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建立我国综合卫星通信系统的设想

2/14/2005
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建立我国综合卫星通信系统的设想(吴诗其、胡剑浩、刘刚、钱敬华) 摘要:在分析国外宽带非同步卫星通信技术发展趋势的基础上,提出了建立我国综合卫星通 信系统的设想,用。又支持宽带数据业务、移动通信业务和农村边远地区基本通信。最后给 出了一种综合系统非同步卫星星座方案。 一、引言 卫星通信的发展方向之一是以大容量系统构成空间宽带信息网。同时,卫星通信的另一 个发展方向是用于支持位于地面移动通信网服务区以外用户的移动通信业务,其服务对象为 速率较低的个人终端。近年来,随着Internet(因特网)应用的普及和交互式多媒体业务量 的迅速增加,对卫星通信系统提出了新的要求。 对于Internet用户来说,他们总希望能够“随时随地”的浏览网络,并能以较高的速率 下载所需的信息文件,卫星通信系统的无缝覆盖和能提供较宽的带宽,可满足这一用户需求。 而对于低业务密度地区的高速率(集团)用户而言,由于当地缺乏高速数据用尸线到办公室, 对Internet的高速浏览也需要通过卫星通信系统来接入。而另一方面,在Internet上的一些 世界知名的检索、咨询机构、图书馆和大公司等,它们是全球Internet用户的访问热点。为 了避免通信业务量在这些热点附近过分集中,和远程用户访问时信息的长距离传输,这些 “热点主站”在世界各地区设立了地区性的“镜像站点”,以便用户就近访问。然而“热点 主站”信息的补充和更新,需要及时地对相应的各地区“镜像站点”的信息进行刷新,这种 一点对远距离多卢、的信息传输采用卫星通信系统是十分适宜的。由此可以看出,卫星通信 系统在Internet中占有重要的地位。 交互式多媒体业务要求通信系统能适应多种业务的接入,并提供较话音业务更宽的传输 带宽。对于低业务密度地区用户的这一需求,应由卫星通信系统来支持。 本文在介绍国内、外卫星通信系统的状况和技术发展趋势之后,分析了我国的需求,并 提出建立我国包括同步和非同步卫星在内的综合系统框架,最后给出了一个以椭圆轨道卫星 星座构成非同步卫星系统的例子。 二、国外卫星移动通信系统状况 近年来,卫星移动通信技术的发展十分迅速,尽管全球低轨卫星移动通信系统Iridium (铱)和Globalstar(全球星)未能按计划于98年投入运行,但难关已基本渡过。到本世纪 末还有中轨卫星移动通信系统ICO问世。低轨系统卫星高度在几百至一千多公里之间,而中 轨系统卫星高度在10000km左右,它们与卫星高度约为36000km的同步轨道卫星相比,具有传 输距离短、损耗小的优点,十分有利于用户终端的简化和低成本,因此中、低轨系统在卫星 移动通信中已占主导地位。但是,由于中、低轨卫星与地面有相对运动,系统必须由多颗卫 星构成特定的星座,以保证对服务区的连续覆盖。这类系统通常为(覆盖)全球系统,所需 卫星数目多,系统投资大。 同步轨道卫星移动通信系统被认为是建立只覆盖特定地区的区域性系统的较好选择,它 只需一、两颗卫星,空间段投资省。国外已建成并投入运行的系统有澳大利亚的Mobilesat, 北美的MSAT等。但这些系统都只支持车载台,而不能支持手机用户。 作为下一代移动通信系统的IMT-2000备受关注,它不仅反映在各个国家、地区和集团 为保护自身已有的(移动通信)基础设施投资和未来的市场经济利益及其技术地位,在ITU 的相关标准制定过程中所作的种种努力方面,而且还由于它集现代电子和通信各项先进成果 于一体,提供足够的系统容量、支持多种业务和全球漫游、强大的智能化管理功能,形成新 一代系统体制而具有重大意义。 