传输与接入典型低轨道卫星移动通信系统

6.5.2  典型低轨道卫星移动通信系统
要使用体积小、功率低的手持终端直接通过卫星进行通信，就必须使用低轨道卫星，因为若是用静止轨道卫星，则由于轨道高，传输路径长，信号的传输衰减和延时都非常大，因此要求移动终端设备的天线直径大，发射功率大，难以做到手持化。只有使用低轨卫星，才能使卫星的路径衰减和信号延时减少，同时获得最有效的频率复用。尽管各低轨道卫星系统细节上各不相同，但目标则是一致的，即为用户提供类似蜂窝型的电话业务，实现城市或乡村的移动电话服务。本小节中介绍最典型的几种低轨道卫星移动通信系统。
　　1．铱星系统
铱星系统是最早投入商用的低轨道系统，采用66颗低轨卫星以近极地轨道运行，轨道高度为780 km。铱星系统是一个由20家通信公司和工业公司组成的国际财团，名称为铱LLC。铱星系统从1987年到1998年5月共发射了72颗卫星(其中6颗备用星)，并于1998年11月正式商业运营。铱系统实现了移动手机直接上星的通信，为用户提供了话音、数据、寻呼以及传真等业务。铱星系统具有星际电路，并具有星上处理和星上交换功能。这些特点使铱星系统的性能极为先进，但同时也增加了系统的复杂性，提高了系统的成本。铱星系统虽然在技术上具有先进性，但由于市场运营策略失误，资费策略失误(每部手机大约3000美元，国内通话每分钟约1.27～2美元)等原因，导致铱星系统在正式运营16个月之后，即2002年5月，停止向用户提供服务，铱星公司宣布破产。

　　2．全球星系统
全球星系统(简称GS系统)也是低轨道系统，但与铱星系统不同，全球星系统的设计者采用了简单的、低风险的，因而更便宜的卫星。星上既没有星际电路，也没有星上处理和星上交换，所有这些功能，包括处理和交换均在地面上完成。全球星系统设计简单，仅仅作为地面蜂窝系统的延伸，从而扩大了移动通信系统的覆盖，因此降低了系统投资，而且也减少了技术风险。全球星系统由48颗卫星组成，均匀分布在8个轨道面上。轨道高度为1414 km。
全球星系统的主要特点有：由于轨道高度仅为1414 km，因此，用户几乎感受不到话音时延；通信信道编码为CDMA方式，抗干扰能力强，通话效果好。全球星系统可提供的业务种类包括话音、数据(传输速率可达9.6 kb/s)、短信息、传真、定位等。
2000年5月全球星系统在中国正式运营。用户使用全球星双模式手机，可实现在全球范围内任何地点任何个人在任何时间与任何人以任何方式的通信，即所谓的全球个人通信。
(1) 卫星子系统。卫星子系统由48颗卫星加8颗备用星组成。这些卫星分布在8个倾角为52°的圆形轨道平面上，每个轨道平面6颗卫星，另还有1颗备用星。轨道高度约为1414 km，传输时延和处理时延小于300 ms，因此，用户几乎感觉不到时延。每颗卫星输出功率约为1000 W，有16个点波束，2800个双工话音信道或数据信道，总共有268 800个信道。话音传输速率有2.4 kb/s、4.8 kb/s、9.6 kb/s三种，数据传输速率为7.2 kb/s(持续流量)。每个业务区总有2～4颗卫星加以覆盖，每颗卫星能与其用户保持17min的连接，然后通过软切换转移到另一卫星上。卫星采用CDMA制式，带宽为1.23MHz，基本采用IS-95标准。其优点是可以与地面系统CDMA One兼容，带来技术上的方便。
(2) 地面子系统。地面子系统由控制中心(NCC)和关口(GW)组成。NCC配有备用设备，由地面操作控制中心(GOCC)、卫星操作控制中心(SOCC)和发射控制操作设施(TCF)组成，负责管理GS系统的地面接续，如 GW和数据网的操作，同时监视8颗卫星的运行。GOCC管理GS的地面设施，执行网络计划，分配信道，计费管理等。SOCC管理和控制卫星发射工作，并经常检测卫星在轨道上的运行，予以监控。GW是地面站，每一个站可同时与3颗卫星通信。GW承担转接全球星系统和地面公网(PSTN/PLMN)的任务。
它把来自不同卫星或同一卫星的不同数据流信号组合在一起，以提供无缝隙的覆盖。它把卫星网和地面公网连接起来，每一个用户终端可通过一颗或几颗卫星(利用CDMA的分集接收技术)和一个关口站实现与全球任何地区的通信。关口站包括射频分系统、CDMA分系统、管理分系统、交换分系统和遥测控制单元等。
全球星关口站的最大覆盖半径为2000 km，在中国建三个关口站即可覆盖全国。三个关口站的最佳建站地址为北京、广州、兰州。关口站的空中信道最少为80条，最大为1000条；用户容量最小为1万个，最大为10万个，三个关口站最终可容纳30万个用户。
(3) 用户终端。使用全球星系统业务的用户终端设备，包括手持式、车载式和固定式。手持式终端有三种模式：全球星单模、全球星/GSM双模、全球星/CDMA/AMPS三模。手持机包括两个主要部件：SIM卡、SM卡及无线电话机；车载终端包括一个手持机和一个卡式适配器；固定终端包括射频单元(RFU)、连接设备和电话机，它有住宅电话、付费电话和模拟中继三种。
2) 频率计划及多址方式
全球星系统关口站和卫星之间的馈线链路使用C频段，关口站到卫星的上行链路使用5091～5250 MHz，卫星到关口站的下行链路使用6875～7055 MHz。
全球星系统用户终端和卫星之间的用户链路使用L、S频段，用户终端到卫星上行链路使用1610～1626.5 MHz，卫星到用户终端下行链路使用2483.5～2500 MHz。
全球星系统的多址方式采用FDMA+CDMA方式。首先将16.5 MHz的上行带宽和下行带宽分成13个1.25 MHz的无线信道；再在每个无线信道上进行码分多址，用以区分各个用户。
3) 呼叫建立过程
卫星移动通信中，也需要对用户的位置进行登记。在全球星系统中是由归属关口站和本地服务关口站来完成的，这类似于地面蜂窝网HLR、VLR的作用，这里我们仍将归属关口站称为HLR。全球星系统的号码结构为：网号1349，号码共11位，为1349H1H2H3ABCD，其中H1H2H3为归属关口站识别号。
下面给出接续的例子。
(1) 当固定用户或地面公用移动网的用户呼叫全球星用户时，通过关口局接续到就近的全球星关口站GW1查询路由进行接续，关口站分析H1H2H3号码，到相应的HLR查询移动用户的路由信息，根据用户的不同位置进行接续，下面给出固定用户呼叫全球星用户时的例子：
① 若被叫用户当前位置在GW1，则直接寻呼该用户完成相应的接续，如图6.21所示。

② 若被叫用户当前位置在另一关口站GW2， 则通过专用直达线路将呼叫接续到GW2，如图6.22所示。

③ 如果被叫用户漫游到PLMN网中，则将呼叫接续到PLMN关口局，在PLMN网中接续，如图6.23所示。

(2) 全球星用户呼叫固定用户或地面公用移动网的用户时，就近进入固定网或地面公用移动网的关口局，由固定网或地面公用移动网进行接续，后续接续过程同固定网或公用移动网内的接续。
(3) 全球星用户呼叫全球星用户，始发关口站GW1在全球星网中查询用户的路由信息。根据用户的不同位置进行接续，具体接续过程同(1)。

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