应急通信第一反应器—— 卫星移动通信

· 文|中国电子科技集团公司第五十四研究所 王艳君 汪春霆

中国电子设备系统工程公司 张文方

应急通信第一反应器
—— 卫星移动通信

· 文|中国电子科技集团公司第五十四研究所 王艳君 汪春霆

中国电子设备系统工程公司 张文方

卫星移动通信(MSS)系统可实现大范围、远距离的漫游和机动通信，可提供话音、短报文、传真和数据等业务，在应急通信、全面覆盖和普遍服务方面极具优势。本文首先介绍了全球卫星移动通信系统的发展现状与趋势，及各类卫星移动通信终端的功能、性能等主要指标及其在应急通信系统中的典型应用。在此基础上，对比了卫星移动通信终端和VSAT应用于应急系统中的不同特点，并就卫星移动通信在国家应急通信体系中的作用与典型应用进行了分析和讨论。

一、引言

卫星移动通信系统（MSS）是利用卫星作为中继器，实现移动用户之间、移动用户和地面固网、蜂窝网或其他专网用户之间通信的系统，具有覆盖范围大、作用距离远、组网灵活、通信费用基本与距离无关、受地形地物影响小等突出优点。可提供机动灵活的话音、短报文、传真和数据通信，在应急通信、全面覆盖和普遍服务方面极具优势。

按照通信卫星所处的轨道位置不同，卫星移动通信系统分为地球同步轨道（GEO）卫星移动通信系统和非同步轨道（non-GSO）卫星移动通信系统两种：

GEO卫星运行在高度约35800km的赤道面上，其特点是投资少、技术复杂度低，但不能实现两极覆盖。

non-GSO卫星有两种可用的轨道类型：500～2000km的低轨道（LEO）和8000～12000km的中轨道（MEO）。相对于GEO，中低轨道卫星距地面近，具有较低的传输时延和线路损耗。但是非静止轨道卫星系统复杂，需要多颗卫星来保证有效的覆盖率，系统运行管理难度大[1]。

二、卫星移动通信系统组成

卫星移动通信系统由空间段、地面段和用户段构成，如图1所示。

1.空间段

空间段主要指移动通信卫星。为了保证对服务区的持续覆盖，non-GSO卫星移动通信系统的空间段由多颗卫星组成，例如“铱”（Iridium）系统空间段由66颗工作卫星组成。而GEO系统通常一颗卫星就可实现对特定区域的覆盖。由于GEO星地传输距离达到三万多千米，为了实现对大量手持终端的支持，星上多采用大口径多波束天线和高功率功放，例如，Skyterra系统天线口径达到创纪录的22m，最多可形成500个点波束，平台功率达到13kW。

图1 卫星移动通信系统组成

2.地面段

地面段包括信关站、卫星测控站和运行控制中心等。

卫星测控站系统负责卫星的在轨运行控制任务。运行控制中心负责网络规划、用户等级规划、波束之间无线资源的规划和分配、系统运行状态监视、网络性能采集、分析和优化等任务。

信关站是卫星移动通信系统的核心，完成用户管理、业务接入、信息交换和互联互通等工作。典型信关站由卫星接入网和核心网组成。接入网内包括卫星天线与射频设备、无线传输与控制设备和网管设备等。核心网包括电路域设备和分组域设备，支持电路业务、分组业务的处理，并可与地面公共交换电话网络（PSTN）、公共陆地移动网络（PLMN）、Internet以及IP多媒体子系统（IMS）网络实现互联互通。

根据运营的需要，在上述信关站组成设备之外，还可以增加承担用户管理、业务开通、计费账务功能的支撑系统以及承载增值业务的其他设备等。

3.用户段

用户段由各类终端组成。根据应用形态，终端可以分为手持、便携、固定、车/船载、机载、嵌入式等多种终端类型。根据其类型不同，采用不同的功放、天线、外围接口、业务界面等。终端的核心是基带处理芯片和射频处理芯片。前者承担卫星移动通信空中接口的基带调制解调、复用、无线承载管理、业务处理、用户注册和鉴权加密等功能，后者为实现特定频点上的频谱模板和提高射频通道性能提供支撑。

