移動互聯(lián)網與衛(wèi)星通信

+ 張健 天津七一二通信廣播有限公司

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移動互聯(lián)網與衛(wèi)星通信

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【摘要】本文從通信角度對移動互聯(lián)網的特點進行了分析，介紹了當前主流的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，并對衛(wèi)星通信用于移動互聯(lián)網進行了分析。

一、移動互聯(lián)網時代的特點

目前，移動通信已經進入4G時代，基于移動互聯(lián)網各類應用已經滲透到普通百姓的方方面面，面向個人的移動互聯(lián)網正在迅速改變人們的生活方式。根據中國互聯(lián)網信息中心發(fā)布的《中國互聯(lián)網絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》顯示，截至2014年6月，我國網民手機上網使用率首次超越PC端，手機成第一大上網終端設備。移動終端正在全面侵蝕PC，移動互聯(lián)網更受網民的喜愛。站在不同的視角對移動互聯(lián)網時代特點有不同的說法，在從事通信領域從業(yè)人員看，移動互聯(lián)網有如下特點：

一是覆蓋地域廣。由于移動互聯(lián)網面向的普通百姓，因此只要是有人的地方都需要互聯(lián)網提供服務。目前，移動互聯(lián)網主要依托地面公用移動通信網，我國三大運營商的移動網都已覆蓋了縣鎮(zhèn)以上的人口密集區(qū)域，圖1是我國經濟大省廣東省4G移動網的覆蓋范圍（來自廣東移動實時覆蓋圖），可以看出南部發(fā)達地區(qū)基本是絕大部分實現了無縫覆蓋，但粵北地區(qū)則有大量的空白地區(qū)，主要是這些地區(qū)地處延綿山區(qū)、人口較少，經濟相對落后。由此可以推測全國范圍，由于建網成本及效益等問題，全國還有相當地域處于空白狀態(tài)。這些空白地區(qū)為衛(wèi)星通信應用提供的發(fā)展的空間。

圖1　廣東移動4G網絡覆蓋圖

二是接入方便。互聯(lián)網是覆蓋全球的網絡，能夠提供用戶的隨機接入，早期采用電話線、ADSL等方式，目前主要使用光纖接入和無線接入方式，前者可提供的接入帶寬大，后者具有接入方便的優(yōu)點。其中，無線接入主要是通過公用移動網絡接入和熱點接入兩種方式，由于移動通信網覆蓋的廣域性，已經超過傳統(tǒng)的話音成為主要業(yè)務，成為移動互聯(lián)網主要的接入方式；同時，WiFi由于其可提供的大帶寬、更經濟成為當前首選的接入方式，各電信運營商在建設各種電信網絡的同時也在大量建設WiFi接入站點。圖2是在2014年互聯(lián)網調查中手機網民首選的網絡接入方式。

圖2　WiFi成為主流的移動接入方式

三是帶寬不斷增加。面向個人生活、工作的服務內容越來越多，成為當今創(chuàng)業(yè)熱點區(qū)域，由此帶來的帶寬需求不斷增加。圖3是移動通信網帶寬變化帶來的應用需求的變化，每次變化帶來的不僅僅是由語音到視頻這樣的業(yè)務類型的變化，而是其創(chuàng)新服務的出現，這些新的服務可為人們的生活帶來巨大的影響。因此，移動互聯(lián)網對帶寬的需求是不斷增加的，這也是當前地面移動5G發(fā)展的驅動力。

圖3　帶寬增加導致應用模式的變化

四是用戶終端快速變化。使用移動互聯(lián)網的用戶都是個人用戶，隨著網絡升級及技術發(fā)展，移動用戶終端正在向智能化發(fā)展，當前主流的安卓和蘋果操作系統(tǒng)已經成為移動終端的標準，基于此的各類應用APP如雨后春筍般出現；同時，傳統(tǒng)的桌面PC正在向平板變化，微軟正在推出面向平板、手機等跨平臺應用的WIN10，一代終端大都在兩年以內被新一代終端替代。近期，可穿戴設備成為用戶終端發(fā)展的熱點，包括以手腕為支撐的watch類（包括手表和腕帶等產品），以腳為支撐的shoes類（包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產品），以頭部為支撐的Glass類（包括眼鏡、頭盔、頭帶等），以及智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產品形態(tài)。另外，用戶有原來被動接受服務模式向主動選擇服務轉變，用戶可根據自己的喜好選擇喜歡的應用或舍棄不喜好的應用；通信網也面臨著同樣的競爭局面，各運營商通過提供補貼等優(yōu)惠方式爭取用戶，網絡流量費總體呈下降態(tài)勢。

