国外卫星移动通信新进展与发展趋势
2011-04-02徐烽,陈鹏
徐 烽,陈 鹏
(中国空间技术研究院西安分院,西安 710100)
1 引 言
卫星通信是地球站之间或航天器与地球站之间利用卫星转发器进行的无线电通信,主要包括卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播和卫星中继通信四大领域。前三者是地球站之间利用卫星转发器进行的,后者是航天器与地球站之间利用卫星转发器进行的[1]。卫星移动通信由于具有覆盖范围广、建站成本和通信成本与距离无关等优点,是实现全球移动通信必不可少的手段,而且特别适合难以铺设有线通信设施地区的移动通信需求。
卫星通信始于20世纪60年代,在70~80年代达到鼎盛时期。80年代末、90年代以后,由于光纤通信系统和地面蜂窝移动通信的迅速崛起,卫星通信失去了传统的国际、国内长途通信和陆地移动通信等主要领地[2]。但进入新世纪以来,卫星通信定位更加合理,扬长避短,在与其它通信方式的竞争中仍有了长足的发展。从地理上看,增长最快的地区将在北美、中国、南亚,以及拉丁美洲和中欧的一些地区中[3]。从目前卫星通信的发展特点看,卫星移动通信仍然是发展较快的业务,对相关市场动态和技术发展进行紧密的跟踪是有必要的。
2 卫星移动通信的发展动态
从全球卫星通信产业链来看,“卫星通信服务”的销售收入占整个行业链的50%以上,并持续增长[4]。据卫星通信专业国际咨询公司Euroconsult分析,卫星行业在2008年保持了强劲增长,卫星移动业务(MSS)行业运营商的收入超过了12亿美元。虽受到金融危机的影响,但地面网络无法覆盖地区的关键性移动通信对卫星移动通信的需求仍然十分强劲。2009年,卫星产业仍保持强劲增长态势,增长率为11%,其中卫星移动通信服务也保持稳定增长。
从目前的卫星移动通信市场发展情况看,静止轨道卫星移动通信发展是最好的,而且其中的许多系统已经支持手持机通信;另一方面,中低轨道卫星移动通信系统发展不景气。
2.1 静止轨道卫星移动通信系统
静止轨道卫星移动通信系统中,提供全球覆盖的有“国际移动卫星”(Inmarsat)系统,提供区域覆盖的亚洲蜂窝卫星(ACeS)系统、瑟拉亚卫星(Thuraya)系统、MSAT(已改称 SkyTerra)系统和TerraStar系统等[2]。上述系统中波束覆盖包含中国的有Inmarsat、Thuraya和ACeS系统[5]。
2.1.1 国际移动卫星(Inmarsat)系统
Inmarsat系统是由国际移动卫星公司经营的全球卫星移动通信系统。自1982年开始经营以来,该系统卫星已发展到第四代,且其第五代卫星也已在开发之中。现在国际移动卫星公司已发展成为世界上唯一能为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全方位公众通信和遇险安全通信服务的企业[6]。
目前Inmarsat利用11颗GEO卫星组成的3个星座在全球范围提供卫星移动通信服务,其中最新的是其3颗Inmarsat-4卫星。Inmarsat-4卫星采用了一副能产生多波束的9 m直径的L频段大天线和一台具有信道选择和波束成形功能的透明弯管式数字信号处理器(DSP),共有200个点波束、19个宽波束和1个全球波束,其点波束提供用户终端的卫星等效全向辐射功率强度高达67 dBW。它的应用将使用户终端进一步小型化,实现手持式用户终端电话通信,并使通信数据速率进一步提高,实现432 kbit/s高清晰视频直播移动通信。Inmarsat-4卫星支持所有Inmarsat业务和宽带全球区域网(BGAN)新业务,后者包含因特网、内部网、视频点播、视频会议等接入业务[7]。
Inmarsat在2010年8月与波音公司签约,由其制造3颗第五代卫星Inmarsat-5,构建下一代全球卫星通信系统Global Xpress,为60cm的VSAT终端提供下行50Mbit/s、上行5Mbit/s的高速数据传输。每颗Inmarsat-5卫星有效载荷有89个Ka频段的点波束,独立于现有的L频段卫星提供移动或固定的通信服务。Global Xpress系统计划在2014年完成部署。
2.1.2 亚洲蜂窝卫星(ACeS)系统
