低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的星間鏈設(shè)計

胡東偉，宋春曉

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的星間鏈設(shè)計

胡東偉1,2，宋春曉1,2

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

從分析銥星通信系統(tǒng)的特點出發(fā)，研究了低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)波束覆蓋面積和星間切換、波束切換的頻率，以及系統(tǒng)用戶位置管理方案和數(shù)據(jù)包路由策略對星間鏈的要求；分析了星間鏈的多普勒特性，提出星間鏈應(yīng)采用頻分雙工體制、采用Ka(或更高)頻段的載波頻率，并設(shè)計了星間鏈傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)方案。仿真驗證了該幀結(jié)構(gòu)方案的可行性。

低軌衛(wèi)星；移動通信；星上路由；星間鏈

0 引言

目前，國際上運行著的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要有銥星(Iridium)系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)(GlobalStar)和軌道通信系統(tǒng)(OrbComm)。OrbComm系統(tǒng)容量小，主要用于數(shù)據(jù)采集。GlobalStar系統(tǒng)星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式。為了達(dá)到全球覆蓋，GlobalStar需要在全球布設(shè)信關(guān)站。銥星系統(tǒng)由66顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成，具有星間鏈，理論上全球布設(shè)一個信關(guān)站即可實現(xiàn)全球覆蓋。

近來，國內(nèi)低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的建設(shè)又引起了關(guān)注[1]。但是，到目前為止，國內(nèi)未有一個完整的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)方案見諸報導(dǎo)。由于我國在國外布設(shè)信關(guān)站有很多的政治阻礙，因此銥星系統(tǒng)是最值得我國借鑒的方案。但銥星系統(tǒng)的完整方案至今也未披露。這在一定程度上，不能讓我們建立起充分的信心。

此次試圖剖析銥星系統(tǒng)的特點，分析系統(tǒng)的用戶管理和星上路由策略對星間鏈設(shè)計的影響，進(jìn)而提出系統(tǒng)的星間鏈設(shè)計方案。

1 銥星系統(tǒng)的特點分析

銥星系統(tǒng)由空間衛(wèi)星段、地面段和用戶段3部分組成?？臻g段衛(wèi)星星座由66顆低地球軌道主用衛(wèi)星和6 顆備用衛(wèi)星組成，分布在780 km 高的6個軌道面上，每個軌道面上有11 顆工作星和1 顆備份星，軌道傾角為86.4°。地面段包括系統(tǒng)控制部分和關(guān)口站。系統(tǒng)控制部分是銥星系統(tǒng)的管理中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運營和業(yè)務(wù)的提供，并將在軌衛(wèi)星的運行軌跡數(shù)據(jù)提供給關(guān)口站。關(guān)口站的作用是連接地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與銥星系統(tǒng)，并對銥星系統(tǒng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行管理。用戶段包括可提供電話服務(wù)(語音、數(shù)據(jù)和傳真)的用戶設(shè)備(ISU)和支持直接信息服務(wù)的信息終端設(shè)備(MTD)2類[2]。

銥星衛(wèi)星的軌道周期約100 min，飛行速度約7.52 km/s。每顆衛(wèi)星攜帶3個L波段天線，在地球上形成48個點波束，每個波束直徑大約400 km。單顆衛(wèi)星覆蓋直徑大約4 500 km。因此，倘若終端不動，大約1 min一次，用戶終端就要從同一顆衛(wèi)星的一個波束切換到另一個波束；大約9 min一次，用戶終端就要從一顆衛(wèi)星切換到另一顆衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)[2-3]。

銥星系統(tǒng)的星間鏈如圖1所示。每顆星與其前后左右4顆星，建立4條星間鏈。其中第1軌道面和第6軌道面的衛(wèi)星，只有向右或向左的單向星間鏈，其余為雙向星間鏈。相向運動的衛(wèi)星之間，不建立星間鏈。同一軌道面上，前后2顆衛(wèi)星之間的星間鏈固定距離為4 033 km，時延為13.4 ms。且前后星星間鏈指向固定。相鄰軌道面上，2顆星的最遠(yuǎn)距離大約3 579 km，時延大約為11.9 ms；最近距離一般只有幾千米，接近為0(極地區(qū)域)。

