卫星通信与无线接入技术的结合应用

· 文|鑫诺卫星通信有限公司 赵冬梅

卫星通信与无线接入技术的结合应用

· 文|鑫诺卫星通信有限公司 赵冬梅

越来越多的应用需要将卫星通信与无线接入手段相结合，发挥各自的优势，互为补充，共同为用户提供更灵活的解决方案。本文将介绍几种能对卫星通信服务进行扩展和延伸的无线接入技术，以及各自的应用场景。

卫星通信 无线接入 专网 应用

一、引言

卫星通信和无线接入相结合的解决方案吸引了越来越多的关注，优势在于发挥两者长处，互为补充。首先通过卫星链路将用户的作业现场与后方指挥中心直接连通，利用卫星VSAT端站提供网络接入点，而在作业现场又可以借助无线接入手段，对每个卫星端站提供的业务进行二次延伸和扩展，从而将通信服务从一个点扩展到一个面，从一个固定卫星端站进一步延伸到个人移动终端或多个固定终端，将主要用于中继传输的卫星通信真正转变成面向用户终端的宽带多媒体通信手段，实现通信的个人化和移动化。

在一些公网覆盖不到或不足的地区，或某些行业用户自己组建通信专网，卫星通信和无线接入手段相结合的方案往往是最为可行的方式。海外路桥架设施工现场、采矿勘探现场、大型邮轮、车载应急通信等场景下都可以使用卫星与无线接入结合的方式实现与后方的通信。中国移动、国电集团、安全部、地震局、雪龙号等都开展了类似的应用。

本文讨论的无线接入技术包括WiFi、2G/3G小型移动基站、专网移动无线接入技术、无线网桥和无线Mesh方式。给出适合与卫星通信结合使用的不同应用场景。

二、几种无线接入方式的特点

无线接入技术（Radio Interface Technologies，RIT），也称空中接口，指通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。无线接入系统在通信网中的定位是本地通信网的延伸、补充和临时应急系统。

1.无线局域网（WiFi）技术

与有线网络相比，WiFi无线网络的优势在于无需布线，只需要一个室内无线AP（接入点），就可以为人员较为集中、范围相对较小地区，如楼宇、家庭、公共场所或工程中不方便布线的地方提供覆盖和无线接入手段，适合移动办公的需要。WiFi技术的定位主要是作为高速有线接入技术或蜂窝移动通信的补充，但是无线AP发射功率小，传输距离（覆盖范围）不远，在开放性区域达300m左右，在封闭性区域，通讯距离为70m到120m，有阻挡的地方可能只有10～15m。

WiFi的应用目前已经非常普及，不支持漫游，但能解决局部空间的覆盖，与2G/3G网络相比，速度更高，与卫星通信结合使用的典型应用场景是机载通信，飞机通过机载卫星通信系统搭建起卫星通信的平台，在客舱内转换为WiFi环境，乘客通过个人终端实现互联网接入功能。类似的应用模式也可以移植到高铁、动车甚至普通列车上，为乘客在漫长旅途中提供实时宽带通信的环境，随着未来Ka宽带卫星资源进入市场，Ka卫星通信在这一领域内的市场潜力很大。

2.2G/3G无线小基站覆盖

这种基站有两大类：一类是可以自己组成专用移动网的小型基站和系统设备；另一类是运营商基站，需要加入运营商的公用移动网络，在卫星端站一侧部署专门针对小业务量、适合偏远地区开发的小型基站，卫星链路提供的是中继功能。一些卫星设备厂商已经和移动设备厂商合作开发，推出了将卫星端站和小型基站以及太阳能系统捆绑在一起的解决方案，为偏远地区提供2G/3G的网络覆盖，属于卫星通信应用于2G/3G中继（Backhaul）的案例。在此重点讨论第一类的接入应用，适合行业用户单独组网。

该类基站也使用GSM或WCDMA的运营商频段，可以使用普通手机但要改用专用的SIM卡，基站具有小型化，质量轻（15kg）和功耗低的特点，发射功率只有5W，功耗小于30W，可以使用太阳能供电。WCDMA基站具有内置发射天线，可直接挂在室外高处使用，基于2.5G GSM的小型基站单元不能放在室外使用，需要单独的天馈线系统，分别支持普通WCDMA或GSM制式的手机。

