什么是衛星蜂窩移動系統

這幾年蜂窩電話發展很快。1988年，全球用戶400萬戶，1995年達到1億2千3百萬戶。估計到2001年將翻三倍。然而，衛星系統運營商估計，在世紀之交，還有40-60%的世界人口居住在蜂窩地面基站沒有覆蓋到的地方。與此同時，對傳統通信服務的需求則持續增長，特別是在發展中國家。電話線密度(每百人占有的電話線數)發達國家與發展中國家之比約為30:1。估計全球約有30億人口家中尚未裝有電話。這給衛星電話系統提供了很大的市場。

到目前為止，共有約180顆商用同步衛星(GEO)繞地球轉。在赤道上空35800公里處，它們提供了包括TV廣播、轉播、網絡中繼、海事以及地面移動通信以至于長途電話干線等各類業務。一顆GEO星可以覆蓋地球的1／3面積。三顆等距分布的星就可以覆蓋全球。當然南北極除外。然而這類衛星未能發射足夠強大的功率，因而無法實現與地面上小型手持機的運行通信。低軌道衛星(LEO)距離地面近，單顆衛星射束覆蓋的地面范圍小，因而需要更多數量的衛星來實現全球覆蓋。但是，LEO單顆星的個頭小，重量輕，價格便宜，另外，它還減少了由于GEO衛星長距離傳輸導致的信號長時延產生的不愉快感覺。

低軌道衛星(LEO)典型的高度為500-1500公里，中軌道衛星(MEO)為5000-12000公里。對于軌道高低不同的衛星系統其設計目標是采用多聯衛星實現全球覆蓋，實現全球任何地方，使用手持移動終端進行通信。根據專家預測，目前已在計劃或實施中的中低軌道移動衛星系統將只能滿足全球市場的一半。

以銥星為例，LLC銥星公司預計，到2002年移動用戶將達到4千2百萬，其中10%，即4百20萬為衛星業務，1千5百50萬為衛星與地面蜂窩兼有的，2千2百30萬則為城市之間的蜂窩用戶。另一家公司GlobalstarLP期望到2002年能獲得3百萬客戶，到2006年則能獲得3千萬客戶中的9百至1千萬。

全球衛星移動系統的投資是相當驚人的，一般在25億到50億美元之間。區域性系統接近10億美元左右。移動電話通話費視不同國家而定。這取決于市場需求和價格政策戰略。當然也取決于本地電話公司。政府政策也會影響話費的高低。在不同國家，啟動衛星服務前，運營公司還必須取得當地有關部門的批準。這包括海關棄權聲明，專用頻率批準書，運營執照以及與本地電話網的接入批準。要克服這些局部壁壘都需要運營公司付出巨大的努力。表一中所列參與開發建設各系統的公司，其所屬國家就像聯合國會員國的名單。直接參與者不僅來自北美、歐洲，也來自中東、非洲、遠東、南美、印度、中國和俄羅斯。全球系統以美國和英國為基地。區域性系統，服務于東南亞、中亞、中東、印度和東歐地區的，則各處崛起。

(表一)　全球系統所須的衛星數量視衛星高度而定。高度最低的系統是66顆外加6顆備份的銥星系統(LEO)。MEO系統須要10顆星，外加兩顆備份(ICO系統)。大氣牽引和范阿倫(Van Allen)輻射帶產生的輻射限制了LEO衛星的軌道壽命。典型值為5-8年。這就是說，LEO衛星要比MEO衛星需要更經常的更換，而后者的壽命約為12年。當然，小衛星低軌道的發射費用要比大衛星高軌道的MEO星來得低。為區域服務的更重要的GEO星一般說來建造和發射費用最高，但其設計壽命則更長，約12-15年。大多數用戶使用的將是一種雙模式手持機，發射功率小于1／2瓦，采用全向天線。整個手持機看起來同蜂窩手機差不多。當有地面蜂窩服務器時，用戶通過地面服務器呼叫或接聽電話，而當不存在地面服務器時，則通過衛星進行通信。

