衛星在海洋互聯網中的應用研究

張軍 周亮 張詩怡

摘要：地球表面70%是海洋，隨著人類征服海洋的腳步越來越快，人們在海洋上的活動越來越頻繁，例如軍事活動，石油勘探，遠洋捕魚，游輪航行等。為了方便在海洋上的作業，對海上通信提出了要求，衛星通信漸漸進入了人們的視野。本文以衛星在海洋互聯網的應用為主題，對主流的衛星系統進行了介紹，總結出該技術存在的機遇及所帶來的挑戰。

關鍵詞：衛星;海洋互聯網;無線網絡;海上通信

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0042-03

21世紀是海洋的世紀，實現“海洋信息化”有著深遠的意義，衛星是可以說是目前實現海洋互聯網絡的唯一方式。在海洋上，亦或是地曠人稀的區域，衛星是一種極具吸引力的通信方式，相比于陸地互聯網絡，衛星覆蓋面更廣，魯棒性好，同時也能實現廣播及多播，可謂優點多多。但衛星由于自身特性的限制，又有著無法忽略的缺點，例如價格昂貴，速度慢，維護難等，無法滿足大多數互聯網用戶的需求。本文將針對衛星的利弊進行詳細的分析，對其在海洋互聯網中的應用進行綜述，尋求優化的海洋互聯網解決方案。

1 海洋互聯網概述

廣袤的海洋下埋藏著難以想象的豐富寶藏，在陸地資源被消耗殆盡的今天，開發海洋資源由此顯得格外重要。不論是在海洋上進行運輸、作業、或是軍事巡航的船只，還是提供休閑娛樂的游輪都非常需要互聯網，因為互聯網不僅能為常年在海上的人提高生活質量，令他們與外界取得聯系，更能在關鍵時刻提供及時的救援等。因此，衛星在海洋互聯網上的應用是非常值得研究的一個課題。本文將對分別對衛星應用于海洋互聯網絡的利和弊進行詳細的分析，旨在更全面的了解海洋衛星，試圖找出優化海洋互聯網或取代海洋衛星的無線網絡。

2 衛星概述

衛星通信系統，具有獨特的全球覆蓋，連續的廣播能力，需求帶寬靈活性和對移動終端的支持[1]。這些特質讓他成為了一個理想的海洋互聯網接入服務提供者。一個衛星網絡內在就是一個廣播系統。衛星網絡能像寬帶接入網絡一般提供服務，高速骨干網絡連接異構性網絡，或是簡單的用戶與固定終端或移動終端之間的通信鏈接。然而，衛星網絡與現有的陸地英特網設施在合作上存在新的挑戰。

在多點光束天線技術，低雜音接收器以及星上處理技術的支持下，衛星與便攜設備通過使用S，L和最新的Ku和Ka帶取得直接聯系。同樣的，天空中的衛星還能夠配置有效荷載與衛星內部鏈接，這樣便允許衛星內部不同光束流量的交換以及不同衛星之間的路由轉發。

衛星網絡主要依賴于3個重要的部分：一個在對地同步軌道運行的衛星，一些地球站，也稱網關，通過無線電波（微波）在衛星之間傳遞英特網信號，和在用戶的家中或公司里一個有收發器的VSAT（非常小的光圈終端）蝶形天線。衛星的其他組成部分包括一個用戶終端的貓，能夠翻譯與電腦間來回的信號，和一個集中化的網絡控制中心來監控整個系統。衛星與一個寬帶網關共同工作，并且控制著一個星型網絡技術，這樣所以網絡連接都會從中心處理器經過。經過配置，可以連接到中心處理器的遠程VSAT數量事實上是沒有限制的。

衛星按照合適的軌道圍繞地球運行，基于緯度，我們可將衛星分為兩大類：對地同步軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）和非對地同步軌道（Non-GEO）[2]。

（1）GEO衛星位于地球赤道上35800km高的地方，因為距離很遠，所以有信號傳播延時以及信號衰減的問題[3]。典型的GEO衛星通訊使用高頻率，以弱化信號在傳輸路徑中的的衰減。因為這些原因，GEO更適用于固定設備的通信，這里的固定設備指的是使用大尺寸天線的陸地基站。

