衛(wèi)星通信與無線接入技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

· 文|鑫諾衛(wèi)星通信有限公司 趙冬梅

衛(wèi)星通信與無線接入技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

· 文|鑫諾衛(wèi)星通信有限公司 趙冬梅

越來越多的應(yīng)用需要將衛(wèi)星通信與無線接入手段相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，互為補充，共同為用戶提供更靈活的解決方案。本文將介紹幾種能對衛(wèi)星通信服務(wù)進行擴展和延伸的無線接入技術(shù)，以及各自的應(yīng)用場景。

衛(wèi)星通信 無線接入 專網(wǎng) 應(yīng)用

一、引言

衛(wèi)星通信和無線接入相結(jié)合的解決方案吸引了越來越多的關(guān)注，優(yōu)勢在于發(fā)揮兩者長處，互為補充。首先通過衛(wèi)星鏈路將用戶的作業(yè)現(xiàn)場與后方指揮中心直接連通，利用衛(wèi)星VSAT端站提供網(wǎng)絡(luò)接入點，而在作業(yè)現(xiàn)場又可以借助無線接入手段，對每個衛(wèi)星端站提供的業(yè)務(wù)進行二次延伸和擴展，從而將通信服務(wù)從一個點擴展到一個面，從一個固定衛(wèi)星端站進一步延伸到個人移動終端或多個固定終端，將主要用于中繼傳輸?shù)男l(wèi)星通信真正轉(zhuǎn)變成面向用戶終端的寬帶多媒體通信手段，實現(xiàn)通信的個人化和移動化。

在一些公網(wǎng)覆蓋不到或不足的地區(qū)，或某些行業(yè)用戶自己組建通信專網(wǎng)，衛(wèi)星通信和無線接入手段相結(jié)合的方案往往是最為可行的方式。海外路橋架設(shè)施工現(xiàn)場、采礦勘探現(xiàn)場、大型郵輪、車載應(yīng)急通信等場景下都可以使用衛(wèi)星與無線接入結(jié)合的方式實現(xiàn)與后方的通信。中國移動、國電集團、安全部、地震局、雪龍?zhí)柕榷奸_展了類似的應(yīng)用。

本文討論的無線接入技術(shù)包括WiFi、2G/3G小型移動基站、專網(wǎng)移動無線接入技術(shù)、無線網(wǎng)橋和無線Mesh方式。給出適合與衛(wèi)星通信結(jié)合使用的不同應(yīng)用場景。

二、幾種無線接入方式的特點

無線接入技術(shù)（Radio Interface Technologies，RIT），也稱空中接口，指通過無線介質(zhì)將用戶終端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接起來，以實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)間的信息傳遞。無線接入系統(tǒng)在通信網(wǎng)中的定位是本地通信網(wǎng)的延伸、補充和臨時應(yīng)急系統(tǒng)。

1.無線局域網(wǎng)（WiFi）技術(shù)

與有線網(wǎng)絡(luò)相比，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于無需布線，只需要一個室內(nèi)無線AP（接入點），就可以為人員較為集中、范圍相對較小地區(qū)，如樓宇、家庭、公共場所或工程中不方便布線的地方提供覆蓋和無線接入手段，適合移動辦公的需要。WiFi技術(shù)的定位主要是作為高速有線接入技術(shù)或蜂窩移動通信的補充，但是無線AP發(fā)射功率小，傳輸距離（覆蓋范圍）不遠，在開放性區(qū)域達300m左右，在封閉性區(qū)域，通訊距離為70m到120m，有阻擋的地方可能只有10～15m。

WiFi的應(yīng)用目前已經(jīng)非常普及，不支持漫游，但能解決局部空間的覆蓋，與2G/3G網(wǎng)絡(luò)相比，速度更高，與衛(wèi)星通信結(jié)合使用的典型應(yīng)用場景是機載通信，飛機通過機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)搭建起衛(wèi)星通信的平臺，在客艙內(nèi)轉(zhuǎn)換為WiFi環(huán)境，乘客通過個人終端實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入功能。類似的應(yīng)用模式也可以移植到高鐵、動車甚至普通列車上，為乘客在漫長旅途中提供實時寬帶通信的環(huán)境，隨著未來Ka寬帶衛(wèi)星資源進入市場，Ka衛(wèi)星通信在這一領(lǐng)域內(nèi)的市場潛力很大。

