海事五代衛星通信系統關鍵技術分析

張華沖，韓 星，謝華軍，楊 松

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32053部隊，廣東 廣州 510010)

0 引言

國際海事衛星組織(International Maritime Satellite Organization，Inmarsat)，成立于1979年，1994年12月更名為國際移動衛星通信公司，英文簡稱Inmarsat保持不變[1]。經過近40年穩定發展，Inmarsat所屬的衛星通信系統已經發展到了第五代，提供安全救險和商用寬帶衛星通信服務，全面為海、陸、空等移動用戶提供語音和數據服務。Inmarsat是世界最早的地球同步軌道(Geo synchronous Earth Orbit，GEO)衛星移動通信系統，也是世界最大的衛星移動通信系統，在用衛星終端超過30多萬臺，覆蓋全球約85%土地(除南、北兩極)和世界上大約98%人口，占據了全球衛星移動通信市場48%的份額。

海事五代衛星通信系統(Global Xpress，GX)是Inmarsat最新一代衛星移動通信系統，提供無縫的全球覆蓋和移動寬帶服務，其用戶覆蓋政府、海事、企業、能源和航空等領域[2]。

目前，針對海事五代衛星系統的研究多集中在應用方面，對其采用的關鍵技術的分析較少。文獻[1-2]介紹了海事、邊遠地區開發方面的應用。文獻[3-4]介紹了遇險救護、航空、電視廣播方面的應用。文獻[5]介紹了海事五代衛星的網絡架構。

本文針對海事五代衛星采用的關鍵技術展開深入討論，分析了其抵抗雨衰冗余配置方案、提高通信容量和傳輸可靠性的原理及成功經驗。總結海事五代衛星的技術特點，有助于推動我國衛星移動通信、應急通信事業的發展。

1 海事五代衛星通信系統網絡架構

海事五代衛星通信系統采用全IP網絡架構，整個系統由空間段、地面段和用戶段組成。網絡架構如圖1所示。

圖1 海事五代衛星通信系統網絡架構

1.1 空間段

空間段包括3顆Inmarsat 5主衛星和1顆備份衛星，位于赤道上空的地球同步軌道，可對全球南北緯78°之間的區域實現全面覆蓋。衛星載荷采用透明轉發方式，通過全球波束和點波束與地面段和用戶段設備進行通信。衛星的軌位、覆蓋區域及發射時間如表1所示。

表1 海事五代衛星軌位、覆蓋區域及發射時間

衛星軌位覆蓋區域發射時間Inmarsat-5F162.6°E歐洲、中東、非洲和亞洲2013-12-08Inmarsat-5F255°W美洲及大西洋地區2015-02-01Inmarsat-5F3179.6°E太平洋、亞洲、美洲西部2015-08-28Inmarsat-5F4(備份星)117.5°E中國及一帶一路沿線2017-05-16

1.2 地面段

地面段包括衛星關口站(Satellite Access Station，SAS)、網絡運行中心(NOC)、數據通信網絡(DCN)和網關等，負責完成前向信號和反向信號的收發與控制、信道資源分配、QoS控制、IPv4/IPv6協議實現、動態路由控制、波束切換、加密控制、衛星控制及與其他網絡(如PSTN)的接口等。地面段共有6個SAS，每顆衛星與一主一備2個SAS通信。不同的衛星關口站通過地面光纖網相連。

1.3 用戶段

用戶段包括用戶終端設備和USIM卡，用戶終端通過空中接口與海事五代衛星進行通信。

Inmarsat GX終端涵蓋海、陸、空領域，所有終端廠商需經過Inmarsat嚴格認證。終端天線尺寸范圍為45～240 cm，根據安裝方式分為固定式和便攜式；根據支持頻段分為僅Ka頻段、混合Ka/L頻段、Ku/Ka頻段等。

GX終端的生產廠商有：COBHAM，Intellian，SKYWARE Technologies等。

COBHAM的GX終端集成了iDirect公司的modem模塊，內置GPS模塊，配置WLAN口與衛星網絡通信，配置LAN(或WLAN)口連接用戶終端設備。以該公司的典型便攜式產品EXPLORER 5075GX[6]為例介紹其主要參數：