亚洲蜂窝卫星(ACeS)系统是由印度尼西亚等国家建立起来的区域性个人卫星移动通信系统,覆盖东亚、东南亚和南亚地区,它的覆盖面积超过了2.848×107km2,覆盖区国家总人口约为 30亿。ACeS系统能够向地面上固定式、移动式、便携式和手持式等各类用户终端提供双模(卫星-GSM900)的话音、传真、低速数据、因特网服务以及区域性漫游等项业务[5,8]。
ACeS系统利用一颗Garuda卫星完成覆盖。Garuda卫星重4500kg,功率为14 kW,设计寿命12年,服务区覆盖整个亚洲。Garuda星上装有两副12 m直径的L频段收发大天线,共有140个点波束,覆盖我国约为45个点波束,其等效全向辐射功率强度高达73 dBW。该星可同时提供11000条电话信道,用户总容量可达200万,可在星上进行话路的路由和交换。
2006年9月,ACeS与 Inmarsat达成合作,通过ACeS的Garuda 1卫星和Inmarsat的Inmarsat-4系列卫星提供全球卫星移动通信服务。
2.1.3 瑟拉亚卫星(Thuraya)系统
Thuraya系统是一个由总部设在阿联酋阿布扎比的Thuraya卫星通信公司建立的区域性静止卫星移动通信系统。Thuraya系统的卫星网络覆盖包括欧洲、北非、中非、南非大部、中东、中亚、南亚等110个国家和地区,约涵盖全球1/3的区域,可以为23亿人口提供卫星移动通信服务。Thuraya系统终端整合了卫星、GSM、GPS 3种功能,向用户提供语音、短信、数据(上网)、传真、GPS定位业务。Thuraya卫星发射重量5250kg,在轨重量3200kg,太阳能电池提供11~13 kW的功率,星上载有12.25 m口径卫星天线,可以产生250~300个波束,提供和GSM 兼容的移动电话业务。移动卫星终端包括手持、车载和固定终端等。Thuraya总共可提供13750条信道,信道带宽27.7 kHz,调制方式为π/4-QPSK,多址方式为FDMA/TDMA,信道比特速率46.8 kbit/s,可以为终端提供2.4/4.8/9.6 kbit/s的数据传输速率[5]。
最近几年Thuraya业务发展顺利。2007年,Thuraya推出卫星/GSM双模移动电话Thuraya SG-2520;2008年1月,Thuraya-3卫星升空,进一步扩展了在亚洲和澳大利亚的覆盖;2009年,Thuraya推出号称世界上最坚固的卫星电话Thuraya XT.
2.1.4 SkyTerra(原MSAT)
SkyTerra公司,原称 MSV(Mobile Satellite Ventures),2010年7月,SkyTerra又改名为LightSquared。MSV原来通过MSAT-1和MSAT-2两颗GEO卫星提供卫星移动电话服务。2010年11月,委托波音公司制造的SkyTerra 1卫星成功发射,该卫星使用波音的702HP平台,重5360kg,设计寿命15年。
LightSquared利用SkyTerra 1卫星构建SkyTerra系统,该系统通过结合卫星和地面技术,在全美国范围内提供4G-LTE无线宽带网络。现有的支持WiFi的设备,如 PC、笔记本等,可以通过数据卡、嵌入式Modem、路由器等连接到LightSquared LTE卫星网络。LightSquared预计到2012年即可在智能电话和其它一些新型的下一代设备上提供其新的网络接入服务,其SkyTerra2卫星计划在2011年发射。
另外,值得一提的是MSV在2001年9.11事件之后提出的ATC技术[9]。ATC全称为Ancillary Terrestrial Component,即辅助地面组件,通过ATC技术的应用,可以实现卫星网络与地面网络的无缝集成,用户在卫星网络与地面网络之间可以实现透明地转换。ATC基站和GEO卫星复用同一频段,并且采用几乎相同的空中接口形式,手持机只需要采用单模式即可(主要指射频和基带部分单模式)。
2.1.5 TerraStar
TerreStar公司在2009年7月成功发射大容量专用静止轨道移动通信卫星TerraStar-1,可与WCDMA、CDMA2000或者LTE等多种新技术体制结合开发终端。TerraStar-1提供下一代全IP卫星网络,覆盖范围包括美国、波多黎各和美国维尔京群岛,可提供语音和数据服务。TerraStar-1用户链路天线直径达18 m,采用2 GHz的S频段频率,卫星重6900kg,支持与地面蜂窝网中同样大小的手持机通信。
