全国卫星移动通信和宽带数据服务的发展

全国卫星移动通信和宽带数据服务的发展 摘要：近期卫星通信主流发展着多个非地球静止轨道（ NGEO）卫星系统，有利于实现手持 电话的无隙全球通排向高频段扩展，有利于实现宽带数据和多媒体通信。采用不同 星座、不同*的系统之间一开始就进入了竞争，21世纪初的卫星通信转发器将供 过于求。 关键词：卫星移动通信（MSS）宽带数据服务地球静止轨道（GEO）非地球静止轨道（NGEO） 新一代低轨道（LEO）卫星系统开辟了手持电话在真正意义上的全球通，进一步建立交 互宽带通信服务，使得个人计算机和多媒体应用的接入能无所不在。全球卫星通信网的重点 是面向低轨道（ LEO）卫星应用、点波束／频率复用、星间链路、星上处理、大于ISDN速率 的宽带通信和扩展到毫米波频段的应用。这些技术的应用体现了本世纪末卫星通信的两个浪 潮：一是面向移动电话服务，亦即窄带话音／数据服务的低轨（LEO）卫星应用；二是面向 高速率信息高速公路的宽带数据服务，亦即Ka和Ku频段的低轨（LEO）卫星应用。但应注意 到，在发展区域性移动电话和数据业务时，仍然不能忽视静止卫星（GEO）的成熟技术和有 利条件，GEO卫星系统仍将平行地发展。1LEO卫星系统实现了手持电话全球网 90年代中期提出大LEO全球MSS的卫星系统多个，它们各自积极组织股东和集资，进行系 统设计，选择卫星平台及其制造和发射商，研制用户机，开辟市场等一系列工作紧锣密鼓地 进行。经过一段筹措时期后，谁上谁下略有分晓。其中某些系统在集资上并不顺利，像白羊 座（Aries）椭圆轨道（HEO）卫星系统，就没有进一步的实施计划和行动。另一个HEO卫星 系统Ellipso虽未中止计划，也无行动信息。先于ICO提出的Odyssey系统最早采用中高度轨 道（MEO）并申请了专利，最近由于缺乏工业界的资金投入而宣告放弃，并入ICO系统的股东 行列。因此目前大LEO全球手持机移动业务已阵营分明，由“铱”星（Iridiu）、“全球星” （Globalstar）、中高度圆轨道（ICO）三大系统形成三足鼎立分享市场的局面。三个系统 之间的比较参见表1。可以说本世纪末，全球移动个人通信系统（GMPCS）的时代已经到来。 大LEO卫星系统所建立的MSS真正达到了无隙连续覆盖的类蜂窝电话的全球通。 目前“铱”星系统已完成了由66颗卫星的满星座组网运行，经调试成功后已于1998年 11月开通全球移动电话业务。“全球星”已有16颗卫星在轨运行，将于1999年开始服务， ICO系统也将随后跟上。“铱”星系统开通业务后通话成功率达到92％，据说尚能提高到95％ 或 98％，遇到的问题是手机交货迟缓，供应不上，影响业务扩展。手机价格和通话费比预 先估计要高，也是个问题。是否能吸引足够的用户，是否能回收其50亿美元投资有待实践证 明。“全球星”系统采用了陆地网关站之间的卫星弯管式中继站方案，星上载荷比“铱”星 简单。采用双向功率控制CDMA技术、多波束频率复用、分区软切换等技术，用户机工作于 L／S频段，其运行成本将比“铱’尽低，预计通话收费每分钟0.5美元，是否能实现有待实 践证明。“铱”星系统的星上独立性较大，而“全球星”对陆地网的依赖性较大。据称“全 球星”卫星空间信号的费用仅每分钟0.35美元，加上地面支持系统的费用后仍然较低。 用于区域性手持电话的GEO卫星系统也在平行地发展，虽然它需要卫星上的天线增益大、 尺寸大、辐射功率大、卫星载荷大，但卫星数目少，易于在地区实现。亚太地区的APMT卫 星系统就是其中一例。APMT采用先进大功率有效载荷、星上数字信号路由处理、230个高增 益点波束和频率复用，通过地面接口可以和公共电话交换网（PSTN）连接，并可接入公共 陆地（蜂窝）移动网（PLMN）以及公共数据交换网（PSDN）。手持机采用了“蜂窝”和“ 卫星”两种模式。