一種基于北斗的衛(wèi)星通信系統(tǒng)

胡曼青

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都611731）

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）在分析“北斗”衛(wèi)星現(xiàn)有冗余資源的基礎(chǔ)上，利用“北斗”衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器作為空間段；

（2）地面段包括綜合信關(guān)站、地面運(yùn)控站、信標(biāo)站等；

（3）應(yīng)用段包括三類用戶終端（便攜式、車載式、固定式），實(shí)現(xiàn)用戶終端之間、用戶終端與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）利用我國北斗衛(wèi)星冗余資源支持的空間段；

（2）具有系統(tǒng)接續(xù)控制和交換能力、并與地面公用網(wǎng)接口的信關(guān)站；

（3）具有創(chuàng)新型高技術(shù)應(yīng)用的移動終端；

（4）具有移動通信系統(tǒng)空中接口規(guī)范、完整的信令體系和安全保密體制。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由空間段、地面段和應(yīng)用段組成，見下圖：

圖1 系統(tǒng)組成

空間段：利用北斗衛(wèi)星所搭載的轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)用戶與用戶、用戶與信關(guān)站間信號的轉(zhuǎn)發(fā)。

應(yīng)用段：即用戶終端，將可識別的信息（語音、數(shù)據(jù)、短消息）處理成可在空間傳輸?shù)摹⒎舷到y(tǒng)要求的無線信號，并向衛(wèi)星發(fā)射；同時，將衛(wèi)星發(fā)射（轉(zhuǎn)發(fā)）來的符合系統(tǒng)要求的空間無線信號接收處理成可識別的信息（語音、數(shù)據(jù)、短消息）。

用戶終端有三種形式：

（1）固定式用戶終端：在固定地點(diǎn)使用；

（2）便攜式用戶終端：可搬移，機(jī)動性好；

（3）車載式用戶終端：可在運(yùn)動中使用，實(shí)現(xiàn)動中通。

地面段：由信標(biāo)站、地面運(yùn)控系統(tǒng)和綜合信關(guān)站組成。綜合信關(guān)站是試驗(yàn)系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)之間的匯接交換中心，負(fù)責(zé)與PSTN（Public Switched Telephone Network公共交換電話網(wǎng)）之間的接口，完成認(rèn)證與授權(quán)、資源管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、呼叫控制、計(jì)費(fèi)處理以及移動終端之間、移動終端與PSTN之間的互聯(lián)互通。

2 系統(tǒng)空中接口

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)可劃分為終端和綜合信關(guān)站兩大部分。終端包含用戶識別模塊，綜合信關(guān)站由收發(fā)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)、衛(wèi)星信號監(jiān)測管理、移動交換中心等網(wǎng)絡(luò)部件組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

用戶話音和數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)信道在終端和信關(guān)站之間傳輸，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部終端之間相互通信時，由信關(guān)站轉(zhuǎn)發(fā)信號，傳輸路徑經(jīng)歷了2跳衛(wèi)星鏈路。當(dāng)衛(wèi)星終端與網(wǎng)外用戶通信時，信號經(jīng)歷1跳衛(wèi)星鏈路由信關(guān)站的移動交換中心GMSC（Gateway Mobile Switching Center網(wǎng)關(guān)移動交換中心）與PSTN、PLMN（Public Land Mobile Networks公共陸上移動網(wǎng)絡(luò)）和SMC（Sort Message Center）建立連接。同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)單跳延遲大約270毫秒。

2.2 衛(wèi)星移動終端SMT（Satellite Mobile Terminal）

SMT是基于“北斗”的衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)系統(tǒng)的用戶終端，用戶使用SMT接入試驗(yàn)網(wǎng)得到所需的通信服務(wù)。

為區(qū)別試驗(yàn)網(wǎng)內(nèi)不同的用戶，使用用戶識別模塊UIM（User Identity Module）予以識別。每個移動終端都有各自的衛(wèi)星設(shè)備識別號SMEI（Satellite Mobile Equipment Identity）。每個移動用戶都有自己的衛(wèi)星移動用戶識別號 SMSI（Satellite Mobile Subscriber Identity），分別存儲在UIM上和SHLR（Satellite Home Location Register）上。