四是用戶終端快速變化。使用移動互聯(lián)網的用戶都是個人用戶，隨著網絡升級及技術發(fā)展，移動用戶終端正在向智能化發(fā)展，當前主流的安卓和蘋果操作系統(tǒng)已經成為移動終端的標準，基于此的各類應用APP如雨后春筍般出現；同時，傳統(tǒng)的桌面PC正在向平板變化，微軟正在推出面向平板、手機等跨平臺應用的WIN10，一代終端大都在兩年以內被新一代終端替代。近期，可穿戴設備成為用戶終端發(fā)展的熱點，包括以手腕為支撐的watch類（包括手表和腕帶等產品），以腳為支撐的shoes類（包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產品），以頭部為支撐的Glass類（包括眼鏡、頭盔、頭帶等），以及智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產品形態(tài)。另外，用戶有原來被動接受服務模式向主動選擇服務轉變，用戶可根據自己的喜好選擇喜歡的應用或舍棄不喜好的應用；通信網也面臨著同樣的競爭局面，各運營商通過提供補貼等優(yōu)惠方式爭取用戶，網絡流量費總體呈下降態(tài)勢。

圖4　可穿戴設備成為發(fā)展熱點

五是M2M成為移動互聯(lián)網的新熱點。M2M有Machine-to-Machine及Mobile-to-Mobile解釋，無論何種含義，都是基于移動互聯(lián)網的新型應用。在Machine-to-Machine方面，依托于移動互聯(lián)網，用于安全監(jiān)測、自動售貨機、貨物跟蹤等遠距離收集信息、設置參數和發(fā)送指令等；在Mobile-to-Mobile方面，用戶通過移動端獲取商家在移動端提供的服務，用戶在移動端進行消費、支付和社交，商家在移動端完成經營、收費和管理。無論是機器還是人，M2M是一種以機器終端智能交互為核心的、網絡化的應用與服務，是未來移動互聯(lián)網的發(fā)展趨勢和應用落腳點，也是物聯(lián)網的重要組成部分。目前，世界電信運營商都將M2M作為未來新的增長點，通過合作建立全球M2M通信市場產業(yè)聯(lián)盟，建立同一標準的M2M服務平臺。分析機構Machina預測，M2M全球市場規(guī)模將從2010年的1210億美元增加到2020年的9480億美元，年增長率23％（其中我國增長率為16％），人手將有5-10部聯(lián)網終端。

二、當前衛(wèi)星通信發(fā)展情況

衛(wèi)星通信具有覆蓋地域廣、組網靈活、通信質量好、天然的廣播特性等優(yōu)點，是地面通信網有益的補充。隨著技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通信衛(wèi)星轉發(fā)器的性能和應用系統(tǒng)站型的業(yè)務能力不斷提高，能夠為各類用戶提供良好的服務。

（一）在同步軌道衛(wèi)星通信方面

在同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)方面，主要是在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)和高容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)（HTC）兩個方向發(fā)展。

1.移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)

典型的有INMARSAT、THURAYA等系統(tǒng)，系統(tǒng)采用L、S頻段，為提高系統(tǒng)用戶容量和減小用戶終端體積重量和功耗，衛(wèi)星采用多波束覆蓋地球方式，如2005年首發(fā)的INMARSAT4衛(wèi)星有1個全球波束、19個寬波束和228個窄點波束，手持終端可支持9.6kbps的業(yè)務，寬帶全球區(qū)域網服務（BGAN）可提供IP和電路交換服務，包括互聯(lián)網接入、視頻會議、LAN和其他服務，最高速度可達492 kbit/s。2007年發(fā)射的THURAYA F2衛(wèi)星有351個波束，小型便攜終端可支持444kbps接收和202kbps發(fā)送，手持式終端最高上行可達60 kbps、下行15 kbps。

圖5　典型的衛(wèi)星通信移動終端

2013年，Global Xpress(GX)（Inmarsat 5）首星發(fā)射，目前已有3顆在軌。衛(wèi)星采用Ka頻段，透明轉發(fā)，有89個固定波束和6個高容量可控點波束，采用靈活的功率帶寬分配，前向速率最50Mbps、返向最高5Mbps，3個衛(wèi)星覆蓋全球（見圖5）。應用裝備提供0.6至2.4米站型，有固定、車載、機載和便攜等形式。其中，為民用航空提供的機載通信能力將是Ku頻段機載衛(wèi)星通信能力的兩倍。

