第5章移动卫星通信系统

1第5章移动卫星通信系统5.15.2移动卫星通信系统的网络结构5.3国际移动卫星通信系统(INMARSAT)5.4静止轨道区域移动卫星通信系统5.55.6卫星导航定位系统习题2移动卫星通信(MSS)又称为卫星移动通信，是指利用卫星转接实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信。5.1移动卫星通信系统概述3移动卫星通信系统以VSAT和地面蜂窝移动通信为基础，结合空间卫星多波束技术、星载处理技术、计算机和微电子技术的综合运用，是更高级的智能化新型通信网，能将通信终端延伸到地球的每个角落，实现“世界漫游”，从而使电信业产生质的变化。因此，它可以看成是陆地移动通信系统的延伸和扩展。4从“移动”角度来看，MSS有三种情形：第一种为卫星不动(同步轨道卫星)，终端动；第二种为卫星动(非同步轨道卫星)，终端不动；第三种为卫星动(非同步轨道卫星)，终端也动。由于MSS充分发挥了卫星通信的优势和特点，它不仅可以向人口密集的城市和交通沿线提供移动通信，也可以向人口稀少的地区提供移动通信。尤其是对正在运动中的汽车、火车、飞机和轮船，以及个人进行通信更具有特殊意义。其业务范围包括单向和双向无线传信、话音、数据、定位等。5卫星移动通信系统发展过程第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术·1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米）·1982年，Inmarsat-A成为第1个海事卫星移动电话系统第二代卫星移动通信系统：数字传输技术·1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统·1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统支持公文包大小的终端·1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端第三代卫星移动通信系统：手持终端·1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统·2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）6卫星与地面移动通信系统的比较卫星移动通信系统地面移动通信系统易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长全球通用多标准，难以全球通用频率利用率低频率利用率高（蜂窝小区小）遮蔽效应使得通信链路恶化提供足够的链路余量以补偿信号衰落适合于低人口密度、有限业务量的农村环境适用于该人口密度、大业务量的城市环境7卫星移动通信系统网络结构卫星移动通信系统的基本网络结构PSTN/PLMN核心网手持终端移动终端网络控制中心NCC卫星控制中心SCC用户信息管理系统星际链路用户链路馈送链路信关站空间段地面段用户段8卫星移动通信系统网络结构续1ETSI(欧洲电信标准协会)建议的卫星个人通信网络结构PSTN非静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星非静止轨道卫星星际链路星际链路非静止轨道卫星非静止轨道卫星静止轨道卫星轨间链路轨间链路星际链路（a）非静止轨道卫星（b）（c）（d）非静止轨道卫星9卫星移动通信系统网络结构续2ETSI建议的卫星个人通信网络结构►结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时。全球星系统采用该结构方案为移动用户提供服务。10卫星移动通信系统网络结构续3ETSI建议的卫星个人通信网络结构►结构（b）同样没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输。该结构中，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时。11卫星移动通信系统网络结构续4ETSI建议的卫星个人通信网络结构►结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务。12卫星移动通信系统网络结构续5ETSI建议的卫星个人通信网络结构►结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混合星座结构。非静止轨道卫星使用星际链路进行互连，使用轨间链路（IOL：Inter-OrbitLinks）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。13卫星移动通信系统网络结构续6系统空间段►空间段提供网络用户与信关站之间的连接；►空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星座又涉及到一系列轨道参数和独立的卫星参数；►空间段轨道参数通常根据指定覆盖区规定的服务质量（QoS）要求，在系统设计的最初阶段便确定；►空间段的设计可采用多种方法，取决于轨道类型和星上有效载荷所采用的技术。14卫星移动通信系统网络结构续7系统地面段►通常包括：信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC）►用户信息管理系统（CIMS）是负责维护信关站配置数据，完成系统计费、生成用户账单并记录呼叫详情的数据库系统，与信关站、网络控制中心和卫星控制中心协同工作►可以将网络控制中心、卫星控制中心和用户信息管理系统合在一起称为控制段15卫星移动通信系统网络结构续8系统地面段——信关站►信关站通过本地交换提供系统卫星网络（空间段）到地面现有核心网络（如公用电话交换网PSTN和公用地面移动网络PLMN）的固定接入点►卫星移动通信系统与地面移动网络（如GSM和CDMA网络）的集成带来了一些附加的问题，必须在信关站中解决16卫星移动通信系统网络结构续9系统地面段——网络控制中心►又称为网络管理站（NMS），与用户信息管理系统CIMS相连，协同完成卫星资源的管理、网络管理和控制相关的逻辑功能，按照功能又可以划分为网络管理功能组和呼叫控制功能组。