卫星在海洋互联网中的应用研究

张军 周亮 张诗怡

摘要：地球表面70%是海洋，随着人类征服海洋的脚步越来越快，人们在海洋上的活动越来越频繁，例如军事活动，石油勘探，远洋捕鱼，游轮航行等。为了方便在海洋上的作业，对海上通信提出了要求，卫星通信渐渐进入了人们的视野。本文以卫星在海洋互联网的应用为主题，对主流的卫星系统进行了介绍，总结出该技术存在的机遇及所带来的挑战。

关键词：卫星;海洋互联网;无线网络;海上通信

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）18-0042-03

21世纪是海洋的世纪，实现“海洋信息化”有着深远的意义，卫星是可以说是目前实现海洋互联网络的唯一方式。在海洋上，亦或是地旷人稀的区域，卫星是一种极具吸引力的通信方式，相比于陆地互联网络，卫星覆盖面更广，鲁棒性好，同时也能实现广播及多播，可谓优点多多。但卫星由于自身特性的限制，又有着无法忽略的缺点，例如价格昂贵，速度慢，维护难等，无法满足大多数互联网用户的需求。本文将针对卫星的利弊进行详细的分析，对其在海洋互联网中的应用进行综述，寻求优化的海洋互联网解决方案。

1 海洋互联网概述

广袤的海洋下埋藏着难以想象的丰富宝藏，在陆地资源被消耗殆尽的今天，开发海洋资源由此显得格外重要。不论是在海洋上进行运输、作业、或是军事巡航的船只，还是提供休闲娱乐的游轮都非常需要互联网，因为互联网不仅能为常年在海上的人提高生活质量，令他们与外界取得联系，更能在关键时刻提供及时的救援等。因此，卫星在海洋互联网上的应用是非常值得研究的一个课题。本文将对分别对卫星应用于海洋互联网络的利和弊进行详细的分析，旨在更全面的了解海洋卫星，试图找出优化海洋互联网或取代海洋卫星的无线网络。

2 卫星概述

卫星通信系统，具有独特的全球覆盖，连续的广播能力，需求带宽灵活性和对移动终端的支持[1]。这些特质让他成为了一个理想的海洋互联网接入服务提供者。一个卫星网络内在就是一个广播系统。卫星网络能像宽带接入网络一般提供服务，高速骨干网络连接异构性网络，或是简单的用户与固定终端或移动终端之间的通信链接。然而，卫星网络与现有的陆地英特网设施在合作上存在新的挑战。

在多点光束天线技术，低杂音接收器以及星上处理技术的支持下，卫星与便携设备通过使用S，L和最新的Ku和Ka带取得直接联系。同样的，天空中的卫星还能够配置有效荷载与卫星内部链接，这样便允许卫星内部不同光束流量的交换以及不同卫星之间的路由转发。

卫星网络主要依赖于3个重要的部分：一个在对地同步轨道运行的卫星，一些地球站，也称网关，通过无线电波（微波）在卫星之间传递英特网信号，和在用户的家中或公司里一个有收发器的VSAT（非常小的光圈终端）蝶形天线。卫星的其他组成部分包括一个用户终端的猫，能够翻译与电脑间来回的信号，和一个集中化的网络控制中心来监控整个系统。卫星与一个宽带网关共同工作，并且控制着一个星型网络技术，这样所以网络连接都会从中心处理器经过。经过配置，可以连接到中心处理器的远程VSAT数量事实上是没有限制的。

卫星按照合适的轨道围绕地球运行，基于纬度，我们可将卫星分为两大类：对地同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）和非对地同步轨道（Non-GEO）[2]。

（1）GEO卫星位于地球赤道上35800km高的地方，因为距离很远，所以有信号传播延时以及信号衰减的问题[3]。典型的GEO卫星通讯使用高频率，以弱化信号在传输路径中的的衰减。因为这些原因，GEO更适用于固定设备的通信，这里的固定设备指的是使用大尺寸天线的陆地基站。

（2）非GEO卫星使用2种可能的轨道：近地轨道，在离地球500-2000km的高度，中轨道，在离地球8000-12000km的高度[4]。与GEO卫星相比，非GEO卫星离地球更近，因此傳输信息时允许低得多的端到端时延，同时和更好的链路预算情况。但不幸的是，非GEO卫星系统需要几个卫星（例如星群）以覆盖一片区域或整个地球，所以需要频繁的交互过程，从一个卫星天线光束到另一个天线光束，或从一个卫星到另一个卫星，甚至是一个陆地网关到另一个陆地网关。

