什么是卫星蜂窝移动系统

什么是卫星蜂窝移动系统

这几年蜂窝电话发展很快。1988年，全球用户400万户，1995年达到1亿2千3百万户。估计到2001年将翻三倍。然而，卫星系统运营商估计，在世纪之交，还有40-60%的世界人口居住在蜂窝地面基站没有覆盖到的地方。与此同时，对传统通信服务的需求则持续增长，特别是在发展中国家。电话线密度(每百人占有的电话线数)发达国家与发展中国家之比约为30:1。估计全球约有30亿人口家中尚未装有电话。这给卫星电话系统提供了很大的市场。

到目前为止，共有约180颗商用同步卫星(GEO)绕地球转。在赤道上空35800公里处，它们提供了包括TV广播、转播、网络中继、海事以及地面移动通信以至于长途电话干线等各类业务。一颗GEO星可以覆盖地球的1／3面积。三颗等距分布的星就可以覆盖全球。当然南北极除外。然而这类卫星未能发射足够强大的功率，因而无法实现与地面上小型手持机的运行通信。低轨道卫星(LEO)距离地面近，单颗卫星射束覆盖的地面范围小，因而需要更多数量的卫星来实现全球覆盖。但是，LEO单颗星的个头小，重量轻，价格便宜，另外，它还减少了由于GEO卫星长距离传输导致的信号长时延产生的不愉快感觉。

低轨道卫星(LEO)典型的高度为500-1500公里，中轨道卫星(MEO)为5000-12000公里。对于轨道高低不同的卫星系统其设计目标是采用多联卫星实现全球覆盖，实现全球任何地方，使用手持移动终端进行通信。根据专家预测，目前已在计划或实施中的中低轨道移动卫星系统将只能满足全球市场的一半。

以铱星为例，LLC铱星公司预计，到2002年移动用户将达到4千2百万，其中10%，即4百20万为卫星业务，1千5百50万为卫星与地面蜂窝兼有的，2千2百30万则为城市之间的蜂窝用户。另一家公司GlobalstarLP期望到2002年能获得3百万客户，到2006年则能获得3千万客户中的9百至1千万。

全球卫星移动系统的投资是相当惊人的，一般在25亿到50亿美元之间。区域性系统接近10亿美元左右。移动电话通话费视不同国家而定。这取决于市场需求和价格政策战略。当然也取决于本地电话公司。政府政策也会影响话费的高低。在不同国家，启动卫星服务前，运营公司还必须取得当地有关部门的批准。这包括海关弃权声明，专用频率批准书，运营执照以及与本地电话网的接入批准。要克服这些局部壁垒都需要运营公司付出巨大的努力。表一中所列参与开发建设各系统的公司，其所属国家就像联合国会员国的名单。直接参与者不仅来自北美、欧洲，也来自中东、非洲、远东、南美、印度、中国和俄罗斯。全球系统以美国和英国为基地。区域性系统，服务于东南亚、中亚、中东、印度和东欧地区的，则各处崛起。

(表一)　全球系统所须的卫星数量视卫星高度而定。高度最低的系统是66颗外加6颗备份的铱星系统(LEO)。MEO系统须要10颗星，外加两颗备份(ICO系统)。大气牵引和范阿伦(Van Allen)辐射带产生的辐射限制了LEO卫星的轨道寿命。典型值为5-8年。这就是说，LEO卫星要比MEO卫星需要更经常的更换，而后者的寿命约为12年。当然，小卫星低轨道的发射费用要比大卫星高轨道的MEO星来得低。为区域服务的更重要的GEO星一般说来建造和发射费用最高，但其设计寿命则更长，约12-15年。大多数用户使用的将是一种双模式手持机，发射功率小于1／2瓦，采用全向天线。整个手持机看起来同蜂窝手机差不多。当有地面蜂窝服务器时，用户通过地面服务器呼叫或接听电话，而当不存在地面服务器时，则通过卫星进行通信。

世界上存在各种蜂窝电话标准，因此，卫星移动必须能适合一种以上的系统模式。这里包括日益普及的由欧洲开发的数字式系统(GSM)以及北美先进的移动电话模拟系统(AMPS)。手机制造商正在寻求一种巧妙的插卡。卫星用户只要将这种卡插入手机即可与当地标准适配。例如，ICO全球通信公司(以伦敦为基地的MEO系统开发商)和铱星系统(第一个LEO系统)都将装备外部数据端口和内部缓冲存储器。这将支持数据通信、寻呼、传真以及插卡。以目前为止，尚未有一种卫星系统的手机可以适用于另一种卫星系统。

