发信人: champaign (原野), 信区: ECE
标 题: 卫星移动通信系统技术和网路特点
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Dec 15 20:20:52 1999), 转信
发信人: sunno (开始工作 *_^), 信区: Commun
标 题: 卫星移动通信系统技术和网路特点
发信站: BBS 水木清华站 (Sun Dec 5 21:58:48 1999)
摘要：本文主要以技术特性和网路构成特点来说明全球性卫星移动通信系统( 主要
是目前有影响的铱系统，P-21系统和全球星系统)的相似和不同之处， 供发展我国
卫星移动通信技术时借鉴。
关键词：全球性卫星移动通信系统 铱 ( IRIDIUM) 系统 P- 21 系统 全球星
(GLOBALSTAR)系统 GSM通信规程标准 CDMA TDMA
实现个人全球连接的卫星移动通信系统有着诱人的前景，已成为当今全球个人
移动通信的热门话题。从铱(IRIDIUM)全球个人移动通信系统的概念提出， 到目前
各类低轨道、中轨道、静止轨道全球个人移动通信系统计划相继出台，形成了争夺
世界市场的复杂的竞争局面。
从技术上讲，低轨道、中轨道、静止轨道三种全球个人移动通信系统都可以实
现全球个人移动通信。但是到2000年，根据通信市场的需求，估计能够从竞争环境
中生存和发展的全球卫星移动通信系统将是有限的几个。关键在于各个系统占领市
场的时机、技术和经济的吸引力，以及与各国政治和主权管理等因素的有效协调。
从目前的情况看，铱系统技术和投资的进展最快，关口站和卫星正按计划制造，
将于1998年底提供全球商用。铱系统的最大竞争对手是INMARSAT的P-21系统。P-21
系统的技术、投资者的构成和投资能力以及INMARSAT的运营经验都表明它有着很强
的竞争力。全球星(GLOBALSTAR)系统的是采用CDMA技术的典型系统，它组网简单、
灵活，投资较少，计划于1998年底提供商用，也有相当的竞争能力。
本文根据已有的资料，着重讨论IRIDIUM系统、P-21系统和GLOBALSTAR系统的
主要技术和网路特点。从网路的特点可以看出IRIDIUM和P-21系统有很多相似的地
方，其网路结构和管理方式无本质区别。由于全球卫星移动通信系统离不开世界各
国的支持，为了获得成功，它们将会不断地完善其系统，尤其在网路的控制权和移
动用户的控制管理方面作出各主权国家可接受的控制管理方案以利于自身在国际市
场中的竞争。
表1 IRIDIUM、P-21和GLOBALSTAR系统的主要技术特点
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技术参数 IRIDIUM P-21 GLOBALSTAR
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卫星数 66 10 48
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轨道平面数 6 2 8
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轨道倾角(°) 86.4(极轨) 45 52
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轨道高度(km) 780 10350 1414
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覆盖区域 全球 75°N～75°S 70°N～70°S
────────────────────────────────────
馈送链路使用频率 行29200±90 30000/20000 上行7071～6879.5
(MHz) 下行19500±90 或7000/5000 下行5029～5220.5
────────────────────────────────────
业务链路使用频率 上行/下行 上行1980～2010 上行1616～1626.5
(MHz) 1616～1626.5 下行2170～2200 下行2483.5～2500
────────────────────────────────────
星际链路使用频率 23.18～23.88 — —
(GHz)
────────────────────────────────────
波束数/每卫星 48 121 16
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波束频率再用 平均每12个波束 7波束频率 邻波束可以
频率再用一次 再用一次 频率再用
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星上处理技术 有 有 无
