全球個人通信系統(tǒng)——衛(wèi)星移動通信的新目標(biāo)

全球個人通信系統(tǒng)——衛(wèi)星移動通信的新目標(biāo)（陸文福、賈玉濤）
    隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國之間互相滲透，人們之間的交流大大增加，而另一方面則
是世界上還有許多人煙稀少的山區(qū)、草原、沙漠和島嶼也需要發(fā)展和溝通信息，這就使近
十年來信息傳遞領(lǐng)域中衛(wèi)星移動通信的需求量大增。在這段時期里，正值衛(wèi)星技術(shù)、大規(guī)
模集成技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)等取得了前所未有的發(fā)展。于是人們就不滿足可搬動
的小型衛(wèi)星通信地面站或能便攜的衛(wèi)星通信用戶機狀態(tài)，希望能夠用手持帆實現(xiàn)任何一個
人（Whoeve）在任何時間（Whenever）任何地點（Wherever）都能與世界上其他任何人
（Whomever）進(jìn)行任何萬式（Whatever）的通信，這就是所謂全球個人通信標(biāo)志 （5W），
第五個W是指可以支持話音、數(shù)據(jù)和圖像等多種業(yè)務(wù)通信。
    地面移動蜂窩通信系統(tǒng)，它只能限于大中城市和主要的通道兩旁，不可能覆蓋全世界
每個角落，因為轉(zhuǎn)播臺的作用距離僅5～15Km，如果建立能覆蓋全球每個地方的中繼網(wǎng)，
無論是從經(jīng)濟(jì)上或從枝術(shù)上講都是不可能的，本文研究的全球個人通信系統(tǒng)與地面移動通
信系統(tǒng)不同處在于系統(tǒng)的中繼網(wǎng)建在空中，中繼站就是衛(wèi)星，由于衛(wèi)星登高遠(yuǎn)望，通視范
圍廣，所以，利用衛(wèi)星移動通信實現(xiàn)全球個人通信系統(tǒng)將優(yōu)選于地面蜂窩移動通信。衛(wèi)星
的軌道高度決定衛(wèi)星數(shù)量的多少，無論是在同步軌道（GE）、大橢圓軌道（HEO）、中橢
圓軌道（MEO）和低橢圓軌道（LEO）上所要發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量一般多是可以做到的。
    衛(wèi)星移動通信建設(shè)快、資源利用率高、投資少而能達(dá)到全球的范圍，同時有很大的利
潤，如全球星（Globalstar）公司的財務(wù)主管預(yù)測，公司每年可獲利18億美元。如此高額
的利潤，必然會吸引全世界的投資者進(jìn)入這一新興產(chǎn)業(yè)，使成為當(dāng)今的投資灼熱點。無論
是發(fā)達(dá)國家，還是發(fā)展中國家，他們提出了許多方案、建議和計劃，據(jù)1997年9月電聯(lián)衛(wèi)星
總表，向電聯(lián)申報的1-3GHz頻段的非靜止軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已有181個，已見于公開資料的就有
20多個，這些衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)并不都是個人全球通信系統(tǒng)，因為有的系統(tǒng)的用戶終端還
不能做到手持要求的大小，沒能滿足本文第一段的關(guān)于全球個人通信系統(tǒng)的概念，例如利
用同步軌道的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)一般用戶終端是一個小站，這是由于信號的傳播路徑很遠(yuǎn)，
損耗大的原因，這樣的系統(tǒng)設(shè)計時并不要求考慮用戶終端用手持機。在已見到報道的衛(wèi)星
移動通信系統(tǒng)范圍內(nèi)有四個比較著名的系統(tǒng)，它們是ICO、Iridium、Globalstar和Odyssey
系統(tǒng)，它們都是屬于全球個人通信系統(tǒng)。ICO的含意是中高度圓形軌道，它是Inmarsat新
成立的全球通信公司，專門負(fù)責(zé)Inmarsat-p(p－21)計劃的實施：Iridium就是摩托羅拉
（Motorola）公司推出的一個全球低軌道個人通信系統(tǒng)．即是人們所說的合球通信系統(tǒng)：
Globalstar全球衛(wèi)星系統(tǒng)是（Loral－OualComm）公司提出的一個全球低軌道個人通信系
統(tǒng)；Odyssey（奧迪賽）系統(tǒng)是美國TRW公司發(fā)展的一個全球中軌道個人通信系統(tǒng)。1997年
12月TRW公司宣布由于經(jīng)濟(jì)上原因放棄Odyssey計劃，同時成為競爭對手ICO公司的一個股
東。因而現(xiàn)在只有三個著名系統(tǒng)了。
    全球個人通信系統(tǒng)都應(yīng)具有Iridium系統(tǒng)那樣的功能，也就是研制成一種雙模式電話，
這種電話具有全球范圍的兼容性，而且用不著進(jìn)開現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，它首先尋找地面的蜂
窩信號，當(dāng)不能獲得地面服務(wù)時就切換到衛(wèi)星星座上去，并允許所叫者選擇他們喜歡的呼
叫線路。另外．這些系統(tǒng)還將與公共交換電電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）連接，使得任何一個系統(tǒng)的
用戶都可以和世界上任何一部電話通話，此外系統(tǒng)還有對用戶的定位功能，定位精度在
1～2Km的范圍內(nèi)。
    Iridium等三個系統(tǒng)分別與我國的航天、交通和信息等部門都有合作協(xié)議，換句話說
上述三個系統(tǒng)均有我國的股份，有的股份還很大，是國際上最大的投資者之一，例如ICO，
我國交通部所占股份為ICO總投資的7.2％，是ICO公司董事會董事，這三個全球個人通信
系統(tǒng)將來在我國的移動通信市場上會占到相當(dāng)?shù)姆蓊~。因此我們有興趣予以注意，本文
對它們作些研究的原因主要也在這里。表1和表2是ICO、Iridium和Globalstar等的狀況
比較表，以下我們分別從軌道、衛(wèi)星通信體制和系統(tǒng)組成等方面予以淺析之：





























































