低軌衛星通信系統關鍵技術淺析

傅德晟 何坤 陳進

摘要：隨著地面通信技術的快速發展，萬物互聯、用戶隨時、隨地、及時通信等需求，為全球用戶提供更好的通信服務，使得衛星通信成為了越發關鍵的研究熱點。衛星通信技術相比地面通信，還有很大的發展空間，衛星通信將會發揮越來越重要的作用。本文針對低軌衛星通信系統關鍵技術展開研究，對切換接入技術、星上轉發器技術、以及與地面網絡融合技術三個研究方向進行了分析，為我國低軌衛星通信系統的研究提供技術參考。

關鍵詞：低軌衛星;切換接入技術;星上轉發器技術;與地面網融合技術

中圖分類號：TN927.2?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）04-0052-02

Abstract：With the rapid development of ground communication technology， the Internet of everything， users anytime， anywhere， timely communication and other requirements， to provide better communication services for global users， satellite communication has become an increasingly critical research hotspot. Compared with ground communication， satellite communication technology still has a large space for development， and satellite communication will play an increasingly important role. In this paper， the key technologies of low-orbit satellite communication system are studied， and the switching access technology， on-board transponder technology and fusion technology with ground network are analyzed， so as to provide technical reference for the research of low-orbit satellite communication system in China.

Key words：low-orbit satellite;Switching access technology;On-board transponder technology;Fusion technology with ground network

1 概述

與地面通信相比，衛星通信具有地面通信無法比擬的優點，如覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質量好、便于實現全球無縫鏈接，被認為是建立全球個人通信不可或缺的重要手段。

按照衛星運行的軌道不同，通信衛星（系統）可以分為低軌通信衛星（LEO）、中軌衛星通信（MEO）和高軌地球同步衛星通信（GEO）。LEO衛星軌道高度約500-2000km，MEO衛星軌道高度2000-20000km，GEO衛星軌道高度為36000km。

與其他通信系統相比，低軌衛星通信系統具有較為顯著的優點：一方面，與同步軌道衛星通信系統相比，低軌衛星通信系統軌道高度低，使得路徑損耗小，傳輸時延短;另一方面，低軌衛星成本低，數個衛星組成衛星星座即可實現全球覆蓋;第三，地面蜂窩通信中多址、點波束、多波束天線、頻率復用等關鍵技術為低軌衛星通信系統提供了技術保障，因此低軌衛星通信被認為是最有前景的移動通信技術之一。同時，低軌衛星通信系統在技術方面，也提出了眾多的挑戰，如星上轉發器技術、快速移動導致的頻繁切換處理技術、與地面網絡的融合技術等，因此，為了更好的支撐低軌衛星通信系統的發展，本文就上述問題進行了分析歸納。

2 切換接入技術

低軌衛星通信系統中，衛星相對地面以數千米每秒的速度快速運動，使得單顆衛星覆蓋用戶時間持續10分鐘左右，同時為了增大系統的通信容量，單顆衛星的覆蓋區域又劃分為多個點波束，由于衛星相對地面的快速移動，使得用戶在通信過程中會頻繁的由一個點波束切換至另一個點波束，為保障通信過程的連續性，使得切換接入技術在低軌衛星通信系統中顯得尤為重要。

2.1切換類型。從信道類型角度入手，切換大致可以分為硬切和軟切兩種類型。從波束歸屬入手，可分為衛星間切換和波束間切換。本文將從波束歸屬入手介紹切換內容。

（1）波束間切換。為了增大系統容量，單顆衛星的覆蓋區域又劃分為多個點波束，因此相比于星間切換，衛星內點波束之間的切換會更加頻繁。波束切換將一般分為相鄰波束的測量/測量上報、切換判決以及切換執行三個階段。

（2）衛星（基站）間切換。與波束間切換類似，星間切換也分為測量/測量上報、切換判決、切換執行3個階段。

2.2常見切換策略。低軌衛星移動通信系統中常見的切換策略主要有最短距離、最長服務時間、負載均衡等策略。

最短距離策略：該策略根據用戶及衛星位置信息，計算當前所有覆蓋及潛在覆蓋用戶的衛星與用戶的之間的距離，選擇距離用戶最近的衛星（有空閑信道）作為切換的目標衛星，一旦目標衛星沒有空閑信道或資源不足以為切換用戶提供服務，則在剩余的計算結果中選擇距離次近者衛星作為接入或切換目的衛星，以此類推。該方案原理較為簡單，計算量也小，但是切換過程很容易產生乒乓效應，致使很多原本不需要切換而進行了切換，大大影響用戶通話質量。

