第３代移动通信中的卫星移动通信

当前卫星移动通信的应用在国际上正紧锣密鼓地进行。“铱”（Ｉｒｉｄｉｕｍ）系统已于１９９８年１１月实现连网运行。“全球星”（Ｇｌｏｂａｌｓｔａｒ）系统计划于１９９９年提供服务。“中园轨道卫星”（ＩＣＯ）系统则将在２０００年付诸应用。卫星移动通信无论从经营市场或从产业市场考虑都将有十分广阔的发展前景。对于中国地广人多，地面移动通信还相对落后的情况来说，发展卫星移动通信非常必要，它对于促进中国经济的发展和加强国防将起到十分重要的作用。

    个人通信是要实现任何人在任何时间和任何地点与其他任何人进行任何方式的通信的美好愿望。第３代移动通信可以说是个人通信的初级阶段。目前大家的注意力都集中在其无线传输技术（ＲＴＴ）标准规范的制定工作上，但它只涉及地面移动通信部分。欧洲电信标准委员会（ＥＴＳＩ）和国际电信联盟（ＩＴＵ）在规划制定第３代移动通信标准时都把卫星移动通信部分作为其主要组成部分。道理很简单，要想真正实现全球漫游和终端及个人移动性，离开卫星移动通信是办不到的。因此，当前人们已开始注意到如何发展第３代移动通信中的卫星通信部分。发展第３代移动通信中的卫星移动通信对于占领中国巨大的卫星移动通信经营市场和今后建立中国民族的移动通信产业都是至关重要的。

１ ＵＭＴＳ的卫星移动通信系统

     欧盟对通用移动通信系统（ＵＭＴＳ）的卫星移动通信十分重视，尤其是ＡＣＴＳ计划中安排了５个专题研究，即ＩＮＳＵＲＥＤ、ＮＥＷＴＥＳＴ、ＳＥＣＯＭＳ、ＳＩＮＵＳ和ＴＯＭＡＳ。ＵＭＴＳ的卫星移动通信系统称为Ｓ－ＵＭＴＳ。下面介绍有关的一些问题。

１．１ Ｓ－ＵＭＴＳ的服务

    与第２代系统比较起来，第３代系统应满足服务灵活性的要求。它主要由传输数量上的要求（比特率）、传输质量上的要求（比特差错率）和最大传输分发延迟的要求（传送延迟）来确定，对Ｓ－ＵＭＴＳ所建议的承载服务如表１所示：

通过这些承载服务，其电信服务能与ＵＭＴＳ服务兼容。

     例如：

     .不同质量的语声服务；

     .传真、短消息服务（ＳＭＳ）、寻呼、定位；

     .多媒体；

     .Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ接入；

     .局域网互联。

     这些服务可满足工业和私人应用的需求。

１．２ 网络合成

    有多种可能的方法使基于卫星的移动通信系统合成到ＵＭＴＳ中。一种最有希望的方法是卫星段通过互连单元（ＩＷＵ）与基于异步转移模式（ＡＴＭ）的ＵＭＴＳ的传输网络互连。网络之间的移动管理、可切换服务都通过这些互连单元进行，从而允许对网络独立地提供一系列公共功能。

１．３ Ｓ－ＵＭＴＳ终端

    一种通用的具有２Ｍｂｉｔ／ｓ数据率，且能提供全移动卫星服务的手持终端一时尚难实现。许多研究专题对不同应用环境和服务的不同类型的终端进行了研究。其一为６４ｋｂｉｔ／ｓ速率以下的手持终端，其二为应用于较广服务范围的数据率可达２Ｍｂｉｔ／ｓ宽带应用的终端。高数据率的终端其体积较大，终端一般是便携式或笔记本式及手提包式。对于大多数高速数据率的应用除了卫星通信终端外，尚需笔记本式的用户终端以便存储及产生数据或显示和处理高质量的视像。

     如将目前及将来的低地球轨道（ＬＥＯ）、中地球轨道（ＭＥＯ）和赤道地球轨道（ＧＥＯ）卫星系统合成到ＵＭＴＳ的系统中去，可开发一种多模手持终端，它能接入到地面和卫星ＵＭＴＳ。除了语声外，还考虑了低速数据６４ｋｂｉｔ／ｓ（长期的数据率将会是１４４ｋｂｉｔ／ｓ），用以提供Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ接入、文件传送和可视会议服务。另外的研究课题中考虑开发一种卫星用面包板式终端以支持不同的卫星系统（ＬＥＯ、ＭＥＯ、ＧＥＯ），如卫星分集、卫星点约束切换以及不同段（卫星／地面）之间的切换。

    后者是支持在网络和服务观点上的接入，而不是在空中接口上进行。一种双模手持终端可支持接入ＧＳＭ和铱系统是为现场试验而开发的。试验结果有助于确定将来Ｓ－ＵＭＴＳ终端的特性。