銥星系統(tǒng)每顆衛(wèi)星支持3 840條話音信道。但實際上，由于功率的限制，每顆衛(wèi)星實際只能支持1 100路話音信道。這樣，66顆衛(wèi)星，總共能支持的話音信道數(shù)目為72 600條。

圖1 銥星系統(tǒng)的星間鏈

2 星上路由方案及其對星間鏈的要求

2.1 星間路由的時延分析

圖2 最遠(yuǎn)通信距離的計算

考慮衛(wèi)星終端到衛(wèi)星終端的最遠(yuǎn)路由，即星上由第1軌道面第1顆衛(wèi)星至第6軌道面第6顆衛(wèi)星的時延，這一過程中需經(jīng)過5跳的同軌道面路由和5跳的異軌道面路由，時延大約為13.4*5+11.9*5+7.9*2 = 142.3 ms。其中最后一項為衛(wèi)星到地面的時延，包括上下行2跳?？紤]到每一跳的處理時延，設(shè)為2 ms，則總時延大約為166.3 ms。

假設(shè)信關(guān)站設(shè)置于第3軌道面，則衛(wèi)星終端到信關(guān)站的最大時延，需經(jīng)過3跳的異軌道面路由和5跳的同軌道面路由，為13.4*5+11.9*3+7.9*2=118.5 ms。其中最后一項為終端與衛(wèi)星和衛(wèi)星與信關(guān)站之間的時延。加上處理時延，大約為138.5 ms。

從上面的分析看，星上路由和處理時延最大大約在166.3 ms，這相對于波束切換(1 min)和星間切換(9 min)，是很短暫的。因此，可以認(rèn)為，在星上路由期間，衛(wèi)星星座及其覆蓋是靜止的[4-5]。因此，路由策略的選擇，就可以根據(jù)固定的星座結(jié)構(gòu)來進(jìn)行[6-7]。

2.2 星上路由方案

2.2.1 星上路由要解決的問題

從總體上說，星上路由包括從衛(wèi)星終端到衛(wèi)星終端的路由和從衛(wèi)星終端到信關(guān)站的路由。星上路由要解決的問題，就是由二元組(源終端地址、目的終端地址)，轉(zhuǎn)化為(L1，L2…Ln)的映射[8]。其中Li表示一條單向的星間鏈，n為總跳數(shù)。根據(jù)星座架構(gòu)及星間鏈配置，整個系統(tǒng)共有242條單向星間鏈。Li和n均為變數(shù)，Li可取242條單向星間鏈中的任意值，n為非負(fù)整數(shù)，最大可取值為12。n為0時表示無需星間路由。

由于衛(wèi)星的飛行，衛(wèi)星終端不斷地發(fā)生切換。切換包括波束切換、衛(wèi)星切換和星間鏈路的極區(qū)切換[9]。由于切換的存在，(源終端地址、目的終端地址)到(L1，L2…Ln)的映射，無固定的映射關(guān)系，給問題帶來復(fù)雜性。顯然，其映射關(guān)系，受源終端地址、目的終端地址所在的衛(wèi)星(即由哪一顆衛(wèi)星為他提供連接，稱之為該終端的衛(wèi)星地址)的影響。終端的衛(wèi)星地址可認(rèn)為是路由策略的一個隱變量。

2.2.2 用戶位置管理

由于終端的衛(wèi)星地址對路由策略的影響，需要對終端的衛(wèi)星地址進(jìn)行記錄和管理，即移動性管理。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)的每一顆衛(wèi)星及每一顆衛(wèi)星的每一個波束，都有固定的編址。任何一個終端用戶在系統(tǒng)內(nèi)的地址，也都可以用該編址來表示。這個編址可以用三元組(衛(wèi)星軌道號、衛(wèi)星相位號、衛(wèi)星波束號)來表征，稱為衛(wèi)星地址。衛(wèi)星軌道號(3 bit)表征目標(biāo)地址位于6個軌道面的哪一個。衛(wèi)星相位號(4 bit)表示目標(biāo)地址位于軌道面內(nèi)11顆星中的哪一顆。衛(wèi)星波束號(6 bit)表示目標(biāo)地址位于一顆衛(wèi)星的哪個波束。顯然，總共13個比特即可表示出一個衛(wèi)星地址。

