低成本船用移動(dòng)通信解決方案

李超 李明 安玉拴

摘?要：為解決遠(yuǎn)洋漁船低成本寬帶通信問(wèn)題，文章梳理了國(guó)內(nèi)外海上寬帶移動(dòng)通信的各種解決方案，綜合分析了地球靜止軌道衛(wèi)星通信、中低軌衛(wèi)星通信、熱氣球方案、高空無(wú)人機(jī)方案等四種方案，從研究進(jìn)展、終端費(fèi)用、流量費(fèi)用、產(chǎn)品功能指標(biāo)等方面綜合對(duì)比，認(rèn)為未來(lái)的重點(diǎn)關(guān)注方向?yàn)閲?guó)內(nèi)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)洋通信;衛(wèi)星通信;低成本

我國(guó)近海存在著嚴(yán)重的過(guò)度捕撈現(xiàn)象，因此提倡遠(yuǎn)洋捕撈。當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)批準(zhǔn)的遠(yuǎn)洋作業(yè)漁船約3000艘，由于海上的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)存在許多障礙，遠(yuǎn)洋移動(dòng)通信主要依賴衛(wèi)星通信，但是當(dāng)前衛(wèi)星通信費(fèi)用過(guò)高，造成遠(yuǎn)洋移動(dòng)寬帶通信手段的欠普及，給漁民的通信、娛樂、求救帶來(lái)諸多不便，大大影響漁民遠(yuǎn)海捕魚的積極性。為方便漁民遠(yuǎn)海捕撈，迫切需要尋求一種可行的低成本通信方式。

1 GEO衛(wèi)星通信

在全世界將近500顆通信衛(wèi)星當(dāng)中，絕大多數(shù)是同步衛(wèi)星。L頻段的海事衛(wèi)星終端、S頻段的天通一號(hào)終端、Ku頻段動(dòng)中通系統(tǒng)是當(dāng)前船用寬帶通信的主流選擇。近年來(lái)隨著海事衛(wèi)星五代星、中星十六等高通量衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)開啟，Ka頻段動(dòng)中通系統(tǒng)以其更具競(jìng)爭(zhēng)性的帶寬和流量資費(fèi)，也變得越來(lái)越普及。

由于船載Ka、Ku動(dòng)中通系統(tǒng)的能力要求高，一般需要采用高功率功放和定向天線，短期內(nèi)硬件成本高且難以大幅降低，這種方式在大型漁船中比較普及，但在中小型漁船中較難廣泛應(yīng)用。L頻段和S頻段限于帶寬資源，最高碼率較低，且流量資費(fèi)較高，在小型漁船中也較難普及。

2 中低軌衛(wèi)星星座方案

各國(guó)提出數(shù)十種星座方案，主要以全球無(wú)縫、終端可手持的大容量移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主。部分計(jì)劃部署的中低軌道高通量衛(wèi)星星座如下表所示[12]。

中低軌道衛(wèi)星與地球靜止軌道相比，具備傳輸時(shí)延低、容量使用成本低、地面終端尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。在為遠(yuǎn)洋漁船提供高速且低成本的通信服務(wù)中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景[3]。

（1）信號(hào)傳輸時(shí)延低。中低軌高通量衛(wèi)星星座系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在時(shí)延方面。GEO衛(wèi)星，傳輸時(shí)延在250ms左右，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)交互通信需要;MEO衛(wèi)星的傳輸時(shí)延為150ms左右，主要適用于干線傳輸和蜂窩回程等應(yīng)用;LEO衛(wèi)星的傳輸時(shí)延僅為30～50ms，與地面通信手段較為接近。而較低的網(wǎng)絡(luò)延遲是提供實(shí)時(shí)語(yǔ)音、視頻傳輸?shù)葘?duì)延遲敏感服務(wù)的關(guān)鍵。