在IMT-2000的框架协议中,明确了卫星网是该系统的一个重要组成部分。与地面移动 网RTT方案一样,一些地区性组织和集团提出了若干卫星光缆传输技术(S-RTT,Satellite Radio TransmissionTechnology)候选万案。现将主要方案简介如下: 1、ESA的候选方案 欧洲空间委员会(ESA,European Space Agency)提出了混合的宽带CDMA/TDMA(W- C/TDMA)和宽带 CDMA(WCDMA)两种方案。 在混合CDMA/TDMA系统中可采用多用户检测,并由于引入了时分制,不要求快速和精确 的功率控制,因此避免了不稳定性的潜在危险。方案中的一个多帧(Multi-Frame)由1个附 加帧和8个普通帧(侦长为20ms)组成,而每帧分为8个时隙。在正向链路中,附加帧用来传 送公共控制信号,而普通帧以正交C/TDMA方式传送信息:在返向键路中,附加帧以异步方式 传送用户初始接入信息(突发的随机多址访问)而普通帧以准同步(准正交)C/TDMA方式 传送信息。在该方案中,有FDD和F/TDD两种双工方式。后者的双向信号在时间上是正交的, 且采用不同的频率,这就降低了对终端天线双工器的要求。 在C/TDMA方案中,载波间隔可根据Chip速率为2(2.048)MC/S和4(4.096)MC/S有两 种选择,分别为2,… 2.6和4,…5.2MHZ。相应的扩频因子为16,…128和32,…256。支持 的最大信息速率为182.9kb/S。 另一候选方案W-CDMA可支持144kb/s的信息传输速率,与当前卫星移动通信的育带CDMA 相比较,具有更高的频谱和功率效率(采用了更为有效的调制/扩频方案;可支持返向链路 的相干检测:在地面站和移动终端可采用干扰对消技术:由于采用了公共导频/波束族方式, 减少了系统开销)。 ESA时候选方案与ETSI-SMG专家组提出的地面移动通信环境的方案相一致。RF信道载频 间隔为2.5或5.0MHz(2.5MHZ为半速率),Chip速率2.048MC/S~4.096MC/S(数据速率随扩 频因子16~256可变)。 ESA声称其候选方案可用于不同的星座,包括低轨(LEO)、中轨(MEO)、高椭圆轨道 (HEO)和同步轨道,并给出了不同星座的延时和多普勒频移及其切换时的排前(跳变)的 数据。同时,考虑了波束间的切换、卫星间切换、信关站之间的切换以及分集接收方式和软 切换等问题。 同步问题也是候选方案考虑的重要问题之一。 2 TTA的候选方案 电信技术协会TTA(Telecommunlcatlon TechnologyAssociation)提出了以49颗高度为 2000km的低轨卫星(有7个倾斜角为51°的轨道平面,每个轨道平面上7颗卫星)的系统,作 为IMT-2000卫星部分的候选方案。系统能覆盖南、北纬68°以内的广大地区,对于纬度在 15°~65°的人口稠密地区的仰角特性优于低纬度地区。覆盖区内用户以17.5°的仰角可以 同时看到多于1或2颗卫星;系统利用最大比合并对来自两颗卫星的信号进行分集接收,以改 善系统的性能。 系统利用FFT技术和最大似然频率估计的方法来解决由于卫星与用户之间高速运动而带 来的多谱勒颇移问题。 卫星天线采用相挂阵天线,使每颗星形成37个点波束。每个声、波束将发射3个间隔为 10MHz的载波。一颗卫星正向链路客量为2万7千条9.6kb/s或912条144kb/s的信道,返向链路 为1万4千条9.6kb/S或257条144kb/S的信道。 