  
     
 
      
系統(tǒng)名稱

    
    
 
      
銥系統(tǒng)

    
    
 
      
全球星系統(tǒng)

    
    
 
      
ICO系統(tǒng)

    
  
  
     
 
      
經(jīng)營者

    
    
 
      
Motorola公司

    
    
 
      
Loral/Qualcomm公司

    
    
 
      
Inmarsat公司

    
  
  
     
 
      
提出日期

    
    
 
      
1987年

    
    
 
      
1991年6月

    
    
 
      
1991年9月

    
  
  
     
 
      
投資（億美元）

    
    
 
      
50

    
    
 
      
27

    
    
 
      
接近50

    
  
  
     
 
      
系統(tǒng)特點

    
    
 
      
星上有處理器星際有鏈路，地面信關(guān)站少

    
    
 
      
設(shè)計比較簡單，整個系統(tǒng)當(dāng)作地面蜂窩系統(tǒng)的延伸

    
    
 
      
有Inmarsat兩代成功經(jīng)驗，技術(shù)風(fēng)險不大

    
  
  
     
 
      
目前狀況

    
    
 
      
發(fā)射衛(wèi)星已經(jīng)完畢

        正在系統(tǒng)試驗高速階段 

    
    
 
      
發(fā)射衛(wèi)星還未結(jié)束

    
    
 
      
正在建設(shè)SAN站（接續(xù)樞紐站）

    
  
  
     
 
      
終端設(shè)備或手持機價格預(yù)測（元）

    
    
 
      
￥1000

    
    
 
      
￥700

    
    
 
      
￥500-1000

    
  
  
     
 
      
服務(wù)費預(yù)計

    
    
 
      
￥3/分鐘

    
    
 
      
