作者：张华冲 吴永欣 杨贤 刘力军
来源：《计算机与网络》2021年第13期
摘要：针对国际移动卫星通信公司的主流通信系统——海事四代卫星通信系统，介绍了网络架构、卫星载荷的组成和技术特点。近年来，海事四代卫星出现了许多新业务类型，包括适用于流媒体的高速数据传输业务、应用于定位领域的星基增强系统、物联网应用以及军事应用，从信号参数、工作原理以及使用角度对新业务进行了剖析，总结了海事四代卫星业务种类及发展趋势。
关键词：卫星移动通信;卫星接入站;高速数据传输业务;星级增强系统
中图分类号：TN911 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2021）13-58-5
Analysis on Inmarsat-4 Satellite Network Architecture and New Business
ZHANG Huachong1， WU Yongxin1， YANG Xian1， LIU Lijun2
（1. The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China;
2. Hebei University of Economics and Business， Shijiazhuang 050061， China）
Abstract：The Inmarsat-4 satellite communication system plays a dominant role in Inmarsat. he network architecture， systemcomposition of satellite payload and technical characteristics of Inmarsat-4 system are introduced. In recent years， multiple newbusinesseses occur in Inmarsat-4， including high data-rate transmission service， satellite-based augmentation system for positioningdomain， Internet of Things and military application. The signal parameter， operating principle and usage of these businesses are analyzedparticularly. Finally， the businesslines and development trend of Inmarsat-4 satellite are summarized.
Keywords：mobile satellite communications; satellite access station; high data rate;
satellite-based augmentation system
0 引言
海事四代衛星是国际移动卫星通信公司（Inmarsat）家族中提供主流业务的卫星系统，于 2009 年 2 月提供全球服务，为南、北纬 78° 之间的地区提供无缝隙的移动通信服务。Inmarsat 基于海事四代卫星平台提供的以 BGAN、GSPS 为代表的通信系统，在政府、企业、新闻采访、资源勘探及科考探险等领域获得了广泛应用。近年来，随着用户对宽带数据需求的增加，以及卫星移动通信在物联网和军事应用的快速增长，海事四代卫星系统涌现出了许多新的业务类型及应用，如 HDR、L-TAC、星级增强应用等。 文献[1-3]介绍了海事四代卫星通信系统的组成，在应用方面，侧重于介绍传统通信业务的应用情况，缺少对通信业务的工作原理进行深入分析，尤其缺少对近年来出现的新业务及应用的介绍。本文基于海事四代卫星的网络架构总结了其技术特点，针对近年来出现的新业务及应用，结合卫星网络架构深入剖析了工作原理。
1 海事四代卫星网络架构
1.1 网络架构
海事四代卫星通信系统将卫星通信与 UMTS 系统进行了融合，构建了卫星移动通信领域的 3G 体系架构[4]。海事四代卫星通信系统网络架构如图 1 所示。
海事四代卫星通信系统由卫星、卫星接入站（SAS）、卫星控制中心和用户终端组成，卫星与移动用户终端设备之间的链路采用 L 波段，卫星与关口站之间使用 C 波段。
1.2 卫星
卫星星座包括 3 颗地球同步轨道卫星，覆盖了全球南、北纬 78° 之间的区域。卫星的轨位、覆盖区域及发射时间 [5]如表 1 所示。
海事四代卫星星上载荷组成如图 2 所示，主要包括前向C-L 链路、反向 L-C 链路，这 2 条链路完成通信信号的信道化、波束形成和透明转发功能。星上配置了一副口径为 9 m 的 L 频段抛物面天线，包含了一个 120 单元的馈源阵列，形成各类型波束，用于用户链路信号的收发。馈电链路采用 C 频段，配置了 2 个喇叭天线，提供全球覆盖，完成卫星与接入站的通信。卫星接入站发射的上行信号通过载荷中的 C-L 链路转发到 L频段的某一个波 束;L 频段天线接收不同点波束的用户信号，通过 L-C 链路转发到卫星接入站。另外还配置了 L-L 和 C-C的直通链路，实现单跳通信特殊需求。除去通信载荷，星上还配置了星级增强载荷（SBAS）。
