GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征研究

賈和平，宋 莉，李紅濤，馬 榮，曹馨蕾

(1.原蘭州軍區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，甘肅 蘭州 730000； 2.中國(guó)人民解放軍31682部隊(duì)，甘肅 蘭州 730000； 3.西部戰(zhàn)區(qū)陸軍參謀部，甘肅 蘭州 730000)

GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征研究

賈和平1，宋 莉2，李紅濤3，馬 榮2，曹馨蕾2

(1.原蘭州軍區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，甘肅 蘭州 730000； 2.中國(guó)人民解放軍31682部隊(duì)，甘肅 蘭州 730000； 3.西部戰(zhàn)區(qū)陸軍參謀部，甘肅 蘭州 730000)

基于大型可展開天線的對(duì)地靜止軌道(GEO)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是未來衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展的重要方向。通過對(duì)GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)和低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的比較，分析研究了GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)特征，并總結(jié)了其對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的影響，包括傳輸時(shí)延、功率受限性、小區(qū)結(jié)構(gòu)、相鄰小區(qū)干擾、用戶訪問限制和移動(dòng)終端速率等。在此基礎(chǔ)上，提出了GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征和不同組網(wǎng)應(yīng)用模式。為基于GEO的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系架構(gòu)提供了參考。

對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)；移動(dòng)信道；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；傳輸時(shí)延

0 引言

基于對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星的移動(dòng)通信系統(tǒng)(GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，也稱為Geostationary Mobile Satellite Systems,GMSS)充分利用大型可展開天線提供的高增益多波束覆蓋優(yōu)勢(shì)[1]，通過采用空分復(fù)用[2]、先進(jìn)的星上處理/交換[3]和類蜂窩結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)管理控制[4]等先進(jìn)技術(shù)，不僅降低了對(duì)移動(dòng)終端EIRP(有效全向輻射功率)[5]和G/T(品質(zhì)因數(shù))的要求，使GEO衛(wèi)星支持手持終端的通信成為可能；更重要的是通過波束間的頻率復(fù)用，使系統(tǒng)能夠提供足夠大的用戶容量來滿足各種應(yīng)用的需求。

體系結(jié)構(gòu)的研究是GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，目前GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究大量借鑒了地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)[6]，都采用了類GSM或CDMA網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)[7]，并參考和借用地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的規(guī)范，特別是在核心網(wǎng)層面完全利用了現(xiàn)有地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。

在MUOS系統(tǒng)中，空中接口直接存在于地面中心站與用戶終端之間，處理、交換和管理功能完全由地面中心站完成。換言之，地面中心站承擔(dān)了相當(dāng)于WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的UTRAN(UMTS無線接入網(wǎng))、MSC(移動(dòng)交換中心)的全部功能。在ACeS系統(tǒng)中，完全采用類GSM網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并支持ACeS/GSM和ACeS/AMPS的雙模終端。網(wǎng)關(guān)站子系統(tǒng)由3個(gè)位于不同地域的地區(qū)級(jí)地面站組成，由網(wǎng)關(guān)為系統(tǒng)提供到其他電信網(wǎng)絡(luò)(如PSTN和PLMN)的接口。衛(wèi)星控制中心除負(fù)責(zé)衛(wèi)星的管理、控制和檢測(cè)外，還設(shè)有網(wǎng)絡(luò)控制中心(NCC)，負(fù)責(zé)整個(gè)ACeS網(wǎng)絡(luò)的主控和性能檢測(cè)、衛(wèi)星載荷的管理、呼叫的計(jì)費(fèi)等。在Thuraya系統(tǒng)中，也采用了類GSM網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)站子系統(tǒng)由一個(gè)主網(wǎng)關(guān)(Primary Gateway，PGW)和多個(gè)地區(qū)級(jí)(國(guó)家)網(wǎng)關(guān)(Regional Gateways，RGW)組成，主網(wǎng)關(guān)中的衛(wèi)星控制功能由衛(wèi)星操作中心(SOC)、上行鏈路信標(biāo)站(UBS)和衛(wèi)星載荷控制(SPCP)3部分共同組成。