￥0.3分鐘

    
    
 
      

    
  
  
     
 
      
預(yù)測用戶數(shù)（萬戶）

    
    
 
      
200-300（2010年）

    
    
 
      
700（2005年）

    
    
 
      
400（2010年）

    
  
  
     
 
      
計劃商用時間

    
    
 
      
1998年9月

    
    
 
      
1999年初

    
    
 
      
2000年

    
  







































































  
     
主要技術(shù)參數(shù)
    
銥系統(tǒng)
    
全球星系統(tǒng)
    
ICO系統(tǒng)
  
  
     
衛(wèi)星總數(shù)（個）
    
66
    
48
    
10
  
  
     
軌道平面數(shù)
    
6
    
8
    
2
  
  
     
軌道高度（公里）
    
780
    
1389
    
10355
  
  
     
軌道形狀
    
極地
    
圓形
    
圓形
  
  
     
覆蓋范圍
    
全球
    
70°N-70°S
    
75°N-75°S
  
  
     
饋電鏈路頻率
    
上行27.5-30.0GHz

      下行18.8-20.0GHz
    
上行5059-5250MHz

      下行6875.95-7052.9MHz 
    
上行5059-5250MHz暫

      下行6925-7075MHz定 
  
  
     
用戶鏈路頻率（MHz）
    
上行1610-1626.5

      下行1610-1626.5 
    
上行1610-1626.5

      下行243.5-2500 
    
上行1980-2010

      下行2170-2200 
  
  
     
衛(wèi)星波束/每星
    
48
    
16
    
163
  
  
     
星上處理
    
有
    
無
    
無
  
  
     
