衛星通信系統6.1銥星系統6.2美國ICO衛星通信系統6.3甚小孔徑終端衛星通信系統

1996年，銥星系統獲得聯邦通信委員會(FCC)的經營許可，1997、1998年，美國銥星公司發射了幾十顆用于手機全球通信的人造衛星，這些人造衛星就叫銥星。銥星移動通信系統(IRIDIUM)是美國銥星公司1997年委托摩托羅拉公司設計的一種全球性衛星移動通信系統，它通過使用衛星手持電話機，透過衛星可在地球上的任何地方撥出和接收電話。美國銥星公司為此項目發射了幾十顆用于銥星移動通信系統項目的人造衛星。6.1銥星系統銥星移動通信系統特別適合于GSM或CDMA等公眾移動通信系統信號覆蓋不到的人煙稀少的地區，或受自然災害影響而無法使用公眾移動網絡的地區。銥星計劃的用戶定位是需要在全球任何一個區域范圍內都能夠進行電話通信的移動客戶。

當用戶撥打銥星電話手機時，用戶所在區域上空的衛星會先確認使用者的賬號和位置，接著自動選擇最便宜也是最近的路徑傳送電話信號。如果用戶是在公眾移動網絡沒有覆蓋的地區，則電話將直接由衛星層層轉達到目的地；如果附近有公眾移動電話系統(GSM或CDMA移動通信系統)，則衛星控制系統會使用現在的地面移動通信系統的網絡來傳送電話。銥星移動通信系統的建設思想早在1987年就由美國提出，早期計劃在天空上設置7條衛星運行軌道，每條軌道上均勻分布11顆衛星，組成一個完整的衛星移動通信的星座系統。由于它們就像化學元素銥(Ir)原子核外的77個電子圍繞其運轉一樣，因此該全球性衛星移動通信系統被稱為銥星系統。后來經過優化設計，設置6條衛星運行軌道就能夠滿足技術性能要求，因此，全球性衛星移動通信系統的衛星總數被減少到66顆，但仍習慣稱為銥星移動通信系統。銥星移動通信系統中，每顆衛星的質量為670kg左右，功率為1200W，采取三軸穩定結構，每顆衛星的信道為3480個，服務壽命為5～8年。銥星移動通信系統最大的技術特點是通過衛星與衛星之間的接力來實現全球通信，相當于把地面蜂窩移動電話系統搬到了天上。銥星移動通信系統計劃開始了個人衛星通信的新時代。與目前使用的靜止軌道衛星通信系統相比，銥星主要具有兩方面的優勢：一是軌道低，傳輸速度快，信息損耗小，通信質量大大提高；二是不需要專門的地面接收站，每部衛星移動手持電話都可以與衛星連接，這就使地球上人跡罕至的不毛之地、通信落后的邊遠地區、自然災害現場的通信都變得暢通無阻。銥星系統的復雜、先進之處在于采用了星上處理和星間鏈路技術，相當于把地面蜂窩網倒置在空中，使地面實現無縫隙通信；另外一個先進之處是銥星系統解決了衛星網與地面蜂窩網之間的跨協議漫游。銥星系統由空間段和地面段組成：空間段即星座，地面段包括系統控制中心、關口站和用戶終端。銥星系統開創了全球個人通信的新時代，被認為是現代通信的一個里程碑，使人類在地球上任何“能見到的地方”都可以相互聯絡。其最大特點就是通信終端手持化、個人通信全球化，實現了5個“任何”(5W)，即任何人(Whoever)在任何地點(Wherever)、任何時間(Whenever)與任何人(Whomever)采取任何方式(Whatever)進行通信。然而，由于銥星系統資費過高、終端昂貴、系統維護費用高昂，使用銥星系統的用戶量很少，“銥星”業務在市場上的用戶最多時才5.5萬，而據估算它必須發展到50萬用戶才能贏利。由于巨大的研發費用和系統建設費用，銥星背上了沉重的債務負擔。2000年，銥星背負了40多億美元債務正式破產。銥星在2001年接受新注資后起死回生，現在，美國軍方是它的主要客戶。此外，由于采用手持機同衛星直接聯系的方式，導致銥星電話在建筑物內無法收發信號。這成為其一個嚴重的缺陷。銥星手持機功率大，耗電多，過于笨重，使用不方便，也不利于人體健康。用戶需要特殊的培訓，每部電話機必須附帶整整一個背包的附件。摩托羅拉公司的銥星雙模式手機重約454g，京瓷公司的銥星單模式和雙模式手機均重400g，它們比重量不到100g的GSM手機笨重得多，使用也不方便。當銥星系統與蜂窩電話網絡相連時，必須適應不同的區域傳輸標準，由此產生的轉換成本給用戶帶來了不便。在語音質量和傳輸速度方面，銥星電話遠遠比不上蜂窩電話。銥星所采用的MF-TDMA(多頻時分多址)通信體制的語音質量不如CDMA(碼分多址)。另外，銥星系統的數據傳輸速率僅有2.4kb/s，因此除通話外，只能傳送簡短的電子郵件或慢速的傳真，無法滿足目前互聯網的需求。銥星手機主要由美國摩托羅拉公司和日本京瓷公司提供，在我國的售價大約在36000元人民幣每部，入網費約2500元。國內通話費約為12.5元/分鐘，國際通話費約為平均每分鐘5美元。雖然語音是通過距地面780km高的銥星系統傳送，但聲音延遲不會超過26ms。