由于每一顆衛(wèi)星都需要執(zhí)行路由策略，因此可考慮在每一顆衛(wèi)星上存儲每個終端的衛(wèi)星地址。假設(shè)系統(tǒng)最大在線(不一定激活)用戶數(shù)目為200萬， 則索引用戶終端序號需要21位地址(稱為終端ID)。于是，存儲所有衛(wèi)星用戶的終端ID和衛(wèi)星地址，需要(21+13)*200 000 bit，即8.5 M字節(jié)。這個存儲量不大，在信關(guān)站和每顆衛(wèi)星上同時存儲是可行的。

當(dāng)某一衛(wèi)星終端接入系統(tǒng)時，終端接入的衛(wèi)星向所有其他衛(wèi)星和信關(guān)站發(fā)出信令，增加該終端的記錄。當(dāng)某一終端退出網(wǎng)絡(luò)時，終端所在的衛(wèi)星，向所有其他衛(wèi)星和信關(guān)站發(fā)出信令，刪除該終端的記錄。當(dāng)某一終端由同一個衛(wèi)星的一個波束切換到另一個波束時，終端所在的衛(wèi)星更新其地址內(nèi)波束號即可。當(dāng)某一終端由一顆衛(wèi)星切換到另一顆衛(wèi)星時，終端所在的衛(wèi)星，向所有其他衛(wèi)星和信關(guān)站發(fā)出信令，更新該終端的地址。由于星間鏈的時延都在毫秒級，而波束切換的頻度大約在1 min，而衛(wèi)星切換的速度更慢，因此可認(rèn)為星上及信關(guān)站內(nèi)終端地址的更新是近似實時、無誤差的。

2.2.3 星上路由方案

對于衛(wèi)星終端到衛(wèi)星終端的路由，直接先根據(jù)軌道號，進(jìn)行橫向路由，再根據(jù)衛(wèi)星相位號，進(jìn)行縱向路由即可，如圖3所示。倘若追求最短時延，則可以把橫向路由盡量選擇在接近極地區(qū)域。對于衛(wèi)星終端到信關(guān)站的路由，由于信關(guān)站固定位于第3軌道面，橫向路由非常簡單。對于縱向路由，可以在所有衛(wèi)星中(或僅第3軌道面內(nèi)所有衛(wèi)星)，實時記錄信關(guān)站位于第3軌道面的衛(wèi)星相位號，根據(jù)衛(wèi)星相位號進(jìn)行路由。當(dāng)信關(guān)站由第3軌道面內(nèi)一顆衛(wèi)星切換到下一顆衛(wèi)星時，發(fā)出切換信令，更新所有衛(wèi)星內(nèi)信關(guān)站位置記錄[10-11]。

按照這種方式，對于波束切換，星間鏈的路由保持不變；對于衛(wèi)星切換，終端發(fā)生衛(wèi)星切換時，更新它在每顆衛(wèi)星中的衛(wèi)星軌道號和相位號，路由按照新的目標(biāo)衛(wèi)星軌道號和相位號進(jìn)行；當(dāng)發(fā)生極區(qū)切換時，橫向星間鏈(即異軌星間鏈)關(guān)閉，縱向星間鏈(即同軌星間鏈) 保持常開，數(shù)據(jù)包先按照縱向星間鏈進(jìn)行路由(向前或向后均可)，路由到橫向星間鏈已打開的衛(wèi)星，再進(jìn)行橫向星間鏈路由。

