海事衛星五代星FX業務對KA和L波段的復用

杜靜波 柳曉月

針對商船、航空和特殊領域用戶對于衛星寬帶業務的需求，Inniarsat推出了海事衛星五代星業務。同時為了在海上業務領域實現全天候的無縫衛星通信，結合五代星Ka波段和四代星L波段的優勢，通過對終端的整合，推出海上FX業務。本文從波段特點以及終端復用技術方面系統介紹了FX業務的空間資源和終端使用的整體方案。

海事衛星業務的衛星網絡運營者國際移動衛星公司（以下簡稱Inmarsat）成立于1979年，總部位于倫敦。她的前身是國際海上衛星組織，由國際海事組織（IMO）創建，主要職責是為國際航線的商船提供衛星通信服務，以便于進行海上人命安全的監管和救援。海事衛星業務通過地球同步軌道衛星構建幾乎覆蓋地球表面的通信網絡，是全球唯一一個提供全球無縫衛星通信的衛星系統。隨著新的衛星業務的不斷推出，以及行業和多個領域對于衛星服務通信的需求的擴展，海事衛星的用戶逐漸從海上擴展到航空和陸地多個領域。到1998年，擁有該組織會籍的成員國達到89個。1999年，國際海上衛星組織進行了商業化改造，并在不同領域推進新的衛星業務。

海事衛星業務經過幾代衛星業務的升級改造，目前市場主要使用的海事衛星三代星、四代星業務的常見的終端類型有Inmarsat-C，fleet77、BGAN等，可以提供包交換數據、語音、傳真和數據等業務。海事衛星三代星和四代星業務終端主要工作于L波段。

隨著VSAT衛星業務的蓬勃發展，終端的小型化，便捷化，尤其是固定帶寬的包月數據使用模式越來越被市場接受和歡迎，海事衛星業務也面臨著前所未有的挑戰。尤其是隨著衛星寬帶多媒體業務需求的快速增長，令Ka波段成為全球寬帶多媒體雙向業務的首選頻段。為了應對其他衛星寬帶業務的挑戰，Inmarsat于2016年推出了基于Ka波段的第五代衛星業務，并發揮原有L波段的優勢，對五代星業務和四代星業務的終端進行整合復用，在海上推出四代星業務和五代星業務的一體化產品FX，以實現對全天候衛星通信服務的支持。

一、海事衛星L波段衛星業務及其終端

1、衛星L波段簡述

根據IEEE 621-2002標準，L波段是指頻率在1-2 GHz的無線電波波段，波長范圍在300.00-150.00mm之間。L波段可被用于數字廣播通信DAB、衛星導航系統等。海事衛星使用1525.0-1646.5MHz頻段。L波段的傳播損耗和雨衰都非常小，對衛星通信使用十分有利，尤其是在天氣狀態相對惡劣的海上優勢更加凸顯。但同時L波段衛星通信的頻率資源和軌位資源極為緊缺，存在資源有限、可用帶寬窄、傳輸容量小等缺陷，業務應用局限于常規的話音和低速數據，相對與目前大眾對于數據通信帶寬的需求而言，限制了用戶的使用空間。

2、海事衛星四代星業務

Inmarsat第一顆四代星衛星發射于2006年，3顆衛星覆蓋全球（兩極地區除外）。作為海事衛星第一代移動衛星寬帶系統，在系統設計上突破了以往基于電路交換的技術體制，實現了IP數據交換功能。衛星和船站間的上、下行線路則采用L波段，單個信道可提供492kbit/s的數據傳輸速率。Inmarsat四代星采用衛星點波束技術，每一顆衛星上有1個全球波束、19個寬點波束、228個窄點波束。Inmarsat在四代星衛星業務中創新性的實現了星體通信資源的整合調配技術，可滿足衛星轉發器資源對熱點區域臨日引周用，以支持地面終端使用數量劇增的通信需求，此項技術的推出，在汶川地震、海地地震、日本海嘯等事件中得到了良好的應用。這使得工作于L波段的第四代海事衛星業務成為目前使用最穩定的衛星通信系統。