（2）非GEO衛星使用2種可能的軌道：近地軌道，在離地球500-2000km的高度，中軌道，在離地球8000-12000km的高度[4]。與GEO衛星相比，非GEO衛星離地球更近，因此傳輸信息時允許低得多的端到端時延，同時和更好的鏈路預算情況。但不幸的是，非GEO衛星系統需要幾個衛星（例如星群）以覆蓋一片區域或整個地球，所以需要頻繁的交互過程，從一個衛星天線光束到另一個天線光束，或從一個衛星到另一個衛星，甚至是一個陸地網關到另一個陸地網關。

3 各類衛星系統的比較

接下來，我們介紹一些目前正在運作的衛星系統，如基于近地軌道的Iridium系統和Globalstar系統，基于對地同步軌道的INMARSAT BGAN系統和Thuraya系統。在這些系統中，衛星天線具有多個點光束，這些點光束能夠放射到地球上的信元，因此對地球實現了類似蜂窩的覆蓋。

Irdium是當今衛星系統的祖先之一。提供的服務上，Irdium系統支持語音和低比特率的數據傳輸。Iridium衛星群是一個衛星的大集合，向全球的衛星電話、尋呼器、收發器提供聲音和數據服務。Iridium通信集團擁有并營運這個衛星群，負責出售衛星群的設備和進入服務的權限。Irdium是唯一一個可以覆蓋全球的衛星系統，包括了極地地區，航空與海洋區域。系統由66個活動的近地衛星組成，采用無線通信網絡，并可通過內部鏈接在衛星間傳輸數據。對于語音電話，端到端的路徑通過內部鏈接在空中建立;對于數據交換服務，系統可能會使用內部鏈接來傳輸流量到最近的Irdium的陸地網關。目前，有5個網關在服務中。Irdium為美國國防部門提供服務，同時，也密切監控地球的自然環境。

Globalstar是當今衛星系統的另一個祖先。Globalstar系統提供實時語音，數據傳輸和傳真服務。系統一能夠為在正負70緯度的地區提供通信服務（極地地區除外），二能為有陸地網關的區域提供服務。Globalstar由48個彎曲管道形狀的近地衛星組成，沒有內部鏈接。在衛星覆蓋下，一個新的呼叫可以尋址到網關。目前，全球有25個服務中的網關，每個網關的覆蓋半徑約為2000km。根據噪音等級，Globalstar的語音服務采用不同的比特編碼率，分別為2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s。傳輸文件速度最大則為9.6kbit/s。

在全球，Globalstar擁有超過31500的用戶（2008年6月統計），是全球最大的移動衛星語音和數據傳輸服務的提供商。Globalstar為全球120個以上的國家用戶提供商業或者娛樂服務。Globalstar的產品包括移動和固定衛星電話，單工以及雙工衛星調制解調器以及衛星通話時間包。

2007年末，Globalstar的子公司SPOT LLC推出了一個掌上型衛星短信服務于個人安全監測裝置，被稱為SPOT衛星短信。Globalstar的客戶種類包括：石油，政府，煤礦，林業，捕魚業，公共設施，軍事，交通，重大建筑工程，緊急預案，業務連續性以及娛樂用戶。

Thuraya由領先的國家電信運營商和國際投資公司在1997年建立，現由美國波音衛星系統公司管理、實現、安裝。Thuraya覆蓋超過110個國家，從歐洲，北非，中非，中東，中亞到印度次大陸。Thuraya支持的衛星通信服務包括：類似GSM的語音服務，傳真/數據傳輸服務，英特網連接服務（通過一個筆記本大小的終端設備），此外，還有一項新開發的基于IP的服務。Thuraya由2個對地同步衛星組成，分別為Thuraya-2和Thuraya-3（09年取代Thuraya-1衛星，以擴大對亞洲以及澳大利亞的覆蓋區域）。Thuraya采用雙工模式，既能夠進入陸地GSM又可進入不在服務區域的衛星系統，因此允許了客戶在廣闊區域不收干擾的漫游。速度方面，語音服務同Globalstar相同，采用不同的比特編碼率，分別為2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s，英特網連接速度為144kbit/s，基于IP的新服務速度則可以高大444kbit/s。1997年，Thuraya由領先國家電信運營商和國際投資公司在UAE建立42.使用2個對地同步衛星，Thuraya覆蓋超過110個國家，從歐洲，北非，中非，中東，中亞到印度次大陸。Thuraya-3最近替換了Thuraya-1衛星，擴大了亞洲（例如中國、日本）和澳大利亞的覆蓋區域。

