“铱”^(TM/SM)个人通信系统

摘要：VLSI的广泛使用使得“铱”卫星系统的体积和价格实用化。专用集成电路(ASIC)新工艺的使用使开发周期缩短一半，同时使每块ASIC的门数增加4倍。

导论

“铱”系统的目标是全球实时通信现实化。我们似乎已经具备全球通信。在美国，我们可和国内外许许多多地方通话。然而，许多地区还没有电话服务，不仅发展中国家，发达国家亦如此。例如俄罗斯有2．5亿人口，只有1000万部电话，在印度，数以万计的村庄没有电话，有些国家的电话系统陈旧落后，雷雨天气不能正常服务，有些国家的服务仅在区域内，还缺乏国际通话的能力。世界范围内世界水平的通信要求这样的系统。

该系统的最初构想是77颗卫星围绕地球，类似于铱原子中77个电子围绕原子核。在随后的几年中，由于考虑体积、重量、性能和商业利益，制定了目前的使用66颗卫星的设计方案。卫星网络是通过交叉骨干线路(cross-ostlink)连接起来，并与系统控制设备，网关和用户相连。系统的名字仍叫“铱”。

星座

用一轨道卫星网络提供全球覆盖，我们把这一网络称为星座”，类似于星空中的星座。能提供全球覆盖所需卫星的晟少数量取决于卫星的高度选择。高度越高，所需卫星数目越少，因为卫星能“看到地球上更大的范围。事实上，如果高度增加到地球静止轨遭卫星的高度(35786km)只需3颗卫星就够了。但是，卫星数目少了，为满足通信容量和线路性能，卫星的复杂度和体积都要增加。

高度增加，卫星天线阵列就更复杂，因为卫星必须与天线很小．增益很低的手持电话机直接通信。信息传输时间迟延也随高度增加而增加。对于静止轨道卫星，最小延迟大于250ms，这是不希望的。

一般来说，高度越低，需要卫星数较多，但卫星比较简单。然而，卫星发射费用和后勤保障费用就高。而且高度越低空气密度就越大，这就降低了轨道卫星的寿命。

在考虑了商业利益并优化后，我们选择了轨道高度为780km，66颗卫星分布在6个地轴平面上，每个平面包含n颗卫星。铱星座示意图(略)。

“铱”系统的设计采用蜂窝电话的原理，对地球上任何地点提供可靠的覆盖。卫星上的三个天线在辐射到地面形成4补肆窝黟状。当卫星绕地球旋转时，用户能从一个切换到另一个。有些切按是星内切换，即一颗星的48个蜂窝间切换。当用户处于一颗卫星的边缘，切换就是星间切按。“铱”系统不象普通的蜂窝系统采用固定的蜂窝，它的设计是用户相对周定而蜂窝移动。尽管卫星的协合式运动与绕地球一周100分钟相比运动很慢。

六个轨道上的卫基在接近地轴舯将汇合，它们的光束”也将重叠。有些光束”将关闭，以减少重叠和节约能量。

这些卫星通过23GHz的交叉线路组成网络，可以进行中继。每颗卫星有4条交叉线路，可以与同一轨道平面内前一颗和后一颗卫星通信，也可以与相临运行轨道上最近的一颗卫星通信。

这些卫星很小，每颗重仅700kg。计触在生产线上装配这些卫星，66颗卫星的网络将于1998年建成并投入使用。

系统控制设备

显然，需要对卫星进行地面控制。这将由系统控制设备(SCF)完成，这些设备跟踪每颗卫星的遥测和高度控制信息，以使卫星保持在轨道的一定范围内，同时监视电器设备／电源和其它辅助系统，以达到管理星座的目的。这些设施也管理通信网络，如果某一节点出了问题，就通知卫星，以便重接这一通话。还设计成在两个不同地方分别建立两套系统控制设备，以确保连续工作。

网关

“铱”网关，是用来连接“铱”星座与公共交换电话网(PSTN)的。网关用于处理呼叫的建立，呼叫人位置以及必要的数据记录。呼叫人位置是很重要的，因为在菲尼克斯登记的“铱”用户可以把话机带到新加坡或特拉维夫或其它申请运营的地方使用。