本文通過對(duì)GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面蜂窩系統(tǒng)和LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的比較，深入研究GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特征，并詳細(xì)分析這些特性對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所帶來的影響，如頻率復(fù)用增益的減少導(dǎo)致的頻帶資源稀缺、長(zhǎng)傳輸時(shí)延對(duì)協(xié)議有效性的降低、高速移動(dòng)終端對(duì)切換算法要求的提高、網(wǎng)關(guān)接入選擇帶來的路由優(yōu)化等?；谏鲜鰧?duì)GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的特征分析，提出GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征，并著重研究該系統(tǒng)的不同組網(wǎng)應(yīng)用模式。

1 GMSS系統(tǒng)與地面蜂窩系統(tǒng)的對(duì)比研究

由于GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了多波束覆蓋技術(shù)來為移動(dòng)用戶提供服務(wù)，僅從空間結(jié)構(gòu)看，它類似于一個(gè)單基站(即衛(wèi)星)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，而衛(wèi)星的每個(gè)波束則相當(dāng)于地面系統(tǒng)中的一個(gè)蜂窩小區(qū)。因此，GMSS系統(tǒng)與地面蜂窩系統(tǒng)在解決位置管理、越區(qū)切換、頻率復(fù)用和通信管理等方面都存在一定相似性。

下面重點(diǎn)對(duì)GMSS系統(tǒng)與地面蜂窩系統(tǒng)的差異性進(jìn)行分析、對(duì)比。

1.1 移動(dòng)信道特征對(duì)比及其影響

1.1.1 信道的衰落特征

GMSS系統(tǒng)與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道傳輸特性具有很大差異[8]。在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)信道主要呈現(xiàn)瑞利衰落特征；而在GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面終端間存在直達(dá)路徑是通信的基本要求[9]，否則幾乎任何因素的遮蔽都會(huì)使微弱的星地通信信號(hào)中斷[10]，因此，GMSS系統(tǒng)中的信號(hào)主要呈現(xiàn)萊斯衰落特征[11]，由于直達(dá)路徑的信號(hào)較強(qiáng)[12]，GMSS信道一般被建模為k因子為7～9的萊斯衰落模型[13]。與地面蜂窩系統(tǒng)相比，GMSS系統(tǒng)中由于頻率復(fù)用距離的增大，使得衛(wèi)星系統(tǒng)的頻帶資源變得更為有限。

1.1.2 傳輸時(shí)延

相比地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中不到1 ms的延時(shí)，GMSS系統(tǒng)中的通信信號(hào)經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的傳輸時(shí)延。該傳輸時(shí)延將對(duì)通信質(zhì)量、通信建立時(shí)間等系統(tǒng)性能產(chǎn)生顯著的影響。

1.1.3 功率受限性

在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中，功率不是影響系統(tǒng)容量的決定因素。而GMSS系統(tǒng)則不然，與頻率一樣，衛(wèi)星功率是系統(tǒng)中最寶貴的資源之一，很大程度上決定了系統(tǒng)的容量。一個(gè)S頻段系統(tǒng)用戶電路下行鏈路的計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，有限的信道資源所要服務(wù)的“小區(qū)”范圍卻高達(dá)上百到數(shù)百km，如何節(jié)省信道資源、提高信道利用率是GMSS系統(tǒng)研究的一個(gè)重要課題。

表1 GMSS系統(tǒng)用戶電路下行鏈路計(jì)算

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異及其影響

1.2.1 小區(qū)面積

在地面蜂窩系統(tǒng)中，宏蜂窩小區(qū)的覆蓋半徑大多為1～25 km[14]。然而在GMSS系統(tǒng)中，小區(qū)的大小由衛(wèi)星的波束覆蓋范圍決定，小區(qū)面積的半徑通常在上百km的數(shù)量級(jí)。這種小區(qū)面積的差異使得在GMSS系統(tǒng)中，系統(tǒng)頻率復(fù)用增益明顯降低、移動(dòng)終端穿越波束時(shí)較大的傳輸時(shí)延變動(dòng)帶來了對(duì)定時(shí)同步方案要求的提高；移動(dòng)終端的越區(qū)率會(huì)產(chǎn)生顯著不同等。

1.2.2 小區(qū)結(jié)構(gòu)

