衛(wèi)星通信在海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

● 文| 南京航空航天大學(xué) 宗朋

衛(wèi)星通信在海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

● 文| 南京航空航天大學(xué) 宗朋

一、前言

海洋占據(jù)了地球約3/4的面積，而海上通信始終是人們開(kāi)發(fā)海洋資源和跨洋航行所面臨的巨大難題。地空高頻無(wú)線通信受距離的限制，無(wú)法為飛機(jī)或輪船的跨洋航行提供持續(xù)有效的通信保障。衛(wèi)星通信以其方便靈活的特點(diǎn)可以為輪船、飛機(jī)等航線提供連續(xù)的通信覆蓋。為此在遠(yuǎn)洋和航空運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，同時(shí)航海和民航運(yùn)輸業(yè)也對(duì)衛(wèi)星通信提出了更高的安全要求。此外在競(jìng)爭(zhēng)激烈的民航運(yùn)輸業(yè)中，為旅客提供更安全更有趣的飛行旅程是航空公司取得領(lǐng)先地位的關(guān)鍵。從2009年起，美國(guó)聯(lián)合航空、漢莎航空以及日本航空等航空公司就率先推出了空中上網(wǎng)服務(wù)。2014年7月，東方航空公司MU5101航班在京滬航線上測(cè)試飛機(jī)WiFi系統(tǒng)，一定程度上滿(mǎn)足了旅客在飛行途中瀏覽網(wǎng)頁(yè)、微博等基本的上網(wǎng)需求。但這些均是內(nèi)陸航線，跨洋航線的空中上網(wǎng)服務(wù)還在不斷地發(fā)展中。這一切都需要高速率的數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。隨著用戶(hù)對(duì)傳輸速率和系統(tǒng)容量需求的不斷增加，早期的低速率應(yīng)急Inmarsat衛(wèi)星通信已不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，這就需要構(gòu)建新型的海上移動(dòng)通信系統(tǒng)，來(lái)滿(mǎn)足各種海上終端和飛機(jī)的通信要求。如何像地面蜂窩網(wǎng)技術(shù)一樣在海上提供有效的連接，成為人們所關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。

二、衛(wèi)星通信在海上的應(yīng)用

1.民用、航海及救助方面

近年來(lái),海上出現(xiàn)了許多重大災(zāi)難性事故，都是與失去地面聯(lián)系有關(guān)。無(wú)論是大型輪船還是海上國(guó)際航班，一旦離開(kāi)了陸地便處于危險(xiǎn)之中。與陸地保持良好的通信聯(lián)絡(luò)是航行安全的基本保障，也為及時(shí)的救援工作提供基本手段。另外，隨著航班安全系數(shù)的提高，人們也越來(lái)越關(guān)心旅途中的娛樂(lè)，上網(wǎng)聊天與親人實(shí)時(shí)溝通、及時(shí)處理工作上的事務(wù)等等。這一切都越來(lái)越依賴(lài)航線上的通信鏈路。盡管海事衛(wèi)星組織在這方面做出了積極的努力，并建立了較為完善的全球覆蓋系統(tǒng)，基本上解決了應(yīng)急聯(lián)絡(luò)問(wèn)題，尤其是針對(duì)海上船只。其第五代系統(tǒng)已經(jīng)考慮了將基站搬到空中的思路。這為推進(jìn)衛(wèi)星通信在空中的應(yīng)用邁出了一大步。但是由于衛(wèi)星資源利用的瓶頸問(wèn)題，使得這一設(shè)想還不一定能完全付諸實(shí)施。

2.軍用、作戰(zhàn)及指揮方面

從現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展來(lái)看，衛(wèi)星通信起著至關(guān)重要的作用，尤其是遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)。當(dāng)遠(yuǎn)離本土大本營(yíng)后，唯一保持與神經(jīng)中樞聯(lián)系的手段就是衛(wèi)星通信。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)便是最典型的例子，美軍依靠強(qiáng)大的衛(wèi)星系統(tǒng)，對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行偵查，在開(kāi)戰(zhàn)前就部署了海上精確的打擊計(jì)劃，使得伊拉克沒(méi)有任何還手能力，其防御體系就被摧毀。另外，在登陸后美軍利用完備的通信系統(tǒng)從單兵到集團(tuán)組成了一個(gè)龐大的超級(jí)作戰(zhàn)有機(jī)體。即便是在二戰(zhàn)時(shí)期的海戰(zhàn)中，通信也是致勝的關(guān)鍵。中途島海戰(zhàn)中，強(qiáng)大的日軍航母艦隊(duì)就是因?yàn)閭刹鞕C(jī)電臺(tái)故障，沒(méi)能夠及時(shí)傳遞美軍航母位置的重要信息而遭到毀滅性的打擊，從優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)為劣勢(shì)，進(jìn)而使得整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)向著不利的方向扭轉(zhuǎn)。海戰(zhàn)中，特別重要的就是聯(lián)絡(luò)和指揮，由于作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)，很難確定自己和敵方的動(dòng)向，因此把握敵情，確定飛機(jī)何時(shí)離開(kāi)航母，何時(shí)回到航母是決勝的關(guān)鍵。及時(shí)起飛才能保護(hù)自己和航母，及時(shí)返航才能補(bǔ)給油料彈藥。這一切都需要通信來(lái)保障。