國際海事衛星組織（International Maritime Satellite Organization， INMARSAT）建立于1979年，用于服務海洋社區，是利用美國通信衛星公司（COSMAT）的MARISAT衛星進行衛星通信的。INMARSAT控制著一個GEO衛星群，提供覆蓋整個世界（除了極地地區）的移動電話，傳真，數據通信服務。INMARSAT使用12個GEO衛星，4個INMARSAT-2，5個INMARSAT-3，和3個INMARSAT-4，在距離赤道上空約35700km的同步軌道上運行[5]。

船站、岸站、網絡協調站和衛星等部分組成了INMARSAT系統。船站是設在船上的地球站，因業務需求被分為4個類型，他們分別為A型站、B型站、M型站和C型站標準，其中B型站與M型站采用了數字技術，最終將會取代A型站與C型站。船站有2個技術難點，一是對信號的接收，二是自身的設計。由于船只在航行過程中式持續在運動的，SES天線在跟蹤衛星時，必須克服船身位移、偏航所產生的影響。同時，SES設備在體積上不宜過大，應做到盡量小巧，便于安裝，不會影響船只的正常航行。岸站是指設在海岸附近的地球站。沿岸行駛的船只可通過岸站進行與陸地的互聯網通信業務。它既是衛星系統與地面系統的接口，又是一個控制和續接中心，對從船舶或陸上來的呼叫進行分配并建立信道。

網絡協調站完成一個洋區內衛星通信必要的信道控制和分配工作，起著至關重要的作用，每個洋區至少一個。INMARSAT系統的組成如下，對地同步衛星光束分別發射到飛機、陸地車輛、移動終端、固定終端、岸站以及船站。

下面具體介紹由INMARSAT所支持的最具創新的系統（Broadband Global Area Network，BGAN）。 BGAN廣播全球區域網絡系統使用3個INMARSAT-4衛星（由EADS Atriump建造）給固定和移動用戶提供高速互聯網接入、話音、傳真、短信等通信服務。BGAN提供了85%的全球無縫隙網絡覆蓋，終端設備重量約1-2.5kg。

BGAN衛星是彎的管道：饋電鏈路使用C帶并有能夠覆蓋全球的廣播;然后，用戶連接（通過衛星給用戶的傳輸）在L帶并采用一個最高達256個光束的配置天線。傳統配置下，19個寬光束（大覆蓋），228細光束（專門覆蓋），和1個全球光束，只有細光束被使用在陸地移動通信中。這個系統允許3個等級的移動用戶終端通信，（信息比特率）在4.5kbit/s到492kbit/s左右。1等級終端可以達到最大492kbit的吞吐率（上行和下行），2等級下行可達到464kbit，上行可達到448kbit，此外，3等級下行可達到384kbit，上行可達到240kbit。

BGAN取代了WCDMA的3G系統典型空中接口，對空中接口的所有權（稱為INMARSAT空中接口-2，IAI2）進行不同的調整，3等級終端只能使用π/4-QPSK進行傳輸，在QPSK和15QAM下接收）。此外，細光束只使用16QAM調整策略。可使傳輸功率，帶寬，編碼率，和調成策略適應終端能力和通道情況，以取得更高的傳輸效率。

為了對現在正在運營的衛星系統有一個更全面更清晰的了解，以下從地球覆蓋率、最大速度、系統價格、支持應用方面進行了總結，見表1。

4 總結

本文先簡單地介紹了構建海洋互聯網的意義，衛星具有通信距離遠，全球覆蓋等特點，用其構建海洋互聯網是個非常好的選擇，詳細的介紹了主流的衛星系統，對各系統進行了分析比較。然而，衛星通信也有其缺點，如價格昂貴，速率低，要構建高速率低費用的海洋互聯網還需我們進一步研究。

參考文獻：

[1] 張軍，周亮，李卓卡.基于北斗定位技術的試卷運送管理系統[J].電腦知識與技術，2018，14（11）：98+101.

[2] 吳宏瑞.寬帶多媒體衛星網絡管理系統接入管理方案的研究與實現[D].遼寧工程技術大學，2008.

[3] 劉陽.衛星動態光網絡的時延及路由特性研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[4] Paolo Chini，Giovanni Giambene，Sastri Kota，呂京梅，王琦.衛星移動通信系統的發展現狀與比較分析[J].衛星與網絡，2012（05）：38-46.

[5] 梅海青.新一代多媒體移動衛星通信終端Inmarsat M4[J].通訊世界，2000（03）：73-75.

【通聯編輯：代影】