低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)淺析

傅德晟 何坤 陳進(jìn)

摘要：隨著地面通信技術(shù)的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)、用戶隨時(shí)、隨地、及時(shí)通信等需求，為全球用戶提供更好的通信服務(wù)，使得衛(wèi)星通信成為了越發(fā)關(guān)鍵的研究熱點(diǎn)。衛(wèi)星通信技術(shù)相比地面通信，還有很大的發(fā)展空間，衛(wèi)星通信將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。本文針對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展開研究，對(duì)切換接入技術(shù)、星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)、以及與地面網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)三個(gè)研究方向進(jìn)行了分析，為我國(guó)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星;切換接入技術(shù);星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù);與地面網(wǎng)融合技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN927.2?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：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(wèi)星通信具有地面通信無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質(zhì)量好、便于實(shí)現(xiàn)全球無縫鏈接，被認(rèn)為是建立全球個(gè)人通信不可或缺的重要手段。

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

與其他通信系統(tǒng)相比，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較為顯著的優(yōu)點(diǎn)：一方面，與同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道高度低，使得路徑損耗小，傳輸時(shí)延短;另一方面，低軌衛(wèi)星成本低，數(shù)個(gè)衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋;第三，地面蜂窩通信中多址、點(diǎn)波束、多波束天線、頻率復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)為低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了技術(shù)保障，因此低軌衛(wèi)星通信被認(rèn)為是最有前景的移動(dòng)通信技術(shù)之一。同時(shí)，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在技術(shù)方面，也提出了眾多的挑戰(zhàn)，如星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)、快速移動(dòng)導(dǎo)致的頻繁切換處理技術(shù)、與地面網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)等，因此，為了更好的支撐低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，本文就上述問題進(jìn)行了分析歸納。

2 切換接入技術(shù)

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星相對(duì)地面以數(shù)千米每秒的速度快速運(yùn)動(dòng)，使得單顆衛(wèi)星覆蓋用戶時(shí)間持續(xù)10分鐘左右，同時(shí)為了增大系統(tǒng)的通信容量，單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域又劃分為多個(gè)點(diǎn)波束，由于衛(wèi)星相對(duì)地面的快速移動(dòng)，使得用戶在通信過程中會(huì)頻繁的由一個(gè)點(diǎn)波束切換至另一個(gè)點(diǎn)波束，為保障通信過程的連續(xù)性，使得切換接入技術(shù)在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wèi)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(nèi)容。

（1）波束間切換。為了增大系統(tǒng)容量，單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域又劃分為多個(gè)點(diǎn)波束，因此相比于星間切換，衛(wèi)星內(nèi)點(diǎn)波束之間的切換會(huì)更加頻繁。波束切換將一般分為相鄰波束的測(cè)量/測(cè)量上報(bào)、切換判決以及切換執(zhí)行三個(gè)階段。

（2）衛(wèi)星（基站）間切換。與波束間切換類似，星間切換也分為測(cè)量/測(cè)量上報(bào)、切換判決、切換執(zhí)行3個(gè)階段。

2.2常見切換策略。低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中常見的切換策略主要有最短距離、最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間、負(fù)載均衡等策略。

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

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

2.3基本接入策略。為保證切換成功概率及服務(wù)質(zhì)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(yōu)先權(quán)策略、信道預(yù)留策略、切換排隊(duì)策略等接入策略。

無優(yōu)先權(quán)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(qǐng)誰先得到資源，而當(dāng)兩者同時(shí)申請(qǐng)資源時(shí)，如果此時(shí)有空閑信道時(shí)，則它們獲得資源的概率是相同的;而當(dāng)衛(wèi)星沒有資源可用時(shí)，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(gè)重要特點(diǎn)。