3、海事衛星四代星終端

隨著海事衛星終端設備的更新換代，海上FleetBroadBand500系列終端成為目前市場上使用最廣泛的四代星終端。終端本身提供4kbps的電路語音交換，最高共享帶寬432kbps和最高專享帶寬256kbps的數據服務。由于FleetBroadBand500天線大，發射功率高，使用更穩定，因此成為FX業務L波段的首選配用終端。

二、海事衛星Ka波段衛星業務及其終端

1、衛星Ka波段簡述

根據IEEE標準，Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。波長在11.11mm-7.50mm之間，具有可用帶寬較寬、傳輸容量大、所受干擾少、終端設備體積小等特點，特別適用于高速衛星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸和VSAT等領域。Ka頻段高通衛星使用多色頻率復用的密集點波束，其EIRP可達60dBW或更高，可使用更小的天線和功放，實現更低的通信成本。但是由于Ka頻段的波長接近于雨滴直徑，容易受降雨衰耗影響，降雨衰耗最為嚴重，且對器件和工藝的設計要求也較高。

2、海事衛星五代星業務

Inmarsat于2013年發射第一顆五代星Ka衛星，其傳輸能力相較四代星有跨越式發展，帶寬和容量提升近百倍，速率提升數十倍，是全球第一個與4G接軌的移動衛星系統。五代星業務共有3顆衛星覆蓋全球，2017年Inmarsat已發射第四顆衛星作為備用和提供額外容量。單顆衛星有點波速89個，衛星載荷增加了6-8個可移動高容量點波束，滿足全球突發事件和熱點地區通信的需求。

3、海事衛星五代星終端

五代星終端采用集成化的室內單元，室內設備與室外天線僅通過一條同軸電纜連接，終端根據天線反射面口徑直徑分為60cm和100cm系列。可提供IP語音（需使用指定話機）和MIR最大可用帶寬以及CIR最小保證帶寬兩類數據業務。Inmarsat其他應用領域如航空和陸用終端的五代星設備可以單獨使用，但是海上的業務強制使用GX和FleetBroadBand終端捆綁的模式。

此時的FleetBroadBand設備與單獨使用時有所不同，要使用FX專用的SIM卡，而且只提供一路電路交換語音備份服務（未來可能會增加），也不支持保障帶寬的CIR服務。也就是說，FleetBroadBand設備作為GX終端的備份設備提供盡可能的備份通信，同時FB無論產生多少數據流量，都不再需要支付獨立的數據通信費用。

三、終端介紹及終端復用

五代星Ka波段終端和四代星L波段終端通過船端的網絡服務設備NSD/INSD進行連接，NSD/lNSD使用Direct核心模塊，目前主要有兩種類型，一種是思科2911路由器，一種是軟交換INSD。INSD是Inmarsat所開發的自有品牌的設備，五代星分銷商也可自行開發基于INSD內核的自有設備。

五代星Ka波段終端是FX的主用設備，在終端故障或者雨衰較大時，NSD設備會自動把通信切換到FleetBroadBand上。并且在船上網絡切換過程中，船上網絡的IP地址和路由都不會發生變化，船上的所有數據應用不受任何影響。

NSD設備位于船端的DVB機柜內，當衛星鏈路處于良好的環境條件時，終端可以工作在低電平和低調制的狀態，但是當存在雨衰時，通信的信號值就會降低，終端就需要增加發射功率來保持通信暢通。Direct上行鏈路控制器根據網絡響應時間，終端返回的發射頻率，輸出功率等數值進行四相相移鍵控信號OPSK（Quadrature PhaseShift Keying）計算，根據正交調幅OAM（Quadrature Amplitude Modulation）原理，進行信號損耗評估，從而確定選擇使用哪個終端。

Inmarsat海事衛星海上FX利用先進的信號調制和自動切換技術，對五代星Ka波段高寬帶數據業務與四代星L波段高可靠數據業務進行整合復用，為船舶提供了具有高頻率、高帶寬、高可靠性、高移動性的新一代衛星寬帶通信服務，為船上海圖的實時更新、視頻傳輸、其他大數據的交互和更多的船員應用提供了通信條件，也將促進船岸信息化的進一步發展。