海事四代衛星網絡架構及新業務分析

張華沖 吳永欣 楊賢 劉力軍

摘要：針對國際移動衛星通信公司的主流通信系統——海事四代衛星通信系統，介紹了網絡架構、衛星載荷的組成和技術特點。近年來，海事四代衛星出現了許多新業務類型，包括適用于流媒體的高速數據傳輸業務、應用于定位領域的星基增強系統、物聯網應用以及軍事應用，從信號參數、工作原理以及使用角度對新業務進行了剖析，總結了海事四代衛星業務種類及發展趨勢。

關鍵詞：衛星移動通信;衛星接入站;高速數據傳輸業務;星級增強系統

中圖分類號：TN911 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1739（2021）13-58-5

Analysis on Inmarsat-4 Satellite Network Architecture and New Business

ZHANG Huachong1， WU Yongxin1， YANG Xian1， LIU Lijun2

（1. The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China;

2. Hebei University of Economics and Business， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：The Inmarsat-4 satellite communication system plays a dominant role in Inmarsat. he network architecture， systemcomposition of satellite payload and technical characteristics of Inmarsat-4 system are introduced. In recent years， multiple newbusinesseses occur in Inmarsat-4， including high data-rate transmission service， satellite-based augmentation system for positioningdomain， Internet of Things and military application. The signal parameter， operating principle and usage of these businesses are analyzedparticularly. Finally， the businesslines and development trend of Inmarsat-4 satellite are summarized.

Keywords：mobile satellite communications; satellite access station; high data rate; satellite-based augmentation system

0 引言

海事四代衛星是國際移動衛星通信公司（Inmarsat）家族中提供主流業務的衛星系統，于 2009 年 2 月提供全球服務，為南、北緯 78° 之間的地區提供無縫隙的移動通信服務。Inmarsat 基于海事四代衛星平臺提供的以 BGAN、GSPS 為代表的通信系統，在政府、企業、新聞采訪、資源勘探及科考探險等領域獲得了廣泛應用。近年來，隨著用戶對寬帶數據需求的增加，以及衛星移動通信在物聯網和軍事應用的快速增長，海事四代衛星系統涌現出了許多新的業務類型及應用，如 HDR、L-TAC、星級增強應用等。

文獻[1-3]介紹了海事四代衛星通信系統的組成，在應用方面，側重于介紹傳統通信業務的應用情況，缺少對通信業務的工作原理進行深入分析，尤其缺少對近年來出現的新業務及應用的介紹。本文基于海事四代衛星的網絡架構總結了其技術特點，針對近年來出現的新業務及應用，結合衛星網絡架構深入剖析了工作原理。

1 海事四代衛星網絡架構

1.1 網絡架構

海事四代衛星通信系統將衛星通信與 UMTS 系統進行了融合，構建了衛星移動通信領域的 3G 體系架構[4]。海事四代衛星通信系統網絡架構如圖 1 所示。

海事四代衛星通信系統由衛星、衛星接入站（SAS）、衛星控制中心和用戶終端組成，衛星與移動用戶終端設備之間的鏈路采用 L 波段，衛星與關口站之間使用 C 波段。

1.2 衛星

衛星星座包括 3 顆地球同步軌道衛星，覆蓋了全球南、北緯 78° 之間的區域。衛星的軌位、覆蓋區域及發射時間 [5]如表 1 所示。

海事四代衛星星上載荷組成如圖 2 所示，主要包括前向C-L 鏈路、反向 L-C 鏈路，這 2 條鏈路完成通信信號的信道化、波束形成和透明轉發功能。星上配置了一副口徑為 9 m 的 L 頻段拋物面天線，包含了一個 120 單元的饋源陣列，形成各類型波束，用于用戶鏈路信號的收發。饋電鏈路采用 C 頻段，配置了 2 個喇叭天線，提供全球覆蓋，完成衛星與接入站的通信。衛星接入站發射的上行信號通過載荷中的 C-L 鏈路轉發到 L頻段的某一個波束;L 頻段天線接收不同點波束的用戶信號，通過 L-C 鏈路轉發到衛星接入站。另外還配置了 L-L 和 C-C的直通鏈路，實現單跳通信特殊需求。除去通信載荷，星上還配置了星級增強載荷（SBAS）。

1.3 衛星接入站

SAS 是衛星用戶終端與陸地網絡通信的關口，承擔著移動終端信道資源分配、終端管理與認證、無線鏈路的建立與釋放、電路交換和包交換等功能，同時提供陸地側網絡的接口。海事四代衛星接入站共有 4 座，其中位于荷蘭的布盧姆關口站負責歐非星的業務接續，位于美國夏威夷關口站負責亞太星和美洲星的業務接續，位于意大利的佛希羅關口站是備份站。位于中國北京的接入站與亞太星對接，負責該星覆蓋范圍內中國地區海事通信業務的接續工作。