WCDMA基站采用ALL-In-1集成技术，将3G/ HSPA+移动基站（BS），无线接入系统，无线回程系统（无线中继），同步（GPS），内部L2网络交换机，高度的集成在一个符合IP67防护标准的机箱里．并与3G 移动核心网单元（CN），接入网关（GW），及软交换服务器（SS）一起构成一个超级小型化的基于3GPP标准的专网移动通信系统。单基站覆盖半径3～5km，支持24个用户并发，最多700个手机待机，速率最大上行5.7Mbit/s，下行21Mbit/s。

图1是与卫星Modem连接的基于WCDMA的专用移动通信系统的组成示意图。

图1 3G专网移动通信系统（单基站系统）

如果用户所在地没有运营商的网络覆盖，或出于组建专网的目的，并且希望在一定范围内（3～5km）提供面向手机终端的话音和数据服务，要求移动性强，方便灵活，部署快速，具有和移动公网类似的用户体验，那么可以使用2G/3G无线小基站在卫星接入点附近布设一个小型专用移动网络来实现，组成一个基于2G/3G基站的卫星专网通信系统。

在此基础上可以开发一个综合的卫星应急通信系统，将移动通信核心网、基站控制器、基站子系统、VoIP子系统、网络接口和卫星接口等功能模块高度集成在一个便携式或可肩负式的机箱中，配合卫星便携站或车载站使用，以卫星接入点为中心，迅速部署一个专用的卫星移动应急通信网络系统。

3.宽带多媒体无线接入方式

此类系统使用的是基于McWill、Mc-LTE或TDLTE地专网移动通信技术，传输速率更高，支持宽带多媒体业务和集群通信，采用码扩正交频分多址（CSOFDMA）、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术。McWiLL基站最大提供15.36Mbit/s的数据吞吐率，单基站支持2000个用户注册，100个同时在线。基于LTE的单基站带宽最大20MHz，可以支持下行峰值速率100Mbit/s，上行峰值速率50Mbit/s。该类系统面向行业用户，可以实现在一张网络内、使用一个频率，在一部终端上同时提供专业级的语音集群，宽带数据传输、高清视频上传及分发调度等丰富的多媒体通信手段。接入终端多样化，有语音终端、数据终端、多媒体终端。支持非视距传输、高速移动、终端漫游切换。

卫星通信系统作为远程接入平台，通过卫星链路将基站与后方的核心网、视频监控平台等设备连接。此外，后方指挥中心还可配置语音调度平台，实现集群通信的功能。

在图2所示的整个网络中，卫星通信系统部分位于汇聚层，提供传输通路。位于顶端的核心层包括核心网、网管、调度平台和视频监控平台。接入层设备主要为基站设备，基站接入到卫星地面站。

有多种数据终端设备可选，包括数传模块，具有上下行最大吞吐量1.6Mbit/s的无线数据传输能力，可以提供多种接口（如：RS232、RJ45），外型小巧，便于连接和安装，主要用于视频监控、数据采集、远程监控等方面，可与视频编码器、摄像头、车载多媒体终端、数据采集设备、工业监控设备、视频监控设备连接和集成。

图2 卫星与无线宽带多媒体系统结合的网络拓扑图

便携式综合业务终端支持语音、宽带数据功能。可通过电话口连接普通话机，同时还可以通过网口连接计算机、视频编码器等设备，上下行最大吞吐量可达3Mbit/s。

还有一种是集群手持终端/多媒体手持终端，支持点对点语音、集群语音和宽带数据业务，支持高速移动，最大传输速率1.6Mbit/s（双向）。

此类无线接入技术适合支持移动多媒体综合业务，包括话音、数据和视频，终端有多样化选择，支持集群通信功能，可用于公网、电力、水利、油田、煤炭、制造业等行业用户，利用卫星通信作为中继手段，共同组成专网移动通信系统，提供宽带多媒体综合业务。具体厂家的系统工作频率不同，可选1.8GHz、1.4GHz、400MHz、340MHz和2.3GHz，但都是专用频段，需要申请使用。与前两种无线接入技术相比，该类型基站支持速率更高，真正实现宽带移动多媒体通信业务，也支持基站间漫游服务，但是无论基站多少和业务量大小，后方一般都需单独设立核心网，提供语音交换平台和基站管理服务，每个基站容量也较大，用户终端设备不开放，价格也较高，因此如果用户数量不大，或者对移动性要求不高，使用这种方案成本相对较高。

