應(yīng)急通信第一反應(yīng)器
—— 衛(wèi)星移動通信

· 文|中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 王艷君 汪春霆

中國電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司 張文方

應(yīng)急通信第一反應(yīng)器
—— 衛(wèi)星移動通信

· 文|中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 王艷君 汪春霆

中國電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司 張文方

衛(wèi)星移動通信(MSS)系統(tǒng)可實現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離的漫游和機(jī)動通信，可提供話音、短報文、傳真和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，在應(yīng)急通信、全面覆蓋和普遍服務(wù)方面極具優(yōu)勢。本文首先介紹了全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，及各類衛(wèi)星移動通信終端的功能、性能等主要指標(biāo)及其在應(yīng)急通信系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，對比了衛(wèi)星移動通信終端和VSAT應(yīng)用于應(yīng)急系統(tǒng)中的不同特點，并就衛(wèi)星移動通信在國家應(yīng)急通信體系中的作用與典型應(yīng)用進(jìn)行了分析和討論。

一、引言

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)（MSS）是利用衛(wèi)星作為中繼器，實現(xiàn)移動用戶之間、移動用戶和地面固網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)或其他專網(wǎng)用戶之間通信的系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、作用距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活、通信費(fèi)用基本與距離無關(guān)、受地形地物影響小等突出優(yōu)點。可提供機(jī)動靈活的話音、短報文、傳真和數(shù)據(jù)通信，在應(yīng)急通信、全面覆蓋和普遍服務(wù)方面極具優(yōu)勢。

按照通信衛(wèi)星所處的軌道位置不同，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)分為地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和非同步軌道（non-GSO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)兩種：

GEO衛(wèi)星運(yùn)行在高度約35800km的赤道面上，其特點是投資少、技術(shù)復(fù)雜度低，但不能實現(xiàn)兩極覆蓋。

non-GSO衛(wèi)星有兩種可用的軌道類型：500～2000km的低軌道（LEO）和8000～12000km的中軌道（MEO）。相對于GEO，中低軌道衛(wèi)星距地面近，具有較低的傳輸時延和線路損耗。但是非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜，需要多顆衛(wèi)星來保證有效的覆蓋率，系統(tǒng)運(yùn)行管理難度大[1]。

二、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)組成

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段構(gòu)成，如圖1所示。

1.空間段

空間段主要指移動通信衛(wèi)星。為了保證對服務(wù)區(qū)的持續(xù)覆蓋，non-GSO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的空間段由多顆衛(wèi)星組成，例如“銥”（Iridium）系統(tǒng)空間段由66顆工作衛(wèi)星組成。而GEO系統(tǒng)通常一顆衛(wèi)星就可實現(xiàn)對特定區(qū)域的覆蓋。由于GEO星地傳輸距離達(dá)到三萬多千米，為了實現(xiàn)對大量手持終端的支持，星上多采用大口徑多波束天線和高功率功放，例如，Skyterra系統(tǒng)天線口徑達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的22m，最多可形成500個點波束，平臺功率達(dá)到13kW。

圖1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)組成

2.地面段

地面段包括信關(guān)站、衛(wèi)星測控站和運(yùn)行控制中心等。

衛(wèi)星測控站系統(tǒng)負(fù)責(zé)衛(wèi)星的在軌運(yùn)行控制任務(wù)。運(yùn)行控制中心負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、用戶等級規(guī)劃、波束之間無線資源的規(guī)劃和分配、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)性能采集、分析和優(yōu)化等任務(wù)。

信關(guān)站是衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的核心，完成用戶管理、業(yè)務(wù)接入、信息交換和互聯(lián)互通等工作。典型信關(guān)站由衛(wèi)星接入網(wǎng)和核心網(wǎng)組成。接入網(wǎng)內(nèi)包括衛(wèi)星天線與射頻設(shè)備、無線傳輸與控制設(shè)備和網(wǎng)管設(shè)備等。核心網(wǎng)包括電路域設(shè)備和分組域設(shè)備，支持電路業(yè)務(wù)、分組業(yè)務(wù)的處理，并可與地面公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）、公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）、Internet以及IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通。