2.3 綜合信關(guān)站SGS（Synthesize Gateway Station）

綜合信關(guān)站由收發(fā)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)、衛(wèi)星資源監(jiān)測與管理、移動交換中心等網(wǎng)絡(luò)部件組成。

2.3.1 收發(fā)系統(tǒng)GTS（Gateway Transceiver System）

它受控于GSC，包含射頻子系統(tǒng)和信道處理子系統(tǒng)。射頻子系統(tǒng)完成衛(wèi)星射頻信號和中頻或基帶信號之間的轉(zhuǎn)換功能，信道處理子系統(tǒng)完成信道調(diào)制/解調(diào)、幀處理、交織/解交織、編碼/譯碼和信道映射等功能。它完成GSC與無線信道之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)SMT和GTS之間通過衛(wèi)星傳輸及相關(guān)控制功能。

2.3.2 業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)GSC（Gateway Service Control）

GSC是地面信關(guān)站的控制部分，它處于GTS和移動業(yè)務(wù)交換中心GMSC之間。一個GSC可以連接和控制幾個GTS，在試驗(yàn)系統(tǒng)中只有一個GTS。它的主要功能是無線信道的管理、實(shí)施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，移動臺切換管理，話務(wù)量統(tǒng)計(jì)等。

2.3.3 衛(wèi)星資源監(jiān)測與管理SRMM （Satellite Resource Monitor&Management）

衛(wèi)星資源監(jiān)控與管理完成對衛(wèi)星資源的監(jiān)控與協(xié)調(diào)管理工作，包括了：衛(wèi)星頻譜與信號監(jiān)測、衛(wèi)星工作狀況監(jiān)測與系統(tǒng)管理、運(yùn)行狀況與工作模式管理、信關(guān)站與地面運(yùn)控網(wǎng)進(jìn)行信息交互與處理、天線與射頻狀態(tài)監(jiān)視。

2.3.4 移動交換中心GMSC(Gateway Mobile Service Switching Center)

移動業(yè)務(wù)交換中心由軟交換SS（Soft Switch）、AAA（Authentication Authorization Accounting）服務(wù)器、操作維護(hù)中心OMC（Operation&Maintenance Center）、衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān) SAG（Satellite Access Gateway）、地面接入網(wǎng)關(guān)TAG（Terrestrial Access Gateway）等實(shí)體組成。

①軟交換 SS（Soft Switcher）

完成移動呼叫接續(xù)、控制、無線資源和移動性管理等功能，是衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)網(wǎng)的核心，同時也是與地面固網(wǎng)和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的接口設(shè)備。

②AAA服務(wù)器

認(rèn)證：用戶在使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的資源時對用戶身份的確認(rèn)。

授權(quán)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)授權(quán)用戶以特定的方式使用其資源。

計(jì)費(fèi)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集、記錄用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的使用，以便向用戶收取資源使用費(fèi)用，或者用于審計(jì)等目的。

AAA服務(wù)器含衛(wèi)星歸屬位置寄存器SHLR（Satellite Home Location Register）與地面移動網(wǎng)的HLR類似，SHLR是用來存儲本地用戶位置信息的數(shù)據(jù)庫，每個衛(wèi)星移動用戶必須在某一個SHLR登記，不同之處是試驗(yàn)網(wǎng)將衛(wèi)星移動設(shè)備標(biāo)識寄存器集成到SHLR之中。登記的主要內(nèi)容有：用戶號碼、移動設(shè)備號碼、位置信息、業(yè)務(wù)信息等。試驗(yàn)系統(tǒng)暫不考慮衛(wèi)星訪問位置寄存器SVLR（Satellite Visitor Location Register），但設(shè)計(jì)時應(yīng)該留有擴(kuò)充的空間。

