吉　誠

(中海電信有限公司， 上海 200080)

基于IPSTAR衛(wèi)星通信的海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)

吉誠

(中海電信有限公司， 上海 200080)

摘要:針對目前的海上通信受寬帶和費用的限制,只局限于收發(fā)郵件、衛(wèi)星電話、傳真等的應(yīng)用情況進行了IPSTAR可行性研究。結(jié)合自動波束切換技術(shù)，提出了基于IPSTAR衛(wèi)星通信的海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)。該系統(tǒng)對改善和加強海上安全指揮通信能力、加強海上應(yīng)急搶險救助能力，提高海上運輸管理水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞:IPSTAR衛(wèi)星； 海上寬帶系統(tǒng)

0引言

為了解決我國船舶在海上通信和信息化應(yīng)用方面存在的不足，中海電信有限公司基于IPSTAR衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)，寬帶電話(Voiceover Internet Protocol,IP)系統(tǒng)于一體，成功地開發(fā)了海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)。該系統(tǒng)將衛(wèi)星通信、視頻采集、遠程接入、VoIP(Voice over Internet Protocol)等技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了海上通信從窄帶通信向?qū)拵ㄐ牛瑥挠邢迲?yīng)用到普及應(yīng)用的跨越，極大地提高企業(yè)信息化應(yīng)用的水平，使船舶管理躍上新的臺階，提高了船舶生產(chǎn)效率和有效地促進船舶的安全生產(chǎn)管理。海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)為我國海上交通提供了便捷、高效、安全、可靠的高質(zhì)量衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)手段，對改善和加強海上安全指揮通信能力、加強海上應(yīng)急搶險救助能力，提高海上運輸管理水平具有重大意義。

1現(xiàn)有海上寬帶技術(shù)的比較

目前，能為海上船舶提供數(shù)據(jù)通信的方式主要有兩種，即海事衛(wèi)星和3G。其中第四代海事衛(wèi)星Inmarsat，可提供的數(shù)據(jù)傳輸速率只有432 Kbit/s，且費用十分昂貴，船上僅能限時限量使用；此外，3G只能覆蓋近海的部分區(qū)域，網(wǎng)速較慢，信號不穩(wěn)定，費用較高(見表1)。

表1　現(xiàn)有海上寬帶技術(shù)的比較

廣泛的寬帶是指能夠滿足人們感觀所能感受到的各種媒體在網(wǎng)絡(luò)上傳輸所需要的帶寬，是一個動態(tài)的、發(fā)展的概念。2010年，美國聯(lián)邦通訊委員會定義的寬帶,意味著下載速率為4Mbps，上行為1Mbps，可以實現(xiàn)視頻等多媒體應(yīng)用，并同時保持基礎(chǔ)的Web瀏覽和E-Mail特性。由此可見，只有采用IPSTAR才能實現(xiàn)真正意義上的海上寬帶。

2IPSTAR 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

2.1IPSTAR概述

IPSTAR寬帶衛(wèi)星于 2005年發(fā)射升空，衛(wèi)星定點在東經(jīng)120°赤道上空，主要用于電視信號轉(zhuǎn)播和網(wǎng)絡(luò)傳輸，是唯一通過 IP 平臺為亞太地區(qū)提供新型多媒體、因特網(wǎng)通訊等服務(wù)的在軌衛(wèi)星。IPSTAR衛(wèi)星也是世界第一顆新一代寬帶通信衛(wèi)星，其帶寬容量幾乎相當(dāng)于目前在亞洲地區(qū)服務(wù)所有通信衛(wèi)星容量的總和。

IPSTAR衛(wèi)星既可以作為向因特網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商提供接入光纖網(wǎng)的因特網(wǎng)骨干接入手段，也能夠有效地為整個亞太地區(qū)的個人和公司用戶提供低成本用戶終端和帶寬。它與非對稱數(shù)字用戶線路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)、有線、無線等其他地面寬帶解決方案相比，具備衛(wèi)星通信所特有的覆蓋區(qū)域廣、組網(wǎng)迅速、服務(wù)靈活的重要優(yōu)勢。

IPSTAR 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)最主要的好處是能夠讓沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)能夠使用現(xiàn)代的通訊技術(shù)，以經(jīng)濟實惠的帶寬和用戶終端立即獲得大容量的地面網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)可以在其廣泛覆蓋區(qū)內(nèi)(見圖1)的任何地點迅速部署并提供靈活的服務(wù)。

