衛星移動(dòng)通信系統的設計及其應用模型

伴隨通信系統“天地一體化”技術(shù)體系的推廣，移動(dòng)通信正朝著(zhù)無(wú)縫覆蓋的趨勢發(fā)展，衛星移動(dòng)通信覆蓋面廣的特點(diǎn)使其成為地面移動(dòng)通信的必要補充。目前國外的衛星移動(dòng)通信系統有北美移動(dòng)衛星(MSAT)系統，亞洲蜂窩衛星 (ACeS)系統，瑟拉亞衛星(Thuraya)系統以及提供全球覆蓋的國際海事衛星(Inmasrsat)系統等。Inmasrsat由國際海事組織經(jīng)營(yíng)，使用該系統的國家已超過(guò)160個(gè)，用戶(hù)達29萬(wàn)多個(gè)，其第4代系統BGAN是第1個(gè)通過(guò)手持終端向全球同時(shí)提供話(huà)音和寬帶數據的移動(dòng)通信系統，也是第 1個(gè)提供數據速率證的移動(dòng)衛星通信系統。因此這里提出衛星移動(dòng)通信系統設計及其應用模型。

1 衛星移動(dòng)通信系統傳輸模型

在衛星通信中，電波在空間傳輸時(shí)要受到很多因素的影響，如大氣吸收、對流層閃爍、雨、雪等都會(huì )導致不同程度的衰減，其中降雨對信號的衰減最為嚴重，因此衛星鏈路的雨衰特性是影響衛星通信系統傳輸質(zhì)量與可靠性的主要因素。在進(jìn)行衛星通信系統設計時(shí)要采取必要措施來(lái)應對各種信號衰減，針對信道特點(diǎn)來(lái)設計傳輸模型。

衛星信號在衛星與地面網(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)站使用衛星信道通過(guò)衛星中繼進(jìn)行信號的傳輸：Abis接口為地面信關(guān)站與信關(guān)站收發(fā)信機的接口；A接口為地面移動(dòng)網(wǎng)交換中心與信關(guān)站的接口。

2 衛星移動(dòng)通信系統通信體制

2．1 幀結構

移動(dòng)衛星通信系統采用TDMA多址方式，在物理層信號以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)，復幀(multiframe)，幀(frame)，時(shí)隙(timeslot)。

2．2 調制方式

無(wú)論是業(yè)務(wù)信道還是控制信道，本系統均采用相同的調制方式，與GSM系統不同，本系統采用π／4-CQPSK(coherent quadrature phase shift keying)調制機制，其成型濾波采用滾降系數為0．35的平方根升余弦函數。相對于常用的OPSK調制方式可以較好地改善調制信號的峰均比，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計。

3 衛星通信信令結構

信令指在通信系統中除用戶(hù)的業(yè)務(wù)數據之外的一切控制信息與狀態(tài)信息。在衛星移動(dòng)通信系統中，移動(dòng)終端與衛星中繼通過(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)議結構即物理層(L1)、數據鏈路層(L2)和網(wǎng)絡(luò )層(L3)，其中數據鏈路層(L2)由于使用衛星信道，其信道模型與地面GSM系統有本質(zhì)區別，LAPSat可以同時(shí)支持確認和非確認模式的數據傳輸。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充業(yè)務(wù)的必要支持。L3層又細分為以下子層：無(wú)線(xiàn)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)現傳輸功能，RR層和MM層還定義了L3層信令傳輸的其他功能，如信息復用和分割。RR層和MM層通過(guò)信息頭PD來(lái)識別信號。其具體流程如圖3所示。

上行信號：首先CM子層定義一個(gè)傳輸標識(TI)，作為信息頭的一部分，將控制信息，補充信息以及短信息分別加上一個(gè)TI頭傳送給MM層，MM層的傳輸函數將帶有不同傳輸標識的CC、SS、SMS信息復用，并添加協(xié)議標識(PD)，上行傳輸給RR層，RR層的傳輸函數根據不同的PD頭以及相應的信道配置將不同的信息通過(guò)各自的接入點(diǎn)(SAPI)傳送給對應的物理信道，雙音接收系統(DTRS)實(shí)體使用同樣的傳輸函數將雙音多頻信號(DTMF)傳輸給RR層實(shí)體。RR實(shí)體在接入點(diǎn)(SAPI)=2處檢測快速隨路控制信道(FACCH)上的數據鏈路連接是否存在，如果存在，則使用數據鏈路(DL)連接，否則通過(guò)接入點(diǎn)(SAPI)=0進(jìn)行數據傳輸，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RR連接不存在時(shí)，RR實(shí)體則終止數據傳輸。