世界上存在各種蜂窩電話標準，因此，衛星移動必須能適合一種以上的系統模式。這里包括日益普及的由歐洲開發的數字式系統(GSM)以及北美先進的移動電話模擬系統(AMPS)。手機制造商正在尋求一種巧妙的插卡。衛星用戶只要將這種卡插入手機即可與當地標準適配。例如，ICO全球通信公司(以倫敦為基地的MEO系統開發商)和銥星系統(第一個LEO系統)都將裝備外部數據端口和內部緩沖存儲器。這將支持數據通信、尋呼、傳真以及插卡。以目前為止，尚未有一種衛星系統的手機可以適用于另一種衛星系統。

二、關于時延

信號傳輸時延是一個尖銳的、有時則是有爭議的問題。在討論全球衛星蜂窩系統時，設計人員基于兩種原因拒絕了GEO軌道。一個就是同步軌道上信號傳輸的長時延。設計人員認為用戶將不能接受這種長時延。另一個原因是，在這一軌道上難以獲得高的接續余量。所謂接續余量是指實際功率和接收機所要求的門限功率之差。人們愈深入地研究這一問題時，則愈加確信，采用低軌道衛星是最好的解決辦法。

GEO鏈路的全程傳輸時延約250毫秒。相比之下銥星系統則短達10毫秒。當然還有其它時延也起作用。銥星系統一次典型的呼叫可能產生的時延約160毫秒。這里包含了語音壓縮，處理和傳輸時間的總和。在銥星系統里，對在地球兩端通話的用戶來說，還可能附加另一項100毫秒的時延。

GEO衛星所承擔的時延為260毫秒。但是由于它的覆蓋面大，用戶間可以直接鏈聯。對于話音通信來說，總時延控制在最大400毫秒以內，一般認為是可以接受的。當然，MEO系統的傳輸時延比GEO短，往返的傳輸時間小于100毫秒。區域電話營運商并不看重GEO系統的信號時延。他們認為，用戶愿意承受某些可以容忍的時延。主要市場調查表明，人們并不十分關注時延問題。

三、頻率

地面與移動衛星間的上下行頻率隨系統而異，但都落在ITU(國際通信聯盟)批準的為這一移動業務所規定的范圍內。由電話上行至非GEO星的頻率為1．610-1．6265GHz，而下行至電話的頻率則為2．4835-2．500GHz。如果向某個普通的固定電話用戶或移動用戶發出呼叫，那么該呼叫將被轉換到另一個頻段，經由饋送線路從衛星發送到入口網絡或地面站。

上行到衛星的饋聯線路典型的頻帶是5．091-5．250GHz；而從衛星下行到入口的頻帶則為6.875-7.005GHz。呼叫將從入口網絡經由公眾電話交換網(PSTN)和公用地面移動網(PLMN)送到被叫用戶。此外，銥星系統還設置有交聯頻帶23．18-23．88GHz，用于衛星間的信號傳送。

四、各系統簡介

(1)銥星系統

各衛星系統盡管細節上各不相同，而目標則是一致的，即為用戶提供類似蜂窩型的電話，實現城市或鄉村的移動電話服務。首先使這一愿望成為現實的是銥星系統。到去年底為止，計劃中的72顆LEO衛星已有46顆進入軌道。其余的衛星今年內將上天。今年秋季，系統將投入商業運營。銥星系統是一個由20家通信公司和工業公司組成的國際財團。官方名稱為銥LLC。

銥系統的66顆星配置在均勻分布的六個近極軌道上(傾斜86．4度)，離地面780公里。66顆星提供了交疊式的全球覆蓋，包括極區。在軌道上的其余六顆星供備用。軌道上的這些星構成太空蜂窩鐵塔，實現了移動手機直接上星的通信。為用戶提供了話音、數據、尋呼以及傳真等業務。