圖5　Inmarsat5覆蓋示意圖

2.高容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)

當前寬帶通信衛(wèi)星的主要是高吞吐量衛(wèi)星（HTS High-Throughout Satellite）或高容量衛(wèi)星（HCS High-Capacity Satellite），單星容量是一般衛(wèi)星的數十倍。目前已經有多個HTS衛(wèi)星發(fā)射入軌或正在研制，主要使用Ku頻段和Ka頻段，這類衛(wèi)星通過多波束的頻率復用方式，擴展指派給衛(wèi)星的可用頻譜資源，提高衛(wèi)星的EIRP和G/T性能，滿足小口徑終端發(fā)送和接收高速業(yè)務的需求，有星載處理和透明轉發(fā)兩種使用方式。

寬帶衛(wèi)星通信到今天已經發(fā)展了三代：第一代系統(tǒng)上世紀80年代提出的VSAT系統(tǒng)，只能夠為用戶提供2048kbps為主的業(yè)務傳輸，衛(wèi)星采用大波束覆蓋，轉發(fā)器為多用戶共享方式，主要為公司分散的用戶提供組網服務，終端售價5000-10000美元；第二代系統(tǒng)出現于2005至2007年的互聯(lián)網發(fā)展階段，能夠為用戶提供256kbps-3Mbps的業(yè)務傳輸，用于互聯(lián)網業(yè)務的延伸，并出現了專用的寬帶衛(wèi)星，如IPstar、Spaceway等，衛(wèi)星具有多點波束高增益天線，采用頻率復用技術，基于IP的專用的應用系統(tǒng)能夠為用戶提供較好的QoS，終端售價在500美元左右；第三代系統(tǒng)就是2010年后出現的新一代寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶的傳輸通過量大于10Mbps，可滿足新一代互聯(lián)網的視頻應用需求，衛(wèi)星容量達到100Gbps以上，比第二代系統(tǒng)衛(wèi)星提高十倍以上，每個衛(wèi)星支持上百萬用戶，具有50Mbps至500Mbps能力的終端售價在500美元以下，已經有Ka-Sat和ViaSat等衛(wèi)星在軌工作，每Mbps的使用費用進一步下降。

（二）在中低軌星座衛(wèi)星通信方面

相對同步軌道衛(wèi)星，中低軌衛(wèi)星具有電波傳播損耗小、傳輸時延低的優(yōu)勢，但衛(wèi)星相對地面移動，需要多個衛(wèi)星對服務區(qū)域形成穩(wěn)定覆蓋。目前，已經投入使用或將要投入使用的低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)有銥星、全球星、O3b等系統(tǒng)，其中銥星、全球星系統(tǒng)分別有66 和48顆衛(wèi)星，全球覆蓋，使用的L頻段用戶鏈路，提供面向個人用戶的話音、數據服務，其中銥星公司的機器至機器（M2M）數據服務正在不斷增長，2017年將部署完新一代銥星（Iridium NEXT），通信速率將由128kbps提高到1Mbps。

O3b系統(tǒng)當前正在建設的寬帶星座網絡，采用Ka頻段用戶鏈路，12顆衛(wèi)星位于赤道上空8062km，每個衛(wèi)星12個可移動波束，其中2個用于信關站、10個用于用戶服務，可對南北緯45度以內地球表面進行覆蓋，每個波束直徑700Km，有兩個216MHz轉發(fā)器，通過雙極化復用和空間隔離頻率復用，每個轉發(fā)器最高可提供1.6Gbps（800Mbps x 2）。通過建設地面接入站點方式，為移動運營商和互聯(lián)網服務商提供話音和數據服務，地面站采用兩副自動跟蹤的Ka頻段天線，前向廣播采用BVB-S2、ACM，載波速率最高45Msps；返向接入體制采用MF-TDMA DVB-RCS、DVB-S2 ACM連續(xù)載波（SCPC）方式，最高速率最高分別為4.4Mbps和24Mbps。首批四顆衛(wèi)星2013年6月發(fā)射，第二批4顆衛(wèi)星2014年7月發(fā)射。

