衛(wèi)星與WiMAX系統(tǒng)應(yīng)急場(chǎng)景混合組網(wǎng)研究

武警工程大學(xué)信息工程系　張竹馨　劉廣斌

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衛(wèi)星與WiMAX系統(tǒng)應(yīng)急場(chǎng)景混合組網(wǎng)研究

武警工程大學(xué)信息工程系張竹馨劉廣斌

【摘要】衛(wèi)星通信是實(shí)現(xiàn)大范圍通信覆蓋的有效方式，但在城市以及室內(nèi)存在覆蓋性能不佳的問(wèn)題。通過(guò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的連接，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的無(wú)縫覆蓋。提出了衛(wèi)星與WiMAX系統(tǒng)混合組網(wǎng)的方式，分析了衛(wèi)星通信工作原理及其優(yōu)點(diǎn)，分析了WiMAX系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)以及其適用于“最后一公里”通信的技術(shù)支持。給出了衛(wèi)星與WiMAX系統(tǒng)混合組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，提出了客戶端的兩種接入模式，并得出了相關(guān)結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信；WiMAX；接入模式；組網(wǎng)

0　引言

由于蜂窩移動(dòng)通信的推出和發(fā)展，無(wú)線通信的面貌和在通信中的地位發(fā)生了革命性的變化[1]，在通信需求與日俱增的今天發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)分為有中心網(wǎng)絡(luò)和無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)[2]，之前提到的蜂窩移動(dòng)通信屬于有中心網(wǎng)絡(luò)，需要建設(shè)位置固定的基礎(chǔ)設(shè)施，而無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)像Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[3]則不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施。在應(yīng)急場(chǎng)景中，無(wú)線通信為上傳下達(dá)指示安排，傳遞現(xiàn)場(chǎng)消息發(fā)揮著重要作用。

衛(wèi)星通信由于其高軌道的特性，能提供高覆蓋率以及高效的傳播速率。衛(wèi)星特別是靜止衛(wèi)星能夠跨越大區(qū)域、為分散開(kāi)的眾多用戶提供即時(shí)服務(wù)，并且這種服務(wù)很大程度上不受距離和分散程度的影響。采用了基于輔助地面組件（ATC）技術(shù)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，可以與地面通信的3G（CDMA,WiMAX），4G等移動(dòng)通信空中接口通過(guò)衛(wèi)星鏈路運(yùn)行[4]。WiMAX（微波存取全球互通），又稱為IEEE 802.16無(wú)線城域網(wǎng)，是一種功能強(qiáng)大的無(wú)線接入技術(shù)，能夠作為有線網(wǎng)絡(luò)接入（Cable和DSL）的無(wú)線擴(kuò)展，其目標(biāo)是提供一套點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線接入技術(shù)，以提供有效互操作的寬帶無(wú)線接入手段，并提供大吞吐量的接入速率[5]。將地面WiMAX接入技術(shù)與靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交付要求高的應(yīng)急場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)最后一公里的無(wú)縫鏈接。

1　衛(wèi)星通信與WiMAX技術(shù)系統(tǒng)概述

1.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

衛(wèi)星通信是在地面微波中繼通信和空間技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。通信衛(wèi)星的作用相當(dāng)于離地面很高的微波中繼站，故其通信距離遠(yuǎn)。利用同步衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星）來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)的通信系統(tǒng)就稱為衛(wèi)星通信系統(tǒng)[6]。在該系統(tǒng)中，通信衛(wèi)星與地球同步運(yùn)行，相對(duì)地面靜止，這樣通過(guò)三顆彼此相距73000km的同步衛(wèi)星，構(gòu)成衛(wèi)星空中鏈路，可覆蓋除南北極之外的全部地區(qū)。具體來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星通信還具有如下特點(diǎn)：

（1）設(shè)站靈活，容易實(shí)現(xiàn)多址通信。

（2）系統(tǒng)容量大，可提供多種通信業(yè)務(wù)。

（3）衛(wèi)星通信采用頻分多址、時(shí)分多址、空分多址和碼分多址這四種多址連接技術(shù)，多種技術(shù)的使用尤其是空分多址使得其能夠容納更多的用戶。

（4）對(duì)外部依賴性小，網(wǎng)絡(luò)部署快。

（5）電路使用費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間分系統(tǒng)、地球站群、跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)四個(gè)部分組成?？臻g分系統(tǒng)主要作用是進(jìn)行信號(hào)的中繼，由衛(wèi)星內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)主責(zé)。地球站群中，中心站負(fù)責(zé)通信系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)調(diào)度與管理，并對(duì)其余地球站進(jìn)行監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接，而普通地球站主要擔(dān)負(fù)收信及發(fā)信功能。跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)負(fù)責(zé)跟蹤測(cè)量衛(wèi)星的在軌運(yùn)行狀態(tài)；監(jiān)控管理分系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星在服務(wù)開(kāi)通前后的通信性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

1.2WiMAX技術(shù)概述

WiMAX是一項(xiàng)新興技術(shù)，是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。由于在OFDM接入技術(shù)、開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)模式、基于IP的無(wú)線寬帶技術(shù)、電信運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施、支持不確定的應(yīng)用等方面獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，WiMAX成為第一個(gè)真正面向電信級(jí)運(yùn)營(yíng)的、具有QoS保證的、全球標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線寬帶接入技術(shù)。