2.2G/3G無線小基站覆蓋

這種基站有兩大類：一類是可以自己組成專用移動網(wǎng)的小型基站和系統(tǒng)設(shè)備；另一類是運營商基站，需要加入運營商的公用移動網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星端站一側(cè)部署專門針對小業(yè)務(wù)量、適合偏遠地區(qū)開發(fā)的小型基站，衛(wèi)星鏈路提供的是中繼功能。一些衛(wèi)星設(shè)備廠商已經(jīng)和移動設(shè)備廠商合作開發(fā)，推出了將衛(wèi)星端站和小型基站以及太陽能系統(tǒng)捆綁在一起的解決方案，為偏遠地區(qū)提供2G/3G的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，屬于衛(wèi)星通信應(yīng)用于2G/3G中繼（Backhaul）的案例。在此重點討論第一類的接入應(yīng)用，適合行業(yè)用戶單獨組網(wǎng)。

該類基站也使用GSM或WCDMA的運營商頻段，可以使用普通手機但要改用專用的SIM卡，基站具有小型化，質(zhì)量輕（15kg）和功耗低的特點，發(fā)射功率只有5W，功耗小于30W，可以使用太陽能供電。WCDMA基站具有內(nèi)置發(fā)射天線，可直接掛在室外高處使用，基于2.5G GSM的小型基站單元不能放在室外使用，需要單獨的天饋線系統(tǒng)，分別支持普通WCDMA或GSM制式的手機。

WCDMA基站采用ALL-In-1集成技術(shù)，將3G/ HSPA+移動基站（BS），無線接入系統(tǒng)，無線回程系統(tǒng)（無線中繼），同步（GPS），內(nèi)部L2網(wǎng)絡(luò)交換機，高度的集成在一個符合IP67防護標準的機箱里．并與3G 移動核心網(wǎng)單元（CN），接入網(wǎng)關(guān)（GW），及軟交換服務(wù)器（SS）一起構(gòu)成一個超級小型化的基于3GPP標準的專網(wǎng)移動通信系統(tǒng)。單基站覆蓋半徑3～5km，支持24個用戶并發(fā)，最多700個手機待機，速率最大上行5.7Mbit/s，下行21Mbit/s。

圖1是與衛(wèi)星Modem連接的基于WCDMA的專用移動通信系統(tǒng)的組成示意圖。

圖1 3G專網(wǎng)移動通信系統(tǒng)（單基站系統(tǒng)）

如果用戶所在地沒有運營商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，或出于組建專網(wǎng)的目的，并且希望在一定范圍內(nèi)（3～5km）提供面向手機終端的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)，要求移動性強，方便靈活，部署快速，具有和移動公網(wǎng)類似的用戶體驗，那么可以使用2G/3G無線小基站在衛(wèi)星接入點附近布設(shè)一個小型專用移動網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，組成一個基于2G/3G基站的衛(wèi)星專網(wǎng)通信系統(tǒng)。

在此基礎(chǔ)上可以開發(fā)一個綜合的衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)，將移動通信核心網(wǎng)、基站控制器、基站子系統(tǒng)、VoIP子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口和衛(wèi)星接口等功能模塊高度集成在一個便攜式或可肩負式的機箱中，配合衛(wèi)星便攜站或車載站使用，以衛(wèi)星接入點為中心，迅速部署一個專用的衛(wèi)星移動應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.寬帶多媒體無線接入方式

此類系統(tǒng)使用的是基于McWill、Mc-LTE或TDLTE地專網(wǎng)移動通信技術(shù)，傳輸速率更高，支持寬帶多媒體業(yè)務(wù)和集群通信，采用碼擴正交頻分多址（CSOFDMA）、智能天線、空間零陷、聯(lián)合檢測等無線通信技術(shù)。McWiLL基站最大提供15.36Mbit/s的數(shù)據(jù)吞吐率，單基站支持2000個用戶注冊，100個同時在線?；贚TE的單基站帶寬最大20MHz，可以支持下行峰值速率100Mbit/s，上行峰值速率50Mbit/s。該類系統(tǒng)面向行業(yè)用戶，可以實現(xiàn)在一張網(wǎng)絡(luò)內(nèi)、使用一個頻率，在一部終端上同時提供專業(yè)級的語音集群，寬帶數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻上傳及分發(fā)調(diào)度等豐富的多媒體通信手段。接入終端多樣化，有語音終端、數(shù)據(jù)終端、多媒體終端。支持非視距傳輸、高速移動、終端漫游切換。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為遠程接入平臺，通過衛(wèi)星鏈路將基站與后方的核心網(wǎng)、視頻監(jiān)控平臺等設(shè)備連接。此外，后方指揮中心還可配置語音調(diào)度平臺，實現(xiàn)集群通信的功能。

