衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

張軍 周亮 張?jiān)娾?/p>

摘要：地球表面70%是海洋，隨著人類征服海洋的腳步越來越快，人們在海洋上的活動(dòng)越來越頻繁，例如軍事活動(dòng)，石油勘探，遠(yuǎn)洋捕魚，游輪航行等。為了方便在海洋上的作業(yè)，對海上通信提出了要求，衛(wèi)星通信漸漸進(jìn)入了人們的視野。本文以衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用為主題，對主流的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，總結(jié)出該技術(shù)存在的機(jī)遇及所帶來的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星;海洋互聯(lián)網(wǎng);無線網(wǎng)絡(luò);海上通信

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0042-03

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，實(shí)現(xiàn)“海洋信息化”有著深遠(yuǎn)的意義，衛(wèi)星是可以說是目前實(shí)現(xiàn)海洋互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的唯一方式。在海洋上，亦或是地曠人稀的區(qū)域，衛(wèi)星是一種極具吸引力的通信方式，相比于陸地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星覆蓋面更廣，魯棒性好，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)廣播及多播，可謂優(yōu)點(diǎn)多多。但衛(wèi)星由于自身特性的限制，又有著無法忽略的缺點(diǎn)，例如價(jià)格昂貴，速度慢，維護(hù)難等，無法滿足大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)用戶的需求。本文將針對衛(wèi)星的利弊進(jìn)行詳細(xì)的分析，對其在海洋互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，尋求優(yōu)化的海洋互聯(lián)網(wǎng)解決方案。

1 海洋互聯(lián)網(wǎng)概述

廣袤的海洋下埋藏著難以想象的豐富寶藏，在陸地資源被消耗殆盡的今天，開發(fā)海洋資源由此顯得格外重要。不論是在海洋上進(jìn)行運(yùn)輸、作業(yè)、或是軍事巡航的船只，還是提供休閑娛樂的游輪都非常需要互聯(lián)網(wǎng)，因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)不僅能為常年在海上的人提高生活質(zhì)量，令他們與外界取得聯(lián)系，更能在關(guān)鍵時(shí)刻提供及時(shí)的救援等。因此，衛(wèi)星在海洋互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用是非常值得研究的一個(gè)課題。本文將對分別對衛(wèi)星應(yīng)用于海洋互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的利和弊進(jìn)行詳細(xì)的分析，旨在更全面的了解海洋衛(wèi)星，試圖找出優(yōu)化海洋互聯(lián)網(wǎng)或取代海洋衛(wèi)星的無線網(wǎng)絡(luò)。

2 衛(wèi)星概述

衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有獨(dú)特的全球覆蓋，連續(xù)的廣播能力，需求帶寬靈活性和對移動(dòng)終端的支持[1]。這些特質(zhì)讓他成為了一個(gè)理想的海洋互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)提供者。一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在就是一個(gè)廣播系統(tǒng)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能像寬帶接入網(wǎng)絡(luò)一般提供服務(wù)，高速骨干網(wǎng)絡(luò)連接異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)，或是簡單的用戶與固定終端或移動(dòng)終端之間的通信鏈接。然而，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的陸地英特網(wǎng)設(shè)施在合作上存在新的挑戰(zhàn)。

在多點(diǎn)光束天線技術(shù)，低雜音接收器以及星上處理技術(shù)的支持下，衛(wèi)星與便攜設(shè)備通過使用S，L和最新的Ku和Ka帶取得直接聯(lián)系。同樣的，天空中的衛(wèi)星還能夠配置有效荷載與衛(wèi)星內(nèi)部鏈接，這樣便允許衛(wèi)星內(nèi)部不同光束流量的交換以及不同衛(wèi)星之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要依賴于3個(gè)重要的部分：一個(gè)在對地同步軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，一些地球站，也稱網(wǎng)關(guān)，通過無線電波（微波）在衛(wèi)星之間傳遞英特網(wǎng)信號，和在用戶的家中或公司里一個(gè)有收發(fā)器的VSAT（非常小的光圈終端）蝶形天線。衛(wèi)星的其他組成部分包括一個(gè)用戶終端的貓，能夠翻譯與電腦間來回的信號，和一個(gè)集中化的網(wǎng)絡(luò)控制中心來監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。衛(wèi)星與一個(gè)寬帶網(wǎng)關(guān)共同工作，并且控制著一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這樣所以網(wǎng)絡(luò)連接都會(huì)從中心處理器經(jīng)過。經(jīng)過配置，可以連接到中心處理器的遠(yuǎn)程VSAT數(shù)量事實(shí)上是沒有限制的。