圖3 星上路由示意圖

倘若路由發(fā)生時，目標(biāo)地址恰好發(fā)生切換，而切換信令尚未來得及更新路由的源衛(wèi)星地址，則路由的目標(biāo)地址將是目標(biāo)的舊地址。但是，由于舊地址和新地址只能是相鄰的(或者衛(wèi)星相位號相鄰，或者軌道號相鄰，且相位號和軌道號只能有一個發(fā)生改變)，因此，數(shù)據(jù)包到達(dá)舊的目標(biāo)地址后，在目標(biāo)波束內(nèi)，未查找到目標(biāo)終端，則根據(jù)該星的地址表，重新查找目標(biāo)終端的地址，補充一跳路由即可。也就是，衛(wèi)星終端的地址更新，是不影響路由的有效性的。

2.3 對星間鏈的要求

從以上系統(tǒng)特點和路由策略來看，星間鏈應(yīng)具有如下特點：

① 星上時延越小越好，星間鏈傳輸速率越高越好；

② 由于要求時延小，星間鏈應(yīng)采用頻分雙工(FDD)體制；

③ 由于要求傳輸速率高，應(yīng)選擇星間鏈工作在Ka甚至更高頻段，例如激光鏈路；

④ 由于衛(wèi)星功率受限，星間鏈應(yīng)盡量節(jié)省功率；

⑤ 在星間鏈結(jié)構(gòu)配置上，對于同軌道面衛(wèi)星，任何兩星之間，建立雙向鏈路；對于異軌道面衛(wèi)星，除了第1軌道面和第6軌道面之間不建立星間鏈外，其他星間也都建立雙向鏈路。

3 星間鏈體制設(shè)計

3.1 星間鏈的多普勒特性分析

同軌星間鏈距離保持不變，因此多普勒頻率為0；異軌星間鏈間的距離不斷變化，在赤道上空最遠(yuǎn)，在極地區(qū)域最近，因此呈現(xiàn)較大的多普勒頻移[12]。首先定性地分析，在赤道上空，兩星近似平行飛行，多普勒頻移近似為0；在跨越極地區(qū)域時，假設(shè)星間鏈不關(guān)閉，則兩星由靠近轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)離，多普勒頻移反向；在中緯度地區(qū)，相鄰軌道的衛(wèi)星迅速靠近或分離，多普勒頻移取得最大值[13]。

(1)

圖4 相鄰軌道鄰星間距離

圖5 同一緯度面上，相鄰軌道面兩顆星間的夾角

距離變化率為：

(2)

式中，ω為衛(wèi)星飛行的角速度，多普勒頻率fd為：

(3)

式中，c為光速，fc為載頻，多普勒頻率變化率為：

(4)

可見，星間鏈距離、多普勒頻移、多普勒頻移變化率都是按照正弦或余弦曲線變化[14-15]。

假設(shè)星間鏈載頻為23 GHz，軌道周期為100 min，則多普勒頻移的最大值可達(dá)到近似510 kHz，其變化呈現(xiàn)圖6所示的正弦的曲線形式。

圖6 異軌星間鏈間的多普勒頻移

3.2 星間鏈的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

星間鏈的傳輸體制設(shè)計應(yīng)在如下2個約束條件下達(dá)成傳輸速率目標(biāo)：① 克服多普勒頻移的影響；② 星間鏈傳輸應(yīng)盡量節(jié)省功率。為節(jié)省功率，應(yīng)采用BPSK或QPSK低階調(diào)制，并采用較強(qiáng)的信道編碼。此時，BPSK或QPSK解調(diào)后的信噪比往往為負(fù)值，不適合采用鎖相環(huán)跟蹤，而應(yīng)采用導(dǎo)頻輔助的相位跟蹤方法。

可根據(jù)最大多普勒頻移及其變化率，設(shè)計星間鏈的傳輸體制[16-17]。顯然，一個軌道周期，相當(dāng)于一個多普勒頻移周期。假設(shè)軌道周期為100 min，則多普勒頻移變化率呈近似余弦曲線變化，最大為534 Hz/s。假設(shè)在一個時隙內(nèi)，接收端消除固定的多普勒頻移，則約1.87 ms接收信號相位將旋轉(zhuǎn)2π。如果采用QPSK調(diào)制，相位旋轉(zhuǎn)π/2將發(fā)生誤判。因此，此時設(shè)計星間鏈的時隙周期不應(yīng)超過0.47 ms[18]。