二、关于时延

信号传输时延是一个尖锐的、有时则是有争议的问题。在讨论全球卫星蜂窝系统时，设计人员基于两种原因拒绝了GEO轨道。一个就是同步轨道上信号传输的长时延。设计人员认为用户将不能接受这种长时延。另一个原因是，在这一轨道上难以获得高的接续余量。所谓接续余量是指实际功率和接收机所要求的门限功率之差。人们愈深入地研究这一问题时，则愈加确信，采用低轨道卫星是最好的解决办法。

GEO链路的全程传输时延约250毫秒。相比之下铱星系统则短达10毫秒。当然还有其它时延也起作用。铱星系统一次典型的呼叫可能产生的时延约160毫秒。这里包含了语音压缩，处理和传输时间的总和。在铱星系统里，对在地球两端通话的用户来说，还可能附加另一项100毫秒的时延。

GEO卫星所承担的时延为260毫秒。但是由于它的覆盖面大，用户间可以直接链联。对于话音通信来说，总时延控制在最大400毫秒以内，一般认为是可以接受的。当然，MEO系统的传输时延比GEO短，往返的传输时间小于100毫秒。区域电话营运商并不看重GEO系统的信号时延。他们认为，用户愿意承受某些可以容忍的时延。主要市场调查表明，人们并不十分关注时延问题。

三、频率

地面与移动卫星间的上下行频率随系统而异，但都落在ITU(国际通信联盟)批准的为这一移动业务所规定的范围内。由电话上行至非GEO星的频率为1．610-1．6265GHz，而下行至电话的频率则为2．4835-2．500GHz。如果向某个普通的固定电话用户或移动用户发出呼叫，那么该呼叫将被转换到另一个频段，经由馈送线路从卫星发送到入口网络或地面站。

上行到卫星的馈联线路典型的频带是5．091-5．250GHz；而从卫星下行到入口的频带则为6.875-7.005GHz。呼叫将从入口网络经由公众电话交换网(PSTN)和公用地面移动网(PLMN)送到被叫用户。此外，铱星系统还设置有交联频带23．18-23．88GHz，用于卫星间的信号传送。

四、各系统简介

(1)铱星系统

各卫星系统尽管细节上各不相同，而目标则是一致的，即为用户提供类似蜂窝型的电话，实现城市或乡村的移动电话服务。首先使这一愿望成为现实的是铱星系统。到去年底为止，计划中的72颗LEO卫星已有46颗进入轨道。其余的卫星今年内将上天。今年秋季，系统将投入商业运营。铱星系统是一个由20家通信公司和工业公司组成的国际财团。官方名称为铱LLC。

铱系统的66颗星配置在均匀分布的六个近极轨道上(倾斜86．4度)，离地面780公里。66颗星提供了交叠式的全球覆盖，包括极区。在轨道上的其余六颗星供备用。轨道上的这些星构成太空蜂窝铁塔，实现了移动手机直接上星的通信。为用户提供了话音、数据、寻呼以及传真等业务。

卫星结构呈三角形，长边为4.5米，其余两边各为1米。这种结构适合于一箭多星发射。在一支俄制质子火箭上可同时发射七颗卫星：一支美制DeltaⅡ可同时发射五颗星；而中国制造的2C/SD火箭则可同时发射两颗铱星。随着发射任务不断增加，西方国家的移动通信卫星营运商以及其它通信卫星公司愈来愈多地利用中国和俄罗斯火箭进行发射。满载时铱星的重量约为690公斤。进入空间后，星上带有砷化镓太阳能电池的双翼展开，并由三轴动量飞轮控制系统来稳定其姿态。用砷化镓取代传统的硅电池是因为前者的效率更高，同等面积下产生功率多1/3。由三个相控阵天线组成的天线组指向地面，并通过铱星系统使用1．610-1．625GHz频段。每颗卫星可以同时处理多达1100个双工呼叫。

设在美国弗吉尼亚州Landsdowne的主控中心将承担卫星控制和网络管理工作。它的备份系统则设在意大利的罗马。设在夏威夷和加拿大的跟踪、遥测和指令中心同主控中心相联。它们在卫星发射和入轨时帮助调整卫星位置并监视卫星是否正常运行。到1997年底，铱星系统已被批准在29个国家运营，并已有60个以上的服务供应商注册入网。

(2)Globalstar(全球星)?