布設于地面的海事衛星專用的數據通信網（DCN）是整個通信系統的神經網絡，它將各個 SAS 以及衛星控制中心連接在一起，形成一個完整的環形拓撲結構網絡[6]。

1.4 衛星控制中心

衛星控制中心位于倫敦，由業務支撐子系統（BSS）、網絡操作中心（NOC）和衛星控制子系統（SCC）組成。其中，BSS 完成業務費用核算、用戶激活、合法性檢查。NOC 與衛星接入站進行信息交換，負責整個網絡的運行控制，包括點波束的信道資源的動態配置、業務監視等。SCC 負責監視衛星平臺的運行情況，通過衛星測控站完成對衛星運行姿態的控制，保證每顆衛星正常運行。

1.5 用戶終端

用戶終端包括適用于各種平臺的通信終端，由衛星調制解調器和全球用戶身份識別模塊（USIM）組成，負責用戶側信號的收發，提供與外部數據終端設備（電腦、視頻設備等）的接口。用戶終端通過海事衛星網絡建立起數據終端設備與海事衛星用戶、陸地公共電話網和移動網絡用戶、其他通信系統用戶之間的通信橋梁，實現話音、寬帶數據傳輸及視頻傳輸等業務。

2 技術特點

（1）3 層波束覆蓋

在用戶鏈路，海事四代衛星采用 3 層波束覆蓋，包括 1 個全球波束、19 個區域波束和 228 個窄點波束。全球波束提供下行公共信道，承載系統配置信息，包括區域波束使用的頻率等參數。區域波束包括上行和下行公共信道，主要承載終端注冊、建鏈信令及部分低速業務。

窄點波束包括上行和下行信道，承載用戶業務數據。只有在用戶發起通信時，衛星系統才會激活信道并分配給用戶終端。每個窄點波束一般配置 6～8 個信道，最多 25 個信道。每個信道帶寬 200 kHz、支持最高 492 kbps 傳輸速率。衛星載荷配置的信道總數為 630 個，系統支持在不同點波束下信道動態調配，以適應通信業務量的變化[7]。海事四代衛星的波束配置和信道按需分配體制不僅提高了信道資源的利用率，同時也提高了系統的抗截獲抗干擾能力。

（2）頻率及極化復用技術

在用戶鏈路，采用頻率復用技術提高了區域波束和點波束的通信容量。區域波束采用三色頻率復用方案，窄點波束采用四色頻率復用方案。用戶鏈路總帶寬為 34 MHz，可以劃分成170 條 200 kHz 的信道。衛星載荷上的多波束天線保證了非相鄰點波束采用相同頻率進行通信不會造成相互干擾。228 個點波束共享 170 條信道，大大提高了用戶段的通信容量。

在饋電鏈路，使用極化復用技術在同一頻段傳輸左旋和右旋 2 種極化的信號，使傳輸容量翻倍。

（3）適應衛星信道傳輸的 IAI-2 空口協議

為了適應衛星信道高時延且時延變化范圍大的特點，Inmarsat 對 UMTS 協議棧的接入層做了修改，采用 IAI-2 協議替代了 WCDMA 空口協議，而非接入層協議繼續沿用。空中接口配置了多種載波類型，支持不同類型業務對傳輸速率的要求。采用 AMBE+2 語音編碼替代了 UMTS 中的 AMR 編碼，數據速率從 12.2 kbps 降低到了 4 kbps，在保證話音質量的同時，降低了信息速率，大大節省了頻譜資源。

（4）一種衛星 2 種網絡

在海事四代衛星 SAS 中配置有基于 3G 移動通信的核心網，能夠同時支持電路域交換（CS）和分組域交換（PS）[8]。同時在 SAS 中配置有基于 GSM 的核心網，提供 GSPS 窄帶業務。

BGAN 系統中的話音業務（4 kbps）、ISDN 數據傳輸和短消息采用電路域交換方式。其中，ISDN 支持 3.1 kbps 的麗音和64 kbps 的 UDI 接口;短消息支持衛星終端之間、衛星終端與地面移動終端之間收發，最大發送長度為 160 Byte[9]。GSPS 系統也采用電路域交換方式。