在圖2所示的整個網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分位于匯聚層，提供傳輸通路。位于頂端的核心層包括核心網(wǎng)、網(wǎng)管、調(diào)度平臺和視頻監(jiān)控平臺。接入層設(shè)備主要為基站設(shè)備，基站接入到衛(wèi)星地面站。

有多種數(shù)據(jù)終端設(shè)備可選，包括數(shù)傳模塊，具有上下行最大吞吐量1.6Mbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸能力，可以提供多種接口（如：RS232、RJ45），外型小巧，便于連接和安裝，主要用于視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控等方面，可與視頻編碼器、攝像頭、車載多媒體終端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、工業(yè)監(jiān)控設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備連接和集成。

圖2 衛(wèi)星與無線寬帶多媒體系統(tǒng)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

便攜式綜合業(yè)務(wù)終端支持語音、寬帶數(shù)據(jù)功能?？赏ㄟ^電話口連接普通話機，同時還可以通過網(wǎng)口連接計算機、視頻編碼器等設(shè)備，上下行最大吞吐量可達3Mbit/s。

還有一種是集群手持終端/多媒體手持終端，支持點對點語音、集群語音和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持高速移動，最大傳輸速率1.6Mbit/s（雙向）。

此類無線接入技術(shù)適合支持移動多媒體綜合業(yè)務(wù)，包括話音、數(shù)據(jù)和視頻，終端有多樣化選擇，支持集群通信功能，可用于公網(wǎng)、電力、水利、油田、煤炭、制造業(yè)等行業(yè)用戶，利用衛(wèi)星通信作為中繼手段，共同組成專網(wǎng)移動通信系統(tǒng)，提供寬帶多媒體綜合業(yè)務(wù)。具體廠家的系統(tǒng)工作頻率不同，可選1.8GHz、1.4GHz、400MHz、340MHz和2.3GHz，但都是專用頻段，需要申請使用。與前兩種無線接入技術(shù)相比，該類型基站支持速率更高，真正實現(xiàn)寬帶移動多媒體通信業(yè)務(wù)，也支持基站間漫游服務(wù)，但是無論基站多少和業(yè)務(wù)量大小，后方一般都需單獨設(shè)立核心網(wǎng)，提供語音交換平臺和基站管理服務(wù)，每個基站容量也較大，用戶終端設(shè)備不開放，價格也較高，因此如果用戶數(shù)量不大，或者對移動性要求不高，使用這種方案成本相對較高。

可以考慮在以下應(yīng)用場景中和衛(wèi)星通信結(jié)合：

1）分散的施工現(xiàn)場內(nèi)部組網(wǎng)使用，衛(wèi)星作為遠程傳輸手段，用無線移動專網(wǎng)解決當?shù)氐母采w（5km以內(nèi)）。

2）海上公安執(zhí)法船、緝私船作為母船，登船檢查人員攜帶終端，將視頻等信息回傳處理。

3）海上石油鉆井平臺。

4）廣電用戶新聞采集回傳。目前使用的是衛(wèi)星車加微波回傳方式，如果采用衛(wèi)星加專網(wǎng)移動基站的方式，新聞采集人員配備便攜數(shù)據(jù)終端，連接攝像機，隨時將視頻傳回基站（衛(wèi)星車），再經(jīng)過編輯后通過衛(wèi)星鏈路傳回后方指揮部。

綜上所述，一定距離內(nèi)，有綜合業(yè)務(wù)的傳輸需求，要求終端可移動的業(yè)務(wù)，均可以考慮使用這一類寬帶無線接入通信系統(tǒng)。

4.無線網(wǎng)橋方式

無線網(wǎng)橋就是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接設(shè)備，它利用無線傳輸方式實現(xiàn)在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁。無線網(wǎng)橋一般用于室外，工作在2.4G或5.8G的免申請無線執(zhí)照的頻段，可以應(yīng)用在相距幾十米到幾十千米的不同建筑物間網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。無線網(wǎng)橋設(shè)備的接口為標準以太網(wǎng)口，可以直接與衛(wèi)星Modem連接或通過路由器連接。傳輸距離從幾千米至幾十千米遠，如要達到較遠傳輸距離，要求視距傳輸、無遮擋，因此需要根據(jù)實際傳輸環(huán)境進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和架設(shè)高度的計算。無線網(wǎng)橋產(chǎn)品采用OFDM及MIMO分集技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)非視距部署。

