基于Ka波段動(dòng)中通和微型基站技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋3G/4G移動(dòng)通信覆蓋

陳 琦

（電信科學(xué)技術(shù)第一研究所，上海 200032）

1 引言

隨著Ka高帶寬衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，全球衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)將迎來高爆發(fā)式的增長，衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)也將迎來一場革命。在海洋中的船舶上實(shí)現(xiàn)與陸地上一樣的移動(dòng)多媒體通信，一直都是衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)研究中很重要的部分。未來，針對傳統(tǒng)的L波段下Picocell（小蜂窩）基站船舶2G覆蓋應(yīng)用，新一代的基于Ka波段和微型基站技術(shù)的船舶3G/4G覆蓋動(dòng)中通應(yīng)用將會得到空前發(fā)展。

2 傳統(tǒng)的基于衛(wèi)星的 GSM覆蓋

圖1 基于L波段Picocell技術(shù)2G GSM應(yīng)用系統(tǒng)圖

該應(yīng)用基于L波段和Picocell技術(shù)解決了2G在海洋船舶上的覆蓋問題。但是由于L波段自身的頻段原因和其他技術(shù)上的問題，它有幾個(gè)比較明顯的缺陷：支持手機(jī)用戶數(shù)量少；只支持2G手機(jī)語音服務(wù)；船上手機(jī)只有語音業(yè)務(wù)，無數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

當(dāng)人們的陸地通信進(jìn)入4G甚至5G的時(shí)代，海洋船舶對使用3G，4G應(yīng)用的呼聲越來越高，過去的技術(shù)方案已經(jīng)不能滿足更高帶寬、更易應(yīng)用的新業(yè)務(wù)需求。隨著Ka波段開始投入應(yīng)用，基于Ka波段和微型基站技術(shù)的海洋3G/4G覆蓋動(dòng)中通應(yīng)用開始進(jìn)入人們的視野。

3 Ka波段衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

在海洋上要跟陸地或其他洋區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通常是通過衛(wèi)星進(jìn)行傳輸?shù)?，波段一般是C，L，Ku。按照波段應(yīng)用的先后順序及海洋商業(yè)應(yīng)用使用波段的費(fèi)用來劃分，這三個(gè)波段可以劃分為兩代：第一代為L波段和C波段，具有抗雨衰、終端小等特點(diǎn)，但波段本身可以利用的頻帶窄、帶寬小，使用費(fèi)用昂貴；第二代為Ku波段，這一代相比于上一代在使用頻帶和帶寬上增加了，費(fèi)用也下降了，但隨著寬帶應(yīng)用的增多，這一頻段在帶寬和容量方面也顯得捉襟見肘。面對新一代衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)對寬帶的訴求，第三代寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)開始出現(xiàn)，這就是基于Ka頻段的高速寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

Ka波段是電磁頻譜的微波波段的一部分，頻率范圍為26.5～40GHz，其最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是頻帶較寬，可用帶寬可達(dá)到3500MHz。因此，Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶（DTH）業(yè)務(wù)及個(gè)人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。

利用Ka波段進(jìn)行3G/4G覆蓋指的是在海洋船舶上，將船舶上已經(jīng)安裝的3G/4G微型基站的信令數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)，通過Ka波段的衛(wèi)星天線傳輸?shù)叫l(wèi)星上，再由衛(wèi)星傳輸?shù)降孛嬲静⑼ㄟ^3GPP定義的S1接口接入電信核心網(wǎng)。利用Ka波段有以下幾個(gè)非常明顯的優(yōu)勢：

（1）更高的帶寬和容量

Ka比L和Ku波段具有更多的頻段資源，使其終端至衛(wèi)星傳輸端具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，由此船舶上的微型基站可以支持更多的用戶數(shù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。例如，Inmarsat公司的FB500（FleetBroadband500）業(yè)務(wù)在Picocell的覆蓋下可以支持9個(gè)用戶使用GSM，而Picocell理論上可以支持最多64個(gè)用戶進(jìn)行并發(fā)的呼叫、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。FB業(yè)務(wù)可以支持的用戶數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論數(shù)的一個(gè)重要原因就是FB500的終端至衛(wèi)星通信段的傳輸采用的是BGAN技術(shù)（L波段），其帶寬速率最高只有432kb/s，而且這個(gè)速率還有一部分要提供給FB500的其他業(yè)務(wù)。而一般GSM下未壓縮的語音數(shù)據(jù)一路全速率信道為16kb/s，9路就是144kb/s。而Ka波段在標(biāo)準(zhǔn)60cm口徑天線的情況下上行可以達(dá)到5Mb/s，下行可以達(dá)到50Mb/s，可以帶來用戶數(shù)量的提升并且有效支持船載3G/4G部署后用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（2）終端設(shè)備尺寸小，適合船舶應(yīng)用