圖6　O3b星座組成圖

（三）衛(wèi)星互聯(lián)網成為推動的衛(wèi)星通信發(fā)展引擎

近年來，隨著通信衛(wèi)星技術的發(fā)展，特別是大容量通信衛(wèi)星的發(fā)展，用戶使用衛(wèi)星的費用呈逐年下降的態(tài)勢，用戶數量不斷增加，具備了與地面通信方式競爭能力，寬帶接入需求不斷增加，有力地推動了衛(wèi)星通信產業(yè)的發(fā)展。從銥星公司和GlobalStar公司披露的數據來看，公司的用戶人均費用逐年走低。GlobalStar公司用戶的人均費用從2006年至今下降了60％以上。北美咨詢機構NSR預測，全球衛(wèi)星互聯(lián)網的總供應容量將從2011年200Gbit/s增長到2021年的1.6Tbit/s，這尚不包括O3b衛(wèi)星星座的容量；全球寬帶用戶將從2011年的350萬增加到2021年的910萬，其中互聯(lián)網寬帶接入用戶達到810萬，全球寬帶衛(wèi)星通信的服務和終端設備收入將會翻番，預計有63.5億美元的增長。

三、衛(wèi)星通信如何與移動互聯(lián)結合

由于地面網絡覆蓋受限，為衛(wèi)星通信在移動互聯(lián)網領域提供了發(fā)展空間。但傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信采用的C、Ku頻段固定衛(wèi)星通信體制，主要是面向固定或機動用戶應用，無法保障面向個人的移動互聯(lián)網應用。雖然近年來面向個人用戶的各類移動衛(wèi)星通信網投入使用，但受限于手持設備能力，只能夠支持電話和低速數據應用，與當前主流應用的高帶寬移動互聯(lián)網需求存在相當差距，如何利用衛(wèi)星通信解決地面公用通信網難以覆蓋地區(qū)的移動互聯(lián)網應用成為一個難題。通過對前面衛(wèi)星通信發(fā)展情況分析，可以看出衛(wèi)星通信與移動互聯(lián)網結合的途徑主要有以下途徑：

（一）間接服務方式

為充分發(fā)揮衛(wèi)星通信覆蓋地域廣、寬帶傳輸的優(yōu)勢，在與移動互聯(lián)網結合中采用熱點接入方式，間接為用戶提供移動互聯(lián)網服務。目前，O3b、INMARSAT 5及使用Ku、Ka頻段HTS衛(wèi)星的系統(tǒng)地球站都具有很高的雙向通信速率，可支持數十Mbps的用戶接入。主要有以下三個途徑

一是利用我國現有衛(wèi)星方式。目前，我國通信衛(wèi)星主要采用Ku頻段、國土廣域覆蓋為主，EIRP及G/ T較差，為提供寬帶IP接入服務，建設采用基于DVBRCS或其他體制的VSAT系統(tǒng)，為移動運營商在其無法覆蓋地域提供基站延伸，為移動互聯(lián)網用戶提供3G 或4G無線方式接入基站，再通過衛(wèi)星線路接入移動網絡；對覆蓋保障地域較小應用，設置WiFi接入點，通過衛(wèi)星接入互聯(lián)網，如目前鐵路、民航可以使用基于Ku頻段通信衛(wèi)星，設置車載、機載WiFi，實現地空互聯(lián)網通信，如圖7、圖8所示。

二是利用國外現有衛(wèi)星方式。由于我國現有通信衛(wèi)星能力受限，無法滿足移動互聯(lián)網較高傳輸能力應用需求，可采用INMARSAT 5等衛(wèi)星開展移動互聯(lián)網接入服務。其中，我國民航部門正在計劃利用INMARSAT 5系統(tǒng)在民航飛機開展面向乘客的機載互聯(lián)網服務，通過在飛機站安裝衛(wèi)星終端。據報道，2014年霍尼韋爾航空航天集團與國航簽署了一份諒解備忘錄，將在國航的空客A330飛機上測試GX Aviation空中網絡連接方案，國航將成為首家與霍尼韋爾及國際海事衛(wèi)星合作測試GX Ka波段連接方案的航空公司。