衛星結構呈三角形，長邊為4.5米，其余兩邊各為1米。這種結構適合于一箭多星發射。在一支俄制質子火箭上可同時發射七顆衛星：一支美制DeltaⅡ可同時發射五顆星；而中國制造的2C/SD火箭則可同時發射兩顆銥星。隨著發射任務不斷增加，西方國家的移動通信衛星營運商以及其它通信衛星公司愈來愈多地利用中國和俄羅斯火箭進行發射。滿載時銥星的重量約為690公斤。進入空間后，星上帶有砷化鎵太陽能電池的雙翼展開，并由三軸動量飛輪控制系統來穩定其姿態。用砷化鎵取代傳統的硅電池是因為前者的效率更高，同等面積下產生功率多1/3。由三個相控陣天線組成的天線組指向地面，并通過銥星系統使用1．610-1．625GHz頻段。每顆衛星可以同時處理多達1100個雙工呼叫。

設在美國弗吉尼亞州Landsdowne的主控中心將承擔衛星控制和網絡管理工作。它的備份系統則設在意大利的羅馬。設在夏威夷和加拿大的跟蹤、遙測和指令中心同主控中心相聯。它們在衛星發射和入軌時幫助調整衛星位置并監視衛星是否正常運行。到1997年底，銥星系統已被批準在29個國家運營，并已有60個以上的服務供應商注冊入網。

(2)Globalstar(全球星)?

與銥星不同，Globalstar的設計者采用了簡單的、低風險的、因而更便宜的衛星。星上既沒有處理器，也沒有星際互聯鏈路。相反，所有這些功能，包括處理和交換，均在地面完成。這樣便于維護和未來的升級。衛星的重量小，約450公斤，因而平均發射費用也更便宜些。

整個系統幾乎覆蓋了全球，一共48顆衛星，比銥星數量差不多少了1/3。全部衛星平均分布在八個圓形軌道上，高度1414公里。另有8顆衛星供備用。軌道與赤道成52度傾斜。各軌道間相距45度。傾斜的軌道覆蓋了從北緯70度到南緯70度的所有范圍，卻不包括南北極地區。該系統用最少數量的衛星覆蓋了地球上最多居民點。系統可望在今年內發射44顆星入軌。Globalstar的產權歸五家通信服務供應商和七家通信設備以及航天系統制造商所有(見圖1)。

Globalstar系統并非通過衛星將呼叫直接傳遞給被叫用戶的。系統將衛星收到的呼叫通過饋給鏈路下行傳送到入口網絡。信號在入口網絡被處理后，經由地面基礎設施送出。但是，如果被叫用戶也是該系統的一個用戶，則呼叫將從該入口網或另一入口網上行到一個星上，再傳送到目的地。

太空中的衛星數量少而且結構簡單，意味著地面的入口網數量多。這一點同銥星系統比較是顯而易見的。在系統建設的各個階段，Globalstar將有38個入口網在全球建成，而在不遠的將來還要增加40個入口網。

Globalstar已經獲得100多個本地服務供應商的經營特許權，覆蓋了全球88%以上的人口地區。到1997年底，它已獲得19個國家的營業許可證，其中包括美國、俄羅斯、中國和巴西。

Globalstar星上有一對六邊形相控陣天線。一個供上行接收，另一個供下行傳輸。天線朝向地球一面，在地面上形成獨立的16個波束。為解決用戶的頻率限制，Globalstar盡可能多次地復用每個波束中的16MHz帶寬，以增大衛星容量。Globalstar還采用了多路分集接收法以避免當信號被障礙物阻擋時出現通信中斷。每個入口網站的三臺或四臺5?6-6米的天線可以同時跟蹤視線內的數個衛星。交換系統則將同一呼叫送達至少兩顆衛星上。然后，多通道接收機將這些信號接收，組合成一個單一的、相干的、更強的信號。Globalstar采用CDMA技術，而使系統獨具競爭力。如果采用TDMA時，就無法將兩顆星的信號組合起來，所以只能選取一個衛星的最佳信號。而當我們有3-4顆衛星時，我們可以把所有信號都組合在一起，并采用自適應功率控制把信號送到最強的鏈路上去。這種高效功率技術不僅提高了系統的容量，而且極大地改善了系統的待命性能，減少了通信中斷現象。提高了服務質量。