在企業(yè)管理中,文化非常重要。很多企業(yè)也從單一的競爭延伸到文化的競爭。一個(gè)成功的企業(yè)需要依托成功的文化管理,這樣才能調(diào)動(dòng)起員工的積極性和創(chuàng)造性。企業(yè)文化影響內(nèi)部控制制度，所以中小企業(yè)在構(gòu)建企業(yè)文化的過程中，必須要構(gòu)建相應(yīng)的財(cái)務(wù)管理文化內(nèi)容。

天線尺寸小，且易產(chǎn)生非常窄的點(diǎn)波束；天線增益系數(shù)提高，且照射集中，從而可降低功耗；增加了同一軌道弧段上可置放的衛(wèi)星數(shù)量，使兩星間可容忍的最小間隔降為1°；從用戶方面考慮，Ka頻段通信衛(wèi)星增大了信息傳輸量，提高了傳輸?shù)目煽啃院捅Ｃ苣芰Γ辉试S大的功率密度，使地面終端更易小型化。

綜上所述，Ka波段因其高速率、高帶寬和小尺寸的天線終端，在海洋3G/4G船舶覆蓋應(yīng)用中可以極大地增加系統(tǒng)應(yīng)用中的容量和帶寬，擁有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

4 動(dòng)中通衛(wèi)星天線的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

“動(dòng)中通”技術(shù)在海洋船舶3G/4G覆蓋中有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用自主跟蹤方式跟蹤衛(wèi)星，充分利用了衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域大、抗干擾能力強(qiáng)、線路穩(wěn)定的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、點(diǎn)對主站移動(dòng)衛(wèi)星的通信。

（2）“動(dòng)中通”船舶衛(wèi)星傳輸具有靈活、機(jī)動(dòng)的傳輸特點(diǎn)，能確?？焖?、實(shí)時(shí)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。

（3）自動(dòng)重捕時(shí)間短，駛出通信盲區(qū)后能快速恢復(fù)通信。

（4）與OFDM“無方向”移動(dòng)微波設(shè)備相比，“動(dòng)中通”船舶無需收、發(fā)設(shè)備操作人員在惡劣環(huán)境條件下工作，節(jié)約了人力、物力，而且減小了電磁輻射污染。

（5）信號傳輸過程的節(jié)點(diǎn)減少，提高了傳輸質(zhì)量和可靠性。

（6）能降低大范圍、復(fù)雜場景數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)行成本。

可見，動(dòng)中通天線在未來海洋3G/4G覆蓋中將是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，未來所有為實(shí)現(xiàn)海洋3G/4G覆蓋的Ka衛(wèi)星天線將都是基于動(dòng)中通天線技術(shù)的。

5 微型基站技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前的微型基站技術(shù)包括Fetomcell，Picocell，Mircocell三種。微型基站的主要作用是完成船舶上的3G/4G信號覆蓋，新一代的微型基站技術(shù)在海洋船舶3G/4G覆蓋中有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）占用空間較小。微型基站通常只有一個(gè)臺式電腦的尺寸，非常適合安裝和部署在空間狹小的船舶上，特別是小型的船舶上，而且安裝后即可讓信號覆蓋船舶的大量空間，不影響船員對空間的利用。

（2）簡單易用。衛(wèi)星基站將大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能都以芯片的形式固化到設(shè)備的PCB電路板中，以及內(nèi)置的參數(shù)和集成化設(shè)計(jì)避免了大量復(fù)雜的操作。由于覆蓋相對于宏基站小，無需對基站的發(fā)射功率進(jìn)行控制，調(diào)整覆蓋區(qū)域，只需開機(jī)就可開始工作，真正意義上做到了“一鍵操作”。