多址連接
    
TDMA/FDMA
    
CDMA/FDMA
    
TDMA/FDMA
  

一、軌道
    衛(wèi)星發(fā)展的歷史告訴我們，早期的通信衛(wèi)星都采用中低軌道，以后才采用中高軌道
乃至地球同步軌道。目前，地球同步軌道衛(wèi)星通信成為“正統(tǒng)”，衛(wèi)星移動通信都由同
步軌道開始，而發(fā)展到中／低、中／高軌道，尤其個人全球通信系統(tǒng)的軌道非中低、中
高軌道莫屬。
    （1）三個系統(tǒng)中ICO的衛(wèi)星軌道是屬于高度在10350Km（6小時的軌道周期）的中高
度軌道系統(tǒng)，它是全球個人通信系統(tǒng)衛(wèi)星星座軌道的基本選擇。經(jīng)論證，認(rèn)為對于手持
終端業(yè)務(wù)是最佳的，主要根據(jù)是：
    從覆蓋性能看，可提供保證最大仰角的全球覆蓋；
    衛(wèi)星數(shù)量適中；
    為實現(xiàn)手持終端業(yè)務(wù)，衛(wèi)星的大小合適；
    通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度適中：
    頻率復(fù)用較好：
    鍵路信號延遲低：
     輻射劑量不超過限度：
    衛(wèi)星移動速度慢；
    全球系統(tǒng)覆蓋，每個衛(wèi)星接續(xù)樞紐（SAN）可以覆蓋一個大洲；
    技術(shù)風(fēng)險和實施風(fēng)險可以接受；
    衛(wèi)星結(jié)構(gòu)管理的復(fù)雜性可以接受；
    造價合理。
    總之，IOC中高度軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是一種具有競爭實力的系統(tǒng)。
    （2）Iridium和Globalstar系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道在1000Km左右的稱為低軌道衛(wèi)星移動通
信系統(tǒng)，低軌道衛(wèi)星集中了低軌道衛(wèi)星、同步軌道衛(wèi)星和大橢圓傾斜軌道衛(wèi)星組成衛(wèi)星
通信系統(tǒng)的優(yōu)點，這些優(yōu)聲、諸如可用容易發(fā)射的小衛(wèi)星，能夠提供實時連續(xù)通信，覆
蓋區(qū)域包括兩極在內(nèi)的全球范圍和不存在高緯度地區(qū)移動通信的遮擋和衰減問題等等。
但是，由于軌道低、衛(wèi)星數(shù)量多、運行壽命短和地面管理尚無成熟經(jīng)驗，在經(jīng)濟(jì)成本方
面還不是處在優(yōu)勢地位，但是它具有路徑損耗小、通信延遲時間短、收發(fā)機功率低、用
戶使用方便等特點。
二、衛(wèi)星
    中高軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)配置的衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)配置的衛(wèi)星相
比一般要大一些。 ICO、Iridium和Globalstar，三 個系統(tǒng)的衛(wèi)星的質(zhì)量分別為2300Kg、
800Kg和232Kg，但是它們在軌道上配置的衛(wèi)星數(shù)分別為10、66和48顆，質(zhì)量大的衛(wèi)星其
功能要多一些，壽命要長一些，精度要高一些，枝術(shù)要復(fù)雜一些，反之不然。Iridium
和Globalstar兩個系統(tǒng)相比，Globalstar不僅衛(wèi)星數(shù)量少，而且衛(wèi)星質(zhì)量也輕，這是因
為Iridium衛(wèi)星星上有星間鏈路通信設(shè)備和星上信號處理設(shè)備的原因，星間鏈路的增加，
可以相應(yīng)減少地面信關(guān)站之類的設(shè)備。此外，由于Globalstar的軌道較高，所以衛(wèi)星數(shù)
較少。
    對于中低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的小型衛(wèi)星與中高軌道衛(wèi)星相比具有：價格低廉、
結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計周期短等特點，可采用標(biāo)準(zhǔn)化星體和模塊化設(shè)計．從而可以批量生產(chǎn)和
儲存，便于及時發(fā)射和補充。小型通信衛(wèi)星的另一重要的用途是為新的通信體制、通信
技術(shù)提供靈活、有效、廉價的在軌實驗平臺。
    衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對三個系統(tǒng)來說除了Iridium采用衛(wèi)星信號處理器外均是采用透明式的，
