低成本船用移动通信解决方案

李超 李明 安玉拴

摘 要：为解决远洋渔船低成本宽带通信问题，文章梳理了国内外海上宽带移动通信的各种解决方案，综合分析了地球静止轨道卫星通信、中低轨卫星通信、热气球方案、高空无人机方案等四种方案，从研究进展、终端费用、流量费用、产品功能指标等方面综合对比，认为未来的重点关注方向为国内低轨卫星通信系统。

关键词：远洋通信;卫星通信;低成本

我国近海存在着严重的过度捕捞现象，因此提倡远洋捕捞。当前，我国经批准的远洋作业渔船约3000艘，由于海上的基础网络建设存在许多障碍，远洋移动通信主要依赖卫星通信，但是当前卫星通信费用过高，造成远洋移动宽带通信手段的欠普及，给渔民的通信、娱乐、求救带来诸多不便，大大影响渔民远海捕鱼的积极性。为方便渔民远海捕捞，迫切需要寻求一种可行的低成本通信方式。

1 GEO卫星通信

在全世界将近500颗通信卫星当中，绝大多数是同步卫星。L频段的海事卫星终端、S频段的天通一号终端、Ku频段动中通系统是当前船用宽带通信的主流选择。近年来随着海事卫星五代星、中星十六等高通量卫星的运营开启，Ka频段动中通系统以其更具竞争性的带宽和流量资费，也变得越来越普及。

由于船载Ka、Ku动中通系统的能力要求高，一般需要采用高功率功放和定向天线，短期内硬件成本高且难以大幅降低，这种方式在大型渔船中比较普及，但在中小型渔船中较难广泛应用。L频段和S频段限于带宽资源，最高码率较低，且流量资费较高，在小型渔船中也较难普及。

2 中低轨卫星星座方案

各国提出数十种星座方案，主要以全球无缝、终端可手持的大容量移动卫星通信系统为主。部分计划部署的中低轨道高通量卫星星座如下表所示[12]。

中低轨道卫星与地球静止轨道相比，具备传输时延低、容量使用成本低、地面终端尺寸小等优点。在为远洋渔船提供高速且低成本的通信服务中，具有非常广阔的应用前景[3]。

（1）信号传输时延低。中低轨高通量卫星星座系统的优势主要体现在时延方面。GEO卫星，传输时延在250ms左右，无法满足实时交互通信需要;MEO卫星的传输时延为150ms左右，主要适用于干线传输和蜂窝回程等应用;LEO卫星的传输时延仅为30～50ms，与地面通信手段较为接近。而较低的网络延迟是提供实时语音、视频传输等对延迟敏感服务的关键。

（2）用户成本低。GEO卫星单颗卫星容量有限，如今在轨的高通量卫星单颗卫星容量大多在数百吉比特每秒，限制了市场的发展。而中低轨星座一旦入轨，星座容量在太比特每秒级别量级，可大大降低用户的容量使用成本，扩大用户群。

（3）地面终端尺寸小。LEO卫星网络的低轨道减少了信息在传输过程中的损耗，从而可以降低误码率，也可以减少地面通信终端的尺寸;Ka波段高带宽低轨卫星技术的发展也将显著提高LEO卫星的信息处理能力和服务质量[4]。

3 其他方案

（1）热气球方案。谷歌公司提出气球计划，用漂浮于18～25km之间的平流层的气球来为无基础网络覆盖的地区提供网络接入。平层风速低，大气湍流小，适合气球飞行。每个气球携带一个太阳能无线发射器，可与其他的气球进行中继通信。每个气球可以为40公里直径的地面地区提供网络连接，网速可以达到3G网络的水平。热气球项目进展缓慢，因为涉及市场、法律和隐私等诸多不利因素，现有市场排斥、各国法律监管、隐私问题等。

（2）无人机方案。脸书计划采用太阳能无人机，在18km高度为海上用户提供互联网接入服务，其太阳能电池板续航能力约为3个月。无人驾驶飞机之间可使用激光进行中继通信，最终将信号传递到一个地面站以接入互联网。单个飞机的覆盖面比低轨道卫星小很多，但是无人机可以环绕缺乏互联网接入的特定位置提供服务。由于激光传输容易受到云、雨、雾干扰，太阳能面板转换效率非常低，难以支持无人机长时间飞行。另外，大量无人机在高空巡航是一个严重的安全隐患。脸书于2018年6月关闭此计划。

4 总结

远洋缺乏地面基础设施，可采用的通信方式主要局限于卫星、热气球、无人机等高空中继方式。其中热气球、无人机方案因技术成熟度与安全性较低等原因，采用较少。卫星通信是目前應用最为广泛的方式。远洋船一般通过船载动中通天线实现互联网接入，因终端和带宽租用资费均较高，难以普及。未来的中低轨道卫星互联网，必将有效减小移动终端的体积，降低流量费用，增加覆盖范围，提高通信带宽与便捷性，实现远洋移动宽带通信的普及。由于安全原因，国外主导的卫星互联网对中国海域的覆盖具备较大的政策风险，建议积极关注国内鸿雁星座及虹云工程的动态，跟踪其采用的协议与方案，提出针对性通信解决方案。

参考文献：

[1]刘悦.国外中低轨高通量通信卫星星座发展研究[J].国际太空，2017（5）：5963.

[2]李明.微小卫星发展的若干思考[J].航天器工程，2016（06）：59.

[3]王晓海.基于小卫星星座的移动互联网系统及应用发展[J].卫星与网络，2017，172（06）：5863.

[4]杨昕，孙智立，刘华峰，等.新一代低轨卫星网络和地面无线自组织网络融合技术的探讨[J].中兴通讯技术，2016，22;129（04）：5863.