衛(wèi)星按照合適的軌道圍繞地球運(yùn)行，基于緯度，我們可將衛(wèi)星分為兩大類：對地同步軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）和非對地同步軌道（Non-GEO）[2]。

（1）GEO衛(wèi)星位于地球赤道上35800km高的地方，因?yàn)榫嚯x很遠(yuǎn)，所以有信號傳播延時(shí)以及信號衰減的問題[3]。典型的GEO衛(wèi)星通訊使用高頻率，以弱化信號在傳輸路徑中的的衰減。因?yàn)檫@些原因，GEO更適用于固定設(shè)備的通信，這里的固定設(shè)備指的是使用大尺寸天線的陸地基站。

（2）非GEO衛(wèi)星使用2種可能的軌道：近地軌道，在離地球500-2000km的高度，中軌道，在離地球8000-12000km的高度[4]。與GEO衛(wèi)星相比，非GEO衛(wèi)星離地球更近，因此傳輸信息時(shí)允許低得多的端到端時(shí)延，同時(shí)和更好的鏈路預(yù)算情況。但不幸的是，非GEO衛(wèi)星系統(tǒng)需要幾個(gè)衛(wèi)星（例如星群）以覆蓋一片區(qū)域或整個(gè)地球，所以需要頻繁的交互過程，從一個(gè)衛(wèi)星天線光束到另一個(gè)天線光束，或從一個(gè)衛(wèi)星到另一個(gè)衛(wèi)星，甚至是一個(gè)陸地網(wǎng)關(guān)到另一個(gè)陸地網(wǎng)關(guān)。

3 各類衛(wèi)星系統(tǒng)的比較

接下來，我們介紹一些目前正在運(yùn)作的衛(wèi)星系統(tǒng)，如基于近地軌道的Iridium系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)，基于對地同步軌道的INMARSAT BGAN系統(tǒng)和Thuraya系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，衛(wèi)星天線具有多個(gè)點(diǎn)光束，這些點(diǎn)光束能夠放射到地球上的信元，因此對地球?qū)崿F(xiàn)了類似蜂窩的覆蓋。

Irdium是當(dāng)今衛(wèi)星系統(tǒng)的祖先之一。提供的服務(wù)上，Irdium系統(tǒng)支持語音和低比特率的數(shù)據(jù)傳輸。Iridium衛(wèi)星群是一個(gè)衛(wèi)星的大集合，向全球的衛(wèi)星電話、尋呼器、收發(fā)器提供聲音和數(shù)據(jù)服務(wù)。Iridium通信集團(tuán)擁有并營運(yùn)這個(gè)衛(wèi)星群，負(fù)責(zé)出售衛(wèi)星群的設(shè)備和進(jìn)入服務(wù)的權(quán)限。Irdium是唯一一個(gè)可以覆蓋全球的衛(wèi)星系統(tǒng)，包括了極地地區(qū)，航空與海洋區(qū)域。系統(tǒng)由66個(gè)活動(dòng)的近地衛(wèi)星組成，采用無線通信網(wǎng)絡(luò)，并可通過內(nèi)部鏈接在衛(wèi)星間傳輸數(shù)據(jù)。對于語音電話，端到端的路徑通過內(nèi)部鏈接在空中建立;對于數(shù)據(jù)交換服務(wù)，系統(tǒng)可能會(huì)使用內(nèi)部鏈接來傳輸流量到最近的Irdium的陸地網(wǎng)關(guān)。目前，有5個(gè)網(wǎng)關(guān)在服務(wù)中。Irdium為美國國防部門提供服務(wù)，同時(shí)，也密切監(jiān)控地球的自然環(huán)境。

