用天通一号说说卫星移动通信系统的组成及应用
用天通一号说说卫星移动通信系统的组成及应用
文 | 杨廷卿 、林善亮
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前 言
通信是人类实现信息沟通交流的必须手段， 随着通信技术的不断演变、进步，以无线电为代表的通信技术改变了人类的生活方式。卫星移动通信相对于传统地面移动通信系统，具有不受地理环境限制、信号覆盖范围广、容量大等优点，利用卫星通信的特点，可以满足用户在偏远山区、海洋和高原等区域通信的需求。
2018 年 5 月 25 日，中国电信“天通一号卫星移动通信”面向青海商用市场正式放号， 标志着进入到卫星移动通信的手机时代。（卫网君注：1月20日0时25分，天通一号03星成功发射，标志着我国自主可控的卫星移动通信系统将实现亚太区域覆盖。）天通一号作为大容量的地球同步移动通信卫星，可以为个人、移动的车辆、船舶、飞机等用户提供短信、语音及数据业务，同时终端可以做到便携、小型化或者手持。
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卫星移动通信特点
卫星移动通信是地面移动通信的有效补充， 具有通信容量大、覆盖距离远、传输质量高及实现“动中通”等特点。
（1）通信容量大：卫星的容量目前最高超过 300 Gbps，能为几万路话音及几百个视频信道提供服务。
（2）覆盖距离远：一颗地球同步轨道通信卫星可覆盖地球表面的 40%，理论上3颗地球同步轨道卫星即可覆盖全球。地面两点的通信距 18 000 km 左右， 它能覆盖目前地面移动通信难以覆盖到的区域，如广阔的海洋、沙漠，且覆盖区域内所有地球站均能通过同一个卫星进行相互通信。
（3）传输质量高：由于卫星通信电波一般在大气层以外的宇宙空间传播，不像短波通信容易受到电离层的影响，受自然和环境的因素影响较小，因此道条件比较好，传输质量高，卫星通信正常运转率达 99.8％以上。
（4）实现“动中通”：移动卫星用户多样，移动载体可以是飞行器、地面移动装备，海上移动载体和移动单兵，移动用户 可在移动载体上集成了卫星通信系统， 可实现载体在移动中的不间断通信。
当然，卫星移动通信也存在一些需要改进的地方：
①移动终端由于要集成卫星系统，那么终端的体积、功耗、重量均要受限制，另外天线尺寸及安装也要受限移动载体，手机终端的要求更严。
② 传输时延大：用户到卫星的距离最大可达40 000 km， 电磁波虽然以光速传输， 以打电话的话， 由于两个站的用户都要经过卫星， 打电话者要听到对方的回答要至少等待 0.54 s，有“回声效应”。
③存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。同时用户在移动过程中，当移动终端与卫星之间的链路受阻时，会产生阴影效应，造成通信的阻断。
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2卫星移动通信系统组成
卫星移动通信系统指的是通过人造地球卫星， 转发移动用户之间用于进行通信的无线信号， 实现用户之间的移动通信。根据不同人造卫星运行的轨道，卫星移动通信系统包括GEO（geostationary earth orbit， 简称高轨道卫星或地球同步卫星）卫星系统与 LEO（low earth orbit，简称低轨道卫星）卫星系统，高轨道卫星系统与低轨道卫星系统区别如表 1 所示。
表 1 高轨道与低轨道卫星移动通信系统的区别
卫星移动通信系统一般包括空间段、地面段及用户段。空间段一般由多个卫星组成， 在用户与信关站之间起到中继作用；地面段主要包括信关站、卫星控制中心、网络控制中心及用户信息管理系统，信关站通过 PSTN 与电信运营商互联。用户段主要由用户终端组成，包括移动终端及手持终端。
“天通一号”系统由同步轨道移动通信卫星、信关站及应用系统统组成。卫星引入了三维数字化设计，采用了具有自主知识产权的天线技术，集成多种信息处理功能。天通一号卫星移动通信系统，用户波束在 S 频段， 配置 1 付 15.6 m 收发共用的多波束天线和 2 付小口径海域波束天线， 馈电波束在 C 频段。覆盖中国领土及领海。
天通一号卫星移动系统的核心部分是信关站， 信关站实现用户的接入、路由交换、应用管理及业务支撑等功能。信关站包括卫星接入网、核心网、业务系统及支撑系统四部分构成。
卫星移动通信系统的多址技术有 FDMA、TDMA、CDMA 和 OFDM。卫星移动通信系统主要采用 CDMA 及 OFDM 接入方式。随着卫星和地面移动通信网络的逐渐融合的趋势，研究基于 OFDM 的卫星移动通信关键技术对卫星移动通信系统显得尤为重要。
卫星移动通信系统天线由简单天线、 赋形天线到现在使
用较多的多波束成形天线。 高轨道（GEO）卫星移动通信系统主要使用多波束成形天线。利用波束成形天线，能提供频谱复用效率，同时与多址接入技术的结合使用，能提高卫星移动通信的tf行通信能力。
卫星主要起到传输中继作用， 星上处理主要解决卫星移动系统的传输质量、时延等问题。星上交换技术主要通过数字方式实现，实时性好、抗干扰性强，资源利用率高，但是该技术目前不是很成熟，但是一个趋势，随着星上处理交换技术的成熟，必定会在卫星移动通信系统使用。
移动用户通过星间链路接入卫星移动通信系统。星间链路技术扩大了卫星覆盖范围，同时能提高系统抗干扰能力。星间链路技术友微波通信和激光通信两种方式。微信通信使用较广，但不可能无限制地提高传输速率和传输容量。激光通信具有频谱带宽的优点， 可以弥补微波通信不能无限制提高传输速率及容量的缺点，但是对卫星的姿态控制要求高，卫星姿态不稳定，就可造成通信中断的可能性。
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卫星移动通信系统应用
“天通一号”卫星移动通信系统支持星状组网，用户终端以单跳方式通过信关站访问地面网络， 以双跳方式实现网内用户终端之间的通信。卫星移动通信系统提供对个人、车辆、飞机、船舶等用户的话音、短信、传真、数据回传等通信业务，也可直接面向行业提供全天候的移动通信业务。具体的通信业务包括宽带 WiFi 接入、LTE 中继接入及物联网的应用等。
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总 结
卫星移动通信具有覆盖范围大、传输效率高、可靠性好等特点，已广泛应用于军事及民用领域，成为通信领域不可或缺的一种手段。5G 是先进通信技术的集大成者，代表地面移动通信的最高水平，卫星移动通信网络与 5G 网络的融合是一个趋势。这赋予卫星移动通信巨大的市场推动力。本文从卫星移动通信的特点出发，介绍了卫星移动通信系统的组成、应用， 期望能起到一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]肖龙龙，梁晓娟，李 信.卫星移动通信系统发展及应用[J].通信技术，2017，50（6）：1093-1100.
[2]肖 娜，骆 盼.自主卫星移动通信系统在海上通信中的应用[J].电信网技术，2017（10）：6-11.
本文转载自“通信设计与应用”，原标题《卫星移动通信系统组成及应用的探讨》，文 | 杨廷卿 、林善亮 。