衛星通信與無線接入技術的結合應用

· 文|鑫諾衛星通信有限公司 趙冬梅

衛星通信與無線接入技術的結合應用

· 文|鑫諾衛星通信有限公司 趙冬梅

越來越多的應用需要將衛星通信與無線接入手段相結合，發揮各自的優勢，互為補充，共同為用戶提供更靈活的解決方案。本文將介紹幾種能對衛星通信服務進行擴展和延伸的無線接入技術，以及各自的應用場景。

衛星通信 無線接入 專網 應用

一、引言

衛星通信和無線接入相結合的解決方案吸引了越來越多的關注，優勢在于發揮兩者長處，互為補充。首先通過衛星鏈路將用戶的作業現場與后方指揮中心直接連通，利用衛星VSAT端站提供網絡接入點，而在作業現場又可以借助無線接入手段，對每個衛星端站提供的業務進行二次延伸和擴展，從而將通信服務從一個點擴展到一個面，從一個固定衛星端站進一步延伸到個人移動終端或多個固定終端，將主要用于中繼傳輸的衛星通信真正轉變成面向用戶終端的寬帶多媒體通信手段，實現通信的個人化和移動化。

在一些公網覆蓋不到或不足的地區，或某些行業用戶自己組建通信專網，衛星通信和無線接入手段相結合的方案往往是最為可行的方式。海外路橋架設施工現場、采礦勘探現場、大型郵輪、車載應急通信等場景下都可以使用衛星與無線接入結合的方式實現與后方的通信。中國移動、國電集團、安全部、地震局、雪龍號等都開展了類似的應用。

本文討論的無線接入技術包括WiFi、2G/3G小型移動基站、專網移動無線接入技術、無線網橋和無線Mesh方式。給出適合與衛星通信結合使用的不同應用場景。

二、幾種無線接入方式的特點

無線接入技術（Radio Interface Technologies，RIT），也稱空中接口，指通過無線介質將用戶終端與網絡節點連接起來，以實現用戶與網絡間的信息傳遞。無線接入系統在通信網中的定位是本地通信網的延伸、補充和臨時應急系統。

1.無線局域網（WiFi）技術

與有線網絡相比，WiFi無線網絡的優勢在于無需布線，只需要一個室內無線AP（接入點），就可以為人員較為集中、范圍相對較小地區，如樓宇、家庭、公共場所或工程中不方便布線的地方提供覆蓋和無線接入手段，適合移動辦公的需要。WiFi技術的定位主要是作為高速有線接入技術或蜂窩移動通信的補充，但是無線AP發射功率小，傳輸距離（覆蓋范圍）不遠，在開放性區域達300m左右，在封閉性區域，通訊距離為70m到120m，有阻擋的地方可能只有10～15m。

WiFi的應用目前已經非常普及，不支持漫游，但能解決局部空間的覆蓋，與2G/3G網絡相比，速度更高，與衛星通信結合使用的典型應用場景是機載通信，飛機通過機載衛星通信系統搭建起衛星通信的平臺，在客艙內轉換為WiFi環境，乘客通過個人終端實現互聯網接入功能。類似的應用模式也可以移植到高鐵、動車甚至普通列車上，為乘客在漫長旅途中提供實時寬帶通信的環境，隨著未來Ka寬帶衛星資源進入市場，Ka衛星通信在這一領域內的市場潛力很大。

2.2G/3G無線小基站覆蓋

這種基站有兩大類：一類是可以自己組成專用移動網的小型基站和系統設備；另一類是運營商基站，需要加入運營商的公用移動網絡，在衛星端站一側部署專門針對小業務量、適合偏遠地區開發的小型基站，衛星鏈路提供的是中繼功能。一些衛星設備廠商已經和移動設備廠商合作開發，推出了將衛星端站和小型基站以及太陽能系統捆綁在一起的解決方案，為偏遠地區提供2G/3G的網絡覆蓋，屬于衛星通信應用于2G/3G中繼（Backhaul）的案例。在此重點討論第一類的接入應用，適合行業用戶單獨組網。

該類基站也使用GSM或WCDMA的運營商頻段，可以使用普通手機但要改用專用的SIM卡，基站具有小型化，質量輕（15kg）和功耗低的特點，發射功率只有5W，功耗小于30W，可以使用太陽能供電。WCDMA基站具有內置發射天線，可直接掛在室外高處使用，基于2.5G GSM的小型基站單元不能放在室外使用，需要單獨的天饋線系統，分別支持普通WCDMA或GSM制式的手機。