APMT由两颗HS-GEM－M卫星组成，每颗卫星支持16000条话音／等效数据的 双工电路，可以传输数据速率在9.6kbps以下的数据和传真。然而由于美国国务院对休斯公司 制造的该卫星拒绝签发出口许可证而导致中途夭折。东盟蜂窝卫星公司的ACeS卫星其制式规 模和APMT相近。还有其它一些区域性GEO卫星系统，本文不再罗列。 2 KA/KU频段上实现宽带数据个 人通信的全球网 信息高速公路时代，个人计算机和多媒体的接入都要求高速率宽带数据在较高频段上传 输。较低频段上早已出现拥挤，宽带话音／数据传输再也不能依靠C和Kll频段，因而提出了 在Ka频段上的宽带传输。 近期筹建中的三个大LEO卫星系统，即Teledesic、Skybridge和Celestri工作于Ka或Ku 频段，面向全球高速率大容量数据传输。这三个系统工程浩大、投资量大，使许多公司都参 加到这“空中Internet”竞赛中去。从股东成分来看，Teledesic是以美国为主体，Skybridge 是以欧洲为主体，而 Celestri是混合体。 Teledesic和Skybridge分别工作于Ka和Ku频段上， 筹备进展较快，有望建成，而Celestri采用高低轨混合星座，由于摩托罗拉公司转向支持 Teledesic，成为主承建公司，因此该系统已被放弃。这三个系统之间的比较参见表2。1997年 11月世界无线电会议（ WRC-97）已给此三大系统开了绿灯，分配了所需频段。 用GEO实现的全球宽带数据通信的卫星系统也已提出了许多筹建计划（参见表3），其中 较为著名的是太空之路（SPace way）、宇宙链路（Astrolink）和计算机星（Cyberstar）。 用GEO实现的系统一般用赋形的点波束簇覆盖陆地和部分海域，不能覆盖高纬度区域和极区， 其覆盖没有LEO系统全面。利用l～2颗或少数GEO卫星实现区域性宽带数据通信的系统也有不 少，例如“欧洲天空之路（Euro Sky Way）”。 以宇宙链路为例，它由5个位置上的9颗GEO卫星组成，即欧、非上空东经村37度两颗，亚、 澳上空东经115度两颗，大洋洲太平洋上空东经168度一颗，美洲上空西经96度两颗和大西洋 上空西经29度两颗。卫星采用A2100平台，寿命10年，载荷功率10.5kw，可用质子号火箭或阿 里安火箭发射。通信载荷用Ka频段，EIRP为56.5dBW。天线组成190个点波束，其指向精度上 0.05度，具有星上数字通道处理和基带切换，双向60GHz跟踪星间链路。移动用户终端为低成 本VSAT，自适应上行链功率控制，标准数字接口 ISDN、ATM。对应不同数据传输速率有三种尺 寸的天线直径：65cm可达128kbps、85cm可达768kbps、1.2m可达8.448MbpS。宇宙链路已在 1995年向美国联邦通信委员会（FCC）登记，预计2001年首颗卫星发射，随后每4个月发射一颗， 2002年单星位运行，2004年全运行。宇宙链路的容量很大，每个卫星可同时有4万个BRI ISDN （192kbps）全双工半电路，分别向不同用户提供16～8448kbps的话音／数据／视频通信服务。 Ka频段（30GHz）上的应用将通过高速率（GbpS范围）ATM，采用多网关站、星上交换。 星间链路和多点波束发送。其优越性为：增加可用带宽，减少干扰，提供多、窄、高增益点 波束作广泛的频率复用。带宽是希罕的资源，它限制系统容量，C和Ku频段的指配带宽每个只 能500MHz，而Ka频段可指配1GHz。其缺点为雨衰大，器件制造成本高。 目前利用GEO卫星在Ku频段上实现区域性宽带数据通信的系统已有很多，可以同时实现多 媒体通信和电视直播业务，比较著名的有 Direc TV、Echo Star、GE American、Pan Am Sat、Eutel Sat（包括热鸟）、Loral Skynet、PRimeStar等。