根據(jù)運(yùn)營的需要，在上述信關(guān)站組成設(shè)備之外，還可以增加承擔(dān)用戶管理、業(yè)務(wù)開通、計費(fèi)賬務(wù)功能的支撐系統(tǒng)以及承載增值業(yè)務(wù)的其他設(shè)備等。

3.用戶段

用戶段由各類終端組成。根據(jù)應(yīng)用形態(tài)，終端可以分為手持、便攜、固定、車/船載、機(jī)載、嵌入式等多種終端類型。根據(jù)其類型不同，采用不同的功放、天線、外圍接口、業(yè)務(wù)界面等。終端的核心是基帶處理芯片和射頻處理芯片。前者承擔(dān)衛(wèi)星移動通信空中接口的基帶調(diào)制解調(diào)、復(fù)用、無線承載管理、業(yè)務(wù)處理、用戶注冊和鑒權(quán)加密等功能，后者為實現(xiàn)特定頻點上的頻譜模板和提高射頻通道性能提供支撐。

表1給出了當(dāng)前主流衛(wèi)星移動通信終端的主要參數(shù)，表2給出了衛(wèi)星移動寬帶（≥128kbit/s）終端的主要參數(shù)。

表1 當(dāng)前全球主要運(yùn)營商手持終端技術(shù)指標(biāo)

表2 當(dāng)前全球主要運(yùn)營商寬帶終端技術(shù)指標(biāo)

三、國內(nèi)外MSS系統(tǒng)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用現(xiàn)狀

全球在運(yùn)營的主要MSS系統(tǒng)，包括地球同步軌道的海事衛(wèi)星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）、光平方（LightSquard） 和低軌道的“銥”（Iridium）、全球星（Globalstar）、軌道（Obcomm）。共有各類激活終端290余萬部，除采用低數(shù)據(jù)速率（LDR）傳輸應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和財產(chǎn)跟蹤外，應(yīng)急通信是MSS系統(tǒng)發(fā)展的主要驅(qū)動力和最重要的應(yīng)用方向。在近年重大的自然災(zāi)害中，MSS起到了關(guān)鍵作用，被稱為應(yīng)急通信的第一反應(yīng)器[2]。

1.手持終端在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

MSS手機(jī)是應(yīng)急場所最重要的通信手段，特別是在災(zāi)難發(fā)生的72小時以內(nèi)。在此時間段內(nèi)，地面網(wǎng)絡(luò)無法使用，而救援機(jī)構(gòu)需要了解災(zāi)難地區(qū)的實時消息來進(jìn)行災(zāi)情評估，進(jìn)而組織救援活動。MSS手機(jī)可以幫助救援組織在幾分鐘內(nèi)建立好應(yīng)急通信中心，提高了災(zāi)難救助效率和水平。據(jù)歐洲咨詢公司對歷次災(zāi)難發(fā)生后MSS業(yè)務(wù)量的統(tǒng)計，災(zāi)害發(fā)生2到5周內(nèi)，災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，會形成大量的MSS通信量。但隨著大量救援力量的到來和當(dāng)?shù)氐孛骐娦啪W(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)，MSS手持服務(wù)變得不那么合算，也不再能滿足不斷增加的電信需求。因此，衛(wèi)星電話逐漸被VSAT和地面通信系統(tǒng)代替；并且在事件發(fā)生后的幾周，成為了后備的通信工具。