WCDMA基站采用ALL-In-1集成技術，將3G/ HSPA+移動基站（BS），無線接入系統，無線回程系統（無線中繼），同步（GPS），內部L2網絡交換機，高度的集成在一個符合IP67防護標準的機箱里．并與3G 移動核心網單元（CN），接入網關（GW），及軟交換服務器（SS）一起構成一個超級小型化的基于3GPP標準的專網移動通信系統。單基站覆蓋半徑3～5km，支持24個用戶并發，最多700個手機待機，速率最大上行5.7Mbit/s，下行21Mbit/s。

圖1是與衛星Modem連接的基于WCDMA的專用移動通信系統的組成示意圖。

圖1 3G專網移動通信系統（單基站系統）

如果用戶所在地沒有運營商的網絡覆蓋，或出于組建專網的目的，并且希望在一定范圍內（3～5km）提供面向手機終端的話音和數據服務，要求移動性強，方便靈活，部署快速，具有和移動公網類似的用戶體驗，那么可以使用2G/3G無線小基站在衛星接入點附近布設一個小型專用移動網絡來實現，組成一個基于2G/3G基站的衛星專網通信系統。

在此基礎上可以開發一個綜合的衛星應急通信系統，將移動通信核心網、基站控制器、基站子系統、VoIP子系統、網絡接口和衛星接口等功能模塊高度集成在一個便攜式或可肩負式的機箱中，配合衛星便攜站或車載站使用，以衛星接入點為中心，迅速部署一個專用的衛星移動應急通信網絡系統。

3.寬帶多媒體無線接入方式

此類系統使用的是基于McWill、Mc-LTE或TDLTE地專網移動通信技術，傳輸速率更高，支持寬帶多媒體業務和集群通信，采用碼擴正交頻分多址（CSOFDMA）、智能天線、空間零陷、聯合檢測等無線通信技術。McWiLL基站最大提供15.36Mbit/s的數據吞吐率，單基站支持2000個用戶注冊，100個同時在線。基于LTE的單基站帶寬最大20MHz，可以支持下行峰值速率100Mbit/s，上行峰值速率50Mbit/s。該類系統面向行業用戶，可以實現在一張網絡內、使用一個頻率，在一部終端上同時提供專業級的語音集群，寬帶數據傳輸、高清視頻上傳及分發調度等豐富的多媒體通信手段。接入終端多樣化，有語音終端、數據終端、多媒體終端。支持非視距傳輸、高速移動、終端漫游切換。

衛星通信系統作為遠程接入平臺，通過衛星鏈路將基站與后方的核心網、視頻監控平臺等設備連接。此外，后方指揮中心還可配置語音調度平臺，實現集群通信的功能。

在圖2所示的整個網絡中，衛星通信系統部分位于匯聚層，提供傳輸通路。位于頂端的核心層包括核心網、網管、調度平臺和視頻監控平臺。接入層設備主要為基站設備，基站接入到衛星地面站。

有多種數據終端設備可選，包括數傳模塊，具有上下行最大吞吐量1.6Mbit/s的無線數據傳輸能力，可以提供多種接口（如：RS232、RJ45），外型小巧，便于連接和安裝，主要用于視頻監控、數據采集、遠程監控等方面，可與視頻編碼器、攝像頭、車載多媒體終端、數據采集設備、工業監控設備、視頻監控設備連接和集成。

圖2 衛星與無線寬帶多媒體系統結合的網絡拓撲圖

便攜式綜合業務終端支持語音、寬帶數據功能。可通過電話口連接普通話機，同時還可以通過網口連接計算機、視頻編碼器等設備，上下行最大吞吐量可達3Mbit/s。

還有一種是集群手持終端/多媒體手持終端，支持點對點語音、集群語音和寬帶數據業務，支持高速移動，最大傳輸速率1.6Mbit/s（雙向）。

此類無線接入技術適合支持移動多媒體綜合業務，包括話音、數據和視頻，終端有多樣化選擇，支持集群通信功能，可用于公網、電力、水利、油田、煤炭、制造業等行業用戶，利用衛星通信作為中繼手段，共同組成專網移動通信系統，提供寬帶多媒體綜合業務。具體廠家的系統工作頻率不同，可選1.8GHz、1.4GHz、400MHz、340MHz和2.3GHz，但都是專用頻段，需要申請使用。與前兩種無線接入技術相比，該類型基站支持速率更高，真正實現寬帶移動多媒體通信業務，也支持基站間漫游服務，但是無論基站多少和業務量大小，后方一般都需單獨設立核心網，提供語音交換平臺和基站管理服務，每個基站容量也較大，用戶終端設備不開放，價格也較高，因此如果用戶數量不大，或者對移動性要求不高，使用這種方案成本相對較高。