3、Inmarsat的地平线(Horizons)系统 Inmarsat提出的Horizons系统以同步卫星星座提供全球覆盖,支持多媒体业务,实现 IMT-2000的目标。初期的终端是一个有便携的或掌上计算帆的便携式通信单元,具有定向 天线,可支持144kb/s的信息速率的传输。 系统的传输和应用相互独立,网络采用ATM技术与地面ATM兼容,能支持多种业务,包 括目前尚不能预见的业务,并支持IP业务。 系统支持优先权访问和紧急救援业务。 然而,由于系统采用同步轨道卫星,不符合ITU-T Rec.F.720对路径传播延时的要求 (F.720规定的最大延时不超过400ms,而导向路往传播延时不超过150ms),因此其应用受 到限制。 三、国外非同步卫星宽带系统的发展趋势 近年来,Internet座用的爆炸性增长,交互式多媒体业务量的迅速增加,其中对低业务 密度地区用户的业务需要由宽带的卫星通信系统来支持。研究表明,对于功率和频带受限的 卫星通信系统来说,如能放弃链路损耗大和传播延时长的同步卫星系统,而采用非同步卫星 定带系统,对于改善服务质量和降低终端成本都十分有利。比如,交互式多媒体业务对系统 延时有一定限制,同步卫星系统固有的长延时可能不宜于某些应用场合。 在97年世界无线电会说(WRC’97)和国际电联(ITU-R)第四组(固定卫星业务)98- 99年研究期工作会议上,非同步轨道卫星的宽带系统是与会专家讨论的热门话题。一些国家 和大公司已提出了若干系统,它们可支持高速率用户的需求,如对因特网的高速对览、电视 会说、HDTV(高清晰度电视)传输以及远程医疗等。所提出的系统都为全球系统,所需的投 资巨大。比如Teledesic系统,由轨道高度为700km的288颗卫星组成,投资约90亿美元.系 统预计2002年投入运行。又比如Celestri系统,由9颗同步卫星和63颗低轨卫星(轨道高度 为1400km)组成,投资130亿美元,系统投入运行的时间也预计在2002年。 四、我国卫星通信系统现状与未来需求的分析 我国的卫星通信干线主要用于中央、各大区局、省局、开放城市和边远城市之间的通信。 它是国家通信骨干网的重要补充和备份。为保证地面网过负荷时以及非常时期(如地面发生 自然灾害时)国家通信网的畅通,有着十分重要的作用。 在我国边远省、自治区(如西藏、新疆)的一些地区,难以用扩展和延伸国家通信网的 方法来进行覆盖。对于这些地区的一些人口聚居的重镇或县城(也可用于海岛)的用户,我 国是利用VSAT的方法将其接入地面公用网。这对我国通信网的全国覆盖具有重要意义。 卫星专用网在我国发展很快,目前银行、民航、石化、水电、煤碳、气象、海关、铁路、 交通、航天、新华社、计委、地震局、证券等均建有专用卫星通信网,大多采用VSAT系统, 全国已有几千个地球站。 我国需要建立卫星移动通信系统,以支持位于地面移动通信网服务区以外用户的移动通 信业务,其终端应当是轻便和低成本的。 卫星移动通信系统还用来为地面通信网未能覆盖的农村和边远地区提供基本的通信(话 音和低速数据,这对发展中国家更具有重要意义)。这里所指的“农村和边远地区”用户, 是指十分分散的“自然村”,要求其终端的复杂度、体积和成本应远小于VSAT小站。 以我国为主的卫星移动通信系统APMT(亚太移动通信系统)正在筹建,它是以同步卫星 支持的区域性系统。系统支持手持机用户,为此星载天线十分庞大(天线直径约1-3m),此 外系统还用于支持边远地区的基本通信。 在不久的将来,我国的卫星网还将用于支持低业务密度地区的高速率用户(集团用户) 终端的通信需求,比如,对因特网的高速浏览,以及高速率的接入公用网。