③地面接入網(wǎng)關(guān)TAG

地面接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與地面PSTN，PLMN和短消息中心的接口，信令轉(zhuǎn)換，業(yè)務(wù)合成、分解、存儲和傳輸?shù)膶?shí)體。地面接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)與地面其它網(wǎng)絡(luò)的多種業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換和互通。

④衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)SAG

衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)是業(yè)務(wù)控制分系統(tǒng)GSC和移動交換中心GMSC的接口實(shí)體。

⑤操作管理中心OMC

OMC是網(wǎng)絡(luò)擁有者對全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測和操作的功能實(shí)體。

2.4 系統(tǒng)接口定義

2.4.1 UIM-SMT接口

衛(wèi)星移動終端SMT到用戶識別模塊UIM接口，SMT在注冊、實(shí)現(xiàn)雙向鑒權(quán)、加密、信息存儲時要與UIM交互信息和數(shù)據(jù)。

2.4.2 S-Um接口

麻石水電站于1970年6月開始動工建設(shè)，1971年9月截流，1972年底第1臺機(jī)試運(yùn)行發(fā)電，1973年5月正式投產(chǎn)。2號機(jī)和3號機(jī)分別于1976年4月和9月投產(chǎn)，建成時裝機(jī)容量為1.0×105kW。后于2006年和2011年對3臺機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造后，裝機(jī)容量為1.085×105kW，最大發(fā)電引用流量708.9m3/s，多年平均發(fā)電量 4.5361×108kW·h，裝機(jī)年利用小時數(shù)4143h。

S-Um接口又稱SMT-GS衛(wèi)星空中接口，是衛(wèi)星移動試驗(yàn)網(wǎng)的主要接口之一。對衛(wèi)星移動通信而言，大部分信令都是和SMT相關(guān)，SUm接口傳遞的信息包括了無線資源管理、移動性管理和接續(xù)管理等。S-Um接口與衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)系統(tǒng)采用的體制密切關(guān)聯(lián)，相互決定。

2.4.3 Am接口

Am接口是信關(guān)站內(nèi)部GTS和GSC之間的內(nèi)部接口。

2.4.4 A接口

A接口是衛(wèi)星地面信關(guān)站和GMSC之間的接口，該接口攜帶關(guān)于信關(guān)站的管理、呼叫處理和移動性管理等信息。采用SIP和RTP協(xié)議分別傳輸信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過TCP/IP承載傳輸。

2.4.5 R接口

R接口為GMSC與AAA之間的接口，GMSC通過該接口向AAA服務(wù)器和SHLR查詢被叫衛(wèi)星移動用戶的選路信息，以便確定呼叫路由，呼叫時對用戶進(jìn)行鑒權(quán)，并在呼叫結(jié)束時向AAA發(fā)送計(jì)費(fèi)信息。試驗(yàn)系統(tǒng)的SHLR與信關(guān)站放在一起。

為綜合信關(guān)站的地面接入網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)絡(luò)的接口，傳遞業(yè)務(wù)及控制信息。

2.5 系統(tǒng)通信體制

為了適應(yīng)衛(wèi)星資源，試驗(yàn)系統(tǒng)采用CDMA通信體制。前向信道（衛(wèi)星到終端）和反向信道（終端到衛(wèi)星）各占用不大于8MHz頻譜帶寬。見圖3。

前向和反向信道采用擴(kuò)頻方式，將2.4kbps的數(shù)據(jù)經(jīng)成幀、編碼、交織、加密處理后，由擴(kuò)頻序列將頻譜展寬。

前向信道由以下信道組成：

PICH（Pilot Channel）：前向?qū)ьl信道，為參考信道，終端由它獲取相干解調(diào)及同步信息；

SCH（Synchronization Channel）：同步信道，發(fā)送定時參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)；