但 Ka频段 r GEO卫星尚很少。 3卫星通信的发展趋势 在此世纪之交，卫星通信业务的发展趋向于用LEO卫星实现全球移动电话手持机化和数 据通信高速率宽带化。数个平行的卫星星座已在筹建中，各自如何适应市场需求，发挥优越 的成本效益比、站稳脚跟，将在2～3年内见分晓。与此同时，也体现着如下几点趋势： （1）从支持商业电信服务为主到面向最终个人消费者，支持手持电话和个人计算机的交 互多媒体服务；地面移动终端由车载和便携向手持机发展，手持机采用卫星和蜂窝双模式或 多模式，并设计成双向功率可调。 （2）卫星网将是陆地网的补充，而不是替代。卫星电话的价格高于蜂窝电话，所以将作 为补充只用于没有蜂窝覆盖下的地区。对宽带数据来说，卫星网将是陆地光纤网的补充。 （3）LEO、MEO卫星将与GEO卫星互补应用。GEO有利于发展区域性系统，广泛地被发展中 国家所采用，如APMT就是一个明显的例子。 GEO、MEO卫星平台采用先进的天线和大功率通信 载荷（大于10kw），每星转发器已达 44／48台，计划中的将达 80／100台。LEO卫星平台可 大可小，有的向轻重量发展，以利于卫星的大批量流水线生产，降低卫星成本。 （4）宽带和窄带数据的卫星系统平行应用。一方面开展高速率宽带交互通信业务，构筑 空间信息高速公路；另一方面传统的窄带数字式话音／传真／数据的低速率业务继续发展。 总体上以Ku和Ka频段为主体，支持直接进户（DTH）和数字广播业务（DBS）。 （5）通信频段向高端——毫米波扩展。由于低端频段已呈拥挤状态，WRC-97会议上已 指配了V频段上的通信业务。对干流层气球携带通信中继平台的天空站（Sky Station）指配 给 47.2～ 47.5GHZ(下行）和 47.9～ 48.2GHZ（上行）的频段，这是一种新的促进。但利 用频率复用技术，进一步发挥原有频带上的潜力仍然非常必要。 （6）空间／大气中多层次通信中继。卫星通信已发展了GEO、MEO、LEO等高中低轨道各 个层次上运行的中继转发和信号处理卫星。最近国际天空站公司（SSI）筹建的天空站，以及 其它某些公司筹建的以无人机携带通信中继平台巡航的移动通信系统又开辟了新的层次。天 空站利用动力气球（或气艇）定点悬浮于城市上空23km高度的平流层中提供通信中继服务。高 空长航时（HALO）无人机巡航于城市上空16～18.5km高度的平流层中提供通信中继服务。今 后将形成空间／大气层／地面三个层次不同高度上的通信中继格局。 (7) 从竞争到各种技术、业务、力量的会聚。目前卫星通信缺乏会聚，许多系统包括全 球系统各搞各的而且互相撞车。卫星通信要赶上信息技术发展和需求上的增长，在通信技术 自身发展上也应不断创新和提高，要对各种新技术进行利用和集成，包括不同领域和跨行业 技术上的渗透。对卫星通信的一些大项目也面临着市场中竞争与合作的错综复杂势态。 SRI咨询公司的一份研究报告认为：几年后，假如世界上仅仅计划中的卫星通信项目进 入实际运行后，通信卫星资源就将过剩（参见表4），并将触发一场无线话音服务的价格战争。 亚洲的市场分析认为，亚洲的卫星转发器已经过剩。此外，某些系统计划已推迟或停止发展， 例如亚洲多媒体卫星 M的平方A、Agila-3、Measat-3。L－Star已停发，Telekom－1将推迟。 NASA和国家科学基金一起研究了卫星电信系统和技术发展倾向后提出警告：除非工业界 谨慎地计划某些更为专门的做法，否则有可能由于容量过剩而浪费。 SRI结论称某些宽带卫星星座在与依靠光缆和铜缆的地面网络竞争中具有困难，因为电 信部门和电缆电视公司发展中无需象空间计划那样巨大的初始投入。特别是在Ka频段上卫 星直接向用户传送高速率宽带服务，只能在陆地服务配套设备和条件已非常普及后才能成功。