可以考慮在以下應用場景中和衛星通信結合：

1）分散的施工現場內部組網使用，衛星作為遠程傳輸手段，用無線移動專網解決當地的覆蓋（5km以內）。

2）海上公安執法船、緝私船作為母船，登船檢查人員攜帶終端，將視頻等信息回傳處理。

3）海上石油鉆井平臺。

4）廣電用戶新聞采集回傳。目前使用的是衛星車加微波回傳方式，如果采用衛星加專網移動基站的方式，新聞采集人員配備便攜數據終端，連接攝像機，隨時將視頻傳回基站（衛星車），再經過編輯后通過衛星鏈路傳回后方指揮部。

綜上所述，一定距離內，有綜合業務的傳輸需求，要求終端可移動的業務，均可以考慮使用這一類寬帶無線接入通信系統。

4.無線網橋方式

無線網橋就是無線網絡的橋接設備，它利用無線傳輸方式實現在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁。無線網橋一般用于室外，工作在2.4G或5.8G的免申請無線執照的頻段，可以應用在相距幾十米到幾十千米的不同建筑物間網絡的互聯。無線網橋設備的接口為標準以太網口，可以直接與衛星Modem連接或通過路由器連接。傳輸距離從幾千米至幾十千米遠，如要達到較遠傳輸距離，要求視距傳輸、無遮擋，因此需要根據實際傳輸環境進行網絡設計和架設高度的計算。無線網橋產品采用OFDM及MIMO分集技術也能夠實現非視距部署。

無線網橋可以工作在點對點和點對多點的工作方式下，傳輸距離取決于傳輸環境和天線（包括增益和架設高度）。點對點方式下傳輸距離最長可達120km（實際應用案例87km），吞吐量最大400Mbit/s。點對多點工作的無線網橋包括一個基站（HBS）和多個用戶單元（HSU）構成，每個HBS最高同時支持32個HSU，信道帶寬5/10/20/40MHz，最長傳輸距離 40km。根據傳輸距離和覆蓋范圍的要求，可以選擇外接不同類型的天線（全向天線和定向扇區天線）。

無線網橋設備適合將較大區域內分散的若干固定業務點與作為會聚點的衛星端站連接起來，無線網橋基站與衛星端站設備放在一起，通過IP端口直接相連。無線網橋之間的傳輸距離從幾千米至幾十千米，而其他無線傳輸方式都無法做到。

業務類型以視頻監控業務為主，通過IP接口傳輸數據業務，包括互聯網接入，另外可使用話音網關產品，兼顧固定語音和數據業務，適合通信站點分散、傳輸距離長，業務量大的案例,如圖3所示。無線網橋產品多樣，技術成熟，只是隨著傳輸距離的增加，天線架設高度也隨著增大，增大了施工難度和工程量，這也正體現了地面無線通信的成本受限于環境和距離的特點。

圖3 無線網橋和衛星通信結合使用進行遠程監控的案例

5.無線Mesh方式

當移動中的車隊、船隊，需要協同工作時，可以將衛星作為干線通信方式，與后方指揮中心通信，而前方“最后一公里”或“最后幾公里”的通信則利用部署無線網格網（Mesh）電臺實現，可連接攝像頭或無線路由設備，形成AP覆蓋。以兩類業務為主：單向視頻采集、雙向視頻會議和數據交換。這種無線網格網電臺的接口為標準以太網口，可以與衛星和用戶的終端設備直接相連或通過交換機連接，多用于應急通信場景。

系統由若干個IP無線節點，組成一個“非固定自愈型”Mesh網絡。所有節點工作在同一頻點上（帶寬2.5, 3.0, 3.5, 5.0, 6.0MHz可選），最大傳輸能力8.9Mbit/s。使用COFDM技術，每個節點都可以作為視頻，音頻或IP數據的輸入源，任意節點都可作為接力點。傳輸方式為TCP/IP透明傳輸 。

如公安用戶，通常的使用場景是在現場放置一臺衛星通信車（靜中通），車內配一臺無線網格網電臺，單兵人員也通過網格網電臺彼此通信，組成網狀網系統，隨時將現場的信息傳回到衛星車上，通過衛星回傳后方的指揮部。