对于这一类的用 户,其终端设备的简化和低成本也是十分重要的。 五、建立我国的综合卫星通信系统的设想 目前,我国在同步卫星通信方面的发展已具规模,在作为国家干线通信网的备份和组建 专用网方面发挥了巨大的作用。但是,面对一些业务需求,如移动通信业务、边远地区基本 通信业务、高速率用户的接入和因特网浏览以及交互式多媒体业务等方面的需求,我国是采 用继续发展和扩大同步卫星通信系统来支持这些新业务?还是建立包括同步卫星和非同步卫 星在内的综合卫星通信系统呢?从国外卫星通信发展趋势来看,由于轨道高度较低的非同步 卫星无论在支持移动通信,边远地区基本通信和高速率用户的接入等方面都十分有利,它能 有效地降低对终端EIRP(有效合向辐射功率)和G/T值(接收机品质因数)的要求,使用户 终端大为简化和降低成本。因此,建立我国的综合卫星通信系统在技术上是合理的。在综合 系统中,同步卫星和非同步卫星部分各自支持的业务重点应有所不同。 同步卫星系统主要支持的业务有: 1.地面公用网各枢纽站之间的干线连接,其地面站庞大,成本高; 2.远端用户(VSAT终端)的接入; 3.构成专用网和专用网与公用网之间的连接。 非同步卫星系统主要支持的业务有: 1.移动通信业务: 2.提供过远地区和农村的基本通信(话音和低速数据),其用户终端体积和成本远低于 VSAT终端; 3.用于高速率(可达2Mb/S)用户终端的接入,提供交互式多媒体业务和支持用户高速 浏览因特网。其用户终端成本和天线尺寸应小于VSAT终端。 在综合系统中,由于非同步卫星将飞越全球,具有全球(非实时)覆盖能力,因此综合 系统可以实现全球的(非实时)数据通信(数据信息延时最大约5小时)。尽管通信是非实时 的,但系统是完全由我国自主控制的,这在一定程度上能缓解一直困扰我国的全球通信问题, 对军事和外交机要通信具有重要意义。 六、综合系统的可行性和非同步轨道卫星星座 建立我国的综合卫星通信系统,除市场需求和枝术上的合理和先进性之外,系统所需的 投资和经济效益如何,是决定建立该系统是否切实可行的关键因素。 我国的综合卫星通信系统是为我国(及其周边地区)服务的区域性系统。一般来说,采 用同步卫星也许是一种较好的选择,因为系统所需的投资较省,而采用覆盖全球的非同步轨 道卫星星座为某一地区提供服务(在经济上)是不可取的。然而,随着星座设计技术的突破, 利用数目较少的非同步轨道卫星构成的星座也是区域性系统的一种选择。 作为我国的综合卫星通信系统中的非同步卫星部分,以采用“区域性时限”星座为宜。 该星座可以在特定的时段(通常在每天的业务高峰时段)对我国进行连续覆盖,而空间段所 需投资可大致与同步卫星相当。同时,由于覆盖我国的非同步卫星区域性星座对地理上与我 国对称(经度差约180°)的美国,具有甚至更好的覆盖特性(仰角更高)。因此,如果同一 星座以支持中国和美国的两个区域性系统,空间段的投资共同承担,那么我国的非同步卫星 系统所需投资可能比一个同步卫星系统更省。 我国综合系统中的非同步卫星可以是一种由4颗椭圆轨道卫星(近、远地,点分别为44 97km和16209km)构成的星座,它能在北不时间每天的7点或至23点30分连续覆盖我国。可以 看出,星座对我国的最小覆盖仰角在15°以上,而对大陆的绝大部分地区在20°以上。 在非同步卫星不能覆盖的低业务量时段(如深夜和凌晨),可由同步卫星来支持这些较 小的业务量。此时,对我国连续覆盖的同步卫星也处于低负荷时段,它有足够的资源(如功 率)来改善由非同步卫星转换至同步卫星时因传播损耗增加所带来的不利影响。 摘自《中国通信》