衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用模型

伴隨通信系統(tǒng)“天地一體化”技術(shù)體系的推廣，移動(dòng)通信正朝著無(wú)縫覆蓋的趨勢(shì)發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信覆蓋面廣的特點(diǎn)使其成為地面移動(dòng)通信的必要補(bǔ)充。目前國(guó)外的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有北美移動(dòng)衛(wèi)星(MSAT)系統(tǒng)，亞洲蜂窩衛(wèi)星 (ACeS)系統(tǒng)，瑟拉亞衛(wèi)星(Thuraya)系統(tǒng)以及提供全球覆蓋的國(guó)際海事衛(wèi)星(Inmasrsat)系統(tǒng)等。Inmasrsat由國(guó)際海事組織經(jīng)營(yíng)，使用該系統(tǒng)的國(guó)家已超過(guò)160個(gè)，用戶達(dá)29萬(wàn)多個(gè)，其第4代系統(tǒng)BGAN是第1個(gè)通過(guò)手持終端向全球同時(shí)提供話音和寬帶數(shù)據(jù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是第 1個(gè)提供數(shù)據(jù)速率證的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此這里提出衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用模型。

1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸模型

在衛(wèi)星通信中，電波在空間傳輸時(shí)要受到很多因素的影響，如大氣吸收、對(duì)流層閃爍、雨、雪等都會(huì)導(dǎo)致不同程度的衰減，其中降雨對(duì)信號(hào)的衰減最為嚴(yán)重，因此衛(wèi)星鏈路的雨衰特性是影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量與可靠性的主要因素。在進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要采取必要措施來(lái)應(yīng)對(duì)各種信號(hào)衰減，針對(duì)信道特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)傳輸模型。

衛(wèi)星信號(hào)在衛(wèi)星與地面網(wǎng)間的傳輸模型如圖1所示。

圖中，S-Um接口為移動(dòng)終端與地面信關(guān)站使用衛(wèi)星信道通過(guò)衛(wèi)星中繼進(jìn)行信號(hào)的傳輸：Abis接口為地面信關(guān)站與信關(guān)站收發(fā)信機(jī)的接口；A接口為地面移動(dòng)網(wǎng)交換中心與信關(guān)站的接口。

2 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)通信體制

2．1 幀結(jié)構(gòu)

移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用TDMA多址方式，在物理層信號(hào)以TDMA幀的形式進(jìn)行傳輸，考慮到與地面GSM網(wǎng)手持終端的兼容性，幀格式分為巨幀 (hyperframe)，超幀(superframe)，復(fù)幀(multiframe)，幀(frame)，時(shí)隙(timeslot)。

2．2 調(diào)制方式

無(wú)論是業(yè)務(wù)信道還是控制信道，本系統(tǒng)均采用相同的調(diào)制方式，與GSM系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)采用π／4-CQPSK(coherent quadrature phase shift keying)調(diào)制機(jī)制，其成型濾波采用滾降系數(shù)為0．35的平方根升余弦函數(shù)。相對(duì)于常用的OPSK調(diào)制方式可以較好地改善調(diào)制信號(hào)的峰均比，提高功率放大器的功率效率，減少帶外功率輻射，極大方便功率放大器的設(shè)計(jì)。

3 衛(wèi)星通信信令結(jié)構(gòu)

信令指在通信系統(tǒng)中除用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之外的一切控制信息與狀態(tài)信息。在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)終端與衛(wèi)星中繼通過(guò)S-Um口進(jìn)行信息傳輸，其信令交換使用圖2所示的3層協(xié)議結(jié)構(gòu)即物理層(L1)、數(shù)據(jù)鏈路層(L2)和網(wǎng)絡(luò)層(L3)，其中數(shù)據(jù)鏈路層(L2)由于使用衛(wèi)星信道，其信道模型與地面GSM系統(tǒng)有本質(zhì)區(qū)別，LAPSat可以同時(shí)支持確認(rèn)和非確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳輸。L3層協(xié)議層主要完成電路交換連接的建立，保持和終止，并提供短信控制以及補(bǔ)充業(yè)務(wù)的必要支持。L3層又細(xì)分為以下子層：無(wú)線資源管理層(RR)，移動(dòng)管理層(MM)和連接管理層(CM)，其中連接管理層又包括呼叫控制 (CC)，補(bǔ)充業(yè)務(wù)(SS)，短信息業(yè)務(wù)(SMS)。