可以考虑在以下应用场景中和卫星通信结合：

1）分散的施工现场内部组网使用，卫星作为远程传输手段，用无线移动专网解决当地的覆盖（5km以内）。

2）海上公安执法船、缉私船作为母船，登船检查人员携带终端，将视频等信息回传处理。

3）海上石油钻井平台。

4）广电用户新闻采集回传。目前使用的是卫星车加微波回传方式，如果采用卫星加专网移动基站的方式，新闻采集人员配备便携数据终端，连接摄像机，随时将视频传回基站（卫星车），再经过编辑后通过卫星链路传回后方指挥部。

综上所述，一定距离内，有综合业务的传输需求，要求终端可移动的业务，均可以考虑使用这一类宽带无线接入通信系统。

4.无线网桥方式

无线网桥就是无线网络的桥接设备，它利用无线传输方式实现在两个或多个网络之间搭起通信的桥梁。无线网桥一般用于室外，工作在2.4G或5.8G的免申请无线执照的频段，可以应用在相距几十米到几十千米的不同建筑物间网络的互联。无线网桥设备的接口为标准以太网口，可以直接与卫星Modem连接或通过路由器连接。传输距离从几千米至几十千米远，如要达到较远传输距离，要求视距传输、无遮挡，因此需要根据实际传输环境进行网络设计和架设高度的计算。无线网桥产品采用OFDM及MIMO分集技术也能够实现非视距部署。

无线网桥可以工作在点对点和点对多点的工作方式下，传输距离取决于传输环境和天线（包括增益和架设高度）。点对点方式下传输距离最长可达120km（实际应用案例87km），吞吐量最大400Mbit/s。点对多点工作的无线网桥包括一个基站（HBS）和多个用户单元（HSU）构成，每个HBS最高同时支持32个HSU，信道带宽5/10/20/40MHz，最长传输距离 40km。根据传输距离和覆盖范围的要求，可以选择外接不同类型的天线（全向天线和定向扇区天线）。

无线网桥设备适合将较大区域内分散的若干固定业务点与作为会聚点的卫星端站连接起来，无线网桥基站与卫星端站设备放在一起，通过IP端口直接相连。无线网桥之间的传输距离从几千米至几十千米，而其他无线传输方式都无法做到。

业务类型以视频监控业务为主，通过IP接口传输数据业务，包括互联网接入，另外可使用话音网关产品，兼顾固定语音和数据业务，适合通信站点分散、传输距离长，业务量大的案例,如图3所示。无线网桥产品多样，技术成熟，只是随着传输距离的增加，天线架设高度也随着增大，增大了施工难度和工程量，这也正体现了地面无线通信的成本受限于环境和距离的特点。

图3 无线网桥和卫星通信结合使用进行远程监控的案例

5.无线Mesh方式

当移动中的车队、船队，需要协同工作时，可以将卫星作为干线通信方式，与后方指挥中心通信，而前方“最后一公里”或“最后几公里”的通信则利用部署无线网格网（Mesh）电台实现，可连接摄像头或无线路由设备，形成AP覆盖。以两类业务为主：单向视频采集、双向视频会议和数据交换。这种无线网格网电台的接口为标准以太网口，可以与卫星和用户的终端设备直接相连或通过交换机连接，多用于应急通信场景。

系统由若干个IP无线节点，组成一个“非固定自愈型”Mesh网络。所有节点工作在同一频点上（带宽2.5, 3.0, 3.5, 5.0, 6.0MHz可选），最大传输能力8.9Mbit/s。使用COFDM技术，每个节点都可以作为视频，音频或IP数据的输入源，任意节点都可作为接力点。传输方式为TCP/IP透明传输 。

如公安用户，通常的使用场景是在现场放置一台卫星通信车（静中通），车内配一台无线网格网电台，单兵人员也通过网格网电台彼此通信，组成网状网系统，随时将现场的信息传回到卫星车上，通过卫星回传后方的指挥部。