目前，除了美國軍方，銥星系統的主要用戶集中在國際商務旅游者、野外作業人員、科學考察(如在我國赴南極科考隊、雅魯藏布大峽谷探險隊、三星越野挑戰賽等活動中都得到了成功的應用)及其政府主管部門和應急通信等方面。

銥星系統的空中接口采用QPSK調制，發送濾波器采用平方根升余弦濾波器，滾降系數為0.4?；鶐Х査俾蕿?5ksymbol/s。銥星系統的業務有雙工2.4kb/s語音、2400bd(波特)數據和傳真、尋呼等。

銥星系統的發送信號仿真模型如圖6-1所示。圖中，RandomInteger模塊產生符號速率為25ksymbol/s的4元整數序列(0，1，2，3)，平方根升余弦濾波器的滾降系數為0.4。AWGN信道的輸入信號功率設置為仿真測量值0.084W。當信道信噪比設置為30dB時執行仿真得到的接收信號功率譜如圖6-2所示。

圖6-1銥星系統的發送信號仿真模型(SCHX6_1.mdl)

圖6-2銥星系統的發送信號功率譜仿真結果

美國ICO(中圓軌道系統，IntermediateCircularOrbit，ICO)通信衛星公司最初是由國際海事衛星組織(Inmarsat)創建的。1993年，Inmarsat為適應世界通信業務發展潮流，推出了21世紀衛星移動通信系統InmarsatP，也就是現在的ICO通信系統。ICO在1995年成為獨立公司，ICO衛星通信系統是一種中軌道衛星通信系統。6.2美國ICO衛星通信系統

ICO公司在1995年7月訂購了第一批12顆衛星，在2000年又訂購了另外3顆。ICO針對中軌道(MEO)運行的特點對這些衛星進行了一些調整。新型ICO衛星配置于相差90°的兩個軌道平面上，能夠持續不斷地重疊覆蓋整個地球表面。其中的10顆衛星將組成基本的星座，而其他衛星則作為在軌的備用衛星。

ICO系統的出現，在世界各國、社會各界引起了廣泛的關注，成為通信界議論的熱門話題之一。1998年ICO等四個系統在我國進行試驗，標志著我國衛星移動通信的發展進入了一個新的階段。

ICO的突出優點是它的衛星軌道高度較高，跨越觀測者視線范圍的速度低，可以減少越區切換的頻度，降低掉話的機率。ICO系統由空間段、地面段(或稱I-CONET)和用戶終端組成。ICO使用GSM標準作為其主要的數據通信技術平臺，同時保留與非GSM標準業務漫游的兼容能力。ICO整個系統通信容量為每年40～60億分鐘。

