束蜂窝移动通信；广播卫星业务BSS发展的是直播卫星。这个结语应该是正确的。

参考文献

[1] <国际电联2000年亚州电信展（ITU Telcom Asia 2000）>2000年12月
[2] <卫星通信广播电视2000年11月总第24期>
[3] <INMARSAT>杂志2000年7—9月
[4] <AIAA>杂志2000年1252页
[5] 俄刊<网络>NO.7，2000年
[6] <Int.J.Satell. Commun. 17.209—223（1999）>