基于Ka波段动中通和微型基站技术实现海洋3G/4G移动通信覆盖

陈 琦

（电信科学技术第一研究所，上海 200032）

1 引言

随着Ka高带宽卫星系统的发展和成熟，全球卫星通信业务将迎来高爆发式的增长，卫星通信产业也将迎来一场革命。在海洋中的船舶上实现与陆地上一样的移动多媒体通信，一直都是卫星通信、移动通信应用技术研究中很重要的部分。未来，针对传统的L波段下Picocell（小蜂窝）基站船舶2G覆盖应用，新一代的基于Ka波段和微型基站技术的船舶3G/4G覆盖动中通应用将会得到空前发展。

2 传统的基于卫星的 GSM覆盖

图1 基于L波段Picocell技术2G GSM应用系统图

该应用基于L波段和Picocell技术解决了2G在海洋船舶上的覆盖问题。但是由于L波段自身的频段原因和其他技术上的问题，它有几个比较明显的缺陷：支持手机用户数量少；只支持2G手机语音服务；船上手机只有语音业务，无数据业务。

当人们的陆地通信进入4G甚至5G的时代，海洋船舶对使用3G，4G应用的呼声越来越高，过去的技术方案已经不能满足更高带宽、更易应用的新业务需求。随着Ka波段开始投入应用，基于Ka波段和微型基站技术的海洋3G/4G覆盖动中通应用开始进入人们的视野。

3 Ka波段卫星的优点和应用

在海洋上要跟陆地或其他洋区进行数据交换，通常是通过卫星进行传输的，波段一般是C，L，Ku。按照波段应用的先后顺序及海洋商业应用使用波段的费用来划分，这三个波段可以划分为两代：第一代为L波段和C波段，具有抗雨衰、终端小等特点，但波段本身可以利用的频带窄、带宽小，使用费用昂贵；第二代为Ku波段，这一代相比于上一代在使用频带和带宽上增加了，费用也下降了，但随着宽带应用的增多，这一频段在带宽和容量方面也显得捉襟见肘。面对新一代卫星通信业务对宽带的诉求，第三代宽带卫星通信系统开始出现，这就是基于Ka频段的高速宽带卫星通信系统。

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，频率范围为26.5～40GHz，其最重要的一个特点就是频带较宽，可用带宽可达到3500MHz。因此，Ka波段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSAT业务、直接到户（DTH）业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。

利用Ka波段进行3G/4G覆盖指的是在海洋船舶上，将船舶上已经安装的3G/4G微型基站的信令数据和信息数据，通过Ka波段的卫星天线传输到卫星上，再由卫星传输到地面站并通过3GPP定义的S1接口接入电信核心网。利用Ka波段有以下几个非常明显的优势：

（1）更高的带宽和容量

Ka比L和Ku波段具有更多的频段资源，使其终端至卫星传输端具有更高的数据传输速率，由此船舶上的微型基站可以支持更多的用户数和业务数据。例如，Inmarsat公司的FB500（FleetBroadband500）业务在Picocell的覆盖下可以支持9个用户使用GSM，而Picocell理论上可以支持最多64个用户进行并发的呼叫、数据业务。FB业务可以支持的用户数远远小于理论数的一个重要原因就是FB500的终端至卫星通信段的传输采用的是BGAN技术（L波段），其带宽速率最高只有432kb/s，而且这个速率还有一部分要提供给FB500的其他业务。而一般GSM下未压缩的语音数据一路全速率信道为16kb/s，9路就是144kb/s。而Ka波段在标准60cm口径天线的情况下上行可以达到5Mb/s，下行可以达到50Mb/s，可以带来用户数量的提升并且有效支持船载3G/4G部署后用户的数据业务。

（2）终端设备尺寸小，适合船舶应用

在企业管理中,文化非常重要。很多企业也从单一的竞争延伸到文化的竞争。一个成功的企业需要依托成功的文化管理,这样才能调动起员工的积极性和创造性。企业文化影响内部控制制度，所以中小企业在构建企业文化的过程中，必须要构建相应的财务管理文化内容。

天线尺寸小，且易产生非常窄的点波束；天线增益系数提高，且照射集中，从而可降低功耗；增加了同一轨道弧段上可置放的卫星数量，使两星间可容忍的最小间隔降为1°；从用户方面考虑，Ka频段通信卫星增大了信息传输量，提高了传输的可靠性和保密能力；允许大的功率密度，使地面终端更易小型化。