2010年10月,TerreStar Corporation宣布其控股子公司 TerreStar Networks重组。2010年11月,由AT&T提供的TerreStar GENUS蜂窝/卫星双模智能电话投入使用,该终端设计轻便,使用内置天线,可利用TerreStar-1卫星提供的网络覆盖提供卫星移动通信服务(包括语音、数据、短消息业务)。
2.2 中轨道卫星移动通信系统
中轨卫星移动系统中最广为人知的是Odyssey系统和ICO系统,另外欧空局也曾设计了一个MAGSS-14系统。但由于一些商业原因,它们均已被取消或到目前仍未成功运行。新的O3b中轨卫星通信系统则试图在提供卫星宽带接入的基础上提供语音通信服务。
2.2.1 Odyssey系统
Odyssey(奥德赛)系统是由TRW公司推出的中轨道卫星移动通信系统[10]。Odyssey系统可以作为现存陆地蜂窝移动通信系统的补充和扩展,支持动态、可靠、自动、用户透明的服务。系统最主要的用户终端是手持机。系统可以提供各种业务,包括语音、传真、数据、寻呼、报文、定位等。手持机的数据速率可以达到2.4 kbit/s,还可以提供4.8~19.2 kbit/s的数据速率。因与ICO系统之间商业上的原因,Odyssey系统已于1997年12月被取消,而TRW则成为ICO的大股东。
2.2.2 ICO系统
ICO(Intermediate Circular Orbit)全球卫星通信系统[11]是由ICO全球通信有限公司经营的。ICO系统由空间段和地面段组。空间段是位于中圆轨道的12颗星,地面段称为ICONET。ICO系统与现有地面固定和移动通信网相联,构一个完整的天地结合的系统,利多模手机或其它终端实现随时随地的通信。ICO系统的空间段由 12颗处在中等轨道高度(MEO)上的卫星组成,其中10颗是主用卫星,另2颗为在轨备用卫星。系统采用倾斜圆轨道,轨道高度为10390km,轨道倾角45°,所有卫星分布在相互垂直的2根轨道面上,每根轨道面有1颗备份卫星。ICO卫星发射重量2600kg,设计寿命约12年。卫星使用了砷化镓太阳能电池,能在卫星寿命末期提供超过8700W的功率。每颗卫星可提供4500条信道。ICO卫星采用了独立的用户链路收发天线。两副天线安装在ICO卫星星体上,其口径超过2 m,并采用了数字波束形成技术。每副用户链路天线由127个辐射单元组成,用于产生163个收或发点波束。每个ICO点波束将为用户链路提供最小8 dB、平均超过10dB的链路余量。
由于铱系统的影响,ICO全球通信公司在2000年2月18日申请破产保护,5月3日美国破产法庭批准ICO全球通信公司的重组计划,Craig McCaw同意向新ICO全球通信公司注资12亿美元,5月17日正式成立新ICO全球通信公司,继续ICO项目。由于负责卫星制造的Boeing公司没能按期交付卫星,截至2010年底,ICO系统只有一颗卫星在轨(2001年6月发射升空)。
2008年4月,ICO公司发射了一颗GEO卫星“ICO-G1”,提供卫星移动通信服务,该星有可能替代一直未成功投入运行的中轨ICO系统。
2.2.3 MAGSS-14系统
MAGSS-14(Medium Altitude Global Satellite System)是设计支持手持机和移动终端语音通信的中轨道卫星移动通信系统[12],由欧空局开发。MAGSS-14系统的空间段包括14颗中轨道卫星组成的星座,这种设计非常利于系统的阶梯型升级,并可完成全球覆盖,系统在 L频段上实现与用户终端的通信。目前该系统仍未成功部署。
2.2.4 O3b
O3b是一个新的中轨卫星通信系统,通过卫星提供宽带网络接入,可提供语音通信和数据传输服务,由O3b网络公司开发。O3b网络公司是由互联网巨头Google、媒体巨头马隆(John Malone)旗下的海外有线电视运营商Liberty Global和汇丰银行等组织在2007年联合组建的一家互联网接入服务公司。