信道預(yù)留策略：該策略屬于優(yōu)先權(quán)策略，該策略的主要特點(diǎn)是為切換服務(wù)預(yù)留特定信道，以保障由于切換而發(fā)起的接入請(qǐng)求時(shí)，不會(huì)因?yàn)橘Y源接入問題造成用戶通信中斷。該策略中首先定義一個(gè)門限，當(dāng)系統(tǒng)忙信道數(shù)小于預(yù)設(shè)門限時(shí)，新呼叫用戶和切換用戶以同等機(jī)會(huì)接入系統(tǒng);當(dāng)系統(tǒng)忙信道數(shù)量大于等于預(yù)設(shè)門限時(shí)，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(yōu)先級(jí);當(dāng)系統(tǒng)所有資源均被占用時(shí)，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(shè)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(wù)感受。

切換排隊(duì)策略：該策略屬于優(yōu)先權(quán)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(gè)切換緩沖區(qū)，同時(shí)定義了一個(gè)切換排隊(duì)門限，用戶進(jìn)入到切換緩沖區(qū)后，向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)起切換請(qǐng)求，如果目標(biāo)衛(wèi)星暫時(shí)沒有資源用于切換用戶，則用戶切換請(qǐng)求進(jìn)入到隊(duì)列排隊(duì);一旦目標(biāo)衛(wèi)星有空閑信道，則按切換請(qǐng)求在隊(duì)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(qǐng)求移出切換隊(duì)列，此次切換失敗。

與無優(yōu)先權(quán)策略相比，基于優(yōu)先權(quán)的信道分配策略，如信道預(yù)留策略及切換排隊(duì)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(wù)。

3 星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)

轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)作為星上處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)衛(wèi)星的重量、體積、功耗、可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)具有重要的影響。為了實(shí)現(xiàn)靈活的互聯(lián)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(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)。同時(shí)，雙向通信系統(tǒng)的星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式與星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)也有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，可以決定星上和地面接收端的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)主要包含透明轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)。透明轉(zhuǎn)發(fā)器具有信號(hào)放大、變頻等功能，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器除了具有信號(hào)放大、變頻功能外，還具有調(diào)制解調(diào)、基帶交換、射頻波束交換等功能。

再生式轉(zhuǎn)發(fā)器具有完善的信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)星上數(shù)據(jù)交換，同時(shí)，能夠以較低的顆粒度完成路由交換。再生式衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器首先將接收的信號(hào)下變頻為基帶信號(hào)，路由交換后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼、調(diào)制等信號(hào)處理操作。與透明轉(zhuǎn)發(fā)器相比，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器有更好的交換性能、更好的靈活性、更多的組網(wǎng)模式，可以有效提高系統(tǒng)的互聯(lián)互通能力，提升系統(tǒng)容量。

對(duì)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(tǒng)，如前向使用DVB-S系列協(xié)議，反向使用DVB-RCS2系列協(xié)議的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶終端之間及時(shí)通信，可以利用網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器組網(wǎng)方式解決此類場(chǎng)景的復(fù)雜度和靈活性有很大的區(qū)別，如下文所述。

3.1透明轉(zhuǎn)發(fā)器的網(wǎng)狀組網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)終端到終端的單跳通信，在星狀網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)信關(guān)站和用戶終端的功能，基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器可以構(gòu)建網(wǎng)狀組網(wǎng)。對(duì)于信令層面，用戶終端到信關(guān)站的控制面數(shù)據(jù)仍以信關(guān)站為中心，需要經(jīng)過信關(guān)站的處理轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)送至用戶終端。而用戶面的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行端到端的傳輸。這樣，信關(guān)站和用戶終端的功能均有所增加。信關(guān)站需要增加對(duì)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(xié)議的調(diào)制解調(diào)器。

以前向使用DVB-S、反向使用DVB-RCS2、的通信系統(tǒng)為例，信關(guān)站將控制面信息通過前向的DVB-S/S2信號(hào)發(fā)送給用戶終端，同時(shí)信關(guān)站接收承載用戶終端控制和數(shù)據(jù)的DVB-RCS2信號(hào)。用戶終端配置一個(gè)調(diào)制器和兩個(gè)解調(diào)器，兩個(gè)解調(diào)器其中一個(gè)用于解調(diào)信關(guān)站發(fā)送的DVB-S/S2信號(hào)，另一個(gè)用于解調(diào)其他用戶終端發(fā)送的DVB-RCS2信號(hào)，如下圖1所示。