① 天線口徑：0.75 m；

② 接收G/T值：17.3 dB/K；

③ 發射EIRP值：51.5 dBW；

④ 一鍵尋星：支持；

⑤ 支持業務類型：語音(VoIP)、數據、傳真和直播等；

⑥ 尺寸(長/寬/高)：57.1 cm×53.6 cm×28.9 cm；

⑦ 重量：20.2 kg。

1.4 空中接口參數

海事五代衛星空中接口的主要參數如下：

① 衛星星座：4顆GEO衛星；

② 波束配置：1全球波束+89個固定點波束+6個可調整點波束[3]；

③ 頻段：用戶上行鏈路：29.0～30.0 GHz，RHCP極化；下行19.2 ～20.2 GHz，LHCP極化；

④ EIRP(固定點波束)：51 dBW(40 MHz)；

⑤ 信號體制：前向DVB-S2 ACM；

反向MF-TDMA；

⑥ 數據吞吐率：下行50 Mbps/上行5 Mbps(固定點波束)。

2 關鍵技術分析

2.1 關口站冗余配置降低了雨衰影響

海事五代衛星采用Ka頻段。Ka頻段雖然頻譜可用率高，但是雨衰對該頻段衛星通信影響很大。有數據表明，在大于0.1%的時間內對于30 GHz的上行頻率雨衰可超過40 dB，而20 GHz的下行頻率雨衰也將超過20 dB。降雨除了直接使信號的功率下降以外，還會產生極化損失、增大地面站天線的噪聲、溫度等，這些因素都會使得Ka頻段衛星通信可靠性降低。

在海事五代衛星饋電鏈路中，采用位置分集技術抵抗雨衰影響。在每顆衛星覆蓋區域布設2個關口站，其中位于希臘的Nemea關口站和意大利的Fucino關口站將負責印度洋衛星的業務接續，位于美國的Lino Lakes和加拿大的Winnipeg將負責大西洋衛星的業務接續，位于新西蘭的Warkworth和Auckland負責太平洋衛星的業務接續。每對關口站地理上相距幾百km。一般的，對于較大降雨，當2個接收站點距離超過20 km時，即可認為接收信號是不相關的。

每個洋區的2個關口站通過網絡匯接中心(MMP)連接到海事衛星全球網絡，互為備份，能夠自動切換。保證衛星通信與衛星控制不中斷。關口站配置示意如圖2所示。

圖2 關口站配置示意

每對關口站配置一個MMP，全球范圍內的3個MMP分別部署在紐約、悉尼和阿姆斯特丹，通過多協議標簽交換網絡(MPLS)互聯。關口站與MMP之間通過專用光纖連接，支持帶寬可達2～10 Gbps。MPLS是基于標記(Label)機制的分組交換機制，是用于IP骨干網絡的交換標準。

2.2 雙衛星星座架構進一步提高了傳輸可靠性

海事四代衛星系統基于L波段，L頻段傳輸鏈路受雨雪、溫度等天氣等影響極小，是衛星通信的黃金頻段。為了進一步降低雨衰對海事五代用戶通信的影響，提高通信可靠性，Inmarsat對海事五代與四代系統進行了混合組網。在受到雨雪天氣影響的情況下，通信業務將切換至四代星系統承載，待雨雪停止，五代星系統信號恢復后，業務將再切換至五代星系統承載[9]。Ka與L頻段混合組網架構如圖3所示。

圖3 Ka與L頻段混合組網架構

在用戶側，負責進行業務切換的設備是網絡切換控制器(Network Service Device，NSD)，不同業務數據通過NSD分別輸出給用戶設備(包括話機、計算機等)；在網絡側，海事四代和海事五代系統的業務數據分別通過各自的關口站SAS接入到MMP，在MMP中進行網絡切換與數據交換。

目前，Inmarsat推出的FX服務即是這種混合組網在海事方面的成功案例。未來Inmarsat的五代星系統業務將與四代星系統業務并網運營10年以上，這2代衛星通信系統各自明確定位及相互補充，不但提高了通信可靠性，也給行業用戶帶來更多的業務選擇。

2.3 點波束與頻率復用技術保證了高帶寬

海事五代衛星配置了3種類型的波束。

全球波束(Global Beam)：該波束具有很低的EIRP值和G/T值，使用GSC-outbound(GSC-OB)信號，承載全球服務信道(GSC)，信道上承載廣播信息，為終端下發活動點波束、網絡和業務信道的載波配置參數等信息。

固定點波束(Global Service Beam)：每顆衛星提供89個固定點波束，其中72個為活動點波束[7]，單個點波束的3 dB主瓣寬度在2.02°左右，地面覆蓋區域的直徑約1 300 km。每個活動點波束可以配置1或2個信道，且可以動態調整。每個信道帶寬為40 MHz。

高容量點波束(High Capacity Payload Beam)：每顆衛星配置8個可調整的高容量點波束，其中2個點波束用于網關饋電鏈路，另外6個點波束可以用于商用頻段和軍用頻段[8-9]，為全球熱點地區提供額外的帶寬。高容量點波束主瓣寬度為1.2°，地面覆蓋直徑約為800 km，這種波束有100 MHz的可用雙向帶寬，每個波束可以承載1或者2個信道，具有信道動態分配能力。

固定點波束和高容量點波束用于承載用戶業務數據。固定點波束分配的下行頻段[10]為：19.7～20.2 GHz；上行頻段為：29.5～30 GHz。采用頻率復用技術，整顆衛星可用帶寬總計為：2×72×40 MHz=5.76 GHz。單個點波束的通信速率可達：下行50 Mbps/上行5 Mbps。高容量點波束用戶上行鏈路：29.0～29.5 GHz；用戶下行鏈路：19.2～19.7 GHz。