表1给出了当前主流卫星移动通信终端的主要参数，表2给出了卫星移动宽带（≥128kbit/s）终端的主要参数。

表1 当前全球主要运营商手持终端技术指标

表2 当前全球主要运营商宽带终端技术指标

三、国内外MSS系统在应急通信中的应用现状

全球在运营的主要MSS系统，包括地球同步轨道的海事卫星（Inmarsat）、瑟拉亚（Thuraya）、光平方（LightSquard） 和低轨道的“铱”（Iridium）、全球星（Globalstar）、轨道（Obcomm）。共有各类激活终端290余万部，除采用低数据速率（LDR）传输应用于数据采集和财产跟踪外，应急通信是MSS系统发展的主要驱动力和最重要的应用方向。在近年重大的自然灾害中，MSS起到了关键作用，被称为应急通信的第一反应器[2]。

1.手持终端在应急通信中的应用

MSS手机是应急场所最重要的通信手段，特别是在灾难发生的72小时以内。在此时间段内，地面网络无法使用，而救援机构需要了解灾难地区的实时消息来进行灾情评估，进而组织救援活动。MSS手机可以帮助救援组织在几分钟内建立好应急通信中心，提高了灾难救助效率和水平。据欧洲咨询公司对历次灾难发生后MSS业务量的统计，灾害发生2到5周内，灾害发生区域，会形成大量的MSS通信量。但随着大量救援力量的到来和当地地面电信网络的恢复，MSS手持服务变得不那么合算，也不再能满足不断增加的电信需求。因此，卫星电话逐渐被VSAT和地面通信系统代替；并且在事件发生后的几周，成为了后备的通信工具。

1999年，Iridium公司在台湾大地震发生后，为救援人员提供了20 台Iridium 9500手机。2005年，美国政府事务处在从“卡特里娜”飓风恢复的过程中，广泛地使用了Iridium手机。2005年，亚洲海啸过后，在恢复阶段，许多Iridium和Thuraya手机被救援事务处使用。2011年3月，在海啸袭击了日本沿海地区后，国际电信联盟（ITU）紧急调运了78部Thuraya卫星电话和13台Iridium卫星电话用于灾难救助。上述两个系统2011年在亚太地区都出现了MSS通信量剧增的情况[3]。

2．宽带终端在应急通信中的应用

由于受到MSS宽带终端数据速率、使用成本等方面的限制，它在应急通信中的应用不如MSS手机使用广泛。但是，与VSAT相比，MSS宽带设备体积小、重量轻、安装成本低，这使得它更适合在需要快速部署和需要具有灵活性的情况下使用。因此MSS宽带终端通常用在需要进行网络浏览、邮件收发、低速视频传输等领域。特别是在使用灵活并需要快速建立通信的新闻采访领域，MSS宽带终端使用量较大。2011年日本海啸之后，曾紧急部署了37台Inmarsat BGAN终端。

图2是2003年以来，重大自然灾害发生次数与MSS终端使用量的对比关系，其中由于在2005年发生了印度洋海啸和美国的“卡特里娜”飓风，救灾中大量使用了MSS终端，因此导致了图中2005年MSS终端的使用出现了峰值。

图2 近十年来自然灾害发生数量与MSS业务量对比

2008年5月12日，汶川发生8.0级强震，地面通信网络遭到严重破坏，在国内外相关公司支持下，工信部调集了包括Inmarsat、Thuraya、ACeS等系统的数百部终端投入抢险救灾，对指挥部第一时间掌握灾情，及时进行人员和物资调度，为抗震救灾工作的顺利开展起到了巨大作用。

2010年4月14日，青海省玉树地区发生7.1级强烈地震，在供水、供电和通信设施遭受破坏情况下，玉树地区广泛建立的基于卫星移动通信系统的村村通卫星电话能够不受地面通信设施损毁的影响，及时向外传递信息，对灾情普查和人员搜救也发挥了重要作用[4]。