下行信號：RR層根據協(xié)議標識(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MM層繼續使用)。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 系統的邏輯信道不同，衛星移動(dòng)通信信道主要分為2類(lèi)：用于傳輸用戶(hù)編碼語(yǔ)音和數據的衛星業(yè)務(wù)信道(S-TCH)以及衛星控制信道(S-CCH)。衛星業(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唧w的語(yǔ)音和數據量的大小來(lái)分配所用信道。

衛星控制信道(S-CCH)包括衛星廣播控制信道(S-BCCH)，衛星公共控制信道(S-CCCH)，衛星專(zhuān)用控制信道(S-DCCH)。其中衛星專(zhuān)用控制信道又包括獨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)，衛星廣播控制信道(S-BCCH)，衛星波束廣播信道(S-BBCH)，主要傳輸系統信息等信令。

2)S-CCCH包括衛星呼叫信道(S-PCH)，衛星隨機接入信道(S-RACH)，衛星接入授權信道(S-AGCH)等。在此信道上主要傳輸呼叫請求、信道請求、簽權、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、信道模式修改及響應、加密模式及響應等信令。

4 衛星移動(dòng)通信呼叫模型

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

1)RR層信道請求，呼叫請求，信道建立，加密模式及相應，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(包括衛星波束信息、電源控制信息、版本信息以及各種錯誤信息等)。

2)MM層 注冊信息(包括身份注冊與位置更新)，安全信息(包括鑒權、身份認證與臨時(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)字節屬于標識頭部分，高4位為傳輸標識，低4位為協(xié)議標識，用來(lái)區分使用不同協(xié)議的信令。第二字節標識信令類(lèi)型，剩余字節為具體的信息單元。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)站間及內部的切換、定向重試、短信息等業(yè)務(wù)。在衛星移動(dòng)通信系統中使用的上述基本流程與陸地蜂窩GSM系統的流程類(lèi)似，但由于使用衛星作為中繼，信號傳播延時(shí)大，又其特殊性，比如呼叫重建功能不再適用本系統，利用衛星中繼的優(yōu)勢在信令巾增加了 GPS信息等。針對移動(dòng)通信系統，設計呼叫模型如圖5所示，其流程主要是，移動(dòng)終端首先發(fā)出信道請求命令，中繼衛星接收到信號之后進(jìn)行透明轉發(fā)，將信令轉發(fā)給信關(guān)站，信關(guān)站控制中心對信令進(jìn)行分析對移動(dòng)用戶(hù)做出響應，并向地面網(wǎng)中的被呼叫用戶(hù)發(fā)出命令，被呼叫用戶(hù)接收到命令后做出響應，并發(fā)出相關(guān)請求命令給信關(guān)站的控制中心，通過(guò)衛星中繼轉發(fā)給地面發(fā)出呼叫的移動(dòng)用戶(hù)，經(jīng)過(guò)一系列的請求、命令與響應之后，最終在呼叫用戶(hù)與地面網(wǎng)的被呼叫用戶(hù)之間建立連接，連接完成之后，進(jìn)行呼叫進(jìn)程。

5 結論

衛星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)與地面通信業(yè)務(wù)的有機結合能夠更大程度地開(kāi)辟通信業(yè)務(wù)的市場(chǎng)空間，同時(shí)為社會(huì )應急、緊急救災、偏遠山區的農村通信做出重大貢獻。但是我國目前采用的衛星移動(dòng)通信系統均來(lái)源于國外，衛星通信的許多核心技術(shù)也為國外所有，因此建設我國自主的衛星移動(dòng)通信系統意義重大，且勢在必行。

本文所提出的衛星移動(dòng)通信系統體系架構、調制方式、信號速率、使用頻率及編碼率等的選擇，可以較好地應對衛星信道高延時(shí)、多徑衰落、雨衰等嚴重問(wèn)題，以適用于衛星移動(dòng)通信，此系統對于國內建設衛星移動(dòng)通信系統具有一定的借鑒意義。文中的信令結構為此系統的呼叫模型的建立提供了理論基礎。本文提出的呼叫模型作為系統的應用模型，為后續的衛星通信系統的實(shí)際應用提供了參考價(jià)值。