地面蜂窩系統(tǒng)中，一般根據(jù)當(dāng)?shù)赝ㄐ怒h(huán)境和用戶需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)，受地形特征和建筑的影響，小區(qū)的形狀非常不規(guī)則。而在GMSS系統(tǒng)中，小區(qū)的設(shè)置由波束覆蓋范圍所確定，因此，小區(qū)結(jié)構(gòu)更為規(guī)則和簡(jiǎn)明，當(dāng)移動(dòng)終端在GMSS系統(tǒng)中移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)模式也更易分析和預(yù)測(cè)。

1.2.3 相鄰小區(qū)干擾

在地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)的干擾主要受發(fā)射功率和小區(qū)大小的影響。而在GMSS系統(tǒng)中，相鄰波束的干擾主要受多波束天線陣列的功率和旁瓣特性影響。

1.2.4 用戶訪問限制

在地面蜂窩系統(tǒng)中，一個(gè)給定小區(qū)只能訪問一個(gè)特定的移動(dòng)交換中心(Mobile Switch Center，MSC)。而在GMSS系統(tǒng)中，衛(wèi)星對(duì)覆蓋范圍內(nèi)所有用戶是共視的，處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的用戶終端可以訪問任何一個(gè)網(wǎng)關(guān)站(作為固定網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn))。因此，在GMSS系統(tǒng)中，對(duì)一個(gè)由移動(dòng)終端發(fā)起的呼叫，可以利用系統(tǒng)中對(duì)訪問網(wǎng)關(guān)站的不受限制特性，將該呼叫路由到距離被叫方最近的網(wǎng)關(guān)，從而最小化地面通信鏈路的開銷。

1.2.5 廣播特性

在GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于所有點(diǎn)波束信號(hào)都是通過同一個(gè)點(diǎn)源(即衛(wèi)星)來發(fā)送，從而使發(fā)送到多個(gè)點(diǎn)波束內(nèi)的控制信息的廣播可以被聯(lián)合調(diào)度，有利于選擇合適的點(diǎn)波束組分發(fā)相關(guān)信令信息。

1.3 移動(dòng)終端特性的差異及其影響

與地面蜂窩系統(tǒng)相比， GMSS系統(tǒng)中移動(dòng)終端的移動(dòng)速度分布范圍跨度很大，既包括手持和車載等慢速終端，同時(shí)也包括洲際飛機(jī)和宇宙飛船等高速移動(dòng)平臺(tái)。對(duì)于該系統(tǒng)中移動(dòng)速度較高的終端而言，如果仍沿用地面蜂窩系統(tǒng)中針對(duì)低速、短傳輸時(shí)延用戶終端的移動(dòng)管理算法，將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的急劇惡化。此外，不同移動(dòng)速度終端的越區(qū)率差異很大，除位于波束邊界區(qū)域的慢速移動(dòng)終端外，其他慢速終端移出小區(qū)的概率將相對(duì)較??；但對(duì)于系統(tǒng)中的高速終端而言，仍存在較大的波束間切換概率。

2 GMSS系統(tǒng)與低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的對(duì)比研究

LEO(Low Earth Orbit)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)通過多顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)全球覆蓋[15]，同GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)唯一可選的軌道不同[16]，在低軌高度范圍內(nèi)存在眾多的可選軌道方案，單顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域直徑為數(shù)十km，數(shù)十顆衛(wèi)星可覆蓋全球，如美國(guó)的銥星系統(tǒng)等，發(fā)射費(fèi)用相對(duì)較低，發(fā)射靈活。不同星座系統(tǒng)的空間段，如構(gòu)成星座的低軌衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星軌道平面的數(shù)量、衛(wèi)星軌道平面的傾角和衛(wèi)星的軌道高度等區(qū)別都很大。

與GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有以下顯著特征：

① 由于低軌星座的衛(wèi)星軌道低、每顆低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍較小，相比GEO衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有信號(hào)傳播損耗和時(shí)延較小、頻率利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

② 與GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中衛(wèi)星與用戶相對(duì)固定的連接關(guān)系不同，LEO系統(tǒng)中衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)使衛(wèi)星、地面關(guān)口站及地面移動(dòng)終端間不存在固定關(guān)系，形成了一個(gè)時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，因此具有更?fù)雜的體系結(jié)構(gòu)。

③ LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，單顆衛(wèi)星覆蓋時(shí)間、區(qū)域有限，衛(wèi)星相對(duì)地面用戶移動(dòng)較快，支持用戶通信服務(wù)的衛(wèi)星會(huì)由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生頻繁的更換，如銥星系統(tǒng)，衛(wèi)星星下點(diǎn)和波束在地球表面形成的小區(qū)相對(duì)地球表面高速運(yùn)動(dòng)，小區(qū)最大駐留時(shí)間約為65 s[17]，這將對(duì)移動(dòng)性管理、無線資源管理技術(shù)提出更高的要求。此外，在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的快速移動(dòng)，移動(dòng)終端的位置區(qū)必須由衛(wèi)星標(biāo)識(shí)和地面關(guān)口站標(biāo)識(shí)共同決定。

④ 在LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，與高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星相比，移動(dòng)地面站自身的移動(dòng)速度，包括絕大多數(shù)高速終端的自身移動(dòng)都可以忽略。因此，可以認(rèn)為地面移動(dòng)終端相對(duì)衛(wèi)星做不間斷的高速運(yùn)動(dòng)、而該運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律并且可預(yù)測(cè)的，該特征與地面蜂窩系統(tǒng)或GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相比都是截然不同的。

綜上所述，雖然GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有都是利用衛(wèi)星作為中繼平臺(tái)的這一共性，但在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、移動(dòng)性管理和無線資源管理等眾多方面都存在很大差異。

3 GMSS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平和未來發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合上述分析，GMSS系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)的建立中應(yīng)該考慮以下基本需求：

提供的服務(wù)：GMSS系統(tǒng)應(yīng)能夠提供類似于地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本話音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)(主要有聲碼話、低速數(shù)據(jù)、傳真、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信息服務(wù)和小區(qū)短消息廣播等)，在此基礎(chǔ)上，發(fā)揮衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)，提供一些地面移動(dòng)通信系統(tǒng)所不具備的加強(qiáng)服務(wù)，如廣域路由優(yōu)化[18]和高強(qiáng)度告警等[19]。在路由優(yōu)化服務(wù)中，系統(tǒng)允許將MES發(fā)起的呼叫通過路由優(yōu)化，接入到對(duì)其有利的網(wǎng)關(guān)站(可以根據(jù)路徑最近原則、費(fèi)用最低原則等選取有利網(wǎng)關(guān)站)，而不僅限于MES所注冊(cè)的網(wǎng)關(guān)站。在高強(qiáng)度告警服務(wù)中，系統(tǒng)通過在高穿透告警信道中發(fā)送高強(qiáng)度告警信號(hào)，允許用戶由于受到非正常的路徑損失影響，而沒有位于通常覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)被尋呼。系統(tǒng)支持用戶在波束間的用戶漫游，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)終端之間，網(wǎng)內(nèi)終端到地面網(wǎng)固定用戶和移動(dòng)用戶之間的的無縫呼叫。系統(tǒng)能夠增強(qiáng)對(duì)分組數(shù)據(jù)的支持能力，并能夠保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

網(wǎng)絡(luò)管理：系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理中心同衛(wèi)星運(yùn)行控制中心相互配合，可以重組GEO衛(wèi)星有效載荷使其適應(yīng)業(yè)務(wù)的變化和不均勻性；系統(tǒng)應(yīng)具備星載動(dòng)態(tài)資源分配能力，能夠?qū)崿F(xiàn)功率資源在波束間的動(dòng)態(tài)分配(區(qū)域功率增強(qiáng)技術(shù))，以適應(yīng)覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)和傳輸環(huán)境的變化；系統(tǒng)支持多級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理，通過設(shè)置固定網(wǎng)關(guān)站和移動(dòng)網(wǎng)關(guān)站可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定服務(wù)域內(nèi)的用戶管理，或指定用戶群的管理(分級(jí)管理的要求在軍事應(yīng)用中是必須的，其對(duì)支持軍兵種和戰(zhàn)區(qū)的組網(wǎng)應(yīng)用非常關(guān)鍵)。