另一种应用是满足行进中的车队或船队通信的需要。通常以一台动中通卫星车载站或船载站为基础，其他车辆或船只通过无线网格网电台组成通信系统，通过卫星系统将数据回传到后方指挥中心。如海警或海监，其中一条船作为母船，登船检查人员与母船以及直升机之间通过各自配备的无线网格网电台组成临时通信系统，将视频信息回传到母船，再根据需要通过卫星与后方指挥部通信。

图4是卫星车载站和Mesh电台结合使用的一个例子，车队由一个卫星静中通指挥车和30个普通车组成，另外还有10部单兵背负式电台，指挥车对普通车的语音、数据、图像有强插、强拆等功能，普通车之间可以自行通话，最多传输4路视频。系统最终设计了5组Mesh网络，每组网络容纳8个移动节点和1个中心节点 。

总计5个中心节点配备在指挥车上，40个移动节点配备30台普通车，10个单兵背负节点。每组网络使用不同的波段和频点 - UHF/L频段。任意网络内的任意节点都可以通过中心节点与其他任意网络的任意节点进行通信。任意两个无法直接连接的节点之间会自动进行多跳级联传输和智能路径选择。由于每次多跳级联传输会额外占用一倍带宽，因此建议视频多跳级联传输不要超过3跳。

图4 卫星车载站与Mesh电台结合

此外，还有基于WiFi传输体制的Mesh系统，优点是单兵携带更加灵活，缺点是传输距离很短，最多几百米，解决的是小范围内的覆盖。

三、几种无线接入系统的分析比较

表1对可以与卫星结合应用的几种无线接入方式的技术特点和典型应用场景进行了总结和比较。

表1 可与卫星结合应用无线接入方式对比

考虑选用哪种无线接入方式时，可以从以下方面进行比较：

·传输速率：无线网格网带电台（Mesh）≈WiFi ＜3G接入 ＜ 无线网桥 ＜ 4G 接入 。

·传输距离 ：（覆盖范围） WiFi ＜ 3G/4G集群系统＜ 无线网格网电台（Mesh）＜无线网桥 。

·价格：WiFi ＜ 无线网桥 ＜无线网格网电台（Mesh）＜3G/4G集群系统 。

·移动性：WiFi ≈无线网桥 ＜无线网格网电台（Mesh）＜ 3G/4G集群系统 。

总之，作为卫星通信网络的延伸，所有的无线接入技术和设备从能够支持的传输速率上都满足要求，更多要考虑传输距离和性价比，并尽量使用开放频段组网。

概括来说，选择使用哪种无线接入手段与卫星通信场景相结合可以基于以下考虑：

WiFi热点适合范围较小区域的覆盖，面向手机、电脑等个人终端，可解决建筑物、船舶、飞机等内部的网络覆盖。

无线网桥技术更适合固定无线接入点业务的汇聚，对移动性要求不高的应用，适合视距传输，通过搭配不同类型的天线和架设高度，使得传输距离更远，性价比最高。

无线网格网电台，配备两根鞭状全向天线，自组网使用，灵活机动，更适合车队或船队之间的应急通信，视距和非视距传输环境均可。

基于2.5G GSM/3G WCDMA基站的专网移动通信系统，基站可实现高度集成，无需核心网设备，终端为通用手机，但数据视频等应用也是基于2.5G GSM和3G WCDMA的通信体制，需要配备数据终端实现。可用于应急通信。

基于Micwill 和LTE等最新移动通信技术的专网移动通信系统，提供多媒体移动宽带业务，面向移动小型终端，能解决无缝漫游，属于移动通信的专网应用，需要配备核心网、网管、调度等系统，整体价格最贵，传输距离限于几千米之内，适合行业用户的宽带综合多媒体应用。

四、结束语

卫星通信和以上介绍的几种无线接入技术都可以不依托于公网，为行业用户组建内部专网 ,有共同的服务对象，二者相结合起来可以互为补充，共同为用户提供完美的解决方案，特别适合走出海外的中国企业、海监渔政、远洋船只、大型油轮或在地面线路不完善的地方开拓市场的企业。在这些领域卫星通信往往是必要的手段，但是仅仅依靠卫星通信又是不够的，因此卫星通信从业者需要开阔视野，多了解其他无线接入手段是非常必要的。