衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)體系設計及應用模型

劉霜梅，王海濤，鄒光南

（中國空間技術研究院 503所，北京 100086）

伴隨通信系統(tǒng)“天地一體化”技術體系的推廣，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[1-2]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)設計及其應用模型。

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)設計時要采取必要措施來應對各種信號衰減，針對信道特點來設計傳輸模型。

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1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信令傳輸模型Fig.1 Signalling transmission modle in satellite mobile communication system

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

2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)通信體制

2.1 幀結構

移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用TDMA多址方式[3]，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），復幀（multiframe），幀（frame），時隙（timeslot）。

2.2 調(diào)制方式

無論是業(yè)務信道還是控制信道，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QPSK調(diào)制方式可以較好地改善調(diào)制信號的峰均比[5]，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計。

3 衛(wèi)星通信信令結構

信令指在通信系統(tǒng)中除用戶的業(yè)務數(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)議結構[6-8]即物理層（L1）、數(shù)據(jù)鏈路層（L2）和網(wǎng)絡層（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（SS），短信息業(yè)務（SMS）。

圖2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)信息傳輸3層模型Fig.2 Message transmission layer 3 model in satellite mobile communication system

3.1 網(wǎng)絡層協(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躘3]，如信息復用和分割。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。

圖3 衛(wèi)星移動通信L3層協(xié)議棧Fig.3 Signalling layer 3 protocol stack of satellite mobile communication

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)務子層、補充業(yè)務子層、短信息業(yè)務子層）。

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)務信道（S-TCH）以及衛(wèi)星控制信道（S-CCH）。衛(wèi)星業(yè)務信道（S-TCH）[4]包括全碼率業(yè)務信道（S-TCH/F），信息速率為 24 Kb/s；半碼率業(yè)務信道（S-TCH/H），信息速率為 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 （SBCCH），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 （SSACCH）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)星接入授權信道（S-AGCH）等。在此信道上主要傳輸呼叫請求、信道請求、簽權、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、信道模式修改及響應、加密模式及響應等信令。

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如下：

1）RR層 信道請求，呼叫請求，信道建立，加密模式及相應，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、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 信令格式Fig.4 Sighalling format

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、信關站間及內(nèi)部的切換、定向重試、短信息等業(yè)務。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)勢在信令中增加了GPS信息等。針對移動通信系統(tǒng)，設計呼叫模型如圖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)給信關站，信關站控制中心對信令進行分析對移動用戶做出響應，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，并發(fā)出相關請求命令給信關站的控制中心，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 論

衛(wèi)星移動通信業(yè)務與地面通信業(yè)務的有機結合能夠更大程度地開辟通信業(yè)務的市場空間，同時為社會應急、緊急救災、偏遠山區(qū)的農(nóng)村通信做出重大貢獻[9-10]。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也為國外所有，因此建設我國自主的衛(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、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。文中的信令結構為此系統(tǒng)的呼叫模型的建立提供了理論基礎。本文提出的呼叫模型作為系統(tǒng)的應用模型，為后續(xù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實際應用提供了參考價值。

圖5 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)呼叫模型Fig.5 Paging model of satellite mobile communication system

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