一種基于北斗的衛星通信系統

胡曼青

(電子科技大學成都學院，四川 成都611731）

1 系統總體架構

（1）在分析“北斗”衛星現有冗余資源的基礎上，利用“北斗”衛星的轉發器作為空間段；

（2）地面段包括綜合信關站、地面運控站、信標站等；

（3）應用段包括三類用戶終端（便攜式、車載式、固定式），實現用戶終端之間、用戶終端與地面通信網絡之間的互聯互通。1.1 系統特點

（1）利用我國北斗衛星冗余資源支持的空間段；

（2）具有系統接續控制和交換能力、并與地面公用網接口的信關站；

（3）具有創新型高技術應用的移動終端；

（4）具有移動通信系統空中接口規范、完整的信令體系和安全保密體制。

1.2 系統組成

系統由空間段、地面段和應用段組成，見下圖：

圖1 系統組成

空間段：利用北斗衛星所搭載的轉發器實現用戶與用戶、用戶與信關站間信號的轉發。

應用段：即用戶終端，將可識別的信息（語音、數據、短消息）處理成可在空間傳輸的、符合系統要求的無線信號，并向衛星發射；同時，將衛星發射（轉發）來的符合系統要求的空間無線信號接收處理成可識別的信息（語音、數據、短消息）。

用戶終端有三種形式：

（1）固定式用戶終端：在固定地點使用；

（2）便攜式用戶終端：可搬移，機動性好；

（3）車載式用戶終端：可在運動中使用，實現動中通。

地面段：由信標站、地面運控系統和綜合信關站組成。綜合信關站是試驗系統與地面通信網之間的匯接交換中心，負責與PSTN（Public Switched Telephone Network公共交換電話網）之間的接口，完成認證與授權、資源管理、協議轉換、呼叫控制、計費處理以及移動終端之間、移動終端與PSTN之間的互聯互通。

2 系統空中接口

2.1 系統網絡結構

從網絡結構上，系統可劃分為終端和綜合信關站兩大部分。終端包含用戶識別模塊，綜合信關站由收發系統、業務控制系統、衛星信號監測管理、移動交換中心等網絡部件組成，系統網絡體系結構見圖2。

圖2 系統網絡架構

用戶話音和數據通過業務信道在終端和信關站之間傳輸，當系統內部終端之間相互通信時，由信關站轉發信號，傳輸路徑經歷了2跳衛星鏈路。當衛星終端與網外用戶通信時，信號經歷1跳衛星鏈路由信關站的移動交換中心GMSC（Gateway Mobile Switching Center網關移動交換中心）與PSTN、PLMN（Public Land Mobile Networks公共陸上移動網絡）和SMC（Sort Message Center）建立連接。同步軌道衛星通信系統單跳延遲大約270毫秒。

2.2 衛星移動終端SMT（Satellite Mobile Terminal）

SMT是基于“北斗”的衛星移動通信試驗系統的用戶終端，用戶使用SMT接入試驗網得到所需的通信服務。

為區別試驗網內不同的用戶，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星設備識別號SMEI（Satellite Mobile Equipment Identity）。每個移動用戶都有自己的衛星移動用戶識別號 SMSI（Satellite Mobile Subscriber Identity），分別存儲在UIM上和SHLR（Satellite Home Location Register）上。

2.3 綜合信關站SGS（Synthesize Gateway Station）

綜合信關站由收發系統、業務控制系統、衛星資源監測與管理、移動交換中心等網絡部件組成。

2.3.1 收發系統GTS（Gateway Transceiver System）

它受控于GSC，包含射頻子系統和信道處理子系統。射頻子系統完成衛星射頻信號和中頻或基帶信號之間的轉換功能，信道處理子系統完成信道調制/解調、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換，實現SMT和GTS之間通過衛星傳輸及相關控制功能。

2.3.2 業務控制系統GSC（Gateway Service Control）

GSC是地面信關站的控制部分，它處于GTS和移動業務交換中心GMSC之間。一個GSC可以連接和控制幾個GTS，在試驗系統中只有一個GTS。它的主要功能是無線信道的管理、實施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，移動臺切換管理，話務量統計等。

2.3.3 衛星資源監測與管理SRMM （Satellite Resource Monitor&Management）

衛星資源監控與管理完成對衛星資源的監控與協調管理工作，包括了：衛星頻譜與信號監測、衛星工作狀況監測與系統管理、運行狀況與工作模式管理、信關站與地面運控網進行信息交互與處理、天線與射頻狀態監視。

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

移動業務交換中心由軟交換SS（Soft Switch）、AAA（Authentication Authorization Accounting）服務器、操作維護中心OMC（Operation&Maintenance Center）、衛星接入網關 SAG（Satellite Access Gateway）、地面接入網關TAG（Terrestrial Access Gateway）等實體組成。