或者叫做“彎管型”轉(zhuǎn)發(fā)器。
    三個系統(tǒng)衛(wèi)星平臺均采用三鈾穩(wěn)定方式。
三、頻率
    衛(wèi)星移動通信的工作頻率十分重要，它直接影響到整個通信系統(tǒng)的通信容量、質(zhì)量、
設(shè)備的復(fù)雜程度、成本的高低和可靠性。可是一個系統(tǒng)的工作頻率并不是可以自由選擇
的，它是由國際電聯(lián)規(guī)定的。
    本及研究的Iridium等三個系統(tǒng)衛(wèi)星-用戶之間使用的頻率都是在國際電聯(lián)分配的范
圍之內(nèi)，ICO使用的2000MHz、2200MHZ是海事衛(wèi)星專用頻段，Globalstar、Iridium兩個
系統(tǒng)使用的頻率是1987年國際電聯(lián)批準(zhǔn)的RDSS（衛(wèi)星無線電測定服務(wù)）專用頻段之內(nèi)，
后來由于經(jīng)營RDSS的Geostar、Locstar等公司的倒閉，RDSS頻段給衛(wèi)星移動通信挪用了。
這個頻段原先是劃給航空安全業(yè)務(wù)用的，由于航空安全業(yè)務(wù)尚未使用這個頻段，所以國
際電聯(lián)曾告示在使用1610.5～1626.5、2483.5～2500頻段的RDSS經(jīng)營者：在這個頻段中
不得干擾航空安全業(yè)務(wù)，為此對它們在星上和地面有嚴(yán)格的功率密度要求。
    1992年世界無線電行政大會（WARC－92）為使用非對地靜止軌道的衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)
（GZSO／MSS）劃分了1-3GHZ范圍內(nèi)的頻段，我們研究的ICO等三個系統(tǒng)都在這一范圍內(nèi)。
    1997年世界無線電行政大會（WAR－97），在1－3GHz來為衛(wèi)星移動通信劃分新的頻
段。
    衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的可用頻率在UHF、Ku、Ka、L、S波段里都有法定頻段的安排，
但不按規(guī)定的也存在，例如Qualcomm的OmniTRACS系統(tǒng)也有用C波段的。
四、通信體制
    一個系統(tǒng)的通信體制包括調(diào)制、糾錯和多址方式等三部分。
    （1）調(diào)制
    Iridium、Globalsta和ICO三個全球個人通信系統(tǒng)都采用數(shù)字相移鍵控調(diào)制方式，
但是具體的相移鍵控方式不一樣，Globalstar和iridium都采用四根相移鍵控（4PSK）：
ICO采用漢相相移鍵控（BPSK）。
    （2）糾錯
    由于是全球個人通信使用手持機工作，手持機的EIRP和G／T值一般不可能大大，所
以信道質(zhì)量不會大好，此外，采用相移鍵控的調(diào)制方式，對相位干擾比較敏感，影響誤
碼率，所以均采用券快編碼維特比（Viterbi）譯碼的前向糾錯技術(shù)（FEC），維持比澤
碼可以改善信號的唁噪比，一般有3-5dB編碼增益，這是十分可觀的，但是也帶來一定
的缺點，例如卷積編碼維持比澤碼帶來信道帶寬的增加等。
     （3）多址方式
    幾個系統(tǒng)的多址方式不盡一樣：
    Iridium采用TDMA，Globataar采用CDMA，ICO的多址方式經(jīng)過較長時間討論，主要
涉及CDMA和TDMA之爭，后來決定采用TDMA。
    由上面敘述可知，Iridium等三個全球個人通信系統(tǒng)不是采用TDMA多址接入方式，
就是采用CDMA多址接入方式，對于TDMA和CDMA的比較可從以下四個方面來討論：
    a、容量
    CDMA如果不是正交的方式，它的系統(tǒng)容量將小于TDMA；
    正交CDMA需要很精確的時間同步（1/10ChiP）。
    b、功率控制
    CDMA對功率要求非常準(zhǔn)確，否則系統(tǒng)容量將大幅度下降。
    C、用尸機
    CDMA需要高性能的雙工器：
    CDMA的G／T值要比TDMA低0.5-1dB。
    d、自我干擾
    非正交CDMA系統(tǒng)存在自我干擾。
五、手持機
    手持機對三個系統(tǒng)來說，都是重要的部分，只能采用低增益無方向性天線，發(fā)射機
的功率也只能在0.5-1W量級，與一般的蜂窩手持機大小差不多，而且價格要低。
    三個系統(tǒng)的手持帆有一個共同的特點，即必須設(shè)計成雙模式，即對上能進(jìn)入衛(wèi)星移
動通信系統(tǒng)，對下能進(jìn)入地面蜂窩移動通信系統(tǒng)工作，由于地面蜂窩還存在模擬制式，
所以全球個人通信系統(tǒng)的手持機還必須做到數(shù)字和模擬制式的兼容。
六、美好的發(fā)展前景和存在的問題