O3b在亚洲、非洲、拉丁美洲和中东等地区超过150个国家提供卫星通信服务,为电信运营商和ISP提供一个光纤速率的卫星骨干网络。O3b将成为世界上第一个使用MEO卫星的超低延迟、Ka频段、拥有光纤速率的卫星网络。O3b卫星转发器具有GEO卫星系统3~4倍的容量,这使得用户可以享受类似光纤接入的网络带宽。由于使用MEO卫星,使得网络往返时延仅约100ms。
O3b卫星星座计划在2012年部署,将首先发射8颗卫星组成第一阶段的星座,以后将扩展至16颗卫星。
2.3 低轨道卫星移动通信系统
自20世纪90年代以来,低轨卫星移动通信系统广受关注,世界各国研发了多个低轨卫星移动通信系统,而2000年铱星系统的破产,导致这股热潮迅速降温。几个典型的低轨卫星移动通信系统包括Iridium、Globalstar、Orbcomm、Teledesic等 ,目前成功运行的只有Iridium、Globalstar、Orbcomm这3个系统。
2.3.1 Iridium
铱系统是由66颗低轨卫星组成的低轨卫星全球移动通信系统,1998年11月开始商业运营,2000年3月破产,2001年新的铱卫星公司成立,并重新提供通信服务。该系统全球覆盖包含两极地区,星上转发器采用先进的处理和交换技术,多点波束天线,且有星际链路,是最先进的低轨卫星通信系统;其星际链路和馈线链路为Ka频段,用户链路为L频段,它提供电话、传真、数据和寻呼等业务。用户终端有单模、双模和三模手机,车载机和固定终端[7]。新的铱星公司成立后,由于得到政府的扶持和美国军方的大订单,目前运转良好。
目前铱卫星公司正在积极开发其新的“NEXT”卫星星座计划[13]。NEXT是一个对第二代卫星星座的大胆构想。NEXT沿用现有的Iridium星座结构,完成对整个地球的100%的覆盖。设计81颗卫星(66颗代替现有星座,6颗在轨备份,9颗地面备份)。NEXT将大大提升现有的Iridium移动通信服务(更高的数据速率、更强的服务和设备,可利用IP技术的优势,并与现有设备后向兼容)。NEXT还可以为商家、政府、科研机构等提供在卫星上放置传感器载荷的服务,可实现对地球表面和大气的7×24小时的实时监控。NEXT预计在2017年完成部署。
2.3.2 Globalstar
全球星系统是由48颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信系统,1999年开始商业运营。卫星采用透明转发器、多波束天线,用户链路和馈线链路同为VHF频段,向用户提供寻呼、传真、短数据和定位等业务。用户终端有手机、车载、机载、船载等移动终端,以及半固定和固定终端[7]。
进入21世纪之后,Globalstar的业务发展不太理想,不过2009年,Globalstar成功获得法国出口信贷机构Coface的融资,这将对其以后业务发展提供充足的资金动力。
2.3.3 Orbcomm
轨道通信系统(Orbcomm)是美国Orbcomm公司和加拿大Teleglobe公司联合经营的LEO卫星移动通信系统,该系统通过29颗低轨卫星组成的全球卫星移动通信网络为用户提供卫星移动通信业务,1997年开始商业运营。卫星采用处理转发器、单波束天线,终端为单模手机和寻呼机。
目前,Orbcomm利用其低轨卫星提供低速、低成本、近乎实时的双向数据传输服务。其特有的以M2M(Machine to Machine)为中心的网络以较低的成本实现用户设备的低速连接,包括“卫星M2M”、“地面M2M”和“双模式M2M”,可以利用卫星和地面蜂窝网络实现资产跟踪、管理和遥控。
2009年9月,Orbcomm公司与Space Exploration Technologies(SpaceX)公司联合声明,将发射18颗第2代卫星,计划发射时间在2010年至2014年之间。
2.3.4 Teledesic
Teledesic系统是由Teledesic公司(1990年6月成立)发展的低轨道卫星通信系统,它通过低轨卫星为地面卫星终端提供Internet接入服务,同时在网络接入的基础上可实现语音移动通信。Teledesic系统由Craig McCaw和Bill Gates投资建设,并首先获得了非GEO卫星服务的Ka频段的分配。Teledesic系统最初的目标是利用900多颗低轨卫星提供接近光纤质量的互联网接入服务,并与地面光纤网络实现无缝集成。由于铱星系统失败的影响,Teledesic系统已降低了其系统原计划的规模和复杂度,且该系统至今尚未成功部署。
