全球个人通信系统——卫星移动通信的新目标

全球个人通信系统——卫星移动通信的新目标（陆文福、贾玉涛）
    随着世界经济的发展，各国之间互相渗透，人们之间的交流大大增加，而另一方面则
是世界上还有许多人烟稀少的山区、草原、沙漠和岛屿也需要发展和沟通信息，这就使近
十年来信息传递领域中卫星移动通信的需求量大增。在这段时期里，正值卫星技术、大规
模集成技术、通信技术和计算机技术等取得了前所未有的发展。于是人们就不满足可搬动
的小型卫星通信地面站或能便携的卫星通信用户机状态，希望能够用手持帆实现任何一个
人（Whoeve）在任何时间（Whenever）任何地点（Wherever）都能与世界上其他任何人
（Whomever）进行任何万式（Whatever）的通信，这就是所谓全球个人通信标志 （5W），
第五个W是指可以支持话音、数据和图像等多种业务通信。
    地面移动蜂窝通信系统，它只能限于大中城市和主要的通道两旁，不可能覆盖全世界
每个角落，因为转播台的作用距离仅5～15Km，如果建立能覆盖全球每个地方的中继网，
无论是从经济上或从枝术上讲都是不可能的，本文研究的全球个人通信系统与地面移动通
信系统不同处在于系统的中继网建在空中，中继站就是卫星，由于卫星登高远望，通视范
围广，所以，利用卫星移动通信实现全球个人通信系统将优选于地面蜂窝移动通信。卫星
的轨道高度决定卫星数量的多少，无论是在同步轨道（GE）、大椭圆轨道（HEO）、中椭
圆轨道（MEO）和低椭圆轨道（LEO）上所要发射的卫星数量一般多是可以做到的。
    卫星移动通信建设快、资源利用率高、投资少而能达到全球的范围，同时有很大的利
润，如全球星（Globalstar）公司的财务主管预测，公司每年可获利18亿美元。如此高额
的利润，必然会吸引全世界的投资者进入这一新兴产业，使成为当今的投资灼热点。无论
是发达国家，还是发展中国家，他们提出了许多方案、建议和计划，据1997年9月电联卫星
总表，向电联申报的1-3GHz频段的非静止轨道卫星网络已有181个，已见于公开资料的就有
20多个，这些卫星移动通信系统并不都是个人全球通信系统，因为有的系统的用户终端还
不能做到手持要求的大小，没能满足本文第一段的关于全球个人通信系统的概念，例如利
用同步轨道的卫星移动通信系统一般用户终端是一个小站，这是由于信号的传播路径很远，
损耗大的原因，这样的系统设计时并不要求考虑用户终端用手持机。在已见到报道的卫星
移动通信系统范围内有四个比较著名的系统，它们是ICO、Iridium、Globalstar和Odyssey
系统，它们都是属于全球个人通信系统。ICO的含意是中高度圆形轨道，它是Inmarsat新
成立的全球通信公司，专门负责Inmarsat-p(p－21)计划的实施：Iridium就是摩托罗拉
（Motorola）公司推出的一个全球低轨道个人通信系统．即是人们所说的合球通信系统：
Globalstar全球卫星系统是（Loral－OualComm）公司提出的一个全球低轨道个人通信系
统；Odyssey（奥迪赛）系统是美国TRW公司发展的一个全球中轨道个人通信系统。1997年
12月TRW公司宣布由于经济上原因放弃Odyssey计划，同时成为竞争对手ICO公司的一个股
东。因而现在只有三个著名系统了。
    全球个人通信系统都应具有Iridium系统那样的功能，也就是研制成一种双模式电话，
这种电话具有全球范围的兼容性，而且用不着进开现有的通信系统，它首先寻找地面的蜂
窝信号，当不能获得地面服务时就切换到卫星星座上去，并允许所叫者选择他们喜欢的呼
叫线路。另外．这些系统还将与公共交换电电话网络（PSTN）连接，使得任何一个系统的
用户都可以和世界上任何一部电话通话，此外系统还有对用户的定位功能，定位精度在
1～2Km的范围内。
    Iridium等三个系统分别与我国的航天、交通和信息等部门都有合作协议，换句话说
上述三个系统均有我国的股份，有的股份还很大，是国际上最大的投资者之一，例如ICO，
我国交通部所占股份为ICO总投资的7.2％，是ICO公司董事会董事，这三个全球个人通信
系统将来在我国的移动通信市场上会占到相当的份额。因此我们有兴趣予以注意，本文
对它们作些研究的原因主要也在这里。表1和表2是ICO、Iridium和Globalstar等的状况
比较表，以下我们分别从轨道、卫星通信体制和系统组成等方面予以浅析之：





























