另一種應用是滿足行進中的車隊或船隊通信的需要。通常以一臺動中通衛星車載站或船載站為基礎，其他車輛或船只通過無線網格網電臺組成通信系統，通過衛星系統將數據回傳到后方指揮中心。如海警或海監，其中一條船作為母船，登船檢查人員與母船以及直升機之間通過各自配備的無線網格網電臺組成臨時通信系統，將視頻信息回傳到母船，再根據需要通過衛星與后方指揮部通信。

圖4是衛星車載站和Mesh電臺結合使用的一個例子，車隊由一個衛星靜中通指揮車和30個普通車組成，另外還有10部單兵背負式電臺，指揮車對普通車的語音、數據、圖像有強插、強拆等功能，普通車之間可以自行通話，最多傳輸4路視頻。系統最終設計了5組Mesh網絡，每組網絡容納8個移動節點和1個中心節點 。

總計5個中心節點配備在指揮車上，40個移動節點配備30臺普通車，10個單兵背負節點。每組網絡使用不同的波段和頻點 - UHF/L頻段。任意網絡內的任意節點都可以通過中心節點與其他任意網絡的任意節點進行通信。任意兩個無法直接連接的節點之間會自動進行多跳級聯傳輸和智能路徑選擇。由于每次多跳級聯傳輸會額外占用一倍帶寬，因此建議視頻多跳級聯傳輸不要超過3跳。

圖4 衛星車載站與Mesh電臺結合

此外，還有基于WiFi傳輸體制的Mesh系統，優點是單兵攜帶更加靈活，缺點是傳輸距離很短，最多幾百米，解決的是小范圍內的覆蓋。

三、幾種無線接入系統的分析比較

表1對可以與衛星結合應用的幾種無線接入方式的技術特點和典型應用場景進行了總結和比較。

表1 可與衛星結合應用無線接入方式對比

考慮選用哪種無線接入方式時，可以從以下方面進行比較：

·傳輸速率：無線網格網帶電臺（Mesh）≈WiFi ＜3G接入 ＜ 無線網橋 ＜ 4G 接入 。

·傳輸距離 ：（覆蓋范圍） WiFi ＜ 3G/4G集群系統＜ 無線網格網電臺（Mesh）＜無線網橋 。

·價格：WiFi ＜ 無線網橋 ＜無線網格網電臺（Mesh）＜3G/4G集群系統 。

·移動性：WiFi ≈無線網橋 ＜無線網格網電臺（Mesh）＜ 3G/4G集群系統 。

總之，作為衛星通信網絡的延伸，所有的無線接入技術和設備從能夠支持的傳輸速率上都滿足要求，更多要考慮傳輸距離和性價比，并盡量使用開放頻段組網。

概括來說，選擇使用哪種無線接入手段與衛星通信場景相結合可以基于以下考慮：

WiFi熱點適合范圍較小區域的覆蓋，面向手機、電腦等個人終端，可解決建筑物、船舶、飛機等內部的網絡覆蓋。

無線網橋技術更適合固定無線接入點業務的匯聚，對移動性要求不高的應用，適合視距傳輸，通過搭配不同類型的天線和架設高度，使得傳輸距離更遠，性價比最高。

無線網格網電臺，配備兩根鞭狀全向天線，自組網使用，靈活機動，更適合車隊或船隊之間的應急通信，視距和非視距傳輸環境均可。

基于2.5G GSM/3G WCDMA基站的專網移動通信系統，基站可實現高度集成，無需核心網設備，終端為通用手機，但數據視頻等應用也是基于2.5G GSM和3G WCDMA的通信體制，需要配備數據終端實現。可用于應急通信。

基于Micwill 和LTE等最新移動通信技術的專網移動通信系統，提供多媒體移動寬帶業務，面向移動小型終端，能解決無縫漫游，屬于移動通信的專網應用，需要配備核心網、網管、調度等系統，整體價格最貴，傳輸距離限于幾千米之內，適合行業用戶的寬帶綜合多媒體應用。

四、結束語

衛星通信和以上介紹的幾種無線接入技術都可以不依托于公網，為行業用戶組建內部專網 ,有共同的服務對象，二者相結合起來可以互為補充，共同為用戶提供完美的解決方案，特別適合走出海外的中國企業、海監漁政、遠洋船只、大型油輪或在地面線路不完善的地方開拓市場的企業。在這些領域衛星通信往往是必要的手段，但是僅僅依靠衛星通信又是不夠的，因此衛星通信從業者需要開闊視野，多了解其他無線接入手段是非常必要的。