与铱星不同，Globalstar的设计者采用了简单的、低风险的、因而更便宜的卫星。星上既没有处理器，也没有星际互联链路。相反，所有这些功能，包括处理和交换，均在地面完成。这样便于维护和未来的升级。卫星的重量小，约450公斤，因而平均发射费用也更便宜些。

整个系统几乎覆盖了全球，一共48颗卫星，比铱星数量差不多少了1/3。全部卫星平均分布在八个圆形轨道上，高度1414公里。另有8颗卫星供备用。轨道与赤道成52度倾斜。各轨道间相距45度。倾斜的轨道覆盖了从北纬70度到南纬70度的所有范围，却不包括南北极地区。该系统用最少数量的卫星覆盖了地球上最多居民点。系统可望在今年内发射44颗星入轨。Globalstar的产权归五家通信服务供应商和七家通信设备以及航天系统制造商所有(见图1)。

Globalstar系统并非通过卫星将呼叫直接传递给被叫用户的。系统将卫星收到的呼叫通过馈给链路下行传送到入口网络。信号在入口网络被处理后，经由地面基础设施送出。但是，如果被叫用户也是该系统的一个用户，则呼叫将从该入口网或另一入口网上行到一个星上，再传送到目的地。

太空中的卫星数量少而且结构简单，意味着地面的入口网数量多。这一点同铱星系统比较是显而易见的。在系统建设的各个阶段，Globalstar将有38个入口网在全球建成，而在不远的将来还要增加40个入口网。

Globalstar已经获得100多个本地服务供应商的经营特许权，覆盖了全球88%以上的人口地区。到1997年底，它已获得19个国家的营业许可证，其中包括美国、俄罗斯、中国和巴西。

Globalstar星上有一对六边形相控阵天线。一个供上行接收，另一个供下行传输。天线朝向地球一面，在地面上形成独立的16个波束。为解决用户的频率限制，Globalstar尽可能多次地复用每个波束中的16MHz带宽，以增大卫星容量。Globalstar还采用了多路分集接收法以避免当信号被障碍物阻挡时出现通信中断。每个入口网站的三台或四台5?6-6米的天线可以同时跟踪视线内的数个卫星。交换系统则将同一呼叫送达至少两颗卫星上。然后，多通道接收机将这些信号接收，组合成一个单一的、相干的、更强的信号。Globalstar采用CDMA技术，而使系统独具竞争力。如果采用TDMA时，就无法将两颗星的信号组合起来，所以只能选取一个卫星的最佳信号。而当我们有3-4颗卫星时，我们可以把所有信号都组合在一起，并采用自适应功率控制把信号送到最强的链路上去。这种高效功率技术不仅提高了系统的容量，而且极大地改善了系统的待命性能，减少了通信中断现象。提高了服务质量。

(3)ICO(中轨道卫星)

由ICO伦敦全球通信公司选定的格局，用10颗卫星覆盖全球。这10颗星外加两颗备份星均匀分布在高度为10355公里的两个正交平面上。它们与赤道间的倾角分别为45度和135度。每颗星均与一地面网络链接。该地面网络称为ICO-Net，有12个卫星接入点。接入点构成地面站，带多座天线，交换设备和数据库，按战略要求分布在世界各地。同Globalstar的入口网一样，这些站点将呼叫从卫星传送到本地公众电话交换网或地面移动网。随着某颗卫星从视线上消逝，它们还控制呼叫从一颗卫星传递到另一颗卫星。

ICO系统支持TDMA的4500个同时电话呼叫。10颗卫星则可支持45000个呼叫，足够一千万户使用。呼叫经由卫星的163个波束传递到移动用户。链路的最小功率增益超过8db，平均增益则在10db以上。由于卫星高度高，信号受地面障碍物阻挡的机会少。另外，卫星在视线内运行的期间比LEO长，这就减少了呼叫从一颗卫星转移到另一颗卫星上的频次，从而减少了链路中断的机会。

ICO Global通信公司成立于1995年。它原本是80个国家海事卫星国际财团的旁系成员。在一代人的时间内，海事卫星集团曾经为航运业提供了移动卫星通信，而且最近也为地面移动用户服务。到去年底为止，集团的57家股东包含了世界顶尖级的20家通信公司。最大的股东是国际海事卫星公司，北京海事通信和导航公司，新加坡通信公司，希腊通信公司，印度VSNL和德国通信公司移动通信子公司。ICO产权人有一半来自发展中国家，其服务范围占全球蜂窝电话市场的25%左右。它们提供了总投资45亿美元中的20亿。

(4)Ellipso系统——后来者

拖延数年之后，去年夏天华盛顿特区移动通信控股公司(MCHI)从美国联邦通信委员会(FCC)获得了一份建造LEO移动卫星服务系统的合同。这个系统被称为Ellipso。技术上它是一个LEO系统，但却运行在MEO的高度上，以获得更高的仰角。它一共拥有17颗卫星，分布在三个轨道平面上，几近覆盖了全球。

系统共有三个轨道平面。在赤道上空8060公里的赤道平面上均匀分布着七颗星，覆盖了从南纬55度到北纬25度的地带。剩下的10颗星分别均匀定位在两个轨道上，各自倾斜116度。卫星在北半球的远地点为7846公里，而在南半球时的近地点为520公里。这样，对于需求量最大的地区，Ellipso的卫星看上去就显得非常高。椭圆形轨道在业务最繁忙的时段覆盖着人口最稠密的地区。