WiMAX系統(tǒng)中，采用OFDM/OFDMA為物理層技術(shù)，頻率效率高，成本低，并且具有抗多徑衰弱和易與MIMO技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)；WiMAX系統(tǒng)中MIMO技術(shù)的應(yīng)用使得通信設(shè)備更適應(yīng)在城市范圍內(nèi)多徑環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)處理，并且移動(dòng)終端在切換時(shí)能做出快速、準(zhǔn)確的切換決定，非常適合于大范圍內(nèi)快速搜救通信的需要；同時(shí)，WiMAX系統(tǒng)使用IP架構(gòu)，可以在需要時(shí)迅速與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)如ADSL、3G等接駁，搭建滿足現(xiàn)場(chǎng)各種寬帶通信需求的網(wǎng)絡(luò)；并且，WiMAX采取混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳HARQ技術(shù)，融合了自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)和前向信道糾錯(cuò)編碼(FEC)差錯(cuò)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，客服移動(dòng)信道時(shí)變和多徑衰弱對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，降低系統(tǒng)的誤碼率，提高系統(tǒng)吞吐量，間接擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。

2　基于衛(wèi)星和WiMAX結(jié)合的應(yīng)急通信組網(wǎng)

2.1需求分析

突發(fā)情況下，在各種通信手段失去效能后，應(yīng)急通信建設(shè)需要滿足以下需求[2]：

（1）能做到快速部署：網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃以及部署過(guò)程必須簡(jiǎn)單快捷，并且盡量不需對(duì)專業(yè)人員過(guò)多依賴，配置過(guò)程盡量簡(jiǎn)單明了。

（2）便捷和可移植性：網(wǎng)絡(luò)部署的快速性要求設(shè)備的操作流程簡(jiǎn)單，并且設(shè)備的購(gòu)置無(wú)需通過(guò)專有途徑，盡量做到商業(yè)可購(gòu)買。

（3）健壯性和可擴(kuò)展性：應(yīng)急通信現(xiàn)場(chǎng)的終端設(shè)備必然是處于移動(dòng)變化之中，用戶數(shù)量也是處于不斷變化之中的，網(wǎng)絡(luò)必須具有較高的容錯(cuò)性，能夠及時(shí)適應(yīng)環(huán)境變化以及用戶數(shù)量不斷增加的需求。

（4）安全性：災(zāi)害發(fā)生后，不同的救援單位同赴現(xiàn)場(chǎng)，且存在部分敏感信息，必須保證信息的安全性。

（5）低成本：網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)成本盡量要低。

2.2通信組網(wǎng)方案

目前，衛(wèi)星通信技術(shù)和WiMAX技術(shù)都得到了很大的發(fā)展，兩者皆有各自的優(yōu)點(diǎn)。將兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)更廣范圍、更加高效的通信。在衛(wèi)星與WiMAX技術(shù)混合組網(wǎng)中，衛(wèi)星通信以DVB-RCS(Digital Vidio Broadcasting and Return Channel via Satelli)技術(shù)為基礎(chǔ)，作為中繼系統(tǒng)連接WiMAX網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋以及遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)的寬帶無(wú)線接入服務(wù)，如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星與WiMAX混合網(wǎng)絡(luò)示意圖

用戶端在接入WiMAX網(wǎng)絡(luò)時(shí)有兩種模式：熱點(diǎn)回傳模式以及終端接入模式。熱點(diǎn)回傳模式采用WiMAX無(wú)線接入網(wǎng)把遠(yuǎn)端WiFi熱點(diǎn)業(yè)務(wù)回送到核心網(wǎng)，WiMAX基站(BS)的作用仍未業(yè)務(wù)接入點(diǎn)(SAP)，而WiMAX用戶站(SS)是熱點(diǎn)側(cè)的無(wú)線接入設(shè)備，提供接口標(biāo)準(zhǔn)與熱點(diǎn)相連，作為WLAN接入點(diǎn)(AP)的熱點(diǎn)設(shè)備再通過(guò)IEEE802.11a/g無(wú)線鏈路與無(wú)線終端相連。如圖2所示。終端接入模式中，用戶端設(shè)備(TE)直接通過(guò)作為SAP的WiMAX基站(BS)接入核心網(wǎng)。

圖2　熱點(diǎn)回傳模式示意圖

3　結(jié)束語(yǔ)

隨著應(yīng)急通信音視頻傳輸?shù)男枨蟛粩嗌仙?，傳統(tǒng)的通信方式不再適應(yīng)即時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)需求。WiMAX與衛(wèi)星技術(shù)混合的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建在寬帶數(shù)據(jù)傳輸方面具有優(yōu)勢(shì)，并且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)最后一公里的無(wú)縫連接，為應(yīng)急分隊(duì)的任務(wù)處置提供通信支持。

參考文獻(xiàn)

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張竹馨（1992—），男，湖南益陽(yáng)人，武警工程大學(xué)信息工程系碩士在讀，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

作者簡(jiǎn)介：