１．４ Ｓ－ＵＭＴＳ的应用

    ＵＭＴＳ的主要目的是使终端用户能在任何时间和任何地方接入任何类型的服务，且使用同一终端。这意味着可通过Ｓ－ＵＭＴＳ的服务来完成ＵＭＴＳ的应用。语声类应用肯定是卫星系统在扩展的覆盖范围内提供的基本服务。商务和私人旅行都希望能用手持电话机进行能覆盖全球漫游的语声通信。这类服务要求多模终端，对于下一代的移动通信系统，因Ｉｎｔｅｒｎｅｔ（Ｅ－ｍａｉｌ、Ｗｅｂ）的互联，数据通信（文件传送、多媒体会议）变得更为普遍，要求能提供低速服务（６４ｋｂｉｔ／ｓ）将更为重要。对终端的要求与语声通信终端相似（即小的手持多模终端）。

    高速数据通信甚至在农村也有需求，其数据率可高达２Ｍｂｉｔ／ｓ。例如远程急救、计算机支持的协作、远程医疗以及新闻的收集等都要求高的数据率，但并不要求手持终端，因为在这些情况下，终端用户设备（多媒体工作站、高质量的显示器和摄像机等）都有比较大的尺寸。

１．５ Ｓ－ＵＭＴＳ采用的先进技术

（１）人工神经网络的应用

    神经网络（ＮＮ）近年来已用于数字通信中。例如，ＮＮ能有效地仿真和确定数字卫星信道的特性。它也被应用于检测卫星链路的故障。ＮＮ也能提供卫星通信所用的行波管放大器（ＴＷＴ）及固态功率放大器（ＳＳＰＡ）的自适应模型等。在专题研究中已应用ＮＮ于Ｓ－ＵＭＴＳ的信道均衡。自适应非线性均衡是改进卫星移动通信系统性能的一个关键问题。在ＵＭＴＳ传输信道中，由于多径传输产生失真，以及采用的非线性功率放大器工作在饱和区引起失真。这些失真加上通常的线性变换引起的码间干扰均需均衡。ＮＮ的自适应学习功能及非线性转移函数能应用于均衡这类信道。在过去的１０年，许多作者研究各种不同的基于ＮＮ的均衡器并比较了它们的性能。

（２）应用Ｋａ和ＥＨＦ频段技术的可能性

    Ｋａ及ＥＨＦ频段能提供最宽的一类宽带移动服务，甚至在敌对环境中。２０／３０ＧＨｚ及４０／４５ＧＨｚ频段将在第１代和第２代服务中分别加以考虑。系统设计结构中应考虑以下几点：

    .各个ＧＥＯ卫星通信星际链路（ＩＳＬ）连接；

     .采用卫星上产生的高增益点波束，可以多点波束对大洲覆盖（例如欧洲及中东）；

     .实现星上快速数字处理以获得改善的净载灵敏度及业务路由的有效性；

     .采用最合适的多址／分布技术：多频ＴＤＭＡ（ＭＦ－ＴＤＭＡ）／时分多路（ＴＤＭ）；

     .按照容量的要求采用不同的终

端；

     .分２阶段实现：

      第１阶段，采用Ｋａ频段，到２０００年实现。

       第２阶段，采用４０／４５ＧＨｚ频段，到２００５年与Ｋａ频段合成在一起。

２ ＩＭＴ－２０００的卫星通信部分

     任何基于无线的系统，容量和覆盖都始终是主要问题。移动通信系统运行在城市环境，单位面积的负荷（即容量）是基本需求。而在农村或边缘地区环境中，覆盖则更为重要。基于地面的移动通信系统具有高的容量，而基于卫星的移动通信系统能提供无所不在的覆盖。故ＩＭＴ－２０００把基于地面和基于卫星的系统看成是一个合成系统的两部分。在ＩＭＴ－２０００的２３０ＭＨｚ频带中有６０ＭＨｚ为卫星通信部分所用，即１ ９８０～２ ０１０ＭＨｚ和２ １７０

～２ ２００ＭＨｚ。基于卫星的通信与基于地面的通信主要不同的特点如下：

（１）卫星轨道

     卫星轨道可以分为赤道地球轨道（ＧＥＯ）和非赤道地球轨道（ＮＧＥＯ）。应用ＧＥＯ作为真正的全球个人通信具有极大的限制：第１，不能提供真正的全球覆盖，对高纬度和极地不能覆盖；第２，距离地球表面很高，除非卫星具有很大的天线，否则不允许使用真正的手持终端；第３，由于往返长距离的传输引起长时延迟，使真正的双工通话困难。ＮＧＥＯ可以分为低地球轨道（ＬＥＯ），高程为８００～１ ６００ｋｍ和中地球轨道（ＭＥＯ），有时称为中园轨道（ＩＣＯ），高程为１０ ０００ｋｍ。采用ＮＥＧＯ的好处在于可以提供完全的全球覆盖，能获得更好的链路预算，从而允许使用手持终端运行在衰落门限之下和具有小的时延。由于卫星体积小，重量轻，发射更经济。且仅需要小口径的天线，可减小波束的覆盖范围，从而导致更好的全球频率重用因子。但ＮＥＧＯ系统要求相对多的卫星，从地球看去不是固定的。轨道越低，卫星的数目越多，且相对地球的旋转速度越快。最后比较起来，在第３代卫星移动通信系统中采用ＮＧＥＯ更为合理。