  
     
 
      系统名称
    
    
 
      铱系统
    
    
 
      全球星系统
    
    
 
      ICO系统
    
  
  
     
 
      经营者
    
    
 
      Motorola公司
    
    
 
      Loral/Qualcomm公司
    
    
 
      Inmarsat公司
    
  
  
     
 
      提出日期
    
    
 
      1987年
    
    
 
      1991年6月
    
    
 
      1991年9月
    
  
  
     
 
      投资（亿美元）
    
    
 
      50
    
    
 
      27
    
    
 
      接近50
    
  
  
     
 
      系统特点
    
    
 
      星上有处理器星际有链路，地面信关站少
    
    
 
      设计比较简单，整个系统当作地面蜂窝系统的延伸
    
    
 
      有Inmarsat两代成功经验，技术风险不大
    
  
  
     
 
      目前状况
    
    
 
      发射卫星已经完毕

        正在系统试验高速阶段 
    
    
 
      发射卫星还未结束
    
    
 
      正在建设SAN站（接续枢纽站）
    
  
  
     
 
      终端设备或手持机价格预测（元）
    
    
 
      ￥1000
    
    
 
      ￥700
    
    
 
      ￥500-1000
    
  
  
     
 
      服务费预计
    
    
 
      ￥3/分钟
    
    
 
      ￥0.3分钟
    
    
 
      
    
  
  
     
 
      预测用户数（万户）
    
    
 
      200-300（2010年）
    
    
 
      700（2005年）
    
    
 
      400（2010年）
    
  
  
     
 
      计划商用时间
    
    
 
      1998年9月
    
    
 
      1999年初
    
    
 
      2000年
    
  





































































  
     
主要技术参数
    
铱系统
    
全球星系统
    
ICO系统
  
  
     
卫星总数（个）
    
66
    
48
    
10
  
  
     
轨道平面数
    
6
    
8
    
2
  
  
     
轨道高度（公里）
    
780
    
1389
    
10355
  
  
     
轨道形状
    
极地
    
圆形
    
圆形
  
  
     
覆盖范围
    
全球
    
70°N-70°S
    
75°N-75°S
  
  
     
馈电链路频率
    
上行27.5-30.0GHz

      下行18.8-20.0GHz
    
上行5059-5250MHz

      下行6875.95-7052.9MHz 
    
上行5059-5250MHz暂

      下行6925-7075MHz定 
  
  
     
用户链路频率（MHz）
    
上行1610-1626.5

      下行1610-1626.5 
    
上行1610-1626.5

      下行243.5-2500 
    
上行1980-2010

      下行2170-2200 
  
  
     
卫星波束/每星
    
48
    
16
    
163
  
  
     
星上处理
    
有
    
无
    
无
  
  
     