圖1　IPSTAR中國覆蓋圖

2.2IPSTAR衛(wèi)星

IPSTAR衛(wèi)星是區(qū)域衛(wèi)星系統(tǒng)，Ku 波束(84 個點波束、3 個成型波束和7 個區(qū)域廣播波束)和Ka 波束(18 個饋電波束和關(guān)口站)覆蓋亞太地區(qū)的22 個國家和地區(qū)?？罩薪涌谑褂脤Ｓ貌ㄐ芜B接用戶終端和關(guān)口站。到端站的下行鏈路使用TDM overlaying OFDM。從端站發(fā)起的上行信道基于Multimode Multiple Access MF-TDMA。關(guān)口站的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可以選擇匹配應(yīng)用數(shù)據(jù)速率和流量密度需求的訪問模式，包括適用于語音服務(wù)的TDMA-DAMA 模式，適用于網(wǎng)絡(luò)瀏覽和其他突發(fā)流量服務(wù)的SlottedAloha 模式。每種模式都使用先進的誤碼校驗編碼，使得上行鏈路可以使用小天線和功放來實現(xiàn)高速上行數(shù)據(jù)速率。

2.3IPSTAR用戶終端

IPSTAR用戶終端是低成本的、靈活的、高性能的雙向衛(wèi)星終端，可以與任何傳統(tǒng)衛(wèi)星及IPSTAR 關(guān)口站配合使用。在前向信道和反向信道上利用了先進波形的空中接口進行了優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的總體效率。前向信道波形利用的是TDM-OFDM 技術(shù)，提高了帶寬和功率的利用率，優(yōu)化后前向信道能夠支持多種數(shù)據(jù)速率，以及支持不同調(diào)制格式和前向糾錯編碼的用戶。反向信道使用的是MF-TDMA 技術(shù)，支持突發(fā)流量及高速數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的專用分配。

2.4IPSTAR可行性分析

測試中將衛(wèi)星天線置于海運大樓裙樓頂層，裝配變頻功率放大器(Block Up-Converter，BUC)和低噪聲下變頻器(Low Noise Blak,LNB)，用收、發(fā)饋線將衛(wèi)星與IPSTAR用戶終端(Modem)相連，調(diào)整衛(wèi)星天線方向后獲得衛(wèi)星信號強度60 db，信噪比達12.8 db，實測上行帶寬平均值約為2 000 Kbps，下行帶寬平均值約為3 500 Kbps，峰值超過4 000 Kbps，支持在線播放高清視頻，訪問互聯(lián)網(wǎng)的延時大概約為600 ms，如圖2所示。

3中星11衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

雖然IPSTAR衛(wèi)星帶寬較高，但是它的覆蓋范圍只是1個亞太地區(qū)的區(qū)域性系統(tǒng)。中星11號的加入彌補了使用范圍上的局限性。中星11號于2013年5月發(fā)射，是中國衛(wèi)星通信公司運行管理的第一個海洋波束的商業(yè)通信衛(wèi)星，其覆蓋范圍包含中國領(lǐng)海、泰國灣、安達曼海、孟加拉灣、阿拉伯海、波斯灣、亞丁灣等水域，如圖2所示。

圖2　中星11號覆蓋圖

中星11號衛(wèi)星工作在東經(jīng)98.2度的軌道位置，裝載有45個C頻段和Ku頻段的載荷，是我國自研民商用通信衛(wèi)星中轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)最多、載荷功率最高、重量最大的衛(wèi)星，其采用的一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品進一步提升了我國通信衛(wèi)星性能，推動了我國大容量、長壽命、高可靠通信衛(wèi)星的發(fā)展。

除了中星11號之外，中國衛(wèi)星通信公司還將在2年內(nèi)發(fā)射中星15、中星16等通信衛(wèi)星，其覆蓋范圍將包括歐洲海域、北大西洋海域、南大西洋海域，屆時，全球主要沿海區(qū)域?qū)⒒救采w，這將更有利于海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)的推廣和使用(見圖3)。

其中，歐洲部分計劃2015年下半年開通，南大西洋部分的覆蓋規(guī)劃在2016年上半年開通，北大西洋部分的覆蓋規(guī)劃在2016年下半年開通。

3船載衛(wèi)星天線“動中通”