（3）覆蓋范圍加大，支持的接入用戶更多。相比于過去的微型基站技術(shù)，新一代的增強(qiáng)型Fetomcell，Picocell，Mircocell三種技術(shù)覆蓋范圍得到了極大地提高，覆蓋的半徑最高可以達(dá)到500米；同時(shí)，每一個(gè)微型基站可以支持的用戶數(shù)量也從以前的幾個(gè)用戶，變成現(xiàn)在可支持最多256個(gè)用戶的業(yè)務(wù)。

綜上所述，新一代的微型基站憑借其更大的覆蓋范圍、更多的用戶數(shù)量支持、更多的空中接口，結(jié)合Ka波段衛(wèi)星通信的高速率、高帶寬優(yōu)勢，在船舶3G/4G覆蓋應(yīng)用中扮演著極其重要的角色。

6 典型應(yīng)用場景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

我們通過圖2來了解一下在Ka波段下微型基站在船舶上覆蓋3G/4G動(dòng)中通應(yīng)用的典型場景和一些細(xì)節(jié)。

圖2 Ka波段下微型基站在船舶上覆蓋3G/4G動(dòng)中通應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

在基于Ka波段和微型基站技術(shù)的海洋3G/4G覆蓋動(dòng)中通應(yīng)用中，用戶側(cè)一端是這樣工作的：首先，船舶上的安卓或蘋果系統(tǒng)的3G或者4G手機(jī)，通過微型基站（Mircocell，F(xiàn)emtocell，Picocell中一種或多種）覆蓋范圍內(nèi)提供的空中接口（WCDMA，CDMA2000，TDD，F(xiàn)DD等），將信令數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送給微型基站，微型基站通過處理單元按照3GPP S1接口要求編碼這些數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳送給Ka動(dòng)中通天線包含的衛(wèi)星Modem進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，再通過Ka動(dòng)中通天線時(shí)刻鎖定的衛(wèi)星頻點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給Ka衛(wèi)星。

在衛(wèi)星側(cè)，Ka衛(wèi)星利用高速率衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路將用戶側(cè)數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)側(cè)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)數(shù)據(jù)傳送給用戶側(cè)，完成用戶和地面業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)地面站收到衛(wèi)星側(cè)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，通過衛(wèi)星Modem將數(shù)據(jù)完成解調(diào)，并按照3GPP S1接口標(biāo)準(zhǔn)，通過路由器將信令部分發(fā)送給特定的MME（移動(dòng)管理實(shí)體 ），MME進(jìn)行UE ID分配、安全性、鑒權(quán)和漫游等控制，將業(yè)務(wù)請求發(fā)送給電信核心網(wǎng)，核心網(wǎng)再將地面站收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)部分發(fā)送給S-GW（服務(wù)網(wǎng)關(guān)），由S-GW選擇合適的業(yè)務(wù)承載鏈路。

7 結(jié)束語

隨著Ka波段衛(wèi)星動(dòng)中通技術(shù)、船用微型基站技術(shù)的成熟，隨著海洋3G/4G移動(dòng)通信服務(wù)運(yùn)營模式的商業(yè)化運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)在海洋的船舶上與陸地上一樣的移動(dòng)多媒體通信成為現(xiàn)實(shí)，它將會極大地便利和豐富人們在海洋上的生活，減小海洋和陸地上通信的差別。同時(shí)，對于從事衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信系統(tǒng)及設(shè)備研究、制造的企業(yè)、商家而言，它將是一個(gè)即將爆發(fā)的巨大市場，孕育著巨大的商機(jī)，可以預(yù)見它必將創(chuàng)造巨大的商業(yè)價(jià)值和社會價(jià)值。

[1] 李峰，馮曉雯等.Ka/EHF頻段衛(wèi)星信道傳輸特性研究.無線電通信技術(shù)，2010年第1期

[2] 蘇玉良，李慶安.Ka頻段HTS衛(wèi)星系統(tǒng)以及發(fā)展前景.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2013年第05期

[3] 華為面向大眾市場發(fā)布新一代Femtocell產(chǎn)品[J].中國新通信

[4] 胡希喆.Femto技術(shù)跟蹤研究[J].中國數(shù)據(jù)通信，2013(5):27-30

[5] 劉丹，孫鑫.艦載衛(wèi)星天線穩(wěn)定工作平臺俯仰軸伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J] .青島大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003年03期

[6] 阮曉剛，汪宏武.“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線技術(shù)及產(chǎn)品的應(yīng)用.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2006年03期