無線網(wǎng)橋可以工作在點對點和點對多點的工作方式下，傳輸距離取決于傳輸環(huán)境和天線（包括增益和架設(shè)高度）。點對點方式下傳輸距離最長可達120km（實際應(yīng)用案例87km），吞吐量最大400Mbit/s。點對多點工作的無線網(wǎng)橋包括一個基站（HBS）和多個用戶單元（HSU）構(gòu)成，每個HBS最高同時支持32個HSU，信道帶寬5/10/20/40MHz，最長傳輸距離 40km。根據(jù)傳輸距離和覆蓋范圍的要求，可以選擇外接不同類型的天線（全向天線和定向扇區(qū)天線）。

無線網(wǎng)橋設(shè)備適合將較大區(qū)域內(nèi)分散的若干固定業(yè)務(wù)點與作為會聚點的衛(wèi)星端站連接起來，無線網(wǎng)橋基站與衛(wèi)星端站設(shè)備放在一起，通過IP端口直接相連。無線網(wǎng)橋之間的傳輸距離從幾千米至幾十千米，而其他無線傳輸方式都無法做到。

業(yè)務(wù)類型以視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)為主，通過IP接口傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括互聯(lián)網(wǎng)接入，另外可使用話音網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，兼顧固定語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，適合通信站點分散、傳輸距離長，業(yè)務(wù)量大的案例,如圖3所示。無線網(wǎng)橋產(chǎn)品多樣，技術(shù)成熟，只是隨著傳輸距離的增加，天線架設(shè)高度也隨著增大，增大了施工難度和工程量，這也正體現(xiàn)了地面無線通信的成本受限于環(huán)境和距離的特點。

圖3 無線網(wǎng)橋和衛(wèi)星通信結(jié)合使用進行遠程監(jiān)控的案例

5.無線Mesh方式

當移動中的車隊、船隊，需要協(xié)同工作時，可以將衛(wèi)星作為干線通信方式，與后方指揮中心通信，而前方“最后一公里”或“最后幾公里”的通信則利用部署無線網(wǎng)格網(wǎng)（Mesh）電臺實現(xiàn)，可連接攝像頭或無線路由設(shè)備，形成AP覆蓋。以兩類業(yè)務(wù)為主：單向視頻采集、雙向視頻會議和數(shù)據(jù)交換。這種無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺的接口為標準以太網(wǎng)口，可以與衛(wèi)星和用戶的終端設(shè)備直接相連或通過交換機連接，多用于應(yīng)急通信場景。

系統(tǒng)由若干個IP無線節(jié)點，組成一個“非固定自愈型”Mesh網(wǎng)絡(luò)。所有節(jié)點工作在同一頻點上（帶寬2.5, 3.0, 3.5, 5.0, 6.0MHz可選），最大傳輸能力8.9Mbit/s。使用COFDM技術(shù)，每個節(jié)點都可以作為視頻，音頻或IP數(shù)據(jù)的輸入源，任意節(jié)點都可作為接力點。傳輸方式為TCP/IP透明傳輸 。

如公安用戶，通常的使用場景是在現(xiàn)場放置一臺衛(wèi)星通信車（靜中通），車內(nèi)配一臺無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺，單兵人員也通過網(wǎng)格網(wǎng)電臺彼此通信，組成網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)，隨時將現(xiàn)場的信息傳回到衛(wèi)星車上，通過衛(wèi)星回傳后方的指揮部。

另一種應(yīng)用是滿足行進中的車隊或船隊通信的需要。通常以一臺動中通衛(wèi)星車載站或船載站為基礎(chǔ)，其他車輛或船只通過無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺組成通信系統(tǒng)，通過衛(wèi)星系統(tǒng)將數(shù)據(jù)回傳到后方指揮中心。如海警或海監(jiān)，其中一條船作為母船，登船檢查人員與母船以及直升機之間通過各自配備的無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺組成臨時通信系統(tǒng)，將視頻信息回傳到母船，再根據(jù)需要通過衛(wèi)星與后方指揮部通信。

圖4是衛(wèi)星車載站和Mesh電臺結(jié)合使用的一個例子，車隊由一個衛(wèi)星靜中通指揮車和30個普通車組成，另外還有10部單兵背負式電臺，指揮車對普通車的語音、數(shù)據(jù)、圖像有強插、強拆等功能，普通車之間可以自行通話，最多傳輸4路視頻。系統(tǒng)最終設(shè)計了5組Mesh網(wǎng)絡(luò)，每組網(wǎng)絡(luò)容納8個移動節(jié)點和1個中心節(jié)點 。