多址连接
    
TDMA/FDMA
    
CDMA/FDMA
    
TDMA/FDMA
  

一、轨道
    卫星发展的历史告诉我们，早期的通信卫星都采用中低轨道，以后才采用中高轨道
乃至地球同步轨道。目前，地球同步轨道卫星通信成为“正统”，卫星移动通信都由同
步轨道开始，而发展到中／低、中／高轨道，尤其个人全球通信系统的轨道非中低、中
高轨道莫属。
    （1）三个系统中ICO的卫星轨道是属于高度在10350Km（6小时的轨道周期）的中高
度轨道系统，它是全球个人通信系统卫星星座轨道的基本选择。经论证，认为对于手持
终端业务是最佳的，主要根据是：
    从覆盖性能看，可提供保证最大仰角的全球覆盖；
    卫星数量适中；
    为实现手持终端业务，卫星的大小合适；
    通信网络复杂程度适中：
    频率复用较好：
    键路信号延迟低：
     辐射剂量不超过限度：
    卫星移动速度慢；
    全球系统覆盖，每个卫星接续枢纽（SAN）可以覆盖一个大洲；
    技术风险和实施风险可以接受；
    卫星结构管理的复杂性可以接受；
    造价合理。
    总之，IOC中高度轨道卫星移动通信系统是一种具有竞争实力的系统。
    （2）Iridium和Globalstar系统的卫星轨道在1000Km左右的称为低轨道卫星移动通
信系统，低轨道卫星集中了低轨道卫星、同步轨道卫星和大椭圆倾斜轨道卫星组成卫星
通信系统的优点，这些优声、诸如可用容易发射的小卫星，能够提供实时连续通信，覆
盖区域包括两极在内的全球范围和不存在高纬度地区移动通信的遮挡和衰减问题等等。
但是，由于轨道低、卫星数量多、运行寿命短和地面管理尚无成熟经验，在经济成本方
面还不是处在优势地位，但是它具有路径损耗小、通信延迟时间短、收发机功率低、用
户使用方便等特点。
二、卫星
    中高轨道卫星移动通信系统配置的卫星和中低轨道卫星移动通信系统配置的卫星相
比一般要大一些。 ICO、Iridium和Globalstar，三 个系统的卫星的质量分别为2300Kg、
800Kg和232Kg，但是它们在轨道上配置的卫星数分别为10、66和48颗，质量大的卫星其
功能要多一些，寿命要长一些，精度要高一些，枝术要复杂一些，反之不然。Iridium
和Globalstar两个系统相比，Globalstar不仅卫星数量少，而且卫星质量也轻，这是因
为Iridium卫星星上有星间链路通信设备和星上信号处理设备的原因，星间链路的增加，
可以相应减少地面信关站之类的设备。此外，由于Globalstar的轨道较高，所以卫星数
较少。
    对于中低轨道卫星移动通信系统的小型卫星与中高轨道卫星相比具有：价格低廉、
结构简单、设计周期短等特点，可采用标准化星体和模块化设计．从而可以批量生产和
储存，便于及时发射和补充。小型通信卫星的另一重要的用途是为新的通信体制、通信
技术提供灵活、有效、廉价的在轨实验平台。
    卫星转发器对三个系统来说除了Iridium采用卫星信号处理器外均是采用透明式的，
或者叫做“弯管型”转发器。
    三个系统卫星平台均采用三铀稳定方式。
三、频率
    卫星移动通信的工作频率十分重要，它直接影响到整个通信系统的通信容量、质量、
设备的复杂程度、成本的高低和可靠性。可是一个系统的工作频率并不是可以自由选择
的，它是由国际电联规定的。
    本及研究的Iridium等三个系统卫星-用户之间使用的频率都是在国际电联分配的范
围之内，ICO使用的2000MHz、2200MHZ是海事卫星专用频段，Globalstar、Iridium两个
系统使用的频率是1987年国际电联批准的RDSS（卫星无线电测定服务）专用频段之内，
后来由于经营RDSS的Geostar、Locstar等公司的倒闭，RDSS频段给卫星移动通信挪用了。
这个频段原先是划给航空安全业务用的，由于航空安全业务尚未使用这个频段，所以国
际电联曾告示在使用1610.5～1626.5、2483.5～2500频段的RDSS经营者：在这个频段中
不得干扰航空安全业务，为此对它们在星上和地面有严格的功率密度要求。
    1992年世界无线电行政大会（WARC－92）为使用非对地静止轨道的卫星移动业务
（GZSO／MSS）划分了1-3GHZ范围内的频段，我们研究的ICO等三个系统都在这一范围内。
    1997年世界无线电行政大会（WAR－97），在1－3GHz来为卫星移动通信划分新的频
段。
    卫星移动通信系统的可用频率在UHF、Ku、Ka、L、S波段里都有法定频段的安排，
但不按规定的也存在，例如Qualcomm的OmniTRACS系统也有用C波段的。
四、通信体制
    一个系统的通信体制包括调制、纠错和多址方式等三部分。
    （1）调制
    Iridium、Globalsta和ICO三个全球个人通信系统都采用数字相移键控调制方式，
但是具体的相移键控方式不一样，Globalstar和iridium都采用四根相移键控（4PSK）：
ICO采用汉相相移键控（BPSK）。
    （2）纠错