►网络管理功能组的主要任务包括：管理呼叫通信流的整体概况；系统资源管理和网络同步；运行和维护（OAM）功能；站内信令链路管理；拥塞控制；提供对用户终端试运行的支持►呼叫控制功能组的主要任务包括：公共信道信令功能；移动呼叫发起端的信关站选择；定义信关站的配置17卫星移动通信系统网络结构续10系统地面段——卫星控制中心►负责监视卫星星座的性能，控制卫星的轨道位置。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制中心来完成，按照功能又可以划分为卫星控制功能组和呼叫控制功能组►卫星控制功能组的主要任务包括：产生和分发星历；产生和传送对卫星有效载荷和公用舱的命令；接收和处理遥测信息；传输波束指向命令；产生和传送变轨操作命令；执行距离校正►呼叫控制功能组完成移动用户到移动用户呼叫的实时交换18卫星移动通信系统网络结构续11系统用户段►用户段由各种用户终端组成；►主要分为两个主要的类别：移动（Mobile）终端和便携（Portable）终端195.1.1移动卫星通信系统的分类移动卫星通信系统按用途可分为：海事移动卫星系统(MMSS)、航空移动卫星系统(AMSS)和陆地移动卫星系统(LMSS)。MMSS主要用于改善海上救援工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增强海上通信业务和无线定位能力；AMSS主要用于飞机和地面之间为机组人员和乘客提高话音和数据通信；LMSS则主要是利用卫星为陆地上行驶的车辆和行人提供移动通信服务。20移动卫星通信系统按卫星运行轨道(椭圆轨道、圆轨道)和高度(高、中、低)大致可以分为：大椭圆轨道(HEO)、同步静止轨道(GEO)、中轨道(MEO)和低轨道(LEO)等四种通信系统。21最早的GEO移动卫星系统，是利用美国通信卫星公司(COMSAT)的Marisat卫星进行卫星通信的，它是一个军用卫星通信系统。20世纪70年代中期为了增强海上船只的安全保障，国际电信联盟决定将L频段中的1535～1542.5MHz和1636.3～1644MHz分配给海事卫星通信业务，这样Marisat中的部分能力就提供给远洋船只使用了。5.2国际移动卫星通信系统(INMARSAT)225.2.2INMARSAT系统的构成1.提供海事移动卫星业务的INMARSAT系统提供海事移动卫星业务的INMARSAT系统主要由船站、岸站、网络协调站、卫星和网络控制中心等部分组成，如图5-1所示。其中卫星与船站之间的链路采用L频段，卫星与岸站之间是C或L双频段工作，传送话音信号时用C频段，L频段用于用户电报、数据和分配信道。23图5-1提供海事移动卫星业务的INMARSAT系统组成242.提供陆地移动卫星业务的INMARSAT系统INMARSAT标准A、B、C、D、D/D＋、M和mini-M系统都有可以提供陆地使用的移动地球站。25图5-2INMARSAT标准M系统的组成263.提供航空移动卫星业务的INMARSAT系统INMARSAT航空卫星通信系统主要提供飞机与地球站之间的地对空通信业务，该系统主要由卫星、航空地球站和机载站(AES)三部分组成。如图5-3所示。卫星与航空地球站之间采用C频段，卫星与机载站(AES)之间采用L频段。航空地球站是卫星与地面公众通信网的接口，它是陆地地球站的改装型。机载站是设在飞机上的移动地球站。INMARSAT航空卫星通信系统的信道分为P、R、T和C信道，P、R和T信道主要用于数据传输，C信道可传输话音、数据、传真等。27图5-3INMARSAT航空卫星通信系统28区域性移动卫星通信业务主要由静止轨道(GEO)移动通信卫星来承担。未来GEO移动通信卫星将采用12～16m口径天线，能生成200～300个点波束，使EIRP和G/T值大大提高，转发器采用矩阵功率放大器技术，广泛采用星上处理技术，从而实现手持式终端通信，话路达1600路左右。5.3静止轨道区域移动卫星通信系统29GEO区域移动卫星通信系统只需一颗卫星(最多再需一颗备份星)。因此，无论从建网周期、发射费用，还是从整个系统造价上都比中、低轨道全球移动卫星通信系统小得多。目前已经提供商用或拟议中的GEO区域移动卫星通信系统有MSAT、Mobilesat、PRODAT、(ACeS)和Thuraya等。305.3.1北美移动卫星通信系统——MSAT1.系统组成北美移动卫星通信系统(MSAT)是世界上第一个区域性移动卫星通信系统。1983年加拿大通信部(TMI)和美国移动卫星公司(AMSC)达成协议，联合开发北美地区的卫星业务，TMI和AMSC负责该系统实施和运营的两个卫星，TMI公司的为MSAT-1，AMSC公司的为MSAT-2。他们均采用美国休斯公司最先进的HS-601卫星平台和加拿大斯派尔公司的有效载荷，两星互为备份。MAST系统由卫星、关口站、基站、中心控制站以及移动站组成，如图5-6所示。31图5-6MSAT系统组成325.3.2亚洲蜂窝系统——ACeS1.概述GEO卫星蜂窝系统的目标通常有两个：为有限的区域提供服务和支持手持机通信。建立区域性移动卫星通信对于发展中国家具有特殊意义，不仅可为该地区提供移动通信业务，而且可以用低成本的固定终端来满足广大稀业务地区的基本通信需求。如果要在这些地区建立地面通信网，这样的基础设施所需要的投资大、周期长，而且由于业务密度低，在经济上也是不可取的。332.ACeS系统的组成ACeS系统是一个由印度尼西亚等国建立起来的覆盖东亚、东南亚和南亚的区域卫星移动通信系统。它的覆盖面积超过了1100万平方英里，覆盖区国家的总人口约为30亿，能够向亚洲地区的用户提供双模(卫星-GSM900)的话音、传真、低速数据、因特网服务以及全球漫游等业务。ACeS系统包括静止轨道卫星、卫星控制设备(SCF)、1个网络控制中心(NCC)、3个信关站和用户终端等部分。它采用了先进