總計5個中心節(jié)點配備在指揮車上，40個移動節(jié)點配備30臺普通車，10個單兵背負節(jié)點。每組網(wǎng)絡(luò)使用不同的波段和頻點 - UHF/L頻段。任意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意節(jié)點都可以通過中心節(jié)點與其他任意網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點進行通信。任意兩個無法直接連接的節(jié)點之間會自動進行多跳級聯(lián)傳輸和智能路徑選擇。由于每次多跳級聯(lián)傳輸會額外占用一倍帶寬，因此建議視頻多跳級聯(lián)傳輸不要超過3跳。

圖4 衛(wèi)星車載站與Mesh電臺結(jié)合

此外，還有基于WiFi傳輸體制的Mesh系統(tǒng)，優(yōu)點是單兵攜帶更加靈活，缺點是傳輸距離很短，最多幾百米，解決的是小范圍內(nèi)的覆蓋。

三、幾種無線接入系統(tǒng)的分析比較

表1對可以與衛(wèi)星結(jié)合應(yīng)用的幾種無線接入方式的技術(shù)特點和典型應(yīng)用場景進行了總結(jié)和比較。

表1 可與衛(wèi)星結(jié)合應(yīng)用無線接入方式對比

考慮選用哪種無線接入方式時，可以從以下方面進行比較：

·傳輸速率：無線網(wǎng)格網(wǎng)帶電臺（Mesh）≈WiFi ＜3G接入 ＜ 無線網(wǎng)橋 ＜ 4G 接入 。

·傳輸距離 ：（覆蓋范圍） WiFi ＜ 3G/4G集群系統(tǒng)＜ 無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺（Mesh）＜無線網(wǎng)橋 。

·價格：WiFi ＜ 無線網(wǎng)橋 ＜無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺（Mesh）＜3G/4G集群系統(tǒng) 。

·移動性：WiFi ≈無線網(wǎng)橋 ＜無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺（Mesh）＜ 3G/4G集群系統(tǒng) 。

總之，作為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的延伸，所有的無線接入技術(shù)和設(shè)備從能夠支持的傳輸速率上都滿足要求，更多要考慮傳輸距離和性價比，并盡量使用開放頻段組網(wǎng)。

概括來說，選擇使用哪種無線接入手段與衛(wèi)星通信場景相結(jié)合可以基于以下考慮：

WiFi熱點適合范圍較小區(qū)域的覆蓋，面向手機、電腦等個人終端，可解決建筑物、船舶、飛機等內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

無線網(wǎng)橋技術(shù)更適合固定無線接入點業(yè)務(wù)的匯聚，對移動性要求不高的應(yīng)用，適合視距傳輸，通過搭配不同類型的天線和架設(shè)高度，使得傳輸距離更遠，性價比最高。

無線網(wǎng)格網(wǎng)電臺，配備兩根鞭狀全向天線，自組網(wǎng)使用，靈活機動，更適合車隊或船隊之間的應(yīng)急通信，視距和非視距傳輸環(huán)境均可。

基于2.5G GSM/3G WCDMA基站的專網(wǎng)移動通信系統(tǒng)，基站可實現(xiàn)高度集成，無需核心網(wǎng)設(shè)備，終端為通用手機，但數(shù)據(jù)視頻等應(yīng)用也是基于2.5G GSM和3G WCDMA的通信體制，需要配備數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)?？捎糜趹?yīng)急通信。

基于Micwill 和LTE等最新移動通信技術(shù)的專網(wǎng)移動通信系統(tǒng)，提供多媒體移動寬帶業(yè)務(wù)，面向移動小型終端，能解決無縫漫游，屬于移動通信的專網(wǎng)應(yīng)用，需要配備核心網(wǎng)、網(wǎng)管、調(diào)度等系統(tǒng)，整體價格最貴，傳輸距離限于幾千米之內(nèi)，適合行業(yè)用戶的寬帶綜合多媒體應(yīng)用。

四、結(jié)束語

衛(wèi)星通信和以上介紹的幾種無線接入技術(shù)都可以不依托于公網(wǎng)，為行業(yè)用戶組建內(nèi)部專網(wǎng) ,有共同的服務(wù)對象，二者相結(jié)合起來可以互為補充，共同為用戶提供完美的解決方案，特別適合走出海外的中國企業(yè)、海監(jiān)漁政、遠洋船只、大型油輪或在地面線路不完善的地方開拓市場的企業(yè)。在這些領(lǐng)域衛(wèi)星通信往往是必要的手段，但是僅僅依靠衛(wèi)星通信又是不夠的，因此衛(wèi)星通信從業(yè)者需要開闊視野，多了解其他無線接入手段是非常必要的。