海事四代衛星的分組交換主要體現在 BGAN 系統中的標準 IP、流媒體 IP 業務以及其他應用中。

3 海事四代衛星新業務分析

3.1 寬帶接入及話音業務

2009 年，Inmarsat 基于海事四代衛星平臺推出了陸地寬帶業務 BGAN、海上寬帶業務 FBB、空中寬帶業務 SBB。3 種業務采用同一套衛星通信網絡，都能夠支持話音、寬帶接入等業務。3 種業務分別由陸用、船用、機載終端提供，不同類型終端的區別主要體現在天線設計和支持的速率等級上。

2010 年，Inmarsat 基于海事四代衛星平臺推出了 GSPS系統（手持機業務），采用 GMR-2+ 協議，提供服務包括語音、數據和傳真，速率為 2.4 kbps。另外還支持短信、緊急呼叫等業務[10]。

3.2 高速數據傳輸業務

2013 年 9 月，Inmarsat 基于 BGAN 系統推出了一項革命性的高速數據傳輸業務（High Data Rate，HDR），旨在滿足流媒體用戶對更高音視頻質量和更快數據速率傳輸的需求。該業務的顯著特點是高吞吐率、工作模式靈活多樣。

HDR 業務分為對稱和非對稱模式，每種模式又可配置為全信道和半信道方式。對稱模式適用于接收和發送雙向需要相同吞吐量的用戶，全信道模式下平均傳輸速率在 600～700 kbps之間，半信道模式提供速率在 300～350 kbps 之間。非對稱模式HDR 適用于發送數據量大而接收數據量小的用戶，全信道方式下終端發出的平均速率為 600～700 kbps，而終端接收的數據速率僅為 64 kbps;半信道方式下終端發出的平均速率為300～350 kbps，而終端接收的數據速率同樣為 64 kbps。用戶可以根據自己的需求選擇不同的傳輸模式，以降低通信費用。

HDR 業務是通過優化調制參數和信道占用方式實現的，具備表現在：

①采用高效調制方式：在 Inmarsat 早期規范中，前向鏈路采用 QPSK、16QAM，反向鏈路采用 16QAM、π /4QPSK 調制方式，符號速率有 8.4，33.6，67.2，151.2 四個等級。在 HDR 業務中，增加了支持 32/64QAM 調制方式的 FR80T2.5X32，FR80T5X32，FR80T2.5X64，FR80T5X64 等載波類型[11]，傳輸效率提高到 6 bit/symbol。采用了滾降系數為 0.13 的基帶傳輸波形（早期版本是 0.25），占用帶寬更窄，在 200 kHz 信道內可以承載 168 ksps 的符號速率。

②采用信道獨占方式：以對稱模式為例，系統分配信道資源，使用全信道方式中的 HDR 終端獨占 200 kHz 的雙向信道，使用半信道方式的 HDR 終端獨占 100 kHz 的雙向信道，保證了 HDR 終端的吞吐率。

目前支持的 HDR 業務的典型終端有：Cobham 公司的Explorer710 和休斯公司的 9211。

3.3 定位應用

3.3.1 基于海事衛星的星基導航增強系統

星基導航增強系統（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）是通過衛星搭載的衛星導航增強載荷，向用戶播發修正信息（包括星歷誤差、衛星鐘差和電離層延遲參數等），實現原有衛星導航系統定位精度的提升。

海事四代衛星上的導航增強載荷屬于美國的廣域增強系統（WAAS），其原理如圖 3 所示。分布在地球表面的監控站網絡對 GPS 衛星進行監測，獲得原始定位數據并送至主控站。主控站計算得到 GPS 衛星的定位修正信息，形成報文信息，并通過海事四代衛星接入站發給海事四代衛星，通過海事四代衛星上的導航增強載荷轉發到 L 頻段，經過專用的導航發射天線將報文廣播給廣大 GPS 用戶，從而達到提高定位精度的目的[12]。

目前的 SBAS 只用到了 L1 頻點，海事四代衛星導航載荷配置了 L1，L5 兩個頻點，滿足對未來 SBAS 系統能力擴展的需求。

3.3.2 無線定位尋蹤應用

無線定位尋蹤是指移動用戶（如車、船、飛機或個人）利用無線定位技術確定自己的位置，并將位置信息實時傳送至指揮調度中心，指揮中心跟蹤用戶位置，并對移動用戶下達指令、支援甚至搶救信息。在這種應用中，保證定位信息的實時、可靠傳輸是關鍵。基于地面移動通信系統傳輸位置信息，難以覆蓋海洋、沙漠、森林、山區等區域。利用海事四代衛星提供的Inmarsat-C 系統則可以有效地解決這一問題。基于 Inmarsat-C的無線定位尋蹤原理如圖 4 所示。