(1)空間段。ICO的空間段由在高度10355km軌道上運行的10顆主用衛星、2顆備用衛星及相關控制設備組成。每顆衛星至少能支持4500個電話軌道，分布在大約750個載波上，采用時分多址TDMA技術，保證整個系統每年支持24億分鐘的通話量。預計ICO衛星的壽命大約為12年。衛星運行在中圓軌道，其重量為2000kg，采用新材料的太陽能陣列電池。ICO計劃使用1980～2200MHz頻段，一顆衛星有163個點波束，由網絡協調中心(NCC)通過網絡控制站(NCS)實施全面管理和運作。

(2)地面段。地面段由合理分布在全球不同地方的12個衛星接續樞紐站(SAN站)和兩個網絡中心(NME)與一個通過光纜組成的全球網絡相互連接而構成。每個SAN站提供與ICO衛星的各種用于轉接通信容量的基本接口并存儲必要的用戶數據，SAN站還與地面各種互聯接點相連，作為與公眾電話交換網、移動網和數據網的基本接口，SAN站由當地運營者管理和維護。12座SAN站由投資者公開競標，中國競標1座。其他SAN站分別位于澳大利亞、巴西、智利、德國、印度、馬來西亞、韓國、墨西哥、南非、阿聯酋和美國。

(3)用戶終端段。ICO系統的絕大多數用戶終端為單模手持電話機和兼容陸地蜂窩系統的雙模式手持機。雙模式手持機可自動選擇衛星或地面操作模式。也可由用戶根據現有的衛星和地面系統可利用的程度及用戶的意愿進行選擇，其手持機與當前的蜂窩系統、電話手持機在體積外觀和語音質量方面都非常相似。ICO雙模式手機將提供GSM/ICO、DMAPS/ICO、PDC/ICO業務。ICO用戶電話還有其他更多的用戶終端，其中包括車載、航空、船舶等終端以及半固定和固定終端(如農村電話亭和集體電話)。

ICO系統的潛在用戶群包括：

(1)現有的蜂窩用戶，他們希望在不兼容的蜂窩系統覆蓋范圍內或根本沒有陸地通信覆蓋的地域得到服務。

(2)航空、海運和長途陸地運輸經營者。

(3)居住在農村或偏遠地區的缺乏通信服務的用戶群。

(4)陸地通信服務覆蓋不到的潛在移動通信用戶等。

ICO系統的主要技術性能指標：

(1)兼容性。ICO使用GSM標準，同時也能與非GSM標準兼容。ICO使用TDMA和FDD制式。

(2)工作頻段。ICO的工作頻率選用1980～2010MHz和2170～2200MHz。地面頻段為C/Ka波段。

(3)發射功率。衛星發射功率為5100W。

(4)系統容量。ICO可同時維持45000路電話。

(5)調制方式。在ICO系統中可以采用BPSK、GMSK和QPSK三種調制方式之一。當在ICO系統中采用BPSK調制方式時，系統對應的符號傳輸速率是36ksymbol/s，采用的發射濾波器是平方根升余弦濾波器，對應的參數是0.4。采用GMSK調制方式時，符號傳輸速率是18ksymbol/s，采用的發射濾波器是高斯濾波器，對應的參數是0.3。采用QPSK調制方式時，符號傳輸速率是18ksymbol/s，采用的發射濾波器是平方根升余弦濾波器，對應的參數是0.4。圖6-3給出了ICO系統在GMSK調制方式下的發送信號頻譜估計模型。其中，發送符號速率為18kb/s，GMSK的BT參數為0.3，高斯脈寬為3個符號時間，GMSK調制器中每符號采樣16點，其輸出信號功率為1W。

圖6-3ICOGMSK的發送信號頻譜估計模型(SCHX6_3.mdl)