纵观近几年GEO、MEO、LEO卫星移动通信的发展可以看出,GEO卫星移动通信系统的发展可以说非常成功,其中 Inmarsat的发展又是最好的。而MEO和LEO卫星移动通信的发展相对不是很好。MEO和LEO卫星移动通信系统要获得更好发展需要寻找新的发展思路,如O3b通过使用Ka提供宽带接入,而Orbcomm则定位到低数据率、低延迟的数据服务。卫星移动通信的投入很大,必须找准定位,才能在与其它通信技术的竞争中顺利发展。
3 卫星移动通信的发展趋势
未来卫星移动通信发展的总趋势是:从便携式用户终端向手持式用户终端扩展;从单一的话音业务向多种业务发展;从窄带业务向宽带业务发展;从单独组网到多网互连发展。这里的多网互连即借助地面通信网的优势,实现与地面通信网的互连互通和在多制式网络中的相互漫游,最后与地面通信网络组成无缝隙覆盖全球的个人通信系统。届时,任何个人可在任何地点、任何时间与任何对象(人或计算机)互通任何信息(语言、图像、文字和数据等),它将标志着真正的个人通信时代的到来。
(1)卫星移动通信与卫星固定、卫星直播融合。卫星固定通信业务和卫星直接广播业务用户终端进一步小型化和可移动性,与卫星移动通信业务用户终端的区别将逐渐缩小;卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播3种业务都在往宽带多媒体通信业务方向发展[1]。这3种业务正在走向融合。
(2)卫星移动通信与地面移动通信网络进一步融合。除了地面移动通信运营商通过发射卫星补充其网络覆盖范围外,原有的卫星移动通信运营商也试图通过新技术完成对地面网络的覆盖,通过向用户提供综合解决方案与现有的地面移动通信运营商争夺地面用户。随着卫星通信容量的扩大和单用户成本的降低、卫星技术与地面技术的结合越来越普遍,卫星通信正在成为个人通信的另一种选择,未来各种智能电话将可在卫星和地面蜂窝网络中无缝地自由转换。
(3)卫星移动通信与卫星宽带网结合,宽带移动无疑是MSS未来的发展趋势[13]。通过卫星移动通信网络提供宽带接入服务,或者通过卫星宽带接入网络提供语音通信服务,都是目前正在发展的一种趋势。如Inmarsat-4就在其卫星移动通信系统的基础上提供了宽带全球域网络(BGAN)服务,可为用户终端提供高达492 kbit/s的网络接入数据速率,提供因特网、内部网、视频点播、视频会议等接入业务[14,15]。而诸如O3b、Teledesic等卫星通信系统,则试图在卫星网络接入的基础上为用户提供通话服务。
(4)卫星移动通信与卫星定位服务相结合。目前卫星移动通信与卫星定位两者都获得了很好的发展,而两者之间服务的结合也成为一种新的趋势。多个卫星移动通信系统终端可支持基于GPS的卫星定位服务,而我国的“北斗”导航卫星系统更是在提供导航定位服务的同时可提供短报文通信服务。随着卫星定位的应用越来越广泛,卫星定位服务与卫星移动通信相结合也将越来越普遍。
(5)终端小型化、综合化和智能化。终端将更广泛地采用超大规模的专用集成电路(VLSI和ASIC)和数字信号处理技术DSP)使卫星通信终端从单一的以数据为主或话音为主发展为数话兼容的混合网络设备更进一步发展为话音、数据、图文、电视兼容的综合业务终端[2]。
(6)高频段、星上处理、星际链路的使用。为了满足日益增加的带宽需求的高速数据处理需求,使用高频段(如Ka或更高频段)已成为一种趋势,而为了减少通信时延和满足大容量通信的要求,星上路由、交换和星际链路等作为更高效的处理方式,也将得到更广泛的应用。
4 结束语
在卫星通信迅速发展的形势下,卫星移动通信发展动态值得关注,对比GEO、MEO和LEO 3类卫星移动通信的最新发展情况可发现,GEO类卫星移动通信系统发展是最好的,MEO和LEO类系统则发展不太理想。作为实现个人通信不可或缺的手段,卫星移动通信正在往融合、多元业务、宽带、星上处理等方向发展。在找准定位的基础上,卫星移动通信具有广阔的发展空间。卫星移动通信在我国具有较大的市场需求,借鉴国外发展经验和教训,努力发展我国自主知识产权的卫星移动通信系统是我国卫星通信事业近期的一项重要任务。
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