1999年，Iridium公司在臺灣大地震發(fā)生后，為救援人員提供了20 臺Iridium 9500手機(jī)。2005年，美國政府事務(wù)處在從“卡特里娜”颶風(fēng)恢復(fù)的過程中，廣泛地使用了Iridium手機(jī)。2005年，亞洲海嘯過后，在恢復(fù)階段，許多Iridium和Thuraya手機(jī)被救援事務(wù)處使用。2011年3月，在海嘯襲擊了日本沿海地區(qū)后，國際電信聯(lián)盟（ITU）緊急調(diào)運(yùn)了78部Thuraya衛(wèi)星電話和13臺Iridium衛(wèi)星電話用于災(zāi)難救助。上述兩個系統(tǒng)2011年在亞太地區(qū)都出現(xiàn)了MSS通信量劇增的情況[3]。

2．寬帶終端在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

由于受到MSS寬帶終端數(shù)據(jù)速率、使用成本等方面的限制，它在應(yīng)急通信中的應(yīng)用不如MSS手機(jī)使用廣泛。但是，與VSAT相比，MSS寬帶設(shè)備體積小、重量輕、安裝成本低，這使得它更適合在需要快速部署和需要具有靈活性的情況下使用。因此MSS寬帶終端通常用在需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)瀏覽、郵件收發(fā)、低速視頻傳輸?shù)阮I(lǐng)域。特別是在使用靈活并需要快速建立通信的新聞采訪領(lǐng)域，MSS寬帶終端使用量較大。2011年日本海嘯之后，曾緊急部署了37臺Inmarsat BGAN終端。

圖2是2003年以來，重大自然災(zāi)害發(fā)生次數(shù)與MSS終端使用量的對比關(guān)系，其中由于在2005年發(fā)生了印度洋海嘯和美國的“卡特里娜”颶風(fēng)，救災(zāi)中大量使用了MSS終端，因此導(dǎo)致了圖中2005年MSS終端的使用出現(xiàn)了峰值。

圖2 近十年來自然災(zāi)害發(fā)生數(shù)量與MSS業(yè)務(wù)量對比

2008年5月12日，汶川發(fā)生8.0級強(qiáng)震，地面通信網(wǎng)絡(luò)遭到嚴(yán)重破壞，在國內(nèi)外相關(guān)公司支持下，工信部調(diào)集了包括Inmarsat、Thuraya、ACeS等系統(tǒng)的數(shù)百部終端投入搶險救災(zāi)，對指揮部第一時間掌握災(zāi)情，及時進(jìn)行人員和物資調(diào)度，為抗震救災(zāi)工作的順利開展起到了巨大作用。

2010年4月14日，青海省玉樹地區(qū)發(fā)生7.1級強(qiáng)烈地震，在供水、供電和通信設(shè)施遭受破壞情況下，玉樹地區(qū)廣泛建立的基于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的村村通衛(wèi)星電話能夠不受地面通信設(shè)施損毀的影響，及時向外傳遞信息，對災(zāi)情普查和人員搜救也發(fā)揮了重要作用[4]。

四、MSS寬帶和VSAT在應(yīng)急通信應(yīng)用中的對比分析

在應(yīng)急衛(wèi)星通信領(lǐng)域，MSS寬帶終端與VSAT扮演了既相互合作，共同完成各類應(yīng)急通信需求，又相互滲透，彼此爭取更大市場份額的角色。特別是近年來，隨著新系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，VSAT天線尺寸大幅下降，終端的移動性空前提高，加上靈活的資費(fèi)政策，VSAT對MSS寬帶終端在應(yīng)急通信中的應(yīng)用造成了一定的沖擊。

1．工作頻段不同帶來服務(wù)差異

MSS系統(tǒng)工作于L或S頻段，而VSAT系統(tǒng)工作在Ku或Ka頻段，相對于Ku和Ka，L、S頻段頻率低，鏈路可用性強(qiáng)，加之在系統(tǒng)設(shè)計中MSS系統(tǒng)通常保留較多鏈路余量，因此通常認(rèn)為MSS比VSAT具有更強(qiáng)的系統(tǒng)可用性。

