卫星移动通信系统体系结构及建模.docx

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1、卫星移动通信系统体系结构及建模 摘 要:卫星移动通信是实现全球无缝覆盖通信的必要手段。由于卫星移动信道的特别性,使得卫星移动通信系统有别于地面网通信系统。目前国内在建设自己的卫星移动通信系统方面尚属空白。针对卫星移动通信的特点,提出一种卫星移动通信体系结构,从传输模型、通信体制和信令结构几方面对体系进行了设计,并在此基础上提出了适用于我国实际状况下卫星移动通信的呼叫模型,为将来国内建设自己的卫星移动通信系统供应了参考依据。该呼叫模型对将来卫星移动通信系统的应用具有肯定的借鉴意义。 关键词:卫星移动通信; 呼叫模型; 网络层协议栈; 逻辑信道 中图分类号:TN927-34文献标识码:A 文章编号

2、:1014-373X(2022)19-0022-04 System Structure and Modeling of Satellite Mobile Communication System LIU Shuang-mei, WANG Hai-tao, ZOU Guang-nan, GAO Xin-yu (503 Institute, China Academy of Space Technology, Beijing 101086, China) Abstract: Satellite mobile communication is an indispensable means for g

3、lobal communication without any gap. At present, the field of satellite mobile communication system is still blank in China. As the result of particularity of satellite mobile channel, the satellite mobile communication system is discriminated with the system on the earth. Corresponding with the cha

4、racteristic of satellite mobile communication, a systematic structure of satellite mobile communication system is proposed. The transmission model, communication mechanism and message structure are elaborated, which will provide some reference for the building of satellite mobile communication syste

5、m in China in the future. To adapt to the situation of China, a paging model based on this system is also proposed at the end, which is helpful for the coming application of the satellite mobile communication system.Keywords: satellite mobile communication; paging model; protocol architecture of net

6、work layer; logical channel 收稿日期:2022-04-30 0 引 言 卫星移动通信系统协助地面网通信,使得通信业务量有了质的提高,通信应用深化各行各业,已成为各行各业发展必不行缺的手段。卫星移动通信系统巨大的市场潜力及应用价值,使得世界各国也都起先着力于建设自己的卫星移动通信系统,目前国外的卫星移动通信系统有北美移动卫星(MSAT)系统、亚洲蜂窝卫星(ACeS)系统、瑟拉亚卫星(Thuraya)系统以及供应全球覆盖的国际海事卫星1(Inmasrsat)系统等。Inmasrsat由国际海事组织经营,运用该系统的国家已超过160个,用户达29万多个,其第四代系统BGA

7、N是第一个通过手持终端向全球同时供应话音和宽带数据的移动通信系统,也是第一个供应数据速率证的移动卫星通信系统。为适应我国移动通信系统的将来发展须要,探讨适合国内特点的卫星移动通信系统具有重要的意义。 1 卫星移动通信系统传输模型 在卫星通信中,电波在空间传输时要受到许多因素的影响,如大气汲取、对流层闪耀、雨、雪等都会导致不同程度的衰减,其中降雨对信号的衰减最为严峻,因此卫星链路的雨衰特性是影响卫星通信系统传输质量与牢靠性的主要因素2-3。在进行卫星通信系统设计时要实行必要措施来应对各种信号衰减,针对信道特点来设计传输模型。 卫星信号在卫星与地面网间的传输模型如图1所示。 S-Um接口:移动终端

8、与地面信关站运用卫星信道通过卫星中继进行信号的传输; Abis接口:地面信关站与信关站收发信机的接口; A接口:地面移动网交换中心与信关站的接口。 图1 卫星移动通信系统传输模型 2 卫星移动通信系统通信体制 2.1 调制方式 无论是业务信道还是限制信道,本系统均采纳相同的调制方式,与GSM系统不同,本系统采纳/4-CQPSK(Coherent Quadrature Phase Shift Keying)调制机制,其成型滤波采纳滚降系数为0.35的平方根升余弦函数。/4-CQPSK调制方式4数学模型如下: x(t)=p(t)ej0k=-kh(t-kT) (1) 式中:x(t)为已调信号;p(t

9、)定义如下: k39N,k=0 (2) 表1 /4-CQPSK调制 数据符号调制符号k 00(1+j0) ejk/4 01(0+j1) ejk/4 11(-1+j0) ejk/4 10(0-j1) ejk/4 相对于常用的QPSK调制方式可以较好地改善调制信号的峰均比,提高功率放大器的功率效率,削减带外功率辐射,大大便利功率放大器的设计。 2.2 帧结构 移动卫星通信系统采纳TDMA多址方式,在物理层信号以TDMA帧的形式进行传输,考虑到与地面GSM网手持终端的兼容性,帧格式分为巨帧、超帧、复帧、帧(frame)、时隙,其组成与地面GSM网的帧结构相同。 3 卫星通信信令结构 信令是指在通信系