3 各类卫星系统的比较

接下来，我们介绍一些目前正在运作的卫星系统，如基于近地轨道的Iridium系统和Globalstar系统，基于对地同步轨道的INMARSAT BGAN系统和Thuraya系统。在这些系统中，卫星天线具有多个点光束，这些点光束能够放射到地球上的信元，因此对地球实现了类似蜂窝的覆盖。

Irdium是当今卫星系统的祖先之一。提供的服务上，Irdium系统支持语音和低比特率的数据传输。Iridium卫星群是一个卫星的大集合，向全球的卫星电话、寻呼器、收发器提供声音和数据服务。Iridium通信集团拥有并营运这个卫星群，负责出售卫星群的设备和进入服务的权限。Irdium是唯一一个可以覆盖全球的卫星系统，包括了极地地区，航空与海洋区域。系统由66个活动的近地卫星组成，采用无线通信网络，并可通过内部链接在卫星间传输数据。对于语音电话，端到端的路径通过内部链接在空中建立;对于数据交换服务，系统可能会使用内部链接来传输流量到最近的Irdium的陆地网关。目前，有5个网关在服务中。Irdium为美国国防部门提供服务，同时，也密切监控地球的自然环境。

Globalstar是当今卫星系统的另一个祖先。Globalstar系统提供实时语音，数据传输和传真服务。系统一能够为在正负70纬度的地区提供通信服务（极地地区除外），二能为有陆地网关的区域提供服务。Globalstar由48个弯曲管道形状的近地卫星组成，没有内部链接。在卫星覆盖下，一个新的呼叫可以寻址到网关。目前，全球有25个服务中的网关，每个网关的覆盖半径约为2000km。根据噪音等级，Globalstar的语音服务采用不同的比特编码率，分别为2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s。传输文件速度最大则为9.6kbit/s。

在全球，Globalstar拥有超过31500的用户（2008年6月统计），是全球最大的移动卫星语音和数据传输服务的提供商。Globalstar为全球120个以上的国家用户提供商业或者娱乐服务。Globalstar的产品包括移动和固定卫星电话，单工以及双工卫星调制解调器以及卫星通话时间包。

2007年末，Globalstar的子公司SPOT LLC推出了一个掌上型卫星短信服务于个人安全监测装置，被称为SPOT卫星短信。Globalstar的客户种类包括：石油，政府，煤矿，林业，捕鱼业，公共设施，军事，交通，重大建筑工程，紧急预案，业务连续性以及娱乐用户。

Thuraya由领先的国家电信运营商和国际投资公司在1997年建立，现由美国波音卫星系统公司管理、实现、安装。Thuraya覆盖超过110个国家，从欧洲，北非，中非，中东，中亚到印度次大陆。Thuraya支持的卫星通信服务包括：类似GSM的语音服务，传真/数据传输服务，英特网连接服务（通过一个笔记本大小的终端设备），此外，还有一项新开发的基于IP的服务。Thuraya由2个对地同步卫星组成，分别为Thuraya-2和Thuraya-3（09年取代Thuraya-1卫星，以扩大对亚洲以及澳大利亚的覆盖区域）。Thuraya采用双工模式，既能够进入陆地GSM又可进入不在服务区域的卫星系统，因此允许了客户在广阔区域不收干扰的漫游。速度方面，语音服务同Globalstar相同，采用不同的比特编码率，分别为2.4kbit/s，4.8kbit/s，9.6kbit/s，英特网连接速度为144kbit/s，基于IP的新服务速度则可以高大444kbit/s。1997年，Thuraya由领先国家电信运营商和国际投资公司在UAE建立42.使用2个对地同步卫星，Thuraya覆盖超过110个国家，从欧洲，北非，中非，中东，中亚到印度次大陆。Thuraya-3最近替换了Thuraya-1卫星，扩大了亚洲（例如中国、日本）和澳大利亚的覆盖区域。

