基于IPSTAR卫星通信的海上卫星宽带系统

吉　诚

(中海电信有限公司， 上海 200080)

基于IPSTAR卫星通信的海上卫星宽带系统

吉诚

(中海电信有限公司， 上海 200080)

摘要:针对目前的海上通信受宽带和费用的限制,只局限于收发邮件、卫星电话、传真等的应用情况进行了IPSTAR可行性研究。结合自动波束切换技术，提出了基于IPSTAR卫星通信的海上卫星宽带系统。该系统对改善和加强海上安全指挥通信能力、加强海上应急抢险救助能力，提高海上运输管理水平具有重要意义。

关键词:IPSTAR卫星； 海上宽带系统

0引言

为了解决我国船舶在海上通信和信息化应用方面存在的不足，中海电信有限公司基于IPSTAR卫星通信网络，将视频监控系统，宽带电话(Voiceover Internet Protocol,IP)系统于一体，成功地开发了海上卫星宽带系统。该系统将卫星通信、视频采集、远程接入、VoIP(Voice over Internet Protocol)等技术结合在一起，实现了海上通信从窄带通信向宽带通信，从有限应用到普及应用的跨越，极大地提高企业信息化应用的水平，使船舶管理跃上新的台阶，提高了船舶生产效率和有效地促进船舶的安全生产管理。海上卫星宽带系统为我国海上交通提供了便捷、高效、安全、可靠的高质量卫星通信数据手段，对改善和加强海上安全指挥通信能力、加强海上应急抢险救助能力，提高海上运输管理水平具有重大意义。

1现有海上宽带技术的比较

目前，能为海上船舶提供数据通信的方式主要有两种，即海事卫星和3G。其中第四代海事卫星Inmarsat，可提供的数据传输速率只有432 Kbit/s，且费用十分昂贵，船上仅能限时限量使用；此外，3G只能覆盖近海的部分区域，网速较慢，信号不稳定，费用较高(见表1)。

表1　现有海上宽带技术的比较

广泛的宽带是指能够满足人们感观所能感受到的各种媒体在网络上传输所需要的带宽，是一个动态的、发展的概念。2010年，美国联邦通讯委员会定义的宽带,意味着下载速率为4Mbps，上行为1Mbps，可以实现视频等多媒体应用，并同时保持基础的Web浏览和E-Mail特性。由此可见，只有采用IPSTAR才能实现真正意义上的海上宽带。

2IPSTAR 卫星通信网络

2.1IPSTAR概述

IPSTAR宽带卫星于 2005年发射升空，卫星定点在东经120°赤道上空，主要用于电视信号转播和网络传输，是唯一通过 IP 平台为亚太地区提供新型多媒体、因特网通讯等服务的在轨卫星。IPSTAR卫星也是世界第一颗新一代宽带通信卫星，其带宽容量几乎相当于目前在亚洲地区服务所有通信卫星容量的总和。

IPSTAR卫星既可以作为向因特网服务供应商提供接入光纤网的因特网骨干接入手段，也能够有效地为整个亚太地区的个人和公司用户提供低成本用户终端和带宽。它与非对称数字用户线路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)、有线、无线等其他地面宽带解决方案相比，具备卫星通信所特有的覆盖区域广、组网迅速、服务灵活的重要优势。

IPSTAR 卫星通信网络最主要的好处是能够让没有基础设施的地区能够使用现代的通讯技术，以经济实惠的带宽和用户终端立即获得大容量的地面网络，该系统可以在其广泛覆盖区内(见图1)的任何地点迅速部署并提供灵活的服务。

图1　IPSTAR中国覆盖图

2.2IPSTAR卫星

IPSTAR卫星是区域卫星系统，Ku 波束(84 个点波束、3 个成型波束和7 个区域广播波束)和Ka 波束(18 个馈电波束和关口站)覆盖亚太地区的22 个国家和地区。空中接口使用专用波形连接用户终端和关口站。到端站的下行链路使用TDM overlaying OFDM。从端站发起的上行信道基于Multimode Multiple Access MF-TDMA。关口站的网络管理系统可以选择匹配应用数据速率和流量密度需求的访问模式，包括适用于语音服务的TDMA-DAMA 模式，适用于网络浏览和其他突发流量服务的SlottedAloha 模式。每种模式都使用先进的误码校验编码，使得上行链路可以使用小天线和功放来实现高速上行数据速率。

2.3IPSTAR用户终端

IPSTAR用户终端是低成本的、灵活的、高性能的双向卫星终端，可以与任何传统卫星及IPSTAR 关口站配合使用。在前向信道和反向信道上利用了先进波形的空中接口进行了优化，以提高系统的总体效率。前向信道波形利用的是TDM-OFDM 技术，提高了带宽和功率的利用率，优化后前向信道能够支持多种数据速率，以及支持不同调制格式和前向纠错编码的用户。反向信道使用的是MF-TDMA 技术，支持突发流量及高速数据速率应用的专用分配。

2.4IPSTAR可行性分析

测试中将卫星天线置于海运大楼裙楼顶层，装配变频功率放大器(Block Up-Converter，BUC)和低噪声下变频器(Low Noise Blak,LNB)，用收、发馈线将卫星与IPSTAR用户终端(Modem)相连，调整卫星天线方向后获得卫星信号强度60 db，信噪比达12.8 db，实测上行带宽平均值约为2 000 Kbps，下行带宽平均值约为3 500 Kbps，峰值超过4 000 Kbps，支持在线播放高清视频，访问互联网的延时大概约为600 ms，如图2所示。