3．1 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧

L3層的信令傳輸由協(xié)議控制實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸功能，RR層和MM層還定義了L3層信令傳輸?shù)钠渌δ埽缧畔?fù)用和分割。RR層和MM層通過(guò)信息頭PD來(lái)識(shí)別信號(hào)。其具體流程如圖3所示。

上行信號(hào)：首先CM子層定義一個(gè)傳輸標(biāo)識(shí)(TI)，作為信息頭的一部分，將控制信息，補(bǔ)充信息以及短信息分別加上一個(gè)TI頭傳送給MM層，MM層的傳輸函數(shù)將帶有不同傳輸標(biāo)識(shí)的CC、SS、SMS信息復(fù)用，并添加協(xié)議標(biāo)識(shí)(PD)，上行傳輸給RR層，RR層的傳輸函數(shù)根據(jù)不同的PD頭以及相應(yīng)的信道配置將不同的信息通過(guò)各自的接入點(diǎn)(SAPI)傳送給對(duì)應(yīng)的物理信道，雙音接收系統(tǒng)(DTRS)實(shí)體使用同樣的傳輸函數(shù)將雙音多頻信號(hào)(DTMF)傳輸給RR層實(shí)體。RR實(shí)體在接入點(diǎn)(SAPI)=2處檢測(cè)快速隨路控制信道(FACCH)上的數(shù)據(jù)鏈路連接是否存在，如果存在，則使用數(shù)據(jù)鏈路(DL)連接，否則通過(guò)接入點(diǎn)(SAPI)=0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信息以比特流的形式在定義的各種邏輯信道上進(jìn)行物理層傳輸。當(dāng)RR連接不存在時(shí)，RR實(shí)體則終止數(shù)據(jù)傳輸。

下行信號(hào)：RR層根據(jù)協(xié)議標(biāo)識(shí)(PD)頭將從L2層不同接入點(diǎn)獲得的信息進(jìn)行分割并分配給不同的子層，(但分割時(shí)保留PD頭，以便后續(xù)MM層繼續(xù)使用)。其他的RR信息和DTRS信息則通過(guò)各自的接入點(diǎn)MNRR-SAP，DTRS-SAP傳送給MM層，MM層再通過(guò)識(shí)別不同的TI，將不同的信息通過(guò)各自的 MM層接入點(diǎn)傳送給CM的各個(gè)功能子層(即控制業(yè)務(wù)子層、補(bǔ)充業(yè)務(wù)子層、短信息業(yè)務(wù)子層)。

3．2 邏輯信道配置

在L3層的協(xié)議棧里，信令最終以幀的形式在物理信道上傳輸，根據(jù)不同信令使用的頻段和時(shí)隙不同，將物理信道劃分為多個(gè)邏輯信道。與GSM 系統(tǒng)的邏輯信道不同，衛(wèi)星移動(dòng)通信信道主要分為2類：用于傳輸用戶編碼語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的衛(wèi)星業(yè)務(wù)信道(S-TCH)以及衛(wèi)星控制信道(S-CCH)。衛(wèi)星業(yè)務(wù)信道(S-TCH)包括全碼率業(yè)務(wù)信道(S-TCH／F)，信息速率為24 Kb／s；半碼率業(yè)務(wù)信道(S-TCH／H)，信息速牢勾12 Kb／s；1／4碼率控制信道(S-TCH／Q)，信息速率6 Kb／s；1／8碼率控制信道，信息速率為3 Kb／s?？筛鶕?jù)具體的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)量的大小來(lái)分配所用信道。

衛(wèi)星控制信道(S-CCH)包括衛(wèi)星廣播控制信道(S-BCCH)，衛(wèi)星公共控制信道(S-CCCH)，衛(wèi)星專用控制信道(S-DCCH)。其中衛(wèi)星專用控制信道又包括獨(dú)立控制信道和隨路控制信道。隨路控制信道分為慢速隨路控制信道(S-SACCH)和快速隨路控制信道(S-FACCH)，通常不能獨(dú)立使用，而是聯(lián)合其他控制信道一起使用。上述3種控制信道通過(guò)使用不同的幀格式來(lái)將信息組幀傳輸。

1)S-BCCH包括同步信道(S-SCH)，衛(wèi)星廣播控制信道(S-BCCH)，衛(wèi)星波束廣播信道(S-BBCH)，主要傳輸系統(tǒng)信息等信令。

2)S-CCCH包括衛(wèi)星呼叫信道(S-PCH)，衛(wèi)星隨機(jī)接入信道(S-RACH)，衛(wèi)星接入授權(quán)信道(S-AGCH)等。在此信道上主要傳輸呼叫請(qǐng)求、信道請(qǐng)求、簽權(quán)、同步信道信息、立即指配命令等信令。