综上所述，Ka波段因其高速率、高带宽和小尺寸的天线终端，在海洋3G/4G船舶覆盖应用中可以极大地增加系统应用中的容量和带宽，拥有很强的优势。

4 动中通卫星天线的优点和应用

“动中通”技术在海洋船舶3G/4G覆盖中有以下优点：

（1）在数据传输过程中采用自主跟踪方式跟踪卫星，充分利用了卫星通信覆盖区域大、抗干扰能力强、线路稳定的特点，可实现点对点、点对多点、点对主站移动卫星的通信。

（2）“动中通”船舶卫星传输具有灵活、机动的传输特点，能确保快速、实时的静态和动态数据传输。

（3）自动重捕时间短，驶出通信盲区后能快速恢复通信。

（4）与OFDM“无方向”移动微波设备相比，“动中通”船舶无需收、发设备操作人员在恶劣环境条件下工作，节约了人力、物力，而且减小了电磁辐射污染。

（5）信号传输过程的节点减少，提高了传输质量和可靠性。

（6）能降低大范围、复杂场景数据传输的运行成本。

可见，动中通天线在未来海洋3G/4G覆盖中将是一项标准技术，未来所有为实现海洋3G/4G覆盖的Ka卫星天线将都是基于动中通天线技术的。

5 微型基站技术的优点

当前的微型基站技术包括Fetomcell，Picocell，Mircocell三种。微型基站的主要作用是完成船舶上的3G/4G信号覆盖，新一代的微型基站技术在海洋船舶3G/4G覆盖中有以下优点：

（1）占用空间较小。微型基站通常只有一个台式电脑的尺寸，非常适合安装和部署在空间狭小的船舶上，特别是小型的船舶上，而且安装后即可让信号覆盖船舶的大量空间，不影响船员对空间的利用。

（2）简单易用。卫星基站将大量的协议转换功能都以芯片的形式固化到设备的PCB电路板中，以及内置的参数和集成化设计避免了大量复杂的操作。由于覆盖相对于宏基站小，无需对基站的发射功率进行控制，调整覆盖区域，只需开机就可开始工作，真正意义上做到了“一键操作”。

（3）覆盖范围加大，支持的接入用户更多。相比于过去的微型基站技术，新一代的增强型Fetomcell，Picocell，Mircocell三种技术覆盖范围得到了极大地提高，覆盖的半径最高可以达到500米；同时，每一个微型基站可以支持的用户数量也从以前的几个用户，变成现在可支持最多256个用户的业务。

综上所述，新一代的微型基站凭借其更大的覆盖范围、更多的用户数量支持、更多的空中接口，结合Ka波段卫星通信的高速率、高带宽优势，在船舶3G/4G覆盖应用中扮演着极其重要的角色。

6 典型应用场景系统结构示意图

我们通过图2来了解一下在Ka波段下微型基站在船舶上覆盖3G/4G动中通应用的典型场景和一些细节。

图2 Ka波段下微型基站在船舶上覆盖3G/4G动中通应用结构图

在基于Ka波段和微型基站技术的海洋3G/4G覆盖动中通应用中，用户侧一端是这样工作的：首先，船舶上的安卓或苹果系统的3G或者4G手机，通过微型基站（Mircocell，Femtocell，Picocell中一种或多种）覆盖范围内提供的空中接口（WCDMA，CDMA2000，TDD，FDD等），将信令数据和业务数据传送给微型基站，微型基站通过处理单元按照3GPP S1接口要求编码这些数据，再将这些数据传送给Ka动中通天线包含的卫星Modem进行调制解调，再通过Ka动中通天线时刻锁定的卫星频点将数据传送给Ka卫星。

在卫星侧，Ka卫星利用高速率卫星数据链路将用户侧数据传送给网络侧，网络侧数据传送给用户侧，完成用户和地面业务网络的数据交换。

网络侧地面站收到卫星侧发来的数据后，通过卫星Modem将数据完成解调，并按照3GPP S1接口标准，通过路由器将信令部分发送给特定的MME（移动管理实体 ），MME进行UE ID分配、安全性、鉴权和漫游等控制，将业务请求发送给电信核心网，核心网再将地面站收到的业务数据部分发送给S-GW（服务网关），由S-GW选择合适的业务承载链路。

7 结束语

随着Ka波段卫星动中通技术、船用微型基站技术的成熟，随着海洋3G/4G移动通信服务运营模式的商业化运作，实现在海洋的船舶上与陆地上一样的移动多媒体通信成为现实，它将会极大地便利和丰富人们在海洋上的生活，减小海洋和陆地上通信的差别。同时，对于从事卫星通信、移动通信系统及设备研究、制造的企业、商家而言，它将是一个即将爆发的巨大市场，孕育着巨大的商机，可以预见它必将创造巨大的商业价值和社会价值。

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