低轨道卫星通信与物联网应用研究

doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2019.00137

摘要/Abstract

摘要：

依托物联网的应用需求，对低轨道卫星通信系统的现状进行分析，分别对通信系统的构成要素进行对比阐述。然后，对比当前应用广泛的 NB-IoT 陆基通信网络、已有低轨道卫星通信系统的特点，并提供了一种面向物联网应用的低轨道卫星系统可行设计方案，简述其主要参数和特点。

关键词: 物联网, 卫星通信, 窄带, 低轨道

Abstract:

Relying on the demands of Internet of things application,a detailed review on the status quo of LEO (low earth orbit) satellite communication system was given,and the components of communication system were compared and explained separately.Afterwards,the characteristics of the NB-IoT land-based communication network widely applied at present and existing LEO satellite communication system were compared,and a feasible design scheme for IoT-oriented LEO satellite system was provided,and its main parameters and characteristics were briefly described.

Key words: Internet of things (IoT), satellite communication, narrow-band, low earth orbit

中图分类号:

TN99

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图/表 9

表1

表2

图3

图1

图2

图4

图5

图6

表3

天基星座物联网络设计与现有LEO系统参数比较"

	天基星座物联网设计概要	陆基NB-IoT	铱星系统	全球星系统	ORBCOMM
业务特征	终端设备移动性多样，从固定到高速移动，低功耗、低速率、低成本、广覆盖和大容量	终端设备移动性差，面向低功耗、低速率、低成本、广覆盖和大容量	双向语音通信和数据业务	双向语音通信和数据业务	双向短数据
系统容量	1 000万级半双工	50 000/基站半双工	72 600，双工	120 000，双工	100万级
通信速率	上行：0.6~10 kbit/s下行：1.2 kbit/s	0.35~230 kbit/s	2.4 kbit/s~1.5 Mbit/s	2.4 kbit/s、4.8 kbit/s和9.6 kbit/s	上行：2.4 kbit/s下行：4.8 kbit/s
	范围大，取决于业务应用	范围大，取决于业务应用	业务类型相对固定	业务类型相对固定	业务类型相对固定
频率资源	L波段	GSM、LTE频段带宽：180 kHz	L波段1 616~1 626.5 MHz带宽：10.5 MHz	L波段上行：1 610~1 626.5 MHz S波段下行：2 483.5~2 500 MHz带宽：16.5 MHz	上行：148~150.05 MHz下行：137~138 MHz带宽：2 MHz（UL）+1 MHz（DL）
信道划分	41.5 kHz	3.75~15 kbit/s	41.67 kHz	1.25 MHz	25 kHz
	频谱利用率低，适用于高速移动	频谱利用率高，不适用于高速移动	频谱利用率低，适用于高速移动	频谱利用率低，适用于高速移动	频谱利用率低，适用于高速移动
资源分配	统一规划，有限竞争	集中分配，统一管理	集中分配，统一管理	集中分配，统一管理	采用动态信道分配
	采用频分和码分相结合，由终端发起资源申请，基站调度分配，资源占用时间短，确保在一个波束内完成信息交换	采用频分和时分相结合，由终端发起资源申请，基站调度分配，资源占用时间短	采用频分和时分相结合，通信双方均可发起资源分配，建立链路，资源占用时间长	采用频分和码分相结合，通信双方均可发起资源分配，建立链路，资源占用时间长	根据需要进行动态分配
多址方式	FDMA/CDMA	下行OFDMA上行SC-FDMA	FDMA/TDMA	FDMA/CDMA	FDMA/TDMA
	异步	频谱效率高，对频偏敏感，功率效率低	全网同步	异步	全网同步
调制编码	DDPSK重复码+BCH；CC+BCH；TPC	BPSK/QPSK 咬尾卷积码（TBCC），Turbo码	QPSK、CC	QPSK、CC	OQPSK、BCH
	无需相干解调，对频偏不敏感；星上半透明转发，地面站解码	TBCC通过两次编码与两次译码，可提高短码的纠错性能	相干解调不适合高频偏、低功耗场景	相干解调不适合高频偏低功耗场景	相干解调不适合高频偏低功耗场景
基站设备、在轨卫星	体积小、重量为40 kg、供电需求不高	体积、重量无限制，供电能力强	体积大、重量为689 kg、供电能力400 W	体积较大、重量为450 kg、供电能力380 W	体积较小、重量为43 kg、供电需求不高
	处理能力弱	处理能力强	处理能力较强	处理能力较强	处理能力较弱
	传输距离为350~800 km	25 km传输距离为	传输距离为780 km	传输距离为1 414 km	传输距离为825 km
终端设备	功耗较低、成本较低	功耗低、成本低	功耗高、成本高	功耗高、成本高	功耗较低、成本较低
	设备长期休眠，事件触发，上行数据时延短、下行数据时延长	设备长期休眠，事件触发，上行数据时延短、下行数据时延长	长期工作在监听状态，上下行数据时延短	长期工作在监听状态，上/下行数据时延短	长期工作在监听状态，上/下行数据时延较短

表3

参考文献 14

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比较项目	第一代铱星系统	第二代铱星系统
星座数量	66颗LEO卫星	66颗LEO卫星
质量	约670 kg	860 kg
容灾备份	6颗在轨备用卫星	6颗在轨备用卫星、9颗地面备用卫星
用户容量	200万用户容量	300万用户容量
数据带宽	最高128 kbit/s的L波段数据速率	语音和数据业务：2.4 kbit/s~1.5 Mbit/s
		高速数据业务：10 Mbit/s（便携式终端）、30 Mbit/s（运输式终端）
服务范围	全球覆盖	全球覆盖
服务内容	高通话质量	增强的通话质量、端到端IP技术
特点	高可靠性和低时延性	高可靠性和低时延性
优势对比		带宽灵活分配
		私有网络网关
		兼容现有手机和其他设备设计支持主机二级载荷

参数		性能指标
用户数据速率		2.4 kbit/s（输入）
		4.8 kbit/s（输入）
工作频率	上行链路	148~150.05 MHz
	下行链路	137~138 MHz400.05~400.15 MHz
寻址协议		X.400（CCITT 1988）
信息容量		6~250 B（最佳情况），无最大值限制
空间段	卫星轨道	4颗卫星工作在极地轨道32颗卫星工作在倾斜轨道（倾斜角度为45°）圆轨道，轨道高度为775 km
用户终端	重量	340.2 g
	天线	长度为50 cm的鞭状天线
定位误差		375 m

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