(3)ICO(中軌道衛星)

由ICO倫敦全球通信公司選定的格局，用10顆衛星覆蓋全球。這10顆星外加兩顆備份星均勻分布在高度為10355公里的兩個正交平面上。它們與赤道間的傾角分別為45度和135度。每顆星均與一地面網絡鏈接。該地面網絡稱為ICO-Net，有12個衛星接入點。接入點構成地面站，帶多座天線，交換設備和數據庫，按戰略要求分布在世界各地。同Globalstar的入口網一樣，這些站點將呼叫從衛星傳送到本地公眾電話交換網或地面移動網。隨著某顆衛星從視線上消逝，它們還控制呼叫從一顆衛星傳遞到另一顆衛星。

ICO系統支持TDMA的4500個同時電話呼叫。10顆衛星則可支持45000個呼叫，足夠一千萬戶使用。呼叫經由衛星的163個波束傳遞到移動用戶。鏈路的最小功率增益超過8db，平均增益則在10db以上。由于衛星高度高，信號受地面障礙物阻擋的機會少。另外，衛星在視線內運行的期間比LEO長，這就減少了呼叫從一顆衛星轉移到另一顆衛星上的頻次，從而減少了鏈路中斷的機會。

ICO Global通信公司成立于1995年。它原本是80個國家海事衛星國際財團的旁系成員。在一代人的時間內，海事衛星集團曾經為航運業提供了移動衛星通信，而且最近也為地面移動用戶服務。到去年底為止，集團的57家股東包含了世界頂尖級的20家通信公司。最大的股東是國際海事衛星公司，北京海事通信和導航公司，新加坡通信公司，希臘通信公司，印度VSNL和德國通信公司移動通信子公司。ICO產權人有一半來自發展中國家，其服務范圍占全球蜂窩電話市場的25%左右。它們提供了總投資45億美元中的20億。

(4)Ellipso系統——后來者

拖延數年之后，去年夏天華盛頓特區移動通信控股公司(MCHI)從美國聯邦通信委員會(FCC)獲得了一份建造LEO移動衛星服務系統的合同。這個系統被稱為Ellipso。技術上它是一個LEO系統，但卻運行在MEO的高度上，以獲得更高的仰角。它一共擁有17顆衛星，分布在三個軌道平面上，幾近覆蓋了全球。

系統共有三個軌道平面。在赤道上空8060公里的赤道平面上均勻分布著七顆星，覆蓋了從南緯55度到北緯25度的地帶。剩下的10顆星分別均勻定位在兩個軌道上，各自傾斜116度。衛星在北半球的遠地點為7846公里，而在南半球時的近地點為520公里。這樣，對于需求量最大的地區，Ellipso的衛星看上去就顯得非常高。橢圓形軌道在業務最繁忙的時段覆蓋著人口最稠密的地區。

包括羅克希得馬丁(Lockheed Martin)公司和哈里斯(Harris)公司在內的四個公司加盟Ellipso作為合同投資公司。至少還有其它三家包括澳大利亞和南非的服務供應商作為投資公司加入該計劃。

三軸穩定衛星攜帶有一簡單的彎管轉發器，經由一對固定天線發射信號。天線在衛星覆蓋的地面上產生61個波束。數字處理均在地面進行。每顆星具有同時接收3000個電話呼叫的容量。按計劃，Ellipso要到2001年才開始全面投入運營。位居諸多競爭者之后，Ellipso的主管官員并沒有失去信心。他們相信，銥星和Globalstar將會先期占領市場，但是，Ellipso 憑借它的高仰角所帶來的極高的質量以及低的價格政策，將極具競爭力。

