《電子技術(shù)應(yīng)用》
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衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)體系設(shè)計及應(yīng)用模型
劉霜梅 王海濤 鄒光南
摘要: 為發(fā)展我國的衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù),建設(shè)我國自己的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),針對衛(wèi)星移動通信的特點,提出了一種衛(wèi)星移動通信體系架構(gòu),從傳輸模型、通信體制和信令結(jié)構(gòu)幾方面對體系進行設(shè)計,通信體制使用CQPSK調(diào)制方式,對功率放大器利用率高,減少用戶對星上功率的要求從而增加系統(tǒng)的容量。信令結(jié)構(gòu)使用3層傳輸模型,劃分不同的邏輯信道,對不同的邏輯信道的信號速率,編碼方式,編碼率,使用頻率等進行配置。并針對此系統(tǒng)提出了衛(wèi)星移動通信的呼叫模型,作為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用模型,為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供參考。
Abstract:
Key words :

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可以同時支持確認和非確認模式的數(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?,如信息?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)將帶有不同傳輸標識的CC、SS、SMS信息復(fù)用,并添加協(xié)議標識(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)屬于標識頭部分,高4位為傳輸標識,低4位為協(xié)議標識,用來區(qū)分使用不同協(xié)議的信令。第二字節(jié)標識信令類型,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。

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