最長服務時間策略：該策略是從當前覆蓋用戶或潛在覆蓋用戶的所有衛星中選擇能提供服務時間最長的衛星作為接入的目的衛星，如果當前所選衛星的信道情況不足以為用戶提供服務時，選擇能提供服務時間次長的衛星作為接入的目的衛星，以此類推。該方案的原理是選取提供服務時間最長的衛星作為接入的目的衛星，因此在同樣的通話時間內大大的減少了切換的次數，從而也減少了由于切換引起的信令交互。該策略計算量稍微復雜，且與最短距離策略相比，用戶在波束覆蓋邊沿時，衛星仰角較低，容易導致用戶接入信道快速的非線性惡化，影響通話質量，甚至還會出現掉話的現象。

2.3基本接入策略。為保證切換成功概率及服務質量，需要考慮切換后的接入策略。基本的接入策略主要有：無優先權策略、信道預留策略、切換排隊策略等接入策略。

無優先權策略：該策略的基本原理是先來先得，即切換和原始呼叫誰先申請誰先得到資源，而當兩者同時申請資源時，如果此時有空閑信道時，則它們獲得資源的概率是相同的;而當衛星沒有資源可用時，兩者均不能獲得資源。原始呼叫阻塞概率與切換失敗概率相等， 是該策略的一個重要特點。

信道預留策略：該策略屬于優先權策略，該策略的主要特點是為切換服務預留特定信道，以保障由于切換而發起的接入請求時，不會因為資源接入問題造成用戶通信中斷。該策略中首先定義一個門限，當系統忙信道數小于預設門限時，新呼叫用戶和切換用戶以同等機會接入系統;當系統忙信道數量大于等于預設門限時，拒絕新用戶的接入，只允許切換接入，從而保證切換呼叫的優先級;當系統所有資源均被占用時，新呼叫用戶和切換用戶均被阻塞。該策略在一定程度上增加了新呼叫的阻塞概率，但信道利用率的提升，合理的門限設置，可以有效的降低切換呼叫失敗概率，為用戶提供更為良好的服務感受。

切換排隊策略：該策略屬于優先權策略，該方法旨在有效降低切換呼叫的失敗概率。該策略中，定義了一個切換緩沖區，同時定義了一個切換排隊門限，用戶進入到切換緩沖區后，向目標衛星發起切換請求，如果目標衛星暫時沒有資源用于切換用戶，則用戶切換請求進入到隊列排隊;一旦目標衛星有空閑信道，則按切換請求在隊列中的順序獲取資源;如果該終端即將移出該波束仍未獲得資源，將切換請求移出切換隊列，此次切換失敗。

與無優先權策略相比，基于優先權的信道分配策略，如信道預留策略及切換排隊策略，具有更高的切換成功概率，可以為用戶提供更可靠的服務。

3 星上轉發器技術

轉發器技術作為星上處理的關鍵技術之一，對衛星的重量、體積、功耗、可靠性等關鍵指標具有重要的影響。為了實現靈活的互聯互通，包含波束間、子信道間以及用戶間便捷通信，需要選擇不同的星上轉發器技術。同時，雙向通信系統的星狀網、網狀網組網方式與星上轉發器技術也有很強的關聯，可以決定星上和地面接收端的實現復雜度。

星上轉發器技術主要包含透明轉發器技術和再生式轉發器技術。透明轉發器具有信號放大、變頻等功能，再生式轉發器除了具有信號放大、變頻功能外，還具有調制解調、基帶交換、射頻波束交換等功能。

再生式轉發器具有完善的信號處理能力，能夠實現星上數據交換，同時，能夠以較低的顆粒度完成路由交換。再生式衛星轉發器首先將接收的信號下變頻為基帶信號，路由交換后，再對信號進行編碼、調制等信號處理操作。與透明轉發器相比，再生式轉發器有更好的交換性能、更好的靈活性、更多的組網模式，可以有效提高系統的互聯互通能力，提升系統容量。