3中星11卫星通信网络

虽然IPSTAR卫星带宽较高，但是它的覆盖范围只是1个亚太地区的区域性系统。中星11号的加入弥补了使用范围上的局限性。中星11号于2013年5月发射，是中国卫星通信公司运行管理的第一个海洋波束的商业通信卫星，其覆盖范围包含中国领海、泰国湾、安达曼海、孟加拉湾、阿拉伯海、波斯湾、亚丁湾等水域，如图2所示。

图2　中星11号覆盖图

中星11号卫星工作在东经98.2度的轨道位置，装载有45个C频段和Ku频段的载荷，是我国自研民商用通信卫星中转发器路数最多、载荷功率最高、重量最大的卫星，其采用的一系列新技术、新产品进一步提升了我国通信卫星性能，推动了我国大容量、长寿命、高可靠通信卫星的发展。

除了中星11号之外，中国卫星通信公司还将在2年内发射中星15、中星16等通信卫星，其覆盖范围将包括欧洲海域、北大西洋海域、南大西洋海域，届时，全球主要沿海区域将基本全覆盖，这将更有利于海上卫星宽带系统的推广和使用(见图3)。

其中，欧洲部分计划2015年下半年开通，南大西洋部分的覆盖规划在2016年上半年开通，北大西洋部分的覆盖规划在2016年下半年开通。

3船载卫星天线“动中通”

3.1“动中通”概述

“动中通”自动跟踪系统是在初始静态情况下，由全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、经纬仪、惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。在载体运动过程中，测量出载体姿态的变化，通过数学平台的运算，变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中天线对星在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。

图3　未来2年中国卫星通信公司所属卫星覆盖范围图

3.2“动中通”自动波束切换技术

当船舶离开一个波束区域进入另一个波束区域时，“动中通将自动进行波束切换或者卫星切换，其他设置无需更改(见图4)。

图4　波束切换示意图

(1) 多波束统一划分及信令管理机制技术包括标准化综合信令传输体制、灵活的系统组网支持能力、快速高效的网络呼叫处理和支持大容量网络终端用户。

(2) 自动卫星切换控制管理机制技术包括最近卫星准则+最强信号准则、最强卫星信号+仰角加权分析、主站定时轮询+终端自动回应和信道保护间隔+GPS位置预测。

4海上卫星宽带系统

4.1系统组成

海上卫星宽带系统主要采用IPSTAR卫星实现海上船舶宽带接入，系统由卫星通信网络、移动船舶终端、应用服务中心三部分组成(见图5)。

图5　海上卫星宽带系统示意图

图6　卫星通信移动船舶终端

基于IPSTAR的卫星通信采用型号IPX-3200为移动船舶终端，采用型号IP90D为卫星天线；基于中星11的卫星通信采用Evolution X5为移动船舶终端，采用型号K100为卫星天线(见图6)。

在整个系统中，应用服务中心位于中海电信的中心机房，主要应用服务包括远程视频监控、IP电话、视频会议等。

4.2系统特点

1) 单站最高可实现上行2 Mbit/s，下行4 Mbit/s卫星宽带通信。

2) 包月付费，不计流量，通信费用大大低于海事卫星。

3) 连续三年船舶实航应用，天线设备及系统可靠、稳定，完全满足海上应用需求(散货船“盛发海”、油船“丹池”、客船“青山岛”为首批海上卫星宽带系统示范船)。

4) 实现船舶远程访问，对接陆岸公司内部各种业务系统。

4.3系统功能

1) 随时与船上取得通话联系。

2) 随时看到船舶航行和作业情况的高清视频。

3) 大屏幕的电子海图上，以可视化平台实时地调看到船舶的航行动态信息。

4) 在台风季节时结合视频和电话指挥防台防汛。

5) 随时通过手机客户端调看船上实时的监控视频。

6) 通过高清视频指导船舶对设备进行远程维修。

7) 远程访问船上现有的应用系统。

8) 随时召开船舶视频会议。

5应用前景

海上卫星宽带系统是为船舶修建的一条信息高速公路，其价值在于可以支持各种各样的应用，上文介绍的功能，只是一小部分有价值的应用。实际工作中，船公司对信息化多样的需求，均可以在海上卫星宽带系统得到应用。

参考文献：

[1]汪春霆,张俊祥,潘申富，等.现代电信网络技术:卫星通信系统,2012.

[2]郭嘉俭.动中通卫星通信系统中的天线问题[J].数字通信世界,2011(10):66-70.

[3]李广侠,冯少栋,甘仲民,等.宽带多媒体卫星通信系列讲座之——宽带多媒体卫星通信系统现状及发展趋势(上)[J].数字通信世界,2009(1):82-86.

中图分类号：TN927.2

文献标志码：A

收稿日期：2015-04-10

作者简介：郝建明(1983—)，男，河南焦作人，工程师，主要从事交通信息化研究。

文章编号：1674-5949(2015)03-059-05

Marine Broadband Communications System Based on IPSTAR

JiCheng

(China Shipping Telecommunication Company, Shanghai 200080, China)

Abstract:With the aim of achieving broadband communication in marine environment, where the normal communication means either cost too much or provide too low bandwidth, the feasibility of IPSTAR for marine communication is investigated. The marine communications scheme with IPSTAR satellite service and the automatic beam switching(ABS) is proposed. The scheme may be used for marine safety management and fleet management.

Key words:IPSTAR satellit; maritime broadband system