（２）功率限制

     为了减少发射卫星的费用，一般说来，基于卫星的系统都是功率受限的，而基于地面的系统则是干扰受限制。这意味着衰落门限对基于卫星的系统也是受限的。

（３）数据的限制

    上述的功率受限也导致最大数据率的受限。更精确一点说，就是传送等量信息的通信费用要比基于地面的系统高。这也意味着在基于卫星的系统中更高程度的信源编码和压缩是需要的。

（４）全球与局部覆盖结构

    已有几种建议的结构，例如一个独立的全球系统，以及一个区域系统与本地地面系统连接在一起可以增加局部或区域的覆盖。当然，前一种方法将允许真正的全球覆盖。

（５）星上处理与弯管运行

    目前的技术水平已能使星上处理取代传统的弯管运行。弯管运行时，卫星只简单地接收信号，进行频带变换，再发送出去，卫星只起转发器的作用。在星上处理中，卫星起着基站的作用。交叉链路网络互连的星座允许呼叫路由选择具有灵活性，特别是对于大面积的水面地区也可全部覆盖。设计星上处理的挑战在于提供一种方法能自适应业务量和服务需求的变化。软件无线电是一种允许这种灵活性的关键工具。

（６）多波束天线

    在基于卫星的系统中，小区的隔离由天线方向图来完成（例如多波束天线能在地面画出蜂房小区图形）。典型的有ＬＥＯ的卫星个人通信（Ｓ－ＰＣＮ）系统，其４８个波束由一个卫星的基于相控阵技术天线提供。

（７）小区大小

    从几何的观点看，基于卫星的系统其小区大小为直径为数百公里的数量级，因而卫星系统的容量比地面系统要低，适用于低负荷密度的地区（农村、边远地区和海洋地区）。

（８）无线链路

    基于卫星的无线链路的传输特性不同于基于地面的系统。传播路径越长，时间延迟增加，与距离有关的几何衰耗也越大。它同时还有较小的延迟扩展和宽的相干带宽。遮蔽和多径是用户环境和移动的函数。直线可视仅是一种理想的假定。由于树木和建筑等因素，在车辆运行中对遮蔽必须加以考虑。

（９）接入方式

    由于基于卫星的无线链路的参数不同于基于地面的链路，例如卫星链路的时间延迟很可观，不允许采用快速功率控制。但卫星系统的时延扩展却很小，相应的是相干带宽较宽。这就意味着系统频段的分配不能用频谱的扩展获得有效的频率分集，从而在比较ＴＤＭＡ和ＣＤＭＡ时对Ｓ－ＰＣＮ系统也应不同于基于地面的系统。

（１０）切换

    由于卫星的快速运动，对ＮＧＥＯ基于卫星的系统都有波束之间的切换。地面系统的切换是因为用户的运动，从系统的观点看，它是随机的，而卫星系统的切换则基本上是确知的。

（１１）多普勒频移与时间延迟

    不同的ＮＧＥＯ系统的多卜勒频移和时间延迟是不同的。但其数量级在数十千赫和数十微秒，它们依赖于卫星的轨道。

（１２）太空设备

    把设备放入太空，则对其维护和控制等方法不同于基于地面系统。对于卫星系统应在开始服务之前就要处理完善。

３ 关于发展中国卫星移动通信的建议

（１）对当前卫星移动通信的应用除应积极介入外，也要开始注意第３代移动通信中的卫星移动通信的发展，不能等闲视之。因其在中国不仅有广阔的应用前景，也有巨大的经营市场和产业市场。

（２）第３代移动通信中的卫星移动通信的发展，必然要在现有卫星移动通信系统发展的基础上进行。故应首先由国家统一组织和规划其进行。并尽快改变目前分散和各自为政的局面。

（３）第３代移动通信中的卫星移动通信与第３代地面移动通信是第３代移动通信一个整体中的不可分割的两个组成部分。故对二者应统一加以考虑，协调地发展，以避免今后产生矛盾和麻烦。

（４）发展第３代移动通信中的卫星移动通信是建立中国移动通信产业又一次难得的机遇，从现在开始尚有８～１０年的时间。这给了中国移动通信超前创新在时间、空间、技术上可贵的客观条件，千万不可再失之交臂了。

（收稿日期：１９９８－１０－２０）

[摘要] 第３代移动通信中的卫星通信部分已提到了议事日程。文章扼要介绍了ＵＭＴＳ和ＩＭＴ－２０００中卫星通信部分的有关问题，以期引起各界的关注。

[关键词] 卫星通信 移动通信 建议

[Abstract] Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｒｄ ＿ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕ-ｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｈａｓ ｃｏｍｅ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｉｔｅｍ ｏｎ ｄａｉｌｙ ａｇｅｎｄａ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｉｓｓｕｅｓ ｒｅ-ｌａｔｅｄ ｔｏ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ＵＭＴＳ ａｎｄ ＩＭＴ－２０００ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｒｏｕｓｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｃｏｎｃｅｒｎ．

[Keywords] Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｍｏ-ｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｍｍｅｎ-ｄａｔｉｏｎ