国际海事卫星组织（International Maritime Satellite Organization， INMARSAT）建立于1979年，用于服务海洋社区，是利用美国通信卫星公司（COSMAT）的MARISAT卫星进行卫星通信的。INMARSAT控制着一个GEO卫星群，提供覆盖整个世界（除了极地地区）的移动电话，传真，数据通信服务。INMARSAT使用12个GEO卫星，4个INMARSAT-2，5个INMARSAT-3，和3个INMARSAT-4，在距离赤道上空约35700km的同步轨道上运行[5]。

船站、岸站、网络协调站和卫星等部分组成了INMARSAT系统。船站是设在船上的地球站，因业务需求被分为4个类型，他们分别为A型站、B型站、M型站和C型站标准，其中B型站与M型站采用了数字技术，最终将会取代A型站与C型站。船站有2个技术难点，一是对信号的接收，二是自身的设计。由于船只在航行过程中式持续在运动的，SES天线在跟踪卫星时，必须克服船身位移、偏航所产生的影响。同时，SES设备在体积上不宜过大，应做到尽量小巧，便于安装，不会影響船只的正常航行。岸站是指设在海岸附近的地球站。沿岸行驶的船只可通过岸站进行与陆地的互联网通信业务。它既是卫星系统与地面系统的接口，又是一个控制和续接中心，对从船舶或陆上来的呼叫进行分配并建立信道。

网络协调站完成一个洋区内卫星通信必要的信道控制和分配工作，起着至关重要的作用，每个洋区至少一个。INMARSAT系统的组成如下，对地同步卫星光束分别发射到飞机、陆地车辆、移动终端、固定终端、岸站以及船站。

下面具体介绍由INMARSAT所支持的最具创新的系统（Broadband Global Area Network，BGAN）。 BGAN广播全球区域网络系统使用3个INMARSAT-4卫星（由EADS Atriump建造）给固定和移动用户提供高速互联网接入、话音、传真、短信等通信服务。BGAN提供了85%的全球无缝隙网络覆盖，终端设备重量约1-2.5kg。

BGAN卫星是弯的管道：馈电链路使用C带并有能够覆盖全球的广播;然后，用户连接（通过卫星给用户的传输）在L带并采用一个最高达256个光束的配置天线。传统配置下，19个宽光束（大覆盖），228细光束（专门覆盖），和1个全球光束，只有细光束被使用在陆地移动通信中。这个系统允许3个等级的移动用户终端通信，（信息比特率）在4.5kbit/s到492kbit/s左右。1等级终端可以达到最大492kbit的吞吐率（上行和下行），2等级下行可达到464kbit，上行可达到448kbit，此外，3等级下行可达到384kbit，上行可达到240kbit。

BGAN取代了WCDMA的3G系统典型空中接口，对空中接口的所有权（称为INMARSAT空中接口-2，IAI2）进行不同的调整，3等级终端只能使用π/4-QPSK进行传输，在QPSK和15QAM下接收）。此外，细光束只使用16QAM调整策略。可使传输功率，带宽，编码率，和调成策略适应终端能力和通道情况，以取得更高的传输效率。

为了对现在正在运营的卫星系统有一个更全面更清晰的了解，以下从地球覆盖率、最大速度、系统价格、支持应用方面进行了总结，见表1。

4 总结

本文先简单地介绍了构建海洋互联网的意义，卫星具有通信距离远，全球覆盖等特点，用其构建海洋互联网是个非常好的选择，详细的介绍了主流的卫星系统，对各系统进行了分析比较。然而，卫星通信也有其缺点，如价格昂贵，速率低，要构建高速率低费用的海洋互联网还需我们进一步研究。

参考文献：

[1] 张军，周亮，李卓卡.基于北斗定位技术的试卷运送管理系统[J].电脑知识与技术，2018，14（11）：98+101.

[2] 吴宏瑞.宽带多媒体卫星网络管理系统接入管理方案的研究与实现[D].辽宁工程技术大学，2008.

[3] 刘阳.卫星动态光网络的时延及路由特性研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[4] Paolo Chini，Giovanni Giambene，Sastri Kota，吕京梅，王琦.卫星移动通信系统的发展现状与比较分析[J].卫星与网络，2012（05）：38-46.

[5] 梅海青.新一代多媒体移动卫星通信终端Inmarsat M4[J].通讯世界，2000（03）：73-75.

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