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多址连接 TDMA/FDMA TDMA/FDMA CDMA/FDMA
(当占用10.5MHz 每TDMA的帧中 每个CDMA频道
频带时可分成 可以提供6个 可以提供20个
12个子频带) 信道 以上用户信道
每TDMA的帧长
90 ms可以提供
4个用户信道
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双工方式 TDD FDD FDD
────────────────────────────────────
发送脉冲速率 50 25 1230
(kbit/s)
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RF载波间隔(kHz) 41.67 25 1250
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时 延 长 长 短
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链路余量(dB) 16 7 10
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最小工作仰角(°) 10 10 10
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手持机G/T值(dB/k) -24 -24 -24
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语音编码速率 4.8 约3.6 8(可变)
(kbit/s)
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需要的信噪比 ＞6 ＞6 ＜6
(到用户终端)(dB)
────────────────────────────────────
空中接口标准 IRIDIUM的TDMA P-21的TDMA IS-95(CDMA)
空中接口规定 空中接口规定 空中接口标准
────────────────────────────────────
通信规程标准 GSM标准 GSM标准 通过7号信令
(除空中接口 (除空中接口 网路，用IS-41
和话音编码 和话音编码 标准或GSM
标准外) 标准外) 标准解决网路
间的连接
────────────────────────────────────
用户信道数/每个 每个卫星3840 每个卫星4500 每个卫星208×N
卫星(当使用了所 用户信道(预计 用户信道(每个 用户信道
有理想的频带时) 全球约需2150 卫星有750个波 N：一个CDMA载波
个波束共17.2万 束) 可以提供的
个用户信道，全 用户信道数
球瞬时需要45个 N≥20
卫星)
────────────────────────────────────
语音质量 MOS=3.2 (在理 不低于地面 不低于地面
(MOS) 想的条件下) 蜂窝系统 蜂窝系统
一、IRIDIUM、P-21 GLOBALSTAR系统的主要技术特点
IRIDIUM、P-21和GLOBALSTAR系统的主要技术特点列在表1。从表1中可见：
(1)IRIDIUM系统采用极地轨道卫星覆盖全球。P-21和GLOBALSTAR系统采用倾斜
轨道卫星覆盖全球70%以上的面积，这是全球人口集中地区。由于P-21系统采用中
轨道卫星，在L/S频带上，它的路径损耗比低轨道卫星高约17～22 dB，信号传输时
延也增加，但是卫星每波束(卫星蜂窝)覆盖面积要大许多。
(2)在手持机直接通信过程中，为了避免双跳卫星链路，IRIDIUM系统应用先进
的星上处理和卫星间链路技术。卫星间链路利用ATM 分组交换技术通过卫星节点进
行最佳路由寻址。从长远看，低轨道卫星移动通信系统采用卫星间链路的网路拓扑
结构是一种趋势。P-21系统也应用先进的星上处理技术，但是没有采用卫星间链路
的网路拓扑结构。它通过地面网路将不同的卫星接入节点(SAN) 区域内的移动用户
连接。因为IRIDIUM和P-21系统都拟用GSM标准的通信规程，二者的网路拓扑结构、
通信路由选择和移动性管理等没有根本的区别。GLOBALSTAR系统采用简单的透明弯
管卫星，网路拓扑结构简单，允许移动用户通过关口站两跳卫星连接。它在完成移
动终端与路上固定用户呼叫时离不开地面网路。GLOBALSTAR系统非常适于组建国内
或区域的卫星移动通信系统。这对于没有能力独立发射卫星并组建国内卫星移动通
信网的国家来说是十分经济可行的，而对于有一定卫星制造和发射能力并计划建设
国内卫星移动通信系统的国家来说，作为过渡措施也是很经济的。
(3)IRIDIUM和P-21系统之所以都选用TDMA/FDMA的卫星信道接入方式， 是因为