网关通过其中的交换机和其它接口电路把“铱”网络与全世界的PSTN连接起来。通过这种方式，不仅可在“铱”用户之间通话，还可以使“铱”用户与PSTN用户间通话。

按目前的设计，网关采用至少三个3．3m跟踪抛物面天线，相距30km至少需要抛物面天线，因为当一颗卫星从地面上消失时，另一颗将已经在空中的另一不同位置出现，而从一颗卫星到另一颗卫星处理必须是即时的。许多网关设计成至少3个跟踪天线，以确保维修时通信线路畅通。

天线分开是在恶劣天气下能躲避雷电所在的蜂窝，提供可选择通道。它也可以避免正对太阳，太阳是需考虑的无线噪声。这些方案将降低在潜在不利条件下满足通信必须的战略边界(和发射峰值功率)。

用户设备

用户设备有不同的形状和体积。最初开发的是可移动的用户设备，可安装在车船上，它可以在很远的固定位置之间移动，此外还开发了一系列寻呼产品。如现在手持机的设计思想。

摩托罗拉公司计划生产双模式用户手持机，既可用于地面蜂窝系统，也可用于“铱”系统。当地面蜂窝系统能提供通信时就用地面系统，否则就用“铱”系统，用户此时能听到“铱”的拨号音。

这种移动手持机一次充电可在准备状态(有呼叫时振铃)和主动状态下连续工作24小时。这一系统将把用户手持机设计成发射功率与蜂窝电话相当。

通信网络

人们一般认为“铱”系统是空间系统，但从其功能所满足的目标上讲，它是个人通信系统，只是有些设施在空间。这种细微差别意义重大，要求设计重点总是个人通信设备，即手持机，要求是便携式的，能放在口袋里，用充电电池工作，用在当前蜂窝电话的应用环境。购买和使用手持机的用户并不关心系统中是否有卫星。他们也不在乎电话是否用到架空明线、水底电缆，微波站或卫星。他们关心的是话音质量、拨号的有效性、费用以及服务的方便性。该系统可支持语音、非保密数据和兼容的传真服务。

“铱“系统占用两段通信频率。卫星和用户间的上／下行线路是1610．0~1626．8MHz范围内的L频段。这一频段已于1992年在西班牙召开的无线电行政大会上确定为利用卫星的个人通信频段。卫星交叉线路以及网关间的上／下行线路采用20~30GHz的K频段。在每个国家运营都需要许可证。

ASIC设计方法

卫星上的电子设备使用较大门数的ASIC电路，以提高装配密度并降低制造成本。整个空间部分都采用表面帖装组件，并在高度自动化的机器组装线上安装。

一种新的综合多种计算机辅助设计(CAD)工具的ASIC设计方法已研制成功，

这些工具分享公共数据库并自动地把系统级特征模型转换成甚高级描述语言(VHDL)。我们在ASIC制造过程中再把VHDL的描述转换成门级和器件级工具语言，并自动安排和连接这些复杂的电路。现在设计的星上电路由14种近200块ASIC组成，一块ASIC的门数最多达200K门，见表1。总的设计达140万门的逻辑，设计时间不到12个月。这代表了摩托罗拉的一项新记录。

L频段线路

卫星L频段的相控阵形成48束射线，向手持电话设备发射。在卫星上，有数百个数字调制解调器处理用户单元的信号。ASIC电路和数字信号处理(DSP)的广泛使用使L频段线路设备的体积和功率适合在卫星上使用。

48束射线提供空分多址(SDMA)，它与时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)同时使用，在适应业务需要时可以通过地域位置实现容量较大范围的动态再分配。SDMA、TDMA和FDMA的结含使频率得到有效利用。

K频段线路

星间连接把全部卫星连接起来，话音信息通道有多种选择。在卫星上广泛使用微波单片集成电路(MMIc)和ASIC中的调制解调器，使卫星功率低、体积小。

星上处理器

卫星是一个信息通路中的非常活跃的部分，因为有6台星上计算机和大量使用。这些ASIC电路的使用把处理与高速存储器、调制解调器和星上天线连接起来。

结论

“铱“通信系统是全球数字卫星个人通信系统，主要目的是通过用户手持机、使用小尺寸天线提供低密度移动通信业务。可以使用个人的袖珍移动手机在任何地点收发电话。小型卫星组成的星座是这一网络的骨架。用户设备体积小(与蜂窝电话一样)，用电池提供能量，直接与卫星通信。地面网关是卫星网与公共交换电话网的接口。系统的目的是在人口稀少地区实现地面通信，与世界其它地方一样。

“铱”卫星通信系统是一种新思想，将得到广泛应用。它就象一个世纪前电话的出现一样，其前景会超出我们现在的想象。

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