互連與互通：該系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)與地面通信網(wǎng)的互連互通，包括固定話音網(wǎng)(如公用電話交換網(wǎng)PSTN)、固定數(shù)據(jù)網(wǎng)(如分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)PSDN，Public Switched Data Network)、公眾陸地移動(dòng)網(wǎng)PLMNs(Public Land Mobile Networks)以及專用網(wǎng)PN(Private Networks)等。在軍事應(yīng)用中，系統(tǒng)還必須能夠通過機(jī)動(dòng)型網(wǎng)關(guān)站實(shí)現(xiàn)與地域通信網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的互連互通。

用戶連接方式：該系統(tǒng)為用戶提供2種連接：① GMSS系統(tǒng)移動(dòng)用戶終端與固定網(wǎng)絡(luò)及地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶終端之間的雙向連接，該連接通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，即GMSS用戶經(jīng)衛(wèi)星到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)地面網(wǎng)絡(luò)到地面網(wǎng)用戶；② 連接是GMSS系統(tǒng)內(nèi)2個(gè)移動(dòng)用戶之間的雙向連接，這2個(gè)用戶可能位于同一波束、不同波束或不同衛(wèi)星，根據(jù)衛(wèi)星有效載荷的不同方式，該類連接有單跳、雙跳和星際鏈路單跳等方式。采用不同有效載荷形式的系統(tǒng)工作方式中，當(dāng)透明轉(zhuǎn)發(fā)單星區(qū)域覆蓋時(shí)，移動(dòng)用戶之間的連接都必須經(jīng)雙跳衛(wèi)星鏈路完成；而當(dāng)采用星上處理/交換有效載荷時(shí)，同一衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的用戶可以通過星上交換單元經(jīng)單跳衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)通信；位于不同衛(wèi)星覆蓋下，當(dāng)有星際鏈路時(shí)，移動(dòng)用戶可通過星際鏈路不經(jīng)過地面網(wǎng)關(guān)站直接建立連接，如果沒有星際鏈路，則需要通過雙方的地面網(wǎng)關(guān)站經(jīng)雙跳鏈路轉(zhuǎn)接。

4 GMSS系統(tǒng)的組網(wǎng)應(yīng)用模式

根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平和未來發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合上述分析，GMSS系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)的建立中應(yīng)該考慮以下基本需求：根據(jù)GEO衛(wèi)星星上處理方式、星際鏈路和系統(tǒng)覆蓋特性的不同，將GMSS系統(tǒng)劃分為3種組網(wǎng)應(yīng)用模式：?jiǎn)涡菂^(qū)域覆蓋組網(wǎng)應(yīng)用模式、多星全球覆蓋無星際鏈路組網(wǎng)應(yīng)用模式和多星全球覆蓋有星際鏈路組網(wǎng)應(yīng)用模式。

4.1 單星區(qū)域覆蓋組網(wǎng)應(yīng)用模式

從區(qū)域覆蓋發(fā)展到全球覆蓋是目前GMSS系統(tǒng)發(fā)展的主要特征，這也是GMSS系統(tǒng)相對(duì)于LEO系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。目前ACeS和Thuraya都是沿著這條途徑在穩(wěn)步向前發(fā)展，它們?cè)趹?yīng)用之初都是一個(gè)單星覆蓋的區(qū)域GMSS系統(tǒng)。

空間段使用一個(gè)大型可展開天線的GEO衛(wèi)星，在一個(gè)特定的服務(wù)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生數(shù)目從幾十到幾百個(gè)不等的點(diǎn)波束，為各種移動(dòng)終端(構(gòu)成了系統(tǒng)的用戶段)提供通信服務(wù)。GMSS移動(dòng)終端到地面網(wǎng)的互連互通經(jīng)地面段的網(wǎng)關(guān)站轉(zhuǎn)接來實(shí)現(xiàn)。