包括罗克希得马丁(Lockheed Martin)公司和哈里斯(Harris)公司在内的四个公司加盟Ellipso作为合同投资公司。至少还有其它三家包括澳大利亚和南非的服务供应商作为投资公司加入该计划。

三轴稳定卫星携带有一简单的弯管转发器，经由一对固定天线发射信号。天线在卫星覆盖的地面上产生61个波束。数字处理均在地面进行。每颗星具有同时接收3000个电话呼叫的容量。按计划，Ellipso要到2001年才开始全面投入运营。位居诸多竞争者之后，Ellipso的主管官员并没有失去信心。他们相信，铱星和Globalstar将会先期占领市场，但是，Ellipso 凭借它的高仰角所带来的极高的质量以及低的价格政策，将极具竞争力。

(5)亚洲GEO

GEO卫星作为区域性系统的后盾为广大地区提供手机电话业务也是很成功的。目前一共有六个这类区域性系统正处在不同的设计和实施阶段。其中只有两个系统值得在这里介绍。亚洲蜂窝卫星系统(Asia Cellular Satellite System)ACeS以印尼的雅加达为基地，覆盖了东南亚22个国家，包括日本、中国、印度和巴基斯坦。该系统由印尼、泰国和菲律宾的三家公司的国际财团开发(图2)。该系统的目标地区有30亿人口，其中大多数尚未建立通信联系。第一颗卫星Garuda-1原定由俄罗斯的质子火箭于今年九月份发射。ACeS将提供一系列服务。不仅有手机服务，还有其它移动和固定的终端服务。除话音、传真、数据和寻呼外，系统还提供一系列GSM蜂窝电话功能，诸如呼叫转移、呼叫等待以及会议电话等。ACeS卫星将定位于赤道上空东经118?加里曼丹(即婆罗洲)上空。

星上12米天线比以往商用GEO定点通信业务的任何一个都来得大。天线上可展开的反射面为远在40000公里以外的手持机通信提供足够的增益。这个距离已经到达卫星覆盖区的外沿了。独立而相同的两个抛物面反射器装在卫星两边的支架上，分别用于发射和接收。一旦卫星进入轨道，镀金的钼网反射面将缓慢打开。发射反射面和接收反射面分开设置有助于减少互调产物。

ACeS用户之间将直接经由Garuda-1进行通信。ACeS用户与地面公众网用户之间的通信则经由卫星下行至地面入口网来实现。ACeS在雅加达、马尼拉和曼谷均设有入口网。在印尼的巴登岛上则有一网络控制中心和一卫星监控站(见图2)。设计寿命为12年。

(6)西亚区域—Thuraya系统

另一个区域性卫星系统Thuraya为中东及周边地区提供移动通信服务。由昂宿星团(金牛座的七颗星)的阿拉伯语得名，Thuraya覆盖了58个国家的18亿人口，包括中东、北非、印度次大陆、中亚、土耳其和东欧。Thuraya系统的卫星将于2000年五月升空入轨，并计划于当年九月投入运营。Thuraya将定位于赤道上方东44度印度洋上空，索马里海岸以东。?整个项目由Thuraya卫星通信公司运营。公司总部设在阿联酋的首都阿布扎比。该公司是一个有14个股东的国际财团，包括各阿拉伯国家的邮电部门。其中一个股东是阿拉伯卫星公司，属阿拉伯国家联盟的一分子，设在沙特阿拉伯的里雅得。该公司早在80年代初就向该地区提供卫星通信服务。

Thuraya系统采用TDMA制式。整个区域由256个可成形的集射波束覆盖。卫星可望支持13750个话音通道。设计者认为，TDMA是经济上最合算，技术上在频宽和功率方面均属高效的方案；市场竞争并非技术上的，而是投放时间和费用上的竞争。

Thuraya认定四种人是它的潜在用户，包括全国性的和地区性的漫游者。一个用户从伊斯坦布尔驱车到土耳其的安卡拉。在这漫长的旅途上，他们希望在任何地点都能得到通信服务。另外一个目标用户是没有蜂窝电话或固定电话服务的地区。居住在这些边远地区的许多人没有被现有的蜂窝系统所覆盖。而开发一个地面蜂窝系统是费时而又费钱的。卫星移动系统在这些地方正好可以发挥作用。

Thuraya认识到，全球卫星移动系统和其它区域性系统都可能形成对它的挑战。诸多因素，如卫星费用、寿命、运作的复杂性以及后备资金等等都有影响。决定的因素则是收费价格。