PCH（Paging Channel）：尋呼信道，用于尋呼用戶，發(fā)送短消息和系統(tǒng)消息；

BCH（Broadcast Channel）：廣播信道，為終端提供廣播業(yè)務(wù)；

DSCH（Forward Dedicated Signal Channel）：前向?qū)Ｓ眯帕钚诺?，傳送專用信令，在通信過程中傳輸交換信令；

TCH（Traffic Channel）：業(yè)務(wù)信道，承載語音和短消息業(yè)務(wù)，試驗(yàn)系統(tǒng)使用1～30條。

反向信道由以下信道組成：

RACH（Random Access Channel）：反向隨機(jī)接入信道，用于終端發(fā)起呼叫、被叫和注冊時傳輸信令；

RTCH（Reversed Traffic Channel）：反向業(yè)務(wù)信道，承載語音和短消息業(yè)務(wù)；

RDSCH：（Reversed Dedicated Signal Channel）： 反向?qū)Ｓ眯帕钚诺?，用于通信過程中交換信令。

前向信道采用正交的Walsh碼區(qū)分用戶和控制信道，碼片速率4.9152Mcps，調(diào)制方式為QPSK，信道編碼為1/3卷積編碼。

反向信道采用隨機(jī)碼區(qū)分用戶，碼片速率4.9152Mcps，調(diào)制方式為HPSK，信道編碼為1/3卷積編碼。

圖3 系統(tǒng)通信空中接口

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理見圖4。

用戶終端對語音、數(shù)據(jù)、短消息進(jìn)行信息處理、基帶處理、射頻處理形成頻率為L的射頻信號后，由天饋單元發(fā)向衛(wèi)星。

衛(wèi)星接收到用戶所發(fā)的信號后，進(jìn)行放大、變 頻、濾波等處理，經(jīng)C波段天線發(fā)向信關(guān)站。

在綜合信關(guān)站中，由專用C波段天線接收衛(wèi)星發(fā)來的入站信號，經(jīng)低噪放、下變頻處理成中頻信號（70MHz），經(jīng)中頻分路后送往兩個16路解調(diào)器，解調(diào)后數(shù)據(jù)接入本地局域網(wǎng)，通過信令處理與軟交換完成與對方用戶的連接，建立通信信道。

圖4 系統(tǒng)工作原理

圖5 移動用戶間呼叫基本流程

信息經(jīng)信關(guān)按協(xié)議處理后送往交換機(jī)，交換機(jī)將數(shù)據(jù)送往兩個16路調(diào)制器，調(diào)制器完成對數(shù)據(jù)的信息處理、基帶處理、擴(kuò)頻調(diào)制后，形成中頻為70MHz的已調(diào)合路信號（2個中頻，各含16路），送往中頻合路器，合路后經(jīng)上變頻處理成S波段信號，經(jīng)高功率放大（HPA）后，由S波段天線發(fā)向衛(wèi)星。衛(wèi)星收到信關(guān)站所發(fā)的信號后，進(jìn)行放大、變頻，處理成頻率為L1/L2的射頻信號發(fā)向用戶。用戶端接收到衛(wèi)星所發(fā)來的微弱信號后，經(jīng)低噪放（LNA）、變頻處理成頻率為70MHz的中頻信號，經(jīng)解調(diào)、信道處理、信息還原后得到對方所發(fā)的語音、數(shù)據(jù)、短消息等信息格式。

終端接入流程舉例，見圖5。

4 結(jié)束語

基于“北斗”的衛(wèi)星移動通信試驗(yàn)系統(tǒng)研究開發(fā)是利用現(xiàn)有衛(wèi)星的冗余資源開發(fā)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)?！氨倍贰笔俏覈ㄒ辉谲夁\(yùn)行的擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的L波段衛(wèi)星系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)利用其有限的寶貴資源需要進(jìn)行研究和試驗(yàn)，為將來發(fā)展衛(wèi)星通信領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)奠定了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

［1］李銳.對衛(wèi)星通信及衛(wèi)星信道的論述[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(13).

［2］譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報，2008(02).

［3］張婷,張健,董晶晶.北斗終端的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢淺談[J].數(shù)字通信世界，2011(06).

［4］陳向東.北斗民用前景分析[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2011(05).

［5］江彩英,黃永玉,謝丹,郭曉佳.北斗衛(wèi)星應(yīng)急通信傳輸試點(diǎn)建設(shè)[J].氣象科技，2013(05).