基于以上分析，設(shè)計星間鏈體制如圖7所示。圖中，數(shù)據(jù)按照幀來組織，一幀一幀重復(fù)發(fā)送。在每一幀中，有一個幀頭和若干時隙。在每一個時隙中，包含若干個數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻(Pilot)。時隙長度設(shè)定為0.2 ms。時隙中導(dǎo)頻呈周期排列。假設(shè)設(shè)計帶寬(符號速率)為50 Msps，則每個時隙有10 000個符號。這有足夠的空間來設(shè)計導(dǎo)頻，傳輸效率亦不會低。

圖7 星間鏈的幀結(jié)構(gòu)

4 仿真驗證

設(shè)計載頻為23 GHz，符號速率為50 Msps，每一幀長1.005 12 ms，對應(yīng)50 256個符號。其中前256個符號為幀同步頭，后50 000個符號分為5個時隙，每個時隙0.2 ms。每個時隙對應(yīng)10 000個符號，記為si(i=0,1,2,…，9 999)。其中已知的導(dǎo)頻信號共1 024個點，表示為：

Si=Pk(i=392+k*9,k=0,1,…,1 023)。

(5)

其余8 976個符號承載信息，1 024個導(dǎo)頻可采用FFT進(jìn)行頻率和相位估計。

對該幀結(jié)構(gòu)下的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真，采用約束長度為9的1/3的咬尾卷積編碼，QPSK調(diào)制。編碼器多項式為[557,663,711]。信道為高斯白噪聲信道，并在信道上加入了如圖6所示的多普勒頻移，頻移最大值為510 kHz。圖8為整個衛(wèi)星飛行周期內(nèi)每幀的誤碼率情況。從圖中可以看到，不同時間內(nèi)的誤碼率基本平衡；隨著信噪比的提高，誤碼率迅速減小。

需要說明的是，由于信道編碼不屬于本文的研究范疇，仿真中采用的信道編碼性能較差。在實際系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)采用更優(yōu)異的信道編碼方案。

圖8 異軌星間鏈在不同時間、不同信噪比下的誤碼率情況

5 結(jié)束語

本文以銥星為參考，首先研究銥星系統(tǒng)的星座架構(gòu)、波束覆蓋和路由延遲，闡述星上路由策略對星間鏈傳輸?shù)囊?，提出星間鏈的設(shè)計方案，即星間鏈應(yīng)采用Ka波段或激光鏈路、FDD雙工方式的方案，并采用導(dǎo)頻輔助的調(diào)制解調(diào)方案來克服多普勒頻偏的影響。

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Design of the Inter-satellite Link of Low Earth Orbit Mobile Satellite Communication Systems

HU Dong-wei1,2,SONG Chun-xiao1,2

(1. Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Beginning with analyzing the characteristics of Iridium Mobile Satellite Communication System,this paper studies the Inter-Satellite-Link (ISL) scheme of Low Earth Orbit Mobile Satellite Communication Systems. The coverage of the antenna beam,and the frequency of inter-satellite and inter-beam handovers are firstly studied. Then the requirements of on board routing algorithms on ISL are clarified,and the Doppler characteristics of ISL are analyzed. Based on the above,the duplex scheme and the frame structure of ISL are proposed. Simulations are made to verify the feasibility of the frame structure.

LEO; mobile communications; on board routing; Inter-Satellite-Link (ISL)

2017-05-17

國家部委基金資助項目

胡東偉(1980— ),男,博士,高級工程師,主要研究方向:無線通信理論和集成電路設(shè)計。宋春曉(1978—)，男，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.03

胡東偉，宋春曉. 低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的星間鏈設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2017,43(5): 11-15.

[HU Dongwei,SONG Chunxiao. Design of the Inter-satellite Link of Low Earth Orbit Mobile Satellite Communication Systems [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):11-15.]

TN919

A

1003-3114(2017)05-11-5