在單星覆蓋模式下，根據(jù)是否采用星上處理/交換技術(shù)又存在2種不同的用戶連接方式。當(dāng)衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，GMSS用戶間的所有連接都通過地面網(wǎng)關(guān)站轉(zhuǎn)接完成，也就是說GMSS用戶間的通信鏈路是雙跳連接。當(dāng)衛(wèi)星采用星上交換轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，只有當(dāng)GMSS用戶呼叫地面網(wǎng)的用戶時(shí)才經(jīng)過網(wǎng)關(guān)站的轉(zhuǎn)接，GMSS網(wǎng)內(nèi)用戶通信由星上交換完成話音電路的交叉連接或數(shù)據(jù)的路由。

衛(wèi)星到GMSS用戶的衛(wèi)星鏈路稱為用戶鏈路(User Link)，網(wǎng)關(guān)站到衛(wèi)星的衛(wèi)星鏈路稱為饋電鏈路(Feed Link)。由于通信的站型、鏈路傳輸容量和作用的不同，用戶鏈路和饋電鏈路使用不同的頻率。饋電鏈路主要面向網(wǎng)關(guān)站，以固定使用和機(jī)動(dòng)使用為主，通信容量要求較高，一般采用C、Ku和Ka頻段；用戶鏈路面向移動(dòng)終端，這些終端天線口徑較小，功率較低，傳輸條件較差，以低速業(yè)務(wù)為主，一般采用UHF、L和S頻段。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理由位于地面的網(wǎng)管中心完成，主要管理內(nèi)容包括：衛(wèi)星資源管理與分配(包括衛(wèi)星功率和帶寬資源)、用戶管理(包括用戶的安全性管理)、通信接續(xù)管理(包括通信的建立、拆除等)、提供系統(tǒng)的操作維護(hù)功能和多個(gè)網(wǎng)關(guān)站之間的協(xié)調(diào)功能(包括最佳路由選擇等)。在網(wǎng)管功能的設(shè)計(jì)中，即使采用星上處理/交換轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，也仍然只考慮將網(wǎng)管功能設(shè)置在地面。這是因?yàn)椋m然將網(wǎng)管功能放置在地面時(shí)會(huì)增大通信的接續(xù)時(shí)間，但是從系統(tǒng)可靠性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性等多個(gè)方面來考慮，這樣做的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，即使是在基于星上ATM交換的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，大部分系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能仍然是設(shè)置在地面的。

該模式下控制中心(SCC)雖然建在地面，但從嚴(yán)格意義上講，它屬于空間段的一部分，負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星的在軌運(yùn)行與控制，以及協(xié)助網(wǎng)管中心完成呼叫處理和資源調(diào)整所需的必要操作。

4.2 多星全球覆蓋無星際鏈路組網(wǎng)應(yīng)用模式

多星全球覆蓋無星際鏈路組網(wǎng)應(yīng)用模式是對(duì)單星區(qū)域覆蓋的直接擴(kuò)充模式，通過在靜止軌道布置多顆GEO衛(wèi)星來擴(kuò)展覆蓋范圍，并最終形成全球覆蓋。每顆衛(wèi)星都有自己的網(wǎng)關(guān)站，2個(gè)星的某些網(wǎng)關(guān)站可以共址建設(shè)，但需要使用2付天線和射頻系統(tǒng)。由于衛(wèi)星間沒有星際鏈路，2個(gè)衛(wèi)星覆蓋范圍下用戶間的通信需要經(jīng)過雙方的網(wǎng)關(guān)站轉(zhuǎn)接采用雙跳方式來完成。不同衛(wèi)星覆蓋下的網(wǎng)關(guān)站通過地面網(wǎng)絡(luò)互連來連接。每個(gè)衛(wèi)星可以使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器也可以使用星上交換轉(zhuǎn)發(fā)器。

全網(wǎng)可設(shè)置統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理中心或2級(jí)網(wǎng)管中心，除完成同一衛(wèi)星下的網(wǎng)絡(luò)管理功能外，還必須實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)的用戶管理，以及不同衛(wèi)星覆蓋下的用戶呼叫時(shí)的鏈路建立。網(wǎng)管中心還需要負(fù)責(zé)管理GMSS用戶在不同衛(wèi)星覆蓋下的漫游。