對于前向鏈路與反向鏈路采用不同空中接口體制的通信系統，如前向使用DVB-S系列協議，反向使用DVB-RCS2系列協議的通信系統，實現用戶終端之間及時通信，可以利用網狀網組網方式，采用透明轉發器和再生式轉發器組網方式解決此類場景的復雜度和靈活性有很大的區別，如下文所述。

3.1透明轉發器的網狀組網。為了實現終端到終端的單跳通信，在星狀網基礎上，通過改進信關站和用戶終端的功能，基于透明轉發器可以構建網狀組網。對于信令層面，用戶終端到信關站的控制面數據仍以信關站為中心，需要經過信關站的處理轉發，發送至用戶終端。而用戶面的數據，可以進行端到端的傳輸。這樣，信關站和用戶終端的功能均有所增加。信關站需要增加對支持端到端通信功能的用戶終端的管理，用戶終端需要增加支持前向、反向鏈路不同協議的調制解調器。

以前向使用DVB-S、反向使用DVB-RCS2、的通信系統為例，信關站將控制面信息通過前向的DVB-S/S2信號發送給用戶終端，同時信關站接收承載用戶終端控制和數據的DVB-RCS2信號。用戶終端配置一個調制器和兩個解調器，兩個解調器其中一個用于解調信關站發送的DVB-S/S2信號，另一個用于解調其他用戶終端發送的DVB-RCS2信號，如下圖1所示。

3.2再生式轉發器的網狀組網。基于再生式轉發器技術的網狀組網，上下行鏈路體制的轉換可以在星上完成，因此，用戶終端由于組網方式的改變僅需做少量的改動，增加與端到端通信相關的通信處理過程即可實現全網絡的網狀組網通信。

相較于透明轉發器技術的衛星通信系統，基于再生技術的衛星通信系統可更加靈活的連接用戶終端與信關站。同時，還可以復用星狀網與網狀網業務，發送到下行鏈路目標波束中。

同樣以前向使用DVB-S系列協議，反向使用DVB-RCS2協議的通信系統為例，星上完成鏈路體制的轉換，如下圖所示。

4 與地面技術融合

隨著移動通信的發展，地面通信能覆蓋越來越多的領域，為人們帶來越來越便捷的服務。然而，在山區、荒漠、海洋等區域，由于網絡建設困難，衛星通信成為主要的通信手段。低軌衛星通信系統以傳播時延小、路徑損耗小等優點，成為網絡建設困難地區的首選。可利用低軌衛星通信系統其全球覆蓋的特性，彌補地面通信網絡通信覆蓋不足的短板，另外低軌衛星系統的低時延、高可靠等特性，使得低軌衛星通信與地面融合成為未來通信領域發展的方向。

現有衛星通信系統在技術體制設計的時候大都以地面移動通信標準作為借鑒，根據系統特性做適應性修改，以滿足衛星通信系統要求。如Thuraya衛星通信系統，采用了GMR-1/GMR-1 3G標準，借鑒了GSM/GPRS通信體制;Imarsat-4采用的IAI-2/S-UMTS標準，借鑒了WCDMA通信體制;典型的低軌衛星通信系統如銥星和全球星，其空口接口則是以GSM和IS-95為藍本。借鑒地面通信技術體制的低軌衛星通信系統，根據系統具體需求做適應性修改即可和現有地面網絡進行互聯互通。

對于采用非類似地面移動通信技術體制設計的低軌衛星通信系統，可通過類似地面網的處理，在基站或核心網添加網元，如非3GPP網絡可通過N3IWF接入5G網絡一樣，接入到地面網絡，與地面網用戶進行互聯互通。

5 結語

本文針對低軌衛星通信系統中的切換接入技術、星上轉發器技術、與地面網絡融合技術三個方面進行了分析，并從切換類型、切換策略、接入策略、透明轉發器、再生式轉發器、類似和非類似地面移動通信技術體制設計衛星通信協議等層面進行闡述。技術的選擇和適應性修改需要結合具體的應用需求再進行深入的研究。我國低軌衛星通信技術的研究已全面展開，還有時頻偏校正、衛星通信協議、星上處理技術、星間鏈路技術、路由技術等一系列課題需要進一步研究。

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