衛星與WiMAX系統應急場景混合組網研究

2016-03-22 11:20:48武警工程大學信息工程系張竹馨劉廣斌

電子世界 2016年1期

武警工程大學信息工程系　張竹馨　劉廣斌

武警工程大學信息工程系張竹馨劉廣斌

【摘要】衛星通信是實現大范圍通信覆蓋的有效方式，但在城市以及室內存在覆蓋性能不佳的問題。通過與地面通信網絡的連接，可實現衛星的無縫覆蓋。提出了衛星與WiMAX系統混合組網的方式，分析了衛星通信工作原理及其優點，分析了WiMAX系統的關鍵技術以及其適用于“最后一公里”通信的技術支持。給出了衛星與WiMAX系統混合組網的網絡模型，提出了客戶端的兩種接入模式，并得出了相關結論。

【關鍵詞】衛星通信；WiMAX；接入模式；組網

0　引言

由于蜂窩移動通信的推出和發展，無線通信的面貌和在通信中的地位發生了革命性的變化[1]，在通信需求與日俱增的今天發揮著越來越重要的作用。無線通信網絡分為有中心網絡和無中心網絡[2]，之前提到的蜂窩移動通信屬于有中心網絡，需要建設位置固定的基礎設施，而無中心網絡像Ad Hoc網絡[3]則不需要固定的基礎設施。在應急場景中，無線通信為上傳下達指示安排，傳遞現場消息發揮著重要作用。

衛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。衛星特別是靜止衛星能夠跨越大區域、為分散開的眾多用戶提供即時服務，并且這種服務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）技術的衛星移動通信系統，可以與地面通信的3G（CDMA,WiMAX），4G等移動通信空中接口通過衛星鏈路運行[4]。WiMAX（微波存取全球互通），又稱為IEEE 802.16無線城域網，是一種功能強大的無線接入技術，能夠作為有線網絡接入（Cable和DSL）的無線擴展，其目標是提供一套點對多點的無線接入技術，以提供有效互操作的寬帶無線接入手段，并提供大吞吐量的接入速率[5]。將地面WiMAX接入技術與靜止軌道衛星移動通信系統相結合，可應用于實時數據交付要求高的應急場景，實現最后一公里的無縫鏈接。

1　衛星通信與WiMAX技術系統概述

1.1衛星通信系統概述

衛星通信是在地面微波中繼通信和空間技術的基礎上發展起來的。通信衛星的作用相當于離地面很高的微波中繼站，故其通信距離遠。利用同步衛星（靜止衛星）來轉發無線電信號的通信系統就稱為衛星通信系統[6]。在該系統中，通信衛星與地球同步運行，相對地面靜止，這樣通過三顆彼此相距73000km的同步衛星，構成衛星空中鏈路，可覆蓋除南北極之外的全部地區。具體來說，衛星通信還具有如下特點：

（1）設站靈活，容易實現多址通信。

（2）系統容量大，可提供多種通信業務。

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

（4）對外部依賴性小，網絡部署快。

（5）電路使用費用與通信距離無關。

衛星通信系統由空間分系統、地球站群、跟蹤遙測及指令分系統和監控管理分系統四個部分組成。空間分系統主要作用是進行信號的中繼，由衛星內的轉發器負主責。地球站群中，中心站負責通信系統中的業務調度與管理，并對其余地球站進行監測和業務轉接，而普通地球站主要擔負收信及發信功能。跟蹤遙測及指令分系統負責跟蹤測量衛星的在軌運行狀態；監控管理分系統則主要負責對衛星在服務開通前后的通信性能參數進行監測和控制。

1.2WiMAX技術概述

WiMAX是一項新興技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。由于在OFDM接入技術、開放網絡模式、基于IP的無線寬帶技術、電信運營商基礎設施、支持不確定的應用等方面獨一無二的優勢，WiMAX成為第一個真正面向電信級運營的、具有QoS保證的、全球標準化的無線寬帶接入技術。

WiMAX系統中，采用OFDM/OFDMA為物理層技術，頻率效率高，成本低，并且具有抗多徑衰弱和易與MIMO技術聯合運用的優點；WiMAX系統中MIMO技術的應用使得通信設備更適應在城市范圍內多徑環境下的無線信號處理，并且移動終端在切換時能做出快速、準確的切換決定，非常適合于大范圍內快速搜救通信的需要；同時，WiMAX系統使用IP架構，可以在需要時迅速與現有網絡如ADSL、3G等接駁，搭建滿足現場各種寬帶通信需求的網絡；并且，WiMAX采取混合自動請求重傳HARQ技術，融合了自動重復請求(ARQ)和前向信道糾錯編碼(FEC)差錯控制方法的優點，客服移動信道時變和多徑衰弱對信號傳輸的影響，降低系統的誤碼率，提高系統吞吐量，間接擴大了系統的覆蓋范圍。

2　基于衛星和WiMAX結合的應急通信組網

2.1需求分析

突發情況下，在各種通信手段失去效能后，應急通信建設需要滿足以下需求[2]：

（1）能做到快速部署：網絡的規劃以及部署過程必須簡單快捷，并且盡量不需對專業人員過多依賴，配置過程盡量簡單明了。

（2）便捷和可移植性：網絡部署的快速性要求設備的操作流程簡單，并且設備的購置無需通過專有途徑，盡量做到商業可購買。

（3）健壯性和可擴展性：應急通信現場的終端設備必然是處于移動變化之中，用戶數量也是處于不斷變化之中的，網絡必須具有較高的容錯性，能夠及時適應環境變化以及用戶數量不斷增加的需求。

（4）安全性：災害發生后，不同的救援單位同赴現場，且存在部分敏感信息，必須保證信息的安全性。

（5）低成本：網絡的建設和維護成本盡量要低。

2.2通信組網方案

目前，衛星通信技術和WiMAX技術都得到了很大的發展，兩者皆有各自的優點。將兩種技術結合起來，相互補充，實現更廣范圍、更加高效的通信。在衛星與WiMAX技術混合組網中，衛星通信以DVB-RCS(Digital Vidio Broadcasting and Return Channel via Satelli)技術為基礎，作為中繼系統連接WiMAX網絡，從而實現無縫覆蓋以及遠距離網絡的寬帶無線接入服務，如圖1所示。

圖1　衛星與WiMAX混合網絡示意圖

用戶端在接入WiMAX網絡時有兩種模式：熱點回傳模式以及終端接入模式。熱點回傳模式采用WiMAX無線接入網把遠端WiFi熱點業務回送到核心網，WiMAX基站(BS)的作用仍未業務接入點(SAP)，而WiMAX用戶站(SS)是熱點側的無線接入設備，提供接口標準與熱點相連，作為WLAN接入點(AP)的熱點設備再通過IEEE802.11a/g無線鏈路與無線終端相連。如圖2所示。終端接入模式中，用戶端設備(TE)直接通過作為SAP的WiMAX基站(BS)接入核心網。