3.1“動中通”概述

“動中通”自動跟蹤系統(tǒng)是在初始靜態(tài)情況下，由全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、經(jīng)緯儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)測量出航向角、載體所在位置的經(jīng)度和緯度及相對水平面的初始角，然后根據(jù)其姿態(tài)及地理位置、衛(wèi)星經(jīng)度自動確定以水平面為基準(zhǔn)的天線仰角，在保持仰角對水平面不變的前提下轉(zhuǎn)動方位，并以信號極大值方式自動對準(zhǔn)衛(wèi)星。在載體運動過程中，測量出載體姿態(tài)的變化，通過數(shù)學(xué)平臺的運算，變換為天線的誤差角，通過伺服機構(gòu)調(diào)整天線方位角、俯仰角、極化角，保證載體在變化過程中天線對星在規(guī)定范圍內(nèi)，使衛(wèi)星發(fā)射天線在載體運動中實時跟蹤地球同步衛(wèi)星。

圖3　未來2年中國衛(wèi)星通信公司所屬衛(wèi)星覆蓋范圍圖

3.2“動中通”自動波束切換技術(shù)

當(dāng)船舶離開一個波束區(qū)域進入另一個波束區(qū)域時，“動中通將自動進行波束切換或者衛(wèi)星切換，其他設(shè)置無需更改(見圖4)。

圖4　波束切換示意圖

(1) 多波束統(tǒng)一劃分及信令管理機制技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)化綜合信令傳輸體制、靈活的系統(tǒng)組網(wǎng)支持能力、快速高效的網(wǎng)絡(luò)呼叫處理和支持大容量網(wǎng)絡(luò)終端用戶。

(2) 自動衛(wèi)星切換控制管理機制技術(shù)包括最近衛(wèi)星準(zhǔn)則+最強信號準(zhǔn)則、最強衛(wèi)星信號+仰角加權(quán)分析、主站定時輪詢+終端自動回應(yīng)和信道保護間隔+GPS位置預(yù)測。

4海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)組成

海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)主要采用IPSTAR衛(wèi)星實現(xiàn)海上船舶寬帶接入，系統(tǒng)由衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、移動船舶終端、應(yīng)用服務(wù)中心三部分組成(見圖5)。

圖5　海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)示意圖

圖6　衛(wèi)星通信移動船舶終端

基于IPSTAR的衛(wèi)星通信采用型號IPX-3200為移動船舶終端，采用型號IP90D為衛(wèi)星天線；基于中星11的衛(wèi)星通信采用Evolution X5為移動船舶終端，采用型號K100為衛(wèi)星天線(見圖6)。

在整個系統(tǒng)中，應(yīng)用服務(wù)中心位于中海電信的中心機房，主要應(yīng)用服務(wù)包括遠程視頻監(jiān)控、IP電話、視頻會議等。

4.2系統(tǒng)特點

1) 單站最高可實現(xiàn)上行2 Mbit/s，下行4 Mbit/s衛(wèi)星寬帶通信。

2) 包月付費，不計流量，通信費用大大低于海事衛(wèi)星。

3) 連續(xù)三年船舶實航應(yīng)用，天線設(shè)備及系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，完全滿足海上應(yīng)用需求(散貨船“盛發(fā)海”、油船“丹池”、客船“青山島”為首批海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)示范船)。

4) 實現(xiàn)船舶遠程訪問，對接陸岸公司內(nèi)部各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

4.3系統(tǒng)功能

1) 隨時與船上取得通話聯(lián)系。

2) 隨時看到船舶航行和作業(yè)情況的高清視頻。

3) 大屏幕的電子海圖上，以可視化平臺實時地調(diào)看到船舶的航行動態(tài)信息。

4) 在臺風(fēng)季節(jié)時結(jié)合視頻和電話指揮防臺防汛。

5) 隨時通過手機客戶端調(diào)看船上實時的監(jiān)控視頻。

6) 通過高清視頻指導(dǎo)船舶對設(shè)備進行遠程維修。

7) 遠程訪問船上現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)。

8) 隨時召開船舶視頻會議。

5應(yīng)用前景

海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)是為船舶修建的一條信息高速公路，其價值在于可以支持各種各樣的應(yīng)用，上文介紹的功能，只是一小部分有價值的應(yīng)用。實際工作中，船公司對信息化多樣的需求，均可以在海上衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)得到應(yīng)用。

參考文獻：

[1]汪春霆,張俊祥,潘申富，等.現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù):衛(wèi)星通信系統(tǒng),2012.

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中圖分類號：TN927.2

文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-04-10

作者簡介：郝建明(1983—)，男，河南焦作人，工程師，主要從事交通信息化研究。

文章編號：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