圖6-4ICOGMSK的發送信號功率譜估計的仿真結果

甚小孔徑終端衛星系統(VSAT，VerySmallApertureTerminal)興起于20世紀80年代，工作在Ku或C波段。其地球站天線口徑一般小于2.4m(0.3～2.4m)，G/T值(天線增益與噪聲溫度之比)低于19.7dB/K，用于小容量數據傳輸和小容量語音。

VSAT的特點是：天線小，設備結構緊湊，全固體化，功耗小，成本低，環境要求低，安裝方便，覆蓋范圍大，組網靈活且有獨立性。這些特點特別適合于許多大型企業或部門的通信要求。6.3甚小孔徑終端衛星通信系統

VSAT系統由衛星、樞紐站和小地球站組成，樞紐站一般設在總部附近，起主控作用，其天線口徑和功率都比小站大。VSAT衛星通信系統的空間部分就是衛星，一般使用地球靜止軌道通信衛星，衛星可以工作在不同的頻段，如C、Ku和Ka頻段。星上轉發器的發射功率應盡量大，以使VSAT地面終端的天線尺寸盡量小。地面VSAT衛星通信系統的地面部分由中樞站、遠端站和網絡控制單元組成。其中，中樞站的作用是匯集衛星來的數據然后向各個遠端站分發數據，遠端站是衛星通信網絡的主體，VSAT衛星通信網就是由許多的遠端站組成的，這些站越多每個站分攤的費用就越低。一般遠端站直接安裝于用戶處，與用戶的終端設備連接。利用VSAT系統進行通信具有靈活性強、可靠性高、成本低、使用方便以及小站可直接裝在用戶端等優點。借助VSAT用戶數據終端可直接利用衛星信道與遠端的計算機進行聯網，完成數據傳遞、文件交換或遠程處理，從而擺脫了本地區的地面中繼線問題，這在地面網絡不發達、通信線路質量不好或難于傳輸高速數據的邊遠地區是一種很好的選擇。

VSAT根據業務性質可分為三類：

(1)以數據通信為主的網，這種網除數據通信外，還能提供傳真及少量的語音業務。

(2)以語音通信為主的網，這種網主要是供公用網和專用網語音信號的傳輸和交換，同時也能提供交互型的數據業務。

(3)以電視接收為主的網，接收的圖像和伴音信號可作為有線電視的信號源通過電纜分配傳送到用戶家中。

目前，VSAT廣泛應用于新聞、氣象、民航、人防、銀行、石油、地震和軍事等部門以及邊遠地區通信。由眾多甚小天線地球站組成的衛星通信網，叫做“VSAT網”。

VSAT衛星通信系統從單一窄帶業務的衛星電信網，向一個融合電信、廣播、計算機的寬帶衛星網絡發展。它將是未來電信系統的重要組成部分，依賴地面超大容量光纖網，以及空間寬帶衛星網，使用戶設備方便地直接接入全國或全球寬帶網絡。VSAT用戶利用架設在辦公室或住宅的VSAT設備，方便地接入衛星通信網。用戶按照業務的需要來自適應地使用衛星網絡的資源，并構造它與衛星網絡的拓撲結構(一跳或兩跳)。用戶設備是一個小口徑的天線(0.6m以下)，一個室外單元，一個室內單元。用戶的辦公和生活設施可以像接在地面設備一樣地接在VSAT設備上。VSAT衛星通信系統提供的業務包括電信業務，計算機互聯網業務，以及數據、音頻、視頻等廣播業務。VSAT衛星通信在提供傳統的語音、數據等交互業務的同時，隨著網絡的寬帶化，發展了遠程教育、遠程醫療、電視會議等功能。隨著廣播業務的發展，利用衛星通信的廣域覆蓋特性和寬帶衛星廣播技術，可實現新聞和數據的分發和廣播、數據音頻/視頻廣播到戶、衛星尋呼、Web廣播、視頻點播(VOD)、IP數據音頻和視頻廣播。寬帶衛星數據傳輸作為計算機互聯網的一部分，提供了方便的文件軟件下載和Internet接入、企業的Internet互連、ISP骨干業務、電子郵件、電子商務、金融證券。