四、MSS宽带和VSAT在应急通信应用中的对比分析

在应急卫星通信领域，MSS宽带终端与VSAT扮演了既相互合作，共同完成各类应急通信需求，又相互渗透，彼此争取更大市场份额的角色。特别是近年来，随着新系统能力的增强，VSAT天线尺寸大幅下降，终端的移动性空前提高，加上灵活的资费政策，VSAT对MSS宽带终端在应急通信中的应用造成了一定的冲击。

1．工作频段不同带来服务差异

MSS系统工作于L或S频段，而VSAT系统工作在Ku或Ka频段，相对于Ku和Ka，L、S频段频率低，链路可用性强，加之在系统设计中MSS系统通常保留较多链路余量，因此通常认为MSS比VSAT具有更强的系统可用性。

但也正是因为较低的工作频段，目前分配给MSS系统的频谱资源十分有限，这很大程度上导致了MSS系统使用中的局限性。根据目前的技术和频谱的分配情况，MSS终端数据速率最高只能达到650kbit/s（如Inmarsat的MSS终端）。尽管通过采用多波束技术大幅提高了MSS系统的频率复用率，进而提升了系统容量，但对于单个终端的速率影响不大。而VSAT终端工作频段较高，其较高的天线增益可支持高速的数据传输，目前VSAT终端的最低起步速率通常为512 kbit/s，相对于MSS，具有明显的速率优势。

2．不同定价策略对其应用于应急通信中的影响

受到系统建设成本及工作频段的稀缺性、通信容量的有限性以及运营商所采用的商业模式等多种因素的影响，MSS宽带终端的使用成本是比较昂贵的，特别是对于数据业务，通常是以每MB为单位进行收费。例如Inmarsat BGAN，它在标准IP模式下的平均零售价在每MB 4美元到6美元，在数据流模式下是3～30美元/分钟。即使能保证每月大容量使用，每MB的价格也仅能便宜几十美分。其他的系统如Thuraya IP，在标准IP模式下其平均价格可以变为每MB 4美元，而在数据流模式下变为8～15美元/分钟。

而Ku频段的移动VSAT有64 kbit/s到2Mbit/s的下载速度和无限使用数据包，并且根据使用的不同的数据速率、QoS和其他服务选择，固定月租为1500到8000美元不等，平均每MB的数据传输费用远低于1美元，具有明显的价格优势。

近两年，为了对应来自VSAT的价格优势，MSS运营商推出了针对特殊应用的优惠套餐，例如，2012年10月，Inmarsat为IsatPhone Pro终端应用于非政府组织（NGOs）人道主义援救行动推出了优惠套餐，3个SIM卡绑定情况下，每月可享受高达3000分钟的通话时长[5]。

MSS宽带终端与VSAT总体对比情况如表3所示。

表3 MSS宽带终端与VSAT终端对比表

五、结束语

我国是一个自然灾害高发国家，抢险救灾对成熟可靠的应急通信手段有迫切的需求。而卫星移动通信素有“应急通信第一反应器”之称，在国内外历次重大灾害的救灾中发挥了巨大作用。随着我国自主卫星移动通信系统研制建设工作的开展，可支持话音、数据、导航等综合业务的卫星移动通信系统必将极大促进我国应对自然灾害等重大突发事件的应急通信保障能力。

[1] 汪春霆，张俊祥，潘申富，等. 卫星通信系统[M]. 北京：国防工业出版社，2012.

[2] 陈思，张健. 应急通信保障手段——卫星移动通信[J]. 卫星与网络. 2009（8）：20-22 .

[3] 陈旭彬，刘海洋. 卫星通信在应急通信中的应用[J]. 数字通信世界. 2012（10）：67-69 .

[4] 李广侠，马冲，胡婧. 卫星通信在突发事件中的应用[J]. 数字通信世界. 2009（6）：36-39 .

[5] Euroconsult. MOBILE SATELLITE COMMUNICATIONS MARKETS SURVEY PROSPECTS TO 2022[R]. 4th ed. 2013.