但也正是因為較低的工作頻段，目前分配給MSS系統(tǒng)的頻譜資源十分有限，這很大程度上導(dǎo)致了MSS系統(tǒng)使用中的局限性。根據(jù)目前的技術(shù)和頻譜的分配情況，MSS終端數(shù)據(jù)速率最高只能達(dá)到650kbit/s（如Inmarsat的MSS終端）。盡管通過采用多波束技術(shù)大幅提高了MSS系統(tǒng)的頻率復(fù)用率，進(jìn)而提升了系統(tǒng)容量，但對于單個終端的速率影響不大。而VSAT終端工作頻段較高，其較高的天線增益可支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，目前VSAT終端的最低起步速率通常為512 kbit/s，相對于MSS，具有明顯的速率優(yōu)勢。

2．不同定價策略對其應(yīng)用于應(yīng)急通信中的影響

受到系統(tǒng)建設(shè)成本及工作頻段的稀缺性、通信容量的有限性以及運(yùn)營商所采用的商業(yè)模式等多種因素的影響，MSS寬帶終端的使用成本是比較昂貴的，特別是對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通常是以每MB為單位進(jìn)行收費(fèi)。例如Inmarsat BGAN，它在標(biāo)準(zhǔn)IP模式下的平均零售價在每MB 4美元到6美元，在數(shù)據(jù)流模式下是3～30美元/分鐘。即使能保證每月大容量使用，每MB的價格也僅能便宜幾十美分。其他的系統(tǒng)如Thuraya IP，在標(biāo)準(zhǔn)IP模式下其平均價格可以變?yōu)槊縈B 4美元，而在數(shù)據(jù)流模式下變?yōu)?～15美元/分鐘。

而Ku頻段的移動VSAT有64 kbit/s到2Mbit/s的下載速度和無限使用數(shù)據(jù)包，并且根據(jù)使用的不同的數(shù)據(jù)速率、QoS和其他服務(wù)選擇，固定月租為1500到8000美元不等，平均每MB的數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用遠(yuǎn)低于1美元，具有明顯的價格優(yōu)勢。

近兩年，為了對應(yīng)來自VSAT的價格優(yōu)勢，MSS運(yùn)營商推出了針對特殊應(yīng)用的優(yōu)惠套餐，例如，2012年10月，Inmarsat為IsatPhone Pro終端應(yīng)用于非政府組織（NGOs）人道主義援救行動推出了優(yōu)惠套餐，3個SIM卡綁定情況下，每月可享受高達(dá)3000分鐘的通話時長[5]。

MSS寬帶終端與VSAT總體對比情況如表3所示。

表3 MSS寬帶終端與VSAT終端對比表

五、結(jié)束語

我國是一個自然災(zāi)害高發(fā)國家，搶險救災(zāi)對成熟可靠的應(yīng)急通信手段有迫切的需求。而衛(wèi)星移動通信素有“應(yīng)急通信第一反應(yīng)器”之稱，在國內(nèi)外歷次重大災(zāi)害的救災(zāi)中發(fā)揮了巨大作用。隨著我國自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)研制建設(shè)工作的開展，可支持話音、數(shù)據(jù)、導(dǎo)航等綜合業(yè)務(wù)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)必將極大促進(jìn)我國應(yīng)對自然災(zāi)害等重大突發(fā)事件的應(yīng)急通信保障能力。

[1] 汪春霆，張俊祥，潘申富，等. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[2] 陳思，張健. 應(yīng)急通信保障手段——衛(wèi)星移動通信[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò). 2009（8）：20-22 .

[3] 陳旭彬，劉海洋. 衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信中的應(yīng)用[J]. 數(shù)字通信世界. 2012（10）：67-69 .

[4] 李廣俠，馬沖，胡婧. 衛(wèi)星通信在突發(fā)事件中的應(yīng)用[J]. 數(shù)字通信世界. 2009（6）：36-39 .

[5] Euroconsult. MOBILE SATELLITE COMMUNICATIONS MARKETS SURVEY PROSPECTS TO 2022[R]. 4th ed. 2013.