VSAT站的衛星鏈路有主站到VSAT站的出主站鏈路，有VSAT站到主站的入主站鏈路。隨著業務從窄帶向寬帶發展，出主站鏈路數據速率不斷提高，從幾兆比特每秒到幾十兆比特每秒；入主站鏈路的數據速率也在不斷提高，從幾千比特每秒發展到幾百千比特每秒、幾兆比特每秒。出主站鏈路多采用單載波TDM的方式，也有基于廣播信號的DVB數據格式和基于互聯網的IP數據格式。VSAT衛星通信的寬帶廣播，可以廣播數據音頻/視頻、可以實現文件數據的下載。入主站鏈路有多種衛星多址接入方式：FDMA、CDMA、TDMA、MF/CDMA。也有利用地面Internet鏈路代替入主站鏈路的，稱為外交互方式，而把采用入主站鏈路稱為內交互方式。傳統的衛星通信多址接入方式是：時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)。它們是把衛星轉發器的資源，按時間分成時隙、按頻率分成頻道或者按正交的編碼波形分成碼道，由各個地球站按照固定分配方式、隨機競爭方式或者動態分配的方式來使用。所謂動態競爭方式，轉發器資源由主站來管理，用戶站接入時，先使用固定分配方式或隨機競爭方式來申請，主站進行分配給用戶地球站使用，使用完了歸還給主站。隨著大容量VSAT衛星通信網絡以及寬帶接入業務的發展，主站接入設備的容量日益增大，用戶地球站也需要使用高速的寬帶接入，需要主站接入信道的可變速率范圍擴大。時分多址方式要求用戶站的接入時隙寬度變化范圍增大，頻分多址方式要求用戶站發送信號帶寬可變或使用并行的多載波傳輸，碼分多址方式要求用戶站發送信號的擴展頻譜增益可變或者使用多碼道并行傳輸。組合的多址接入方式，可以方便地實現寬帶多址接入，例如多載波(多頻率)時分多址、多載波碼分多址等。目前技術成熟的是多頻率時分多址。多頻率時分多址設置有多個頻段(多個載波)，每個頻率又劃分成時間幀和時隙。各個用戶地球站可以使用特定的頻率和特定的時隙進行接入申請，根據申請的業務，得到相應的頻率和時隙。對于寬帶業務申請，用戶可以再在一個頻率上，用一個時隙或多個時隙進行接入業務傳輸；也可以在幾個頻率上，用多個時隙進行接入業務傳輸。根據系統接入的特點，系統在接入信道上設置了不同的時隙：用戶接入申請的時隙、用戶業務傳輸的業務時隙、校正用戶地球站發送時間和頻率的粗同步時隙以及校正發送時間和頻率的精同步時隙。寬帶VSAT衛星通信系統的前向鏈路和反向鏈路往往是不對稱的，前向鏈路和反向鏈路的轉發器資源的配置要和業務的特性相匹配。寬帶VSAT衛星通信系統需要設計和配置接入信道的資源、多載波數目以及相應的幀結構，以適應給定接入突發特性、接入業務量條件下的接入時延和接入成功率的要求。寬帶VSAT衛星通信系統往往有多種業務同時工作，系統的配置和設計只能適應總體的要求，為適應各種業務的具體要求，還應該對不同業務設置各自的優先級，調整整個系統對不同業務的適應性。

VSAT衛星通信網最初是作為透明信道使用的，它只提供固定的連接，傳輸單一的業務。這時針對不同的衛星信道，設備必須配置不同的通信軟件。由于衛星通信必須支持網絡管理和多址接入的控制，衛星通信業務的綜合化必須傳輸多種業務，例如電信、計算機數據以及數據音頻視頻廣播，VSAT衛星通信網必須支持通信規程協議。衛星通信規程要考慮傳輸的業務以及相應的規程協議：例如音頻/視頻廣播的數據結構和規程協議、計算機互聯網通信的TCP/IP協議以及電信通信的信令。隨著寬帶VSAT通