GPS 接收機完成定位功能后，把移動用戶的位置信息轉化為標準的數據格式，送到 Inmarsat-C 終端，經過海事衛星將位置信息送給 Inmarsat 接入站，接入站將數據經地面通信網（PSTN、Internet 等）送到調度指揮中心。基于 Inmarsat-C 系統的無線尋蹤廣泛應用于跨國商業運輸和遠洋船隊。

3.4 物聯網應用

IsatData Pro（IDP）是 Inmarsat 公司針對物聯網和機器對機器（M2M）領域對數據通信的需求，基于海事四代衛星平臺上推出的服務[13]。IDP 是一種基于事件驅動的數據采集與遠程控制系統，典型應用包括車輛跟蹤、艦船管理、遠程監視、遠程信息處理和檢測控制和數據采集。IDP 采用基于確認機制雙向消息傳輸機制，數據速率為 150 bps，為用戶提供了一種廉價、高可靠、覆蓋全球的通信系統。IDP 系統原理框圖如圖 5 所示。

IDP 終端完成衛星信號收發和對受控設備的監控，具有Inmarsat 分發的全網唯一的身份 ID。該終端支持標準的 IDP消息格式。衛星接入站采用海事四代衛星的接入站完成饋電鏈路信號的收發。消息網關負責授權終端的接入管理、消息格式變換等。用戶或開發者通過安全網頁 API 收發部署在遠方的大量終端的數據。

IDP 系統主要使用海事四代衛星的 19 個區域波束提供服務，同時引入了海事三代衛星提高特殊地區的覆蓋率。使用的物理信道包括 3 類：廣播信道（承載網絡配置參數）、前向信道（承載衛星到終端方向的控制信息）和反向信道（承載終端到衛星方向的回傳確認消息和業務內容）。廣播信道采用固定的頻率，便于終端初始接入，廣播信道還承載前向和反向信道的分配信息。目前，IDP 已經大量應用在了公路與鐵路貨運、艦船航運、工業設備狀態監視及工業自動控制等領域。

3.5 飛機駕駛艙業務

2018 年，Inmarsat 推出了應用于飛機駕駛艙服務的SwiftBroadband-Safety（SB-S）業務，運行于海事四代衛星，是運行于海事三代衛星的 Classic Aero 服務的全面升級。SB-S 基于高速 IP 寬帶連接，為飛機提供全球性的安全通信服務，設計宗旨是在航線的任何地方提供受保護的數據。支持連續的航班定位、跟蹤、航班數據流存儲（云端黑匣子）和實時電子飛行包應用程序。目前，全球 200 家航空公司，超過 90%的跨洋航班都在采用該服務。提供業務主要包括話音、傳真和低速率數據。

3.6 軍事應用

3.6.1 L-TAC

目前，UHF 頻段戰術衛星存在容量不足的問題。由于 UHF頻段終端天線的波束相當寬，頻率復用能力有限，因此單純靠增加新衛星并無顯著效果。Inmarsat 公司與 Spectra 公司合作，提出了 L-TAC 的解決方案，即對 UHF 頻段戰術電臺加裝變頻信道和 L 頻段天線，通過海事四代衛星實現超視距的通信。這種業務通過海事四代衛星載荷中的 L 頻段 -L 頻段的轉發鏈路實現單跳通信，為用戶提供與 UHF 頻段衛星通信相同的體驗。這種通信終端稱為“彈弓”[14]，目前已在美軍應用。

3.6.2 藍軍跟蹤系統

藍軍跟蹤系統（BFT）是借助于高軌、低軌衛星傳輸圖像、電子郵件以及友軍的位置等情報信息的系統。目前，BFT 終端可以接入海事四代衛星、銥星系統，該終端的特點是采用擴頻體制、短突發消息，支持廣播方式。最新的 BFT 終端數據傳輸速度可達 235 kbps，位置更新速度為 10 s[15-16]，支持車載、艦船環境。

4 結束語

海事四代衛星通信系統全面運行 10 年以來，提供的業務發生了巨大的變化，從基本的話音和低速數據應用發展到包含高速寬帶因特網接入、高速視頻流傳輸、位置服務、物聯網應用及信道租賃等在內的綜合性通信業務提供平臺。截至2019 年，以海事四代衛星為主的 Inmarsat 公司在衛星移動通信領域已占據了約 58%市場份額。目前，海事四代衛星通信業務量還處于穩定增長的階段。作為最成功的衛星移動通信系統之一，不斷滿足移動和固定用戶對寬帶、高可靠、動中通等各類通信業務的新需求，是保持旺盛生命力的根本原因。

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