采用了星上交换技术和GSM标准，并且TDMA 的无线网路设计考虑到了较强干扰和在
整个覆盖区内有足够的信号强度来保证良好的通信质量，对其它用户的干扰最小。
TDMA 链路的设计余量应该能补偿上下行链路中信道的慢变化 ( 如阴影效应 ) 。
GLOBALSTAR系统采用CDMA卫星信道接入技术，用美国的IS95空中接口技术标准。
CDMA卫星信道接入技术在网路同步、抗干扰能力、系统容量潜力、系统成本以及网
路设计灵活等方面有着很多优点。CDMA通过良好的功率控制功能来弥补统计信号强
度变化，从而灵活地调整质量和容量之间的平衡。虽然在卫星通信中CDMA系统的远
近效应远不如地面CDMA系统的严重，但是功率控制功能仍是CDMA的核心，也是CDMA
系统实施的关键。由于GLOBALSTAR 系统采用与地面CDMA 蜂窝移动通信系统同样的
IS-95标准(除RF单元外)，它可以很容易地与地面CDMA系统实现双模工作。
(4)卫星移动通信系统本身就是一个移动交换网路， 它必须包括卫星移动交换
中心(SMSC)、卫星归属位置寄存器(SHLR)、卫星访问位置寄存器(SVLR)和卫星鉴权
中心(SAUC)等。IRIDIUM和P-21系统采用较成熟的欧洲GSM标准的通信规程，其功能
与智能化程度都与地面蜂窝系统一样。GLOBALSTAR系统除采用IS-95空中接口标准
外，在网路关口站通过标准的SS7号信令采用IS-41网路互连标准与AMPS或CDMA地面
蜂窝系统互连，还可采用GSM的MAP标准与GSM系统互连。
(5)全球卫星移动个人通信系统都不能独自占有WARC92 大会为全球卫星移动业
务分配的频带。美国FCC将1610～1626.5 MHz频带分别指配给TDMA系统和CDMA 系统
用。P-21系统需要的频带需通过努力并与有关国家协商后才能获得。因此这些系统
商用后的实际容量将打不小的折扣。
二、IRIDIUM、P-21和GLOBALSTAR系统的网路特点
1.IRIDIUM系统的网路特点
(1)除了TDMA空中接口的格式和速率以及语音编码技术不同外， 还应用已经商
用化了的GSM系统的通信标准。它的移动交换中心(MSC)系统、移动性管理、归属位
置登记器(HLR)和访问位置登记器(VLR)都与地面GSM蜂窝通信系统一样， 有着相同
的网路智能功能。
(2)应用星上交换和在卫星转发器之间采用星间链路技术， 解决低轨道卫星快
速移动的互连问题。但是，这样在进入PSTN时就有了许多节点。IRIDIUM用ATM分组
交换技术和设计最佳路由选择的方法来解决选择最佳路由接入点( 确定最佳的卫星
接入节点)或确定呼叫最佳路由的问题。星间链路的应用使IRIDIUM系统可以不通过
地面网路进行全球个人移动通信，成为真正的全球卫星移动个人通信系统。
为解决国家通信主权和通信管理等问题并加强竞争能力，将IRIDIUM 系统设计
成可以支持国家主权管理的网路结构。IRIDIUM 系统把网路控制管理分成关口站控
制区、本地区域编码(LAC)和业务控制区(SCA)三个控制管理层。由关口站通过地理、
路由和交换控制来维护国家主权。一个国家或区域可以根据其边界分为几个本地区
域编码和若干个业务控制区。
关口站由关口站交换中心(GMSC，包括归属位置登记器、 访问位置登记器和设
备鉴定登记器(EIR)等)和地球终端控制(ETC)两个主要部分组成。GMSC 的功能与地
面GSM移动通信系统的MSC功能一样，它将利用归属位置登记器、访问位置登记器和
设备鉴定登记器的功能控制用户呼叫的接入。ETC利用ATM技术，并根据划分的本地
区域编码和业务控制区域控制用户的接入。归属关口站的ETC 可以按业务提供者和
用户的地理位置，确定用户的本地区域编码和业务控制区来控制呼叫。归属关口站
控制被访问关口站的配置并控制所有在本归属关口站登记的用户的接入，被访问关
口站则控制在本被访关口站的地理区域内的所有业务控制区的接入。在属某关口站
的地球终端控制的地理区域内，所有用户的呼叫接入和控制都能保证通过关口站交
换中心，为了控制国内用户，设置归属关口站国家的归属位置登记器和地球终端控
制可以由国内通信管理部门控制；为了控制漫游用户，访问位置登记器和被访关口
站的地球终端控制应由关口站操作者管理控制。
总之，实现通信主权控制的必要前提是，必须建立一个属参加IRIDIUM 系统的
国内或区域操作者管理控制的关口站。IRIDIUM系统计划在全球建设约16～19 个关
口站。图1是IRIDIUM系统的功能网路结构示意图。
图1 IRIDIUM系统功能网路结构示意图
基本呼叫路由的建立过程应该符合GSM标准的通信规程和IRIDIUM系统的卫星信
道接入通信规程。
手持机主叫时，根据手持机的地理位置(即本地区域编码和业务控制区)建立它
与被访问关口站之间的本地环路。关口站和卫星的位置并不是主要的。经过归属关
口站核实后，如果呼叫要进入公众电话交换网(PSTN)，则主叫手持机通过卫星之间