在災害救護、運動會等人口聚集地區，除了可以提供固定點波束的通信容量外，還可以調整高容量點波束指向，使其波束覆蓋這些熱點地區，提供額外的通信容量。固定點波束的廣域覆蓋性與高容量點波束的可調整能力，極大地滿足了全球范圍的各種通信需求[11]。

2.4 切換技術保證了移動服務性能

切換問題是衛星移動通信中的特殊問題，對航海、航空及車載終端等，由于衛星終端在不同波束間移動導致的鏈路切換對業務的影響要降到最小。GX終端支持波束切換與衛星切換。

每個GX終端配置了2個接收機，在同一衛星的波束之間能夠實現無縫切換。當GX終端由波束1移動到波束2時，由衛星網絡決定終端進行波束切換，網絡向終端發送一條指令，啟動第2個接收機，接收波束2的下行信號；終端的第2個接收機與波束2同步后，網絡就把通信業務無縫切換到波束2。

當終端由一顆衛星覆蓋區進入另一顆衛星覆蓋區時，就要進行衛星切換。由于終端天線需要重新指向新的衛星，不可避免地會發生業務中斷。GX終端通過接收廣播信息，獲取需要切換的目標衛星位置，因此終端可以快速跟蹤到目標衛星，業務中斷時間約為30 s。

2.5 自適應編碼調制技術

海事五代系統中前向鏈路采用DVB-S2 ACM技術，處于同一個點波束內的多個用戶數據以TDM方式復用在同一個載波中，依靠HDLC地址區分不同用戶的數據。網關站根據每個用戶所處地點的EIRP、終端天線口徑和終端回傳的信道參數等，自適應地調整前向鏈路的調制方式、編碼參數和符號速率。支持的調制方式有QPSK，8PSK，16APSK，32APSK；編碼方式采用BCH+LDPC級聯碼[12]，支持的編碼率為1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9。形成多種編碼調制參數組合，不同的參數組合具有不同的抗噪性能，能夠適應的信噪比范圍為-1.7～13.8 dB。關口站根據信道質量自適應地選擇最優的編碼調制組合，參數逐幀可變，保證每個用戶數據的可靠傳輸，并提供最優的傳輸速率。

典型的前向鏈路傳輸示意如圖4所示。對于信道條件惡劣的用戶，系統選擇低階調制、糾錯能力強的編碼參數，保證了傳輸可靠性；對于信道質量較好的用戶，系統選擇階數高的調制方式、編碼率高的參數，從而保證高的數據率，提高了傳輸效率。與固定調制編碼方式相比，海事五代衛星系統中采用自適應編碼調制技術一方面大大提高了信道利用率，另一方面增強了海事五代信號抗截獲、抗偵收能力。

圖4 前向鏈路傳輸示意

3 海事五代衛星通信系統的應用

海事五代衛星通信系統具有高頻段、高穩定性、全球覆蓋和動中通等特點，其應用主要包括以下幾個方面[13]：VoIP應用，提供話音通信服務；實時視頻音頻傳輸、視頻會議等；辦公應用，包括VPN接入、SAP和電子郵件；實時交互式服務；高速寬帶網絡接入；高速文件傳輸；遠程醫療；軍事應用[10]。

海事衛星波束覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區，可以為用戶提供高速、高容量和可靠、經濟的通信服務，在通信領域為“一帶一路”國家戰略鋪平了道路。

隨著我國海洋強國戰略的推進，各類航運船舶在通信帶寬、速率和業務類型等方面提出了越來越高的要求，海事五代衛星系統可以方便地在船上開展語音通信、移動聯網、遠程監控、視頻會議和遠程醫療等工作，為海洋漁業捕撈、海洋資源勘探、海洋權益保障和遠洋航運安全等方面提供了保障。

海事五代衛星通信系統的發展對我國提出的“一帶一路”、海洋戰略的發展起到了強力推進作用。

4 結束語

目前，在提供服務的衛星移動通信系統中，海事五代衛星代表了最高的技術水平，無論從帶寬、覆蓋范圍、用戶體驗，還是支持用戶數量等方面都是其他衛星移動通信系統無法相比的。

現階段，Inmarsat除了大力發展海事五代衛星通信業務以外，還制訂了海事六代衛星系統的規劃。Inmarsat已經與Airbus Defence and Space公司簽訂了海事六代衛星訂購合同[14]，合同額為6億美元，并開展了相關技術研究。海事六代衛星采用L/Ka雙頻段構建全新的通信網絡，并計劃于2020年發射衛星[15]。

我國的衛星移動通信系統尚處于起步階段，與國際先進水平還有較大差距。海事五代衛星系統的網絡架構，以及其中的點波束與頻率復用技術、雙星座系統網絡融合技術等代表著衛星移動通信的發展方向。跟蹤并借鑒這些技術，對促進我國的衛星移動通信事業的發展及天地一體化信息網絡[16]的建設具有重要意義。