每一顆衛(wèi)星都設(shè)有自己的測(cè)控站和標(biāo)校站，它們通過地面網(wǎng)的互連來接受同一個(gè)衛(wèi)星控制中心的控制，該控制中心負(fù)責(zé)整個(gè)GEO衛(wèi)星星座的遙控與遙測(cè)。同時(shí)，配合網(wǎng)絡(luò)管理中心實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源管理的管理，并根據(jù)通信任務(wù)的需求實(shí)現(xiàn)有效載荷的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.3 多星全球覆蓋有星際鏈路組網(wǎng)應(yīng)用模式

多星全球覆蓋有星際鏈路組網(wǎng)應(yīng)用模式是無星際鏈路模式的進(jìn)一步提升，無星際鏈路時(shí)，不同衛(wèi)星覆蓋下用戶的通信必須通過雙方的網(wǎng)關(guān)站來轉(zhuǎn)接，這種方式存在兩方面的問題：一是雙跳連接帶來傳輸時(shí)延的增加，對(duì)話音等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的影響較大；二是通過地面多次轉(zhuǎn)接將顯著降低話音業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量，特別是對(duì)于聲碼話業(yè)務(wù)。而采用星際鏈路方式，不僅降低了通信時(shí)延，而且會(huì)顯著改善通信質(zhì)量。

在有星際鏈路模式下，2個(gè)衛(wèi)星覆蓋范圍下的用戶直接通過雙方的衛(wèi)星經(jīng)由星際鏈路建立連接，減少了對(duì)地面網(wǎng)關(guān)站的依賴。但在呼叫控制過程中，仍然需要經(jīng)過某一個(gè)指定的地面管理站的參與，通過這個(gè)站將呼叫信令轉(zhuǎn)接到網(wǎng)管中心。

目前，GMSS系統(tǒng)主要沿著先區(qū)域覆蓋后全球覆蓋的思路而發(fā)展，在這個(gè)過程中主要以無星際鏈路的多星覆蓋應(yīng)用模式為主。由于靜止軌道的高度較高，通過星際鏈路雖然能夠改善通信的時(shí)延和質(zhì)量，但同付出的復(fù)雜性和成本代價(jià)相比，其吸引力還不足以促成實(shí)際系統(tǒng)的建設(shè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究主要集中于地面蜂窩系統(tǒng)和低軌星座系統(tǒng)，與這些系統(tǒng)相比，GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在系統(tǒng)組成、信道特征、組網(wǎng)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)管理等許多方面都存在相當(dāng)大的差異。本文在探討GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的不同應(yīng)用模式入手，提出了該系統(tǒng)在單星、多星、配置/不配置星際鏈路下的組網(wǎng)應(yīng)用模式，從而為基于GEO的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系架構(gòu)提供了參考。

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Research on Architecture Characteristics of GEO Mobile Satellite System

JIA He-ping1,SONG Li2,LI Hong-tao3,MA Rong2,CAO Xin-lei2

(1.FormerCommunicationNetworkManagementCenter,LanzhouMilitaryAreaCommand,LanzhouGansu730000,China; 2.Unit31682,PLA,LanzhouGansu730000,China; 3.WesternTheaterArmyGeneralStaff,LanzhouGansu730000,China)

The multi-beam GEO(Geostationary Earth Orbit) mobile satellite system is the important development direction of satellite mobile communication system.By comparing the GEO mobile satellite system with ground cellular mobile communication system and the LEO mobile satellite system,the critical characteristics of the GEO mobile satellite system are discussed.Furthermore,the impact on system structure design are analyzed,including transmission delay,power limitation,cell structure,adjacent cell interference,access control and mobile terminal velocity.Based on the discussion and analysis,the architecture characteristics and different networking application modes of GEO mobile satellite system are proposed,which provides references to the architecture design of GEO mobile satellite communication system.

GEO mobile satellite system;systematic structure;mobile channels;network structure;transmission delay

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.02

賈和平，宋莉，李紅濤，等.GEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征研究[J].無線電工程,2017,47(9):7-11，50.[JIA Heping,SONG Li,LI Hongtao,et al.Research on Architecture Characteristics of GEO Mobile Satellite System[J].Radio Engineering,2017,47(9):7-11，50.]

TN927

A

1003-3106(2017)09-0007-05

2017-05-10

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

賈和平 男，(1968—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。

宋 莉 女，(1979—)，博士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。