Globalstar是當(dāng)今衛(wèi)星系統(tǒng)的另一個(gè)祖先。Globalstar系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)語音，數(shù)據(jù)傳輸和傳真服務(wù)。系統(tǒng)一能夠?yàn)樵谡?fù)70緯度的地區(qū)提供通信服務(wù)（極地地區(qū)除外），二能為有陸地網(wǎng)關(guān)的區(qū)域提供服務(wù)。Globalstar由48個(gè)彎曲管道形狀的近地衛(wèi)星組成，沒有內(nèi)部鏈接。在衛(wèi)星覆蓋下，一個(gè)新的呼叫可以尋址到網(wǎng)關(guān)。目前，全球有25個(gè)服務(wù)中的網(wǎng)關(guān)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)的覆蓋半徑約為2000km。根據(jù)噪音等級，Globalstar的語音服務(wù)采用不同的比特編碼率，分別為2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s。傳輸文件速度最大則為9.6kbit/s。

在全球，Globalstar擁有超過31500的用戶（2008年6月統(tǒng)計(jì)），是全球最大的移動(dòng)衛(wèi)星語音和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的提供商。Globalstar為全球120個(gè)以上的國家用戶提供商業(yè)或者娛樂服務(wù)。Globalstar的產(chǎn)品包括移動(dòng)和固定衛(wèi)星電話，單工以及雙工衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器以及衛(wèi)星通話時(shí)間包。

2007年末，Globalstar的子公司SPOT LLC推出了一個(gè)掌上型衛(wèi)星短信服務(wù)于個(gè)人安全監(jiān)測裝置，被稱為SPOT衛(wèi)星短信。Globalstar的客戶種類包括：石油，政府，煤礦，林業(yè)，捕魚業(yè)，公共設(shè)施，軍事，交通，重大建筑工程，緊急預(yù)案，業(yè)務(wù)連續(xù)性以及娛樂用戶。

Thuraya由領(lǐng)先的國家電信運(yùn)營商和國際投資公司在1997年建立，現(xiàn)由美國波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司管理、實(shí)現(xiàn)、安裝。Thuraya覆蓋超過110個(gè)國家，從歐洲，北非，中非，中東，中亞到印度次大陸。Thuraya支持的衛(wèi)星通信服務(wù)包括：類似GSM的語音服務(wù)，傳真/數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，英特網(wǎng)連接服務(wù)（通過一個(gè)筆記本大小的終端設(shè)備），此外，還有一項(xiàng)新開發(fā)的基于IP的服務(wù)。Thuraya由2個(gè)對地同步衛(wèi)星組成，分別為Thuraya-2和Thuraya-3（09年取代Thuraya-1衛(wèi)星，以擴(kuò)大對亞洲以及澳大利亞的覆蓋區(qū)域）。Thuraya采用雙工模式，既能夠進(jìn)入陸地GSM又可進(jìn)入不在服務(wù)區(qū)域的衛(wèi)星系統(tǒng)，因此允許了客戶在廣闊區(qū)域不收干擾的漫游。速度方面，語音服務(wù)同Globalstar相同，采用不同的比特編碼率，分別為2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s，英特網(wǎng)連接速度為144kbit/s，基于IP的新服務(wù)速度則可以高大444kbit/s。1997年，Thuraya由領(lǐng)先國家電信運(yùn)營商和國際投資公司在UAE建立42.使用2個(gè)對地同步衛(wèi)星，Thuraya覆蓋超過110個(gè)國家，從歐洲，北非，中非，中東，中亞到印度次大陸。Thuraya-3最近替換了Thuraya-1衛(wèi)星，擴(kuò)大了亞洲（例如中國、日本）和澳大利亞的覆蓋區(qū)域。

國際海事衛(wèi)星組織（International Maritime Satellite Organization， INMARSAT）建立于1979年，用于服務(wù)海洋社區(qū)，是利用美國通信衛(wèi)星公司（COSMAT）的MARISAT衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星通信的。INMARSAT控制著一個(gè)GEO衛(wèi)星群，提供覆蓋整個(gè)世界（除了極地地區(qū)）的移動(dòng)電話，傳真，數(shù)據(jù)通信服務(wù)。INMARSAT使用12個(gè)GEO衛(wèi)星，4個(gè)INMARSAT-2，5個(gè)INMARSAT-3，和3個(gè)INMARSAT-4，在距離赤道上空約35700km的同步軌道上運(yùn)行[5]。