3.2再生式轉(zhuǎn)發(fā)器的網(wǎng)狀組網(wǎng)。基于再生式轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)的網(wǎng)狀組網(wǎng)，上下行鏈路體制的轉(zhuǎn)換可以在星上完成，因此，用戶終端由于組網(wǎng)方式的改變僅需做少量的改動(dòng)，增加與端到端通信相關(guān)的通信處理過程即可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀組網(wǎng)通信。

相較于透明轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，基于再生技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可更加靈活的連接用戶終端與信關(guān)站。同時(shí)，還可以復(fù)用星狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)業(yè)務(wù)，發(fā)送到下行鏈路目標(biāo)波束中。

同樣以前向使用DVB-S系列協(xié)議，反向使用DVB-RCS2協(xié)議的通信系統(tǒng)為例，星上完成鏈路體制的轉(zhuǎn)換，如下圖所示。

4 與地面技術(shù)融合

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，地面通信能覆蓋越來越多的領(lǐng)域，為人們帶來越來越便捷的服務(wù)。然而，在山區(qū)、荒漠、海洋等區(qū)域，由于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難，衛(wèi)星通信成為主要的通信手段。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)以傳播時(shí)延小、路徑損耗小等優(yōu)點(diǎn)，成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難地區(qū)的首選。可利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)其全球覆蓋的特性，彌補(bǔ)地面通信網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋不足的短板，另外低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的低時(shí)延、高可靠等特性，使得低軌衛(wèi)星通信與地面融合成為未來通信領(lǐng)域發(fā)展的方向。

現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)在技術(shù)體制設(shè)計(jì)的時(shí)候大都以地面移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)作為借鑒，根據(jù)系統(tǒng)特性做適應(yīng)性修改，以滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)要求。如Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用了GMR-1/GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)，借鑒了GSM/GPRS通信體制;Imarsat-4采用的IAI-2/S-UMTS標(biāo)準(zhǔn)，借鑒了WCDMA通信體制;典型的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)如銥星和全球星，其空口接口則是以GSM和IS-95為藍(lán)本。借鑒地面通信技術(shù)體制的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)具體需求做適應(yīng)性修改即可和現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通。

對(duì)于采用非類似地面移動(dòng)通信技術(shù)體制設(shè)計(jì)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可通過類似地面網(wǎng)的處理，在基站或核心網(wǎng)添加網(wǎng)元，如非3GPP網(wǎng)絡(luò)可通過N3IWF接入5G網(wǎng)絡(luò)一樣，接入到地面網(wǎng)絡(luò)，與地面網(wǎng)用戶進(jìn)行互聯(lián)互通。

5 結(jié)語

本文針對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的切換接入技術(shù)、星上轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)、與地面網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行了分析，并從切換類型、切換策略、接入策略、透明轉(zhuǎn)發(fā)器、再生式轉(zhuǎn)發(fā)器、類似和非類似地面移動(dòng)通信技術(shù)體制設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信協(xié)議等層面進(jìn)行闡述。技術(shù)的選擇和適應(yīng)性修改需要結(jié)合具體的應(yīng)用需求再進(jìn)行深入的研究。我國(guó)低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的研究已全面展開，還有時(shí)頻偏校正、衛(wèi)星通信協(xié)議、星上處理技術(shù)、星間鏈路技術(shù)、路由技術(shù)等一系列課題需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳坤汕，王大鳴，徐堯.面向LTE的靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)隨機(jī)接入方式[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào).2013（05）.

[2]衛(wèi)星LTE：IMT-Advanced系統(tǒng)衛(wèi)星部分的中國(guó)提案（英文）[J].劉思楊，秦飛，高鎮(zhèn)，張?jiān)矗萎愔?中國(guó)通信.2013（10）.

[3]移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)與LTE網(wǎng)絡(luò)間干擾共存性能的研究（英文）[J]. 張萌，于海，付昱霖，常永宇.中國(guó)通信.2013（07）.