(5)亞洲GEO

GEO衛星作為區域性系統的后盾為廣大地區提供手機電話業務也是很成功的。目前一共有六個這類區域性系統正處在不同的設計和實施階段。其中只有兩個系統值得在這里介紹。亞洲蜂窩衛星系統(Asia Cellular Satellite System)ACeS以印尼的雅加達為基地，覆蓋了東南亞22個國家，包括日本、中國、印度和巴基斯坦。該系統由印尼、泰國和菲律賓的三家公司的國際財團開發(圖2)。該系統的目標地區有30億人口，其中大多數尚未建立通信聯系。第一顆衛星Garuda-1原定由俄羅斯的質子火箭于今年九月份發射。ACeS將提供一系列服務。不僅有手機服務，還有其它移動和固定的終端服務。除話音、傳真、數據和尋呼外，系統還提供一系列GSM蜂窩電話功能，諸如呼叫轉移、呼叫等待以及會議電話等。ACeS衛星將定位于赤道上空東經118?加里曼丹(即婆羅洲)上空。

星上12米天線比以往商用GEO定點通信業務的任何一個都來得大。天線上可展開的反射面為遠在40000公里以外的手持機通信提供足夠的增益。這個距離已經到達衛星覆蓋區的外沿了。獨立而相同的兩個拋物面反射器裝在衛星兩邊的支架上，分別用于發射和接收。一旦衛星進入軌道，鍍金的鉬網反射面將緩慢打開。發射反射面和接收反射面分開設置有助于減少互調產物。

ACeS用戶之間將直接經由Garuda-1進行通信。ACeS用戶與地面公眾網用戶之間的通信則經由衛星下行至地面入口網來實現。ACeS在雅加達、馬尼拉和曼谷均設有入口網。在印尼的巴登島上則有一網絡控制中心和一衛星監控站(見圖2)。設計壽命為12年。

(6)西亞區域—Thuraya系統

另一個區域性衛星系統Thuraya為中東及周邊地區提供移動通信服務。由昂宿星團(金牛座的七顆星)的阿拉伯語得名，Thuraya覆蓋了58個國家的18億人口，包括中東、北非、印度次大陸、中亞、土耳其和東歐。Thuraya系統的衛星將于2000年五月升空入軌，并計劃于當年九月投入運營。Thuraya將定位于赤道上方東44度印度洋上空，索馬里海岸以東。?整個項目由Thuraya衛星通信公司運營。公司總部設在阿聯酋的首都阿布扎比。該公司是一個有14個股東的國際財團，包括各阿拉伯國家的郵電部門。其中一個股東是阿拉伯衛星公司，屬阿拉伯國家聯盟的一分子，設在沙特阿拉伯的里雅得。該公司早在80年代初就向該地區提供衛星通信服務。

Thuraya系統采用TDMA制式。整個區域由256個可成形的集射波束覆蓋。衛星可望支持13750個話音通道。設計者認為，TDMA是經濟上最合算，技術上在頻寬和功率方面均屬高效的方案；市場競爭并非技術上的，而是投放時間和費用上的競爭。

Thuraya認定四種人是它的潛在用戶，包括全國性的和地區性的漫游者。一個用戶從伊斯坦布爾驅車到土耳其的安卡拉。在這漫長的旅途上，他們希望在任何地點都能得到通信服務。另外一個目標用戶是沒有蜂窩電話或固定電話服務的地區。居住在這些邊遠地區的許多人沒有被現有的蜂窩系統所覆蓋。而開發一個地面蜂窩系統是費時而又費錢的。衛星移動系統在這些地方正好可以發揮作用。

Thuraya認識到，全球衛星移動系統和其它區域性系統都可能形成對它的挑戰。諸多因素，如衛星費用、壽命、運作的復雜性以及后備資金等等都有影響。決定的因素則是收費價格。