3)S-DCCH與S-ACCH主要用于信道上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息交換，以通用的幀格式在信道上傳輸，主要傳輸分配命令，分配響應(yīng)、信道模式修改及響應(yīng)、加密模式及響應(yīng)等信令。

4 衛(wèi)星移動(dòng)通信呼叫模型

信令在保證通信正常的進(jìn)行起著關(guān)鍵作用，在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中涉及的信令很多，L3層各子層涉及的信令總結(jié)如下：

1)RR層信道請(qǐng)求，呼叫請(qǐng)求，信道建立，加密模式及相應(yīng)，信道分配與切換，信道釋放，RR層狀態(tài)信息，已經(jīng)狀態(tài)診斷信息(包括衛(wèi)星波束信息、電源控制信息、版本信息以及各種錯(cuò)誤信息等)。

2)MM層 注冊(cè)信息(包括身份注冊(cè)與位置更新)，安全信息(包括鑒權(quán)、身份認(rèn)證與臨時(shí)身份分配)，連接管理信息，MM層與CM層狀態(tài)信息。

3)CM層 CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息，呼叫建立，呼叫過(guò)程，拆鏈，狀態(tài)信息(包括擁塞狀態(tài)，DTMF等)。
上述信令在進(jìn)行信令傳輸時(shí)遵循通用的信令格式，如圖4所示。

圖4中信令的第一個(gè)字節(jié)屬于標(biāo)識(shí)頭部分，高4位為傳輸標(biāo)識(shí)，低4位為協(xié)議標(biāo)識(shí)，用來(lái)區(qū)分使用不同協(xié)議的信令。第二字節(jié)標(biāo)識(shí)信令類型，剩余字節(jié)為具體的信息單元。這些信令在移動(dòng)通信過(guò)程中主要完成呼叫、位置更新、信關(guān)站間及內(nèi)部的切換、定向重試、短信息等業(yè)務(wù)。在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的上述基本流程與陸地蜂窩GSM系統(tǒng)的流程類似，但由于使用衛(wèi)星作為中繼，信號(hào)傳播延時(shí)大，又其特殊性，比如呼叫重建功能不再適用本系統(tǒng)，利用衛(wèi)星中繼的優(yōu)勢(shì)在信令巾增加了 GPS信息等。針對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)呼叫模型如圖5所示，其流程主要是，移動(dòng)終端首先發(fā)出信道請(qǐng)求命令，中繼衛(wèi)星接收到信號(hào)之后進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，將信令轉(zhuǎn)發(fā)給信關(guān)站，信關(guān)站控制中心對(duì)信令進(jìn)行分析對(duì)移動(dòng)用戶做出響應(yīng)，并向地面網(wǎng)中的被呼叫用戶發(fā)出命令，被呼叫用戶接收到命令后做出響應(yīng)，并發(fā)出相關(guān)請(qǐng)求命令給信關(guān)站的控制中心，通過(guò)衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)給地面發(fā)出呼叫的移動(dòng)用戶，經(jīng)過(guò)一系列的請(qǐng)求、命令與響應(yīng)之后，最終在呼叫用戶與地面網(wǎng)的被呼叫用戶之間建立連接，連接完成之后，進(jìn)行呼叫進(jìn)程。

5 結(jié)論

衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)與地面通信業(yè)務(wù)的有機(jī)結(jié)合能夠更大程度地開辟通信業(yè)務(wù)的市場(chǎng)空間，同時(shí)為社會(huì)應(yīng)急、緊急救災(zāi)、偏遠(yuǎn)山區(qū)的農(nóng)村通信做出重大貢獻(xiàn)。但是我國(guó)目前采用的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)均來(lái)源于國(guó)外，衛(wèi)星通信的許多核心技術(shù)也為國(guó)外所有，因此建設(shè)我國(guó)自主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)意義重大，且勢(shì)在必行。

本文所提出的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)體系架構(gòu)、調(diào)制方式、信號(hào)速率、使用頻率及編碼率等的選擇，可以較好地應(yīng)對(duì)衛(wèi)星信道高延時(shí)、多徑衰落、雨衰等嚴(yán)重問題，以適用于衛(wèi)星移動(dòng)通信，此系統(tǒng)對(duì)于國(guó)內(nèi)建設(shè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有一定的借鑒意義。文中的信令結(jié)構(gòu)為此系統(tǒng)的呼叫模型的建立提供了理論基礎(chǔ)。本文提出的呼叫模型作為系統(tǒng)的應(yīng)用模型，為后續(xù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考價(jià)值。