船站、岸站、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站和衛(wèi)星等部分組成了INMARSAT系統(tǒng)。船站是設(shè)在船上的地球站，因業(yè)務(wù)需求被分為4個(gè)類型，他們分別為A型站、B型站、M型站和C型站標(biāo)準(zhǔn)，其中B型站與M型站采用了數(shù)字技術(shù)，最終將會(huì)取代A型站與C型站。船站有2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，一是對信號的接收，二是自身的設(shè)計(jì)。由于船只在航行過程中式持續(xù)在運(yùn)動(dòng)的，SES天線在跟蹤衛(wèi)星時(shí)，必須克服船身位移、偏航所產(chǎn)生的影響。同時(shí)，SES設(shè)備在體積上不宜過大，應(yīng)做到盡量小巧，便于安裝，不會(huì)影響船只的正常航行。岸站是指設(shè)在海岸附近的地球站。沿岸行駛的船只可通過岸站進(jìn)行與陸地的互聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務(wù)。它既是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的接口，又是一個(gè)控制和續(xù)接中心，對從船舶或陸上來的呼叫進(jìn)行分配并建立信道。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站完成一個(gè)洋區(qū)內(nèi)衛(wèi)星通信必要的信道控制和分配工作，起著至關(guān)重要的作用，每個(gè)洋區(qū)至少一個(gè)。INMARSAT系統(tǒng)的組成如下，對地同步衛(wèi)星光束分別發(fā)射到飛機(jī)、陸地車輛、移動(dòng)終端、固定終端、岸站以及船站。

下面具體介紹由INMARSAT所支持的最具創(chuàng)新的系統(tǒng)（Broadband Global Area Network，BGAN）。 BGAN廣播全球區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用3個(gè)INMARSAT-4衛(wèi)星（由EADS Atriump建造）給固定和移動(dòng)用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入、話音、傳真、短信等通信服務(wù)。BGAN提供了85%的全球無縫隙網(wǎng)絡(luò)覆蓋，終端設(shè)備重量約1-2.5kg。

BGAN衛(wèi)星是彎的管道：饋電鏈路使用C帶并有能夠覆蓋全球的廣播;然后，用戶連接（通過衛(wèi)星給用戶的傳輸）在L帶并采用一個(gè)最高達(dá)256個(gè)光束的配置天線。傳統(tǒng)配置下，19個(gè)寬光束（大覆蓋），228細(xì)光束（專門覆蓋），和1個(gè)全球光束，只有細(xì)光束被使用在陸地移動(dòng)通信中。這個(gè)系統(tǒng)允許3個(gè)等級的移動(dòng)用戶終端通信，（信息比特率）在4.5kbit/s到492kbit/s左右。1等級終端可以達(dá)到最大492kbit的吞吐率（上行和下行），2等級下行可達(dá)到464kbit，上行可達(dá)到448kbit，此外，3等級下行可達(dá)到384kbit，上行可達(dá)到240kbit。

BGAN取代了WCDMA的3G系統(tǒng)典型空中接口，對空中接口的所有權(quán)（稱為INMARSAT空中接口-2，IAI2）進(jìn)行不同的調(diào)整，3等級終端只能使用π/4-QPSK進(jìn)行傳輸，在QPSK和15QAM下接收）。此外，細(xì)光束只使用16QAM調(diào)整策略。可使傳輸功率，帶寬，編碼率，和調(diào)成策略適應(yīng)終端能力和通道情況，以取得更高的傳輸效率。

為了對現(xiàn)在正在運(yùn)營的衛(wèi)星系統(tǒng)有一個(gè)更全面更清晰的了解，以下從地球覆蓋率、最大速度、系統(tǒng)價(jià)格、支持應(yīng)用方面進(jìn)行了總結(jié)，見表1。

4 總結(jié)

本文先簡單地介紹了構(gòu)建海洋互聯(lián)網(wǎng)的意義，衛(wèi)星具有通信距離遠(yuǎn)，全球覆蓋等特點(diǎn)，用其構(gòu)建海洋互聯(lián)網(wǎng)是個(gè)非常好的選擇，詳細(xì)的介紹了主流的衛(wèi)星系統(tǒng)，對各系統(tǒng)進(jìn)行了分析比較。然而，衛(wèi)星通信也有其缺點(diǎn)，如價(jià)格昂貴，速率低，要構(gòu)建高速率低費(fèi)用的海洋互聯(lián)網(wǎng)還需我們進(jìn)一步研究。

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[4] Paolo Chini，Giovanni Giambene，Sastri Kota，呂京梅，王琦.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與比較分析[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2012（05）：38-46.

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