三、現(xiàn)有的技術(shù)及所面臨的問(wèn)題

1.通信距離限制

目前，海上通信主要方式包括：在距離海岸線30海里以?xún)?nèi)海域，海上通信可以借助地面移動(dòng)通信；距離海岸線30～50海里海域，海上移動(dòng)通信則采用VHF或UHF頻段無(wú)線電對(duì)講或通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信；距離海岸線50～180海里海域，主要采用單邊帶短波電臺(tái)通信；距離海岸線180海里以外海域，采用超短波電臺(tái)通信。因此，衛(wèi)星通信在有效解決海上遠(yuǎn)距離通話(huà)方面，還是具有突出的優(yōu)勢(shì)。但由于信道資源的匱乏，通信成本比較昂貴，還不能與地面網(wǎng)絡(luò)相媲美。

2.網(wǎng)絡(luò)通信限制

隨著地面網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求也越來(lái)越高，除了常規(guī)的通話(huà)外，幾乎所有的終端業(yè)務(wù)都依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)。目前地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已由2G發(fā)展到了3G和4G，很快就要推出5G業(yè)務(wù)。人們上網(wǎng)的速度將提升近百倍。而海上的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)覆蓋還幾乎為零，部分場(chǎng)所只能借助衛(wèi)星通信手段，停留在2G蜂窩鏈路交換的水平。

四、通過(guò)衛(wèi)星解決海上通信難題

1.解決海上通信難題的思路

解決海上通信覆蓋，較快捷和便利的方法就是借助衛(wèi)星通信。而衛(wèi)星通信的手段一般基于同步衛(wèi)星或低軌衛(wèi)星。早期的方式是以同步衛(wèi)星為主，如海事衛(wèi)星系統(tǒng)，由于受傳統(tǒng)的資源分配方式所限，其空間段利用率相對(duì)較低，而且與地面系統(tǒng)不兼容，因此難于普及。近些年又出現(xiàn)了星座式衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在某種程度上能夠滿(mǎn)足終端小型化的要求，但受系統(tǒng)造價(jià)的影響，使得使用成本居高不下，限制了推廣和發(fā)展。因此有必要考慮一種結(jié)合已有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)又能兼容地面系統(tǒng)的方法。

基于上述考慮，我們可以考慮借助衛(wèi)星發(fā)展海上蜂窩系統(tǒng)，其基本思想是在海上建立蜂窩基站或WiFi接入點(diǎn)。一種方法是建立固定的基站，比如浮標(biāo)型基站，但由于業(yè)務(wù)的不均衡和稀疏，將會(huì)帶來(lái)造價(jià)高和系統(tǒng)維護(hù)困難的問(wèn)題。另一種方法是建立隨終端移動(dòng)的基站，也就是在船上或飛機(jī)上配備基站，再通過(guò)衛(wèi)星連接到地面網(wǎng)絡(luò)上。這種設(shè)想已在第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)中有所考慮。

2.衛(wèi)星海上通信要考慮的問(wèn)題

解決海上通信首先要考慮的是信道傳播問(wèn)題。作為移動(dòng)通信環(huán)境，海上的信道環(huán)境尤其特殊。特別是海浪造成的電波反射，及所造成的吸收和多徑傳播影響，與地面情況存在著很大差異。海水是種良好的導(dǎo)體，對(duì)電波有著較強(qiáng)的傳導(dǎo)和吸收作用。況且，受海洋氣象的影響，海面對(duì)電波呈現(xiàn)出復(fù)雜的反射和折射環(huán)境。因此要充分研究船與船、飛機(jī)與船、飛機(jī)在海上與衛(wèi)星間的信道傳播問(wèn)題，這樣才能準(zhǔn)確建立信道模型，以便于設(shè)計(jì)出適應(yīng)于海上移動(dòng)通信的體制和信號(hào)處理方式。

另一個(gè)需要考慮的是如何兼容地面網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星資源分配問(wèn)題。傳統(tǒng)的衛(wèi)星資源分配技術(shù)主要是面向關(guān)口站或相對(duì)集中的終端業(yè)務(wù)，而對(duì)混合型業(yè)務(wù)的考慮相對(duì)較少。其主要原因是過(guò)去的衛(wèi)星終端網(wǎng)絡(luò)相對(duì)獨(dú)立，使得直接接入其他網(wǎng)絡(luò)或終端的應(yīng)用較少，而且與其他網(wǎng)絡(luò)連接的協(xié)議不夠靈活。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端的主要業(yè)務(wù)是話(huà)音或批量數(shù)據(jù)，并且不關(guān)心其業(yè)務(wù)的形態(tài)，因此缺乏針對(duì)不同業(yè)務(wù)的系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量管理。終端接入衛(wèi)星資源多采用預(yù)約申請(qǐng)，按需分配。這就造成了普通移動(dòng)終端或基站難于直接接入衛(wèi)星資源，因而需要對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行兼容和協(xié)議改進(jìn)，以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的要求。比較典型的措施是采用基于預(yù)測(cè)的多址接入方式。這就要求從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理上要對(duì)接入的業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，當(dāng)普通移動(dòng)終端或基站產(chǎn)生上星業(yè)務(wù)時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配，控制衛(wèi)星終端上傳業(yè)務(wù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

海上衛(wèi)星通信對(duì)開(kāi)發(fā)海洋資源，提供海上生活與航行的應(yīng)急保障和娛樂(lè)服務(wù)具有深遠(yuǎn)意義，也是繼地面網(wǎng)絡(luò)事業(yè)蓬勃發(fā)展的另一個(gè)巨大的市場(chǎng)空間。同時(shí)它在現(xiàn)代化海上戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位更是舉足輕重。借助地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的輝煌成果推動(dòng)海上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是衛(wèi)星通信的重要使命。

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