    由于是全球个人通信使用手持机工作，手持机的EIRP和G／T值一般不可能大大，所
以信道质量不会大好，此外，采用相移键控的调制方式，对相位干扰比较敏感，影响误
码率，所以均采用券快编码维特比（Viterbi）译码的前向纠错技术（FEC），维持比泽
码可以改善信号的唁噪比，一般有3-5dB编码增益，这是十分可观的，但是也带来一定
的缺点，例如卷积编码维持比泽码带来信道带宽的增加等。
     （3）多址方式
    几个系统的多址方式不尽一样：
    Iridium采用TDMA，Globataar采用CDMA，ICO的多址方式经过较长时间讨论，主要
涉及CDMA和TDMA之争，后来决定采用TDMA。
    由上面叙述可知，Iridium等三个全球个人通信系统不是采用TDMA多址接入方式，
就是采用CDMA多址接入方式，对于TDMA和CDMA的比较可从以下四个方面来讨论：
    a、容量
    CDMA如果不是正交的方式，它的系统容量将小于TDMA；
    正交CDMA需要很精确的时间同步（1/10ChiP）。
    b、功率控制
    CDMA对功率要求非常准确，否则系统容量将大幅度下降。
    C、用尸机
    CDMA需要高性能的双工器：
    CDMA的G／T值要比TDMA低0.5-1dB。
    d、自我干扰
    非正交CDMA系统存在自我干扰。
五、手持机
    手持机对三个系统来说，都是重要的部分，只能采用低增益无方向性天线，发射机
的功率也只能在0.5-1W量级，与一般的蜂窝手持机大小差不多，而且价格要低。
    三个系统的手持帆有一个共同的特点，即必须设计成双模式，即对上能进入卫星移
动通信系统，对下能进入地面蜂窝移动通信系统工作，由于地面蜂窝还存在模拟制式，
所以全球个人通信系统的手持机还必须做到数字和模拟制式的兼容。
六、美好的发展前景和存在的问题
    移动卫星全球个人通信的产生和发展是全球通信的重要变革，意义深远具有巨大的
市场潜力。据调查，到本世纪末，世界上可能有多于80％的陆地，大约40％的人口不在
蜂窝网的覆盖范围内。而世界上蜂窝覆盖范围内的通信技术标准不统一，不能实现全球
个人通信，这给卫星移动通信的发展提供了巨大的市场，发展远景十分美好。
    三个全球个人通信系统中的Iridium低轨道卫星系统采用卫星J司联接，突破了卫星
通信系统原有的模式，是富有挑战性的，与别的系统相比，可以少设许9信关站。但是
也招惹了麻烦，一些国家强调主权不与Iridium系统合作，会影响整个系统的效率。
    全球个人通信系统不是容易得到的，它要解决一些高难的技术问题，实现全球个人
通信要涉及的技术是多方面的，如宽带传输技术、智能化网络技术和高速计算与存储技
术等，与其关系最密切的是无线移动通信技术，在个人通信网络中主要解决的是终端的
移动性问题，此外还应解决如何提供大容量和高质量的业务能力，除了语言外还应支持
数据和图象等业务，还需要研究应用以下诸枝术：
    无线传输技术
    与无线传输有关的问题有无线个人通信的频段、调制解调方式、信道编译码方式、
抗衰落方式和变址方式等。
    无线多址技术
    为了适应未来个人通信的需要，多址枝术应能支持在宽带周边的各种业务，能适应
各种速率的业务接入，如变速率宽带CDMA技术、高级宽带TDAA技术、分组预约多址批
（PRMA）技术和无线ATM技术等。
    智能化天线技术
    天线已经不只是电磁波与收发信帆的接口了，在解决衰落和多址问题时，同样发挥
愈来愈重要的作用，例如采用天线分集技术。
    软件无线电技术
    软件无线电技术的基本思路是将数字处埋过程尽量靠近射频前端，也即将A/D和D
／A变换器尽量靠近射频前端，利用数字信号处理器（DSP）的处理能力和软件的灵活性
进行信道分离、调制解调，信道编译码等。保证对输入信号的调制方式、多址方式、编
码格式进行自动识别和解调，实现信息的正确接收。针对不同的体制，只需要改变软件
就可适用，比如可以做世界范围的无缝覆盖和城市、乡村两种多址方式的同时使用。
七、宽带大容量近地轨道通信系统相继兴起
    Iridium等三个新一代移动通信系统已经起程，同时更新型的系统又已出现。1997
年6月Motorola提出了Teledesic系统，Teledesic系统是一个全球超级LEO卫星系统，轨
道上有288颗卫星，总投资为90美元。Motorola同时又推出一个新的由63颗LEO组成的系
统，命名为Celestri，该系统投资129亿美元，计划2002年开始提供服务。Teledesic和
Celestri所面向的市场和Iridium、Globalstar等LEO系统不同，后者是面向移动电话为
主的业务，前者适用于进入家庭的三网（话和非话通信、广播电视、计算机联网）合一，
将与大容量光缆一起，成为下一世纪信息高速公路的主要传输手段。另外与Teledesic、
Celestri相似的还有Skybridge系统等。
    需要指出的是这些系统都使用非静止轨道，但属于固定业务，地球站天线都很小，
直径在0.5米以下可以便携。

摘自《中国通信》