圖7　列車衛(wèi)星通信

圖8　機載衛(wèi)星通信

三是建設我國的HTS衛(wèi)星。隨著地面公用通信網的發(fā)展，我國衛(wèi)星通信保障的重點正在向應急通信、海上通信和通信基礎設施薄弱邊遠地區(qū)的通信轉移，為應對互聯(lián)網高速業(yè)務需求不斷增加，急需發(fā)展我國的HTS通信衛(wèi)星。在我國HTS衛(wèi)星設計要考慮重點覆蓋我國人口稀少地域，按照我國降雨分布及人口分布，結合地面公用移動通信網發(fā)展，合理設計波束覆蓋地域；同時，同步設計應用系統(tǒng)技術體制，研制不同形式的衛(wèi)星通信終端。在HTS衛(wèi)星終端研制中，必須引入與傳統(tǒng)VSAT不同的技術，以適合HTS特有的特點，主要是：每個波束超過100MHz的帶寬，考慮信關站能夠支持10至20個波束和Gbps的容量、用戶終端有更高的吞吐量、能夠克服雨衰等技術，其中成熟波形以DVB為基礎進行擴展，以適應點波束中更大的帶寬。

（二）直接服務方式

針對直接面向用戶的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，開展互聯(lián)網應用是當前世界各移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)重點開展的工作，如GLOBALSTAR系統(tǒng)的WIFI熱點、THURAYA系統(tǒng)的蘋果皮、Orbcomm數傳模塊（見圖8）等。當前，我國正在建設S頻段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，雖然手持用戶只能提供9.6kbps窄帶業(yè)務，具備了支持移動互聯(lián)的能力，建議相關研制單位在終端設計中，參考國外同類產品特點，充分考慮移動互聯(lián)網需求。同時，應進一步發(fā)揮衛(wèi)星通信廣域覆蓋優(yōu)勢，拓展衛(wèi)星通信在物聯(lián)網、M2M等新興領域的應用，如油氣田作業(yè)、輸油輸氣管線、物流、農業(yè)、醫(yī)療保健、公用事業(yè)等產業(yè)。另外，為增大衛(wèi)星覆蓋范圍、減少電波傳播時延、提高用戶終端業(yè)務能力，借助移動互聯(lián)網發(fā)展勢頭，建設覆蓋全球的星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)是十分必要的，為用戶提供高質量的移動互聯(lián)網服務。

另外，使用Ku、Ka頻段通信衛(wèi)星、直接面向用戶的VSAT系統(tǒng)也是保障車輛、游船等小型平臺移動互聯(lián)網應用手段，相對L、S頻段移動衛(wèi)星通信，能夠提供更高的傳輸帶寬。目前，我國建設了大量的“動中通”車載站，具備了移動互聯(lián)網應用條件，隨著業(yè)務模式由傳統(tǒng)的提供遠程傳輸線路向互聯(lián)網轉變，通過對用戶站和接入點改造能夠方便支持互聯(lián)網業(yè)務。同時，積極跟蹤當前VSAT技術發(fā)展，研制新一代的VSAT系統(tǒng)，通過對當前國外新一代VSAT分析，主要特點有：一是充分考慮互聯(lián)網應用需求和系統(tǒng)的靈活性、可擴展性及運行效率，能夠為用戶提供高速寬帶IP接入；二是針對新型的HTS衛(wèi)星轉發(fā)器特點，參考DVB-S2X標準，通過對現有DVB-S2進行改進，擴展最高傳輸符合速率，優(yōu)化調制編碼模式，適應比傳統(tǒng)的36/54MHZ轉發(fā)器更寬的轉發(fā)器；三是在傳統(tǒng)的SCPC和MF-TDMA多址方式基礎上，充分保留SCPC方式鏈路高效和MF-TDMA組網靈活的優(yōu)點，為適應IP變化較大和視頻穩(wěn)定不同的業(yè)務特點，擴展多址方式，通過使用網管控制、優(yōu)先級設置及突發(fā)SCPC方式，調制解調器在MF-TDMA和DVB-S2 SCPC之間可動態(tài)變化，到達最佳的衛(wèi)星資源利用率，并支持多種應用方式。

圖8　移動衛(wèi)星通信支持移動互聯(lián)網應用

四、結束語

在移動互聯(lián)網時代，連接和接入成為人們工作和生活的必要前提，用戶具有了空前選擇權，地面光纖基礎設施能力不斷提高，移動4G正在建設的同時5G也成為網絡制造商、運營商及研究部門關注的熱點，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信生存空間正在面臨著地面通信網絡極大的挑戰(zhàn)。因此，衛(wèi)星通信從業(yè)人員必須要調整思維模式，在互聯(lián)網領域尋找需求、發(fā)現需求、創(chuàng)造需求，與互聯(lián)網深度融合，才能夠發(fā)掘出衛(wèi)星通信的活力。

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