①軟交換 SS（Soft Switcher）

完成移動呼叫接續、控制、無線資源和移動性管理等功能，是衛星移動通信試驗網的核心，同時也是與地面固網和實驗網的接口設備。

②AAA服務器

認證：用戶在使用網絡系統中的資源時對用戶身份的確認。

授權：網絡系統授權用戶以特定的方式使用其資源。

計費：網絡系統收集、記錄用戶對網絡資源的使用，以便向用戶收取資源使用費用，或者用于審計等目的。

AAA服務器含衛星歸屬位置寄存器SHLR（Satellite Home Location Register）與地面移動網的HLR類似，SHLR是用來存儲本地用戶位置信息的數據庫，每個衛星移動用戶必須在某一個SHLR登記，不同之處是試驗網將衛星移動設備標識寄存器集成到SHLR之中。登記的主要內容有：用戶號碼、移動設備號碼、位置信息、業務信息等。試驗系統暫不考慮衛星訪問位置寄存器SVLR（Satellite Visitor Location Register），但設計時應該留有擴充的空間。

③地面接入網關TAG

地面接入網關實現與地面PSTN，PLMN和短消息中心的接口，信令轉換，業務合成、分解、存儲和傳輸的實體。地面接入網關實現試驗系統與地面其它網絡的多種業務轉換和互通。

④衛星接入網關SAG

衛星接入網關是業務控制分系統GSC和移動交換中心GMSC的接口實體。

⑤操作管理中心OMC

OMC是網絡擁有者對全網進行監測和操作的功能實體。

2.4 系統接口定義

2.4.1 UIM-SMT接口

衛星移動終端SMT到用戶識別模塊UIM接口，SMT在注冊、實現雙向鑒權、加密、信息存儲時要與UIM交互信息和數據。

2.4.2 S-Um接口

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

S-Um接口又稱SMT-GS衛星空中接口，是衛星移動試驗網的主要接口之一。對衛星移動通信而言，大部分信令都是和SMT相關，SUm接口傳遞的信息包括了無線資源管理、移動性管理和接續管理等。S-Um接口與衛星移動通信試驗系統采用的體制密切關聯，相互決定。

2.4.3 Am接口

Am接口是信關站內部GTS和GSC之間的內部接口。

2.4.4 A接口

A接口是衛星地面信關站和GMSC之間的接口，該接口攜帶關于信關站的管理、呼叫處理和移動性管理等信息。采用SIP和RTP協議分別傳輸信令和業務數據，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服務器和SHLR查詢被叫衛星移動用戶的選路信息，以便確定呼叫路由，呼叫時對用戶進行鑒權，并在呼叫結束時向AAA發送計費信息。試驗系統的SHLR與信關站放在一起。

為綜合信關站的地面接入網關與地面網絡的接口，傳遞業務及控制信息。

2.5 系統通信體制

為了適應衛星資源，試驗系統采用CDMA通信體制。前向信道（衛星到終端）和反向信道（終端到衛星）各占用不大于8MHz頻譜帶寬。見圖3。

前向和反向信道采用擴頻方式，將2.4kbps的數據經成幀、編碼、交織、加密處理后，由擴頻序列將頻譜展寬。

前向信道由以下信道組成：

PICH（Pilot Channel）：前向導頻信道，為參考信道，終端由它獲取相干解調及同步信息；

SCH（Synchronization Channel）：同步信道，發送定時參數，系統參數；

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

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

DSCH（Forward Dedicated Signal Channel）：前向專用信令信道，傳送專用信令，在通信過程中傳輸交換信令；

TCH（Traffic Channel）：業務信道，承載語音和短消息業務，試驗系統使用1～30條。

反向信道由以下信道組成：

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

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

RDSCH：（Reversed Dedicated Signal Channel）： 反向專用信令信道，用于通信過程中交換信令。

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

反向信道采用隨機碼區分用戶，碼片速率4.9152Mcps，調制方式為HPSK，信道編碼為1/3卷積編碼。

圖3 系統通信空中接口

3 系統工作原理

系統的工作原理見圖4。

用戶終端對語音、數據、短消息進行信息處理、基帶處理、射頻處理形成頻率為L的射頻信號后，由天饋單元發向衛星。

衛星接收到用戶所發的信號后，進行放大、變 頻、濾波等處理，經C波段天線發向信關站。

在綜合信關站中，由專用C波段天線接收衛星發來的入站信號，經低噪放、下變頻處理成中頻信號（70MHz），經中頻分路后送往兩個16路解調器，解調后數據接入本地局域網，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 系統工作原理

圖5 移動用戶間呼叫基本流程

信息經信關按協議處理后送往交換機，交換機將數據送往兩個16路調制器，調制器完成對數據的信息處理、基帶處理、擴頻調制后，形成中頻為70MHz的已調合路信號（2個中頻，各含16路），送往中頻合路器，合路后經上變頻處理成S波段信號，經高功率放大（HPA）后，由S波段天線發向衛星。衛星收到信關站所發的信號后，進行放大、變頻，處理成頻率為L1/L2的射頻信號發向用戶。用戶端接收到衛星所發來的微弱信號后，經低噪放（LNA）、變頻處理成頻率為70MHz的中頻信號，經解調、信道處理、信息還原后得到對方所發的語音、數據、短消息等信息格式。

終端接入流程舉例，見圖5。

4 結束語

基于“北斗”的衛星移動通信試驗系統研究開發是利用現有衛星的冗余資源開發的衛星移動通信系統。“北斗”是我國唯一在軌運行的擁有完全自主知識產權的L波段衛星系統，該試驗系統利用其有限的寶貴資源需要進行研究和試驗，為將來發展衛星通信領域相關技術奠定了一定的理論和實踐基礎。

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