（2）用戶成本低。GEO衛(wèi)星單顆衛(wèi)星容量有限，如今在軌的高通量衛(wèi)星單顆衛(wèi)星容量大多在數(shù)百吉比特每秒，限制了市場(chǎng)的發(fā)展。而中低軌星座一旦入軌，星座容量在太比特每秒級(jí)別量級(jí)，可大大降低用戶的容量使用成本，擴(kuò)大用戶群。

（3）地面終端尺寸小。LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的低軌道減少了信息在傳輸過(guò)程中的損耗，從而可以降低誤碼率，也可以減少地面通信終端的尺寸;Ka波段高帶寬低軌衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展也將顯著提高LEO衛(wèi)星的信息處理能力和服務(wù)質(zhì)量[4]。

3 其他方案

（1）熱氣球方案。谷歌公司提出氣球計(jì)劃，用漂浮于18～25km之間的平流層的氣球來(lái)為無(wú)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)接入。平層風(fēng)速低，大氣湍流小，適合氣球飛行。每個(gè)氣球攜帶一個(gè)太陽(yáng)能無(wú)線發(fā)射器，可與其他的氣球進(jìn)行中繼通信。每個(gè)氣球可以為40公里直徑的地面地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)速可以達(dá)到3G網(wǎng)絡(luò)的水平。熱氣球項(xiàng)目進(jìn)展緩慢，因?yàn)樯婕笆袌?chǎng)、法律和隱私等諸多不利因素，現(xiàn)有市場(chǎng)排斥、各國(guó)法律監(jiān)管、隱私問(wèn)題等。

（2）無(wú)人機(jī)方案。臉書計(jì)劃采用太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，在18km高度為海上用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，其太陽(yáng)能電池板續(xù)航能力約為3個(gè)月。無(wú)人駕駛飛機(jī)之間可使用激光進(jìn)行中繼通信，最終將信號(hào)傳遞到一個(gè)地面站以接入互聯(lián)網(wǎng)。單個(gè)飛機(jī)的覆蓋面比低軌道衛(wèi)星小很多，但是無(wú)人機(jī)可以環(huán)繞缺乏互聯(lián)網(wǎng)接入的特定位置提供服務(wù)。由于激光傳輸容易受到云、雨、霧干擾，太陽(yáng)能面板轉(zhuǎn)換效率非常低，難以支持無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間飛行。另外，大量無(wú)人機(jī)在高空巡航是一個(gè)嚴(yán)重的安全隱患。臉書于2018年6月關(guān)閉此計(jì)劃。

4 總結(jié)

遠(yuǎn)洋缺乏地面基礎(chǔ)設(shè)施，可采用的通信方式主要局限于衛(wèi)星、熱氣球、無(wú)人機(jī)等高空中繼方式。其中熱氣球、無(wú)人機(jī)方案因技術(shù)成熟度與安全性較低等原因，采用較少。衛(wèi)星通信是目前應(yīng)用最為廣泛的方式。遠(yuǎn)洋船一般通過(guò)船載動(dòng)中通天線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，因終端和帶寬租用資費(fèi)均較高，難以普及。未來(lái)的中低軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，必將有效減小移動(dòng)終端的體積，降低流量費(fèi)用，增加覆蓋范圍，提高通信帶寬與便捷性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋移動(dòng)寬帶通信的普及。由于安全原因，國(guó)外主導(dǎo)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對(duì)中國(guó)海域的覆蓋具備較大的政策風(fēng)險(xiǎn)，建議積極關(guān)注國(guó)內(nèi)鴻雁星座及虹云工程的動(dòng)態(tài)，跟蹤其采用的協(xié)議與方案，提出針對(duì)性通信解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉悅.國(guó)外中低軌高通量通信衛(wèi)星星座發(fā)展研究[J].國(guó)際太空，2017（5）：5963.

[2]李明.微小衛(wèi)星發(fā)展的若干思考[J].航天器工程，2016（06）：59.

[3]王曉海.基于小衛(wèi)星星座的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及應(yīng)用發(fā)展[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2017，172（06）：5863.

[4]楊昕，孫智立，劉華峰，等.新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的探討[J].中興通訊技術(shù)，2016，22;129（04）：5863.