的链路与公众电话网连接的关口站建立中继线电路；如果被叫方是另一个手持机，
则主叫手持机通过卫星之间的链路与被叫手持机最新地理位置所属的被访问关口站
建立中继线电路。
手持机被叫时，通过卫星之间的链路与被叫手持机最新地理位置所属的被访问
关口站建立中继线电路，然后尝试建立被访问关口站到被叫手持机的本地环路。如
果手持机应答了，但是它不处在关口站的业务区内，这个呼叫则会马上被释放。
由于卫星相对地球的位置发生变化，因此每1到10 min 手持机根据质量最好的
信号来选择卫星。
卫星间的网路有8个路由表， 按时延最小的原则建立卫星节点之间的分组交换
连接。
在关口站建立预先编制好的关口站和卫星之间连接必须执行的计划。
2.P-21系统的网路特点
(1)除了TDMA空中接口的格式和速率以及语音编码技术不同外， 完全应用已经
商用化了的GSM系统的通信标准。它的移动交换中心(MSC)系统、移动性管理、归属
位置登记器和访问位置登记器都与地面GSM蜂窝通信系统完全一样， 有着相同的网
路智能功能。
(2)采用星上交换技术但没有星间链路。为了提供全球的、 区域的和国家的连
接和用户漫游管理，P-21系统设置12个卫星接续枢纽(SAN)， 它们分布在各大洲，
通过地面电路链接。单个卫星接续枢纽约可覆盖一个大洲，12个卫星接续枢纽具有
彼此备份和覆盖全球的能力。一个卫星接续枢纽的组成包括：有业务链路天线的地
球站、有路由选择智能功能的交换机、连接其它卫星接续枢纽( 至少两个卫星接续
枢纽)的链路(相当于专用通信链路)、访问位置登记器和移动管理数据库、 连接信
关站的链路、与公众电话网和地面移动网路的互连接口。所有卫星接续枢纽都属于
P-21系统，大家还共享归属位置登记器。卫星接续枢纽通过P-21定义的信关与公众
电话网或公用陆地移动网互连。信关不属于P-21系统， 它的组成包括：智能交换
机、增值服务设备以及与P-21系统的接口(用于用户登记、计费、 网路维护信息交
流)。图2是P-21系统网路结构示意图。
图2 P-21系统网路结构示意图
P-21系统网路提供有效的网路中央管理能力，业务提供者通过信关接入系统，
网路中的基本呼叫建立、路由选择和移动性管理都符合GSM标准的通信规程。
P-21系统网路的管理主权控制必须通过卫星接续枢纽实现。如果一个国家或地
区没有设立卫星接续枢纽，即使使用了地面链路，它同样无法对P-21系统的移动用
户实施主权管理，业务流量也会被旁路。这一点与IRIDIUM 系统有异曲同工之妙。
这样的网路结构与目前INMARSAT A和M系统结构相似，没有被鉴权的移动终端 A或M
不能入网；反之，没有鉴权功能的海岸地球站也无法控制移动终端A或M工作与否。
3.GLOBALSTAR系统的网路特点
(1)采用美国IS-95 CDMA空中接口标准的基本规定。它与地面CDMA蜂窝移动通
信系统的不同点在于使用频带不同(用1.6/2.5 GHz频带)， 卫星通信系统有多普勒
效应和时间跟踪要求；相同点在于语音编码方法和速率，卫星的引导、同步、寻呼
和业务信道的编码，卫星信道带宽，呼叫建立过程，切换方法等。由此使得地面蜂
窝移动通信系统与卫星通信系统这两者除射频部分外有着良好的兼容性。这样，星
地两系统兼容工作手持机的体积最小，容易实现与非CDMA地面蜂窝系统的三模式工
作的移动终端。
(2)没有用星上交换技术，而用透明弯管卫星转发器， 这使得与卫星系统有关
的操作管理相对简单。
(3)系统内设置许多与本地电话网或长途电话网连接的地面转接站(关口站) ，
它们属于业务提供者并由他操作管理。地面转接站通过卫星覆盖地面网路无法到达
的区域，相当于增加地面蜂窝移动通信系统的蜂窝区。分散的地面转接站可使长途
接续路由最短。可以认为，GLOBALSTAR系统是现有地面蜂窝移动通信系统的延伸。
图3是GLOBALSTAR系统组成区域(或国内)移动通信系统的示意图。
图3 GLOBALSTAR系统组成区域移动通信系统的示意图
(4)地面转接站设置公众电话网接口单元， 语音通过业务交换点进入公众电话
网，网路控制信令、移动性管理及用户漫游等信令通过业务控制点与访问位置登记
器连接，然后经过SS7号信令网与归属位置登记器连接。
(5)采用以美国IS-41标准为基础的和以GSM标准为基础的归属位置登记器。 当
采用以美国IS-41标准为基础的归属位置登记器时，地面转接站的CDMA 空中接口与
符合IS-41的访问位置登记器相连接， 被访地面转接站根据移动用户的识别码确定
归属系统的交换点码，按IS-41数据格式通过SS7号信令网把移动用户的识别码送给
归属位置登记器，进行用户身份鉴权和地理位置更新，用户新的业务轮廓返回到被
访地面转接站。当采用以GSM标准为基础的归属位置登记时， 被访地面转接站将根
据GSM的移动应用规程(MAP)完成归属位置登记和用户有关信息的更新。
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