    移動衛(wèi)星全球個人通信的產(chǎn)生和發(fā)展是全球通信的重要變革，意義深遠(yuǎn)具有巨大的
市場潛力。據(jù)調(diào)查，到本世紀(jì)末，世界上可能有多于80％的陸地，大約40％的人口不在
蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)。而世界上蜂窩覆蓋范圍內(nèi)的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不能實現(xiàn)全球
個人通信，這給衛(wèi)星移動通信的發(fā)展提供了巨大的市場，發(fā)展遠(yuǎn)景十分美好。
    三個全球個人通信系統(tǒng)中的Iridium低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)采用衛(wèi)星J司聯(lián)接，突破了衛(wèi)星
通信系統(tǒng)原有的模式，是富有挑戰(zhàn)性的，與別的系統(tǒng)相比，可以少設(shè)許9信關(guān)站。但是
也招惹了麻煩，一些國家強調(diào)主權(quán)不與Iridium系統(tǒng)合作，會影響整個系統(tǒng)的效率。
    全球個人通信系統(tǒng)不是容易得到的，它要解決一些高難的技術(shù)問題，實現(xiàn)全球個人
通信要涉及的技術(shù)是多方面的，如寬帶傳輸技術(shù)、智能化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和高速計算與存儲技
術(shù)等，與其關(guān)系最密切的是無線移動通信技術(shù)，在個人通信網(wǎng)絡(luò)中主要解決的是終端的
移動性問題，此外還應(yīng)解決如何提供大容量和高質(zhì)量的業(yè)務(wù)能力，除了語言外還應(yīng)支持
數(shù)據(jù)和圖象等業(yè)務(wù)，還需要研究應(yīng)用以下諸枝術(shù)：
    無線傳輸技術(shù)
    與無線傳輸有關(guān)的問題有無線個人通信的頻段、調(diào)制解調(diào)方式、信道編譯碼方式、
抗衰落方式和變址方式等。
    無線多址技術(shù)
    為了適應(yīng)未來個人通信的需要，多址枝術(shù)應(yīng)能支持在寬帶周邊的各種業(yè)務(wù)，能適應(yīng)
各種速率的業(yè)務(wù)接入，如變速率寬帶CDMA技術(shù)、高級寬帶TDAA技術(shù)、分組預(yù)約多址批
（PRMA）技術(shù)和無線ATM技術(shù)等。
    智能化天線技術(shù)
    天線已經(jīng)不只是電磁波與收發(fā)信帆的接口了，在解決衰落和多址問題時，同樣發(fā)揮
愈來愈重要的作用，例如采用天線分集技術(shù)。
    軟件無線電技術(shù)
    軟件無線電技術(shù)的基本思路是將數(shù)字處埋過程盡量靠近射頻前端，也即將A/D和D
／A變換器盡量靠近射頻前端，利用數(shù)字信號處理器（DSP）的處理能力和軟件的靈活性
進(jìn)行信道分離、調(diào)制解調(diào)，信道編譯碼等。保證對輸入信號的調(diào)制方式、多址方式、編
碼格式進(jìn)行自動識別和解調(diào)，實現(xiàn)信息的正確接收。針對不同的體制，只需要改變軟件
就可適用，比如可以做世界范圍的無縫覆蓋和城市、鄉(xiāng)村兩種多址方式的同時使用。
七、寬帶大容量近地軌道通信系統(tǒng)相繼興起
    Iridium等三個新一代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)起程，同時更新型的系統(tǒng)又已出現(xiàn)。1997
年6月Motorola提出了Teledesic系統(tǒng)，Teledesic系統(tǒng)是一個全球超級LEO衛(wèi)星系統(tǒng)，軌
道上有288顆衛(wèi)星，總投資為90美元。Motorola同時又推出一個新的由63顆LEO組成的系
統(tǒng)，命名為Celestri，該系統(tǒng)投資129億美元，計劃2002年開始提供服務(wù)。Teledesic和
Celestri所面向的市場和Iridium、Globalstar等LEO系統(tǒng)不同，后者是面向移動電話為
主的業(yè)務(wù)，前者適用于進(jìn)入家庭的三網(wǎng)（話和非話通信、廣播電視、計算機聯(lián)網(wǎng)）合一，
將與大容量光纜一起，成為下一世紀(jì)信息高速公路的主要傳輸手段。另外與Teledesic、
Celestri相似的還有Skybridge系統(tǒng)等。
    需要指出的是這些系統(tǒng)都使用非靜止軌道，但屬于固定業(yè)務(wù)，地球站天線都很小，
直徑在0.5米以下可以便攜。


摘自《中國通信》