1.3 卫星接入站
SAS 是卫星用户终端与陆地网络通信的关口，承担着移动终端信道资源分配、终端管理与认证、无线链路的建立与释放、电路交换和包交换等功能，同时提供陆地侧网络的接口。海事四代卫星接入站共有 4 座，其中位于荷兰的布卢姆关口站负责欧非星的业务接续，位于美国夏威夷关口站负责亚太星和美洲星的业务接续，位于意大利的佛希罗关口站是备份站。位于中国北京的接入站与亚太星对接，负责该星覆盖范围内中国地区海事通信业务的接续工作。
布设于地面的海事卫星专用的数据通信网（DCN）是整个通信系统的神经网络，它将各个 SAS 以及卫星控制中心连接在一起，形成一个完整的环形拓扑结构网络[6]。
1.4 卫星控制中心
卫星控制中心位于伦敦，由业务支撑子系统（BSS）、网络操作中心（NOC）和卫星控制子系统（SCC）组成。其中，BSS 完成业务费用核算、用户激活、合法性检查。NOC 与卫星接入站进行信息交换，负责整个网络的运行控制，包括点波束的信道资源的动态配置、业务监视等。SCC 负责监视卫星平台的运行情况，通过卫星测控站完成对卫星运行姿态的控制，保证每颗卫星正常运行。
1.5 用户终端
用户终端包括适用于各种平台的通信终端，由卫星调制解调器和全球用户身份识别模块（USIM）组成，负责用户侧信号的收发，提供与外部数据终端设备（电脑、视频设备等）的接口。用户终端通过海事卫星网络建立起数据终端设备与海事卫星用户、陆地公共电话网和移动网络用户、其他通信系统用户之间的通信桥梁，实现话音、宽带数据传输及视频传输等业务。
2 技术特点
（1）3 层波束覆盖
在用户链路，海事四代卫星采用 3 层波束覆盖，包括 1 个全球波束、19 个区域波束和 228 个窄点波束。全球波束提供下行公共信道，承载系统配置信息，包括区域波束使用的频率等参数。区域波束包括上行和下行公共信道，主要承载终端注册、建链信令及部分低速业务。
窄点波束包括上行和下行信道，承载用户业务数据。只有在用户发起通信时，卫星系统才会激活信道并分配给用户终端。每个窄点波束一般配置 6～8 个信道，最多 25 个信道。每个信道带宽 200 kHz、支持最高 492 kbps 传输速率。卫星载荷配置的信道总数为 630 个，系统支持在不同点波束下信道动态调配，以适应通信业务量的变化[7]。海事四代卫星的波束配置和信道按需分配体制不仅提高了信道资源的利用率，同时也提高了系统的抗截获抗干扰能力。
（2）頻率及极化复用技术
在用户链路，采用频率复用技术提高了区域波束和点波束的通信容量。区域波束采用三频率复用方案，窄点波束采用四频率复用方案。用户链路总带宽为 34 MHz，可以划分成170 条 200 kHz 的信道。卫星载荷上的多波束天线保证了非相邻点波束采用相同频
率进行通信不会造成相互干扰。228 个点波束共享 170 条信道，大大提高了用户段的通信容量。
在馈电链路，使用极化复用技术在同一频段传输左旋和右旋 2 种极化的信号，使传输容量翻倍。
（3）适应卫星信道传输的 IAI-2 空口协议
为了适应卫星信道高时延且时延变化范围大的特点，Inmarsat 对 UMTS 协议栈的接入层做了修改，采用 IAI-2 协议替代了 WCDMA 空口协议，而非接入层协议继续沿用。空中接口配置了多种载波类型，支持不同类型业务对传输速率的要求。采用 AMBE+2 语音编码替代了 UMTS 中的 AMR 编码，数据速率从 12.2 kbps 降低到了 4 kbps，在保证话音质量的同时，降低了信息速率，大大节省了频谱资源。
（4）一种卫星 2 种网络
在海事四代卫星 SAS 中配置有基于 3G 移动通信的核心网，能够同时支持电路域交换（CS）和分组域交换（PS）[8]。同时在 SAS 中配置有基于 GSM 的核心网，提供 GS
PS 窄带业务。
BGAN 系统中的话音业务（4 kbps）、ISDN 数据传输和短消息采用电路域交换方式。其中，ISDN 支持 3.1 kbps 的丽音和64 kbps 的 UDI 接口;短消息支持卫星终端之间、卫星终端与地面移动终端之间收发，最大发送长度为 160 Byte[9]。GSPS 系统也采用电路域交换方式。
海事四代卫星的分组交换主要体现在 BGAN 系统中的标准 IP、流媒体 IP 业务以及其他应用中。
3 海事四代卫星新业务分析
3.1 宽带接入及话音业务
2009 年，Inmarsat 基于海事四代卫星平台推出了陆地宽带业务 BGAN、海上宽带业务 FBB、空中宽带业务 SBB。3 种业务采用同一套卫星通信网络，都能够支持话音、宽带接入等业务。3 种业务分别由陆用、船用、机载终端提供，不同类型终端的区别主要体现在天线设计和支持的速率等级上。
2010 年，Inmarsat 基于海事四代卫星平台推出了 GSPS系统（手持机业务），采用 GMR-2+ 协议，提供服务包括语音、数据和传真，速率为 2.4 kbps。另外还支持短信、紧急呼叫等业务[10]。
