衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用模型

伴隨通信系統(tǒng)“天地一體化”技術(shù)體系的推廣，移動通信正朝著無縫覆蓋的趨勢發(fā)展，衛(wèi)星移動通信覆蓋面廣的特點使其成為地面移動通信的必要補充。目前國外的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有北美移動衛(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際海事衛(wèi)星(Inmasrsat)系統(tǒng)等。Inmasrsat由國際海事組織經(jīng)營，使用該系統(tǒng)的國家已超過160個，用戶達29萬多個，其第4代系統(tǒng)BGAN是第1個通過手持終端向全球同時提供話音和寬帶數(shù)據(jù)的移動通信系統(tǒng)，也是第 1個提供數(shù)據(jù)速率證的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此這里提出衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用模型。

1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)傳輸模型

在衛(wèi)星通信中，電波在空間傳輸時要受到很多因素的影響，如大氣吸收、對流層閃爍、雨、雪等都會導(dǎo)致不同程度的衰減，其中降雨對信號的衰減最為嚴(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。在進行衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計時要采取必要措施來應(yīng)對各種信號衰減，針對信道特點來設(shè)計傳輸模型。

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

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

2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)通信體制

2．1 幀結(jié)構(gòu)

移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用TDMA多址方式，在物理層信號以TDMA幀的形式進行傳輸，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)，時隙(timeslot)。

2．2 調(diào)制方式

無論是業(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)。相對于常用的OPSK調(diào)制方式可以較好地改善調(diào)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(shè)計。

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)星移動通信系統(tǒng)中，移動終端與衛(wèi)星中繼通過S-Um口進行信息傳輸，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充業(yè)務(wù)的必要支持。L3層又細(xì)分為以下子層：無線資源管理層(RR)，移動管理層(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)議控制實體來實現(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層通過信息頭PD來識別信號。其具體流程如圖3所示。

上行信號：首先CM子層定義一個傳輸標(biāo)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)識的CC、SS、SMS信息復(fù)用，并添加協(xié)議標(biāo)識(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各自的接入點(SAPI)傳送給對應(yīng)的物理信道，雙音接收系統(tǒng)(DTRS)實體使用同樣的傳輸函數(shù)將雙音多頻信號(DTMF)傳輸給RR層實體。RR實體在接入點(SAPI)=2處檢測快速隨路控制信道(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，否則通過接入點(SAPI)=0進行數(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行物理層傳輸。當(dāng)RR連接不存在時，RR實體則終止數(shù)據(jù)傳輸。

下行信號：RR層根據(jù)協(xié)議標(biāo)識(PD)頭將從L2層不同接入點獲得的信息進行分割并分配給不同的子層，(但分割時保留PD頭，以便后續(xù)MM層繼續(xù)使用)。其他的RR信息和DTRS信息則通過各自的接入點MNRR-SAP，DTRS-SAP傳送給MM層，MM層再通過識別不同的TI，將不同的信息通過各自的 MM層接入點傳送給CM的各個功能子層(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(jù)不同信令使用的頻段和時隙不同，將物理信道劃分為多個邏輯信道。與GSM 系統(tǒng)的邏輯信道不同，衛(wèi)星移動通信信道主要分為2類：用于傳輸用戶編碼語音和數(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)具體的語音和數(shù)據(jù)量的大小來分配所用信道。

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種控制信道通過使用不同的幀格式來將信息組幀傳輸。

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求、信道請求、簽權(quán)、同步信道信息、立即指配命令等信令。

3)S-DCCH與S-ACCH主要用于信道上點對點的信息交換，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)星移動通信呼叫模型

信令在保證通信正常的進行起著關(guān)鍵作用，在衛(wèi)星移動通信系統(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層信道請求，呼叫請求，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(quán)、身份認(rèn)證與臨時身份分配)，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，呼叫過程，拆鏈，狀態(tài)信息(包括擁塞狀態(tài)，DTMF等)。
上述信令在進行信令傳輸時遵循通用的信令格式，如圖4所示。

圖4中信令的第一個字節(jié)屬于標(biāo)識頭部分，高4位為傳輸標(biāo)識，低4位為協(xié)議標(biāo)識，用來區(qū)分使用不同協(xié)議的信令。第二字節(jié)標(biāo)識信令類型，剩余字節(jié)為具體的信息單元。這些信令在移動通信過程中主要完成呼叫、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，信號傳播延時大，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)勢在信令巾增加了 GPS信息等。針對移動通信系統(tǒng)，設(shè)計呼叫模型如圖5所示，其流程主要是，移動終端首先發(fā)出信道請求命令，中繼衛(wèi)星接收到信號之后進行透明轉(zhuǎn)發(fā)，將信令轉(zhuǎn)發(fā)給信關(guān)站，信關(guān)站控制中心對信令進行分析對移動用戶做出響應(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)請求命令給信關(guān)站的控制中心，通過衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)給地面發(fā)出呼叫的移動用戶，經(jīng)過一系列的請求、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，進行呼叫進程。

5 結(jié)論

衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)與地面通信業(yè)務(wù)的有機結(jié)合能夠更大程度地開辟通信業(yè)務(wù)的市場空間，同時為社會應(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。但是我國目前采用的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)均來源于國外，衛(wèi)星通信的許多核心技術(shù)也為國外所有，因此建設(shè)我國自主的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)意義重大，且勢在必行。

本文所提出的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)體系架構(gòu)、調(diào)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(yīng)對衛(wèi)星信道高延時、多徑衰落、雨衰等嚴(yán)重問題，以適用于衛(wèi)星移動通信，此系統(tǒng)對于國內(nèi)建設(shè)衛(wèi)星移動通信系統(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)的實際應(yīng)用提供了參考價值。