10、统中除用户的业务数据之外的一切限制信息与状态信息。在卫星移动通信系统中,移动终端与卫星中继通过S-Um口进行信息传输,其信令交换运用图2的3层协议结构即物理层(L1)、数据链路层(L2)和网络层(L3)。其中,数据链路层(L2)由于运用卫星信道,其信道模型与地面GSM系统有着本质区分,LAPSat可以同时支持确认和非确认模式的数据传输。L3层协议层主要完成电路交换连接的建立、保持和终止,并供应短信限制以及补充业务的必要支持。L3层又细分为以下子层:无线资源管理层(RR)、移动管理层(MM)和连接管理层(CM)(包括呼叫限制(CC)、补充业务(SS)、短信息业务(SMS)。 图2 卫星移动通信系

11、统信息传输3层模型 3.1 网络层协议栈 L3层的信令传输由协议限制实体来实现传输功能,RR层和MM层还定义了L3层信令传输的其他功能,如信息复用和分割。RR层和MM层通过信息头PD来识别信号,详细流程如图3所示。 图3 卫星移动通信L3层协议栈 上行信号:首先CM子层定义一个传输标识(TI),作为信息头的一部分,将限制信息,补充信息以及短信息分别加上一个TI头传送给MM层,MM层的传输函数将带有不同传输标识的CC,SS,SMS信息复用,并添加协议标识(PD),上行传输给RR层,RR层的传输函数依据不同的PD头以及相应的信道配置将不同的信息通过各自的接入点(SAPI)传送给对应的物理信道。双音

12、接收系统(DTRS)实体运用同样的传输函数将双音多频信号(DTMF)传输给RR层实体。RR实体在接入点(SAPI)等于2处检测快速随路限制信道(FACCH)上的数据链路连接是否存在,假如存在,则运用数据链路(DL)连接,否则通过接入点(SAPI)等于0进行数据传输,信息以bit流的形式在定义的各种逻辑信道上进行物理层的传输。当RR连接不存在时,RR实体则终止数据传输。 下行信号:RR层依据协议标识(PD)头将从L2中层不同接入点获得的信息进行分割并安排给不同的子层,(但分割时保留PD头,以便后续MM层接着运用)。其他的RR信息和DTRS信息则通过各自的接入点MNRR-SAP,DTRS-SAP传

13、送给MM层。MM层再通过识别不同的TI,将不同的信息通过各自的MM层接入点传送给CM的各个功能子层(即限制业务子层、补充业务子层、短信息业务子层)。 3.2 逻辑信道配置 在L3层的协议栈里,信令最终以帧的形式在物理信道上传输,依据不同信令运用的频段和时隙的不同,将物理信道划分为多个逻辑信道。与GSM系统的逻辑信道不同,卫星移动通信信道主要分为两大类5:用于传输用户编码语音和数据的卫星业务信道(S-TCH),以及卫星限制信道(S-CCH)。 卫星业务信道(S-TCH):包括全码率业务信道(S-TCH/F),信息速率为24 Kb/s;半码率业务信道(S-TCH/H),信息速率为12 Kb/s;1

14、/4码率限制信道(S-TCH/Q),信息速率为6 Kb/s;1/8码率限制信道,信息速率为3 Kb/s。可依据详细的语音和数据量的大小来安排所用信道。 卫星限制信道(S-CCH):包括卫星广播限制信道(S-BCCH)、卫星公共限制信道(S-CCCH)、卫星专用限制信道(S-DCCH)。其中,卫星专用限制信道又包括独立限制信道和随路限制信道。随路限制信道分为慢速随路限制信道(S-SACCH)和快速随路限制信道(S-FACCH),通常不能独立运用,而是联合其他限制信道一起运用。上述三种限制信道通过运用不同的帧格式来将信息组帧传输。 (1) S-BCCH包括同步信道(S-SCH)、卫星广播限制信道(

15、S-BCCH)、卫星波束广播信道(S-BBCH),主要传输系统信息等信令。 (2) S-CCCH包括卫星呼叫信道(S-PCH)、卫星随机接入信道(S-RACH)、卫星接入授权信道(S-AGCH)等。在此信道上主要传输呼叫恳求、信道恳求、签权、同步信道信息、马上指配吩咐等信令。 (3) S-DCCH与S-ACCH,主要用于信道上点对点的信息交换,以通用的帧格式在信道上传输。主要传输安排吩咐,安排响应、信道模式修改及响应、加密模式及响应等信令。 4 卫星移动通信呼叫模型 信令在保证通信正常进行起着关键作用,在卫星移动通信系统中涉及的信令许多,L3层各子层涉及的信令总结如下: RR层包括信道恳求、呼

16、叫恳求、信道建立、加密模式及响应、信道安排与切换、信道释放、RR层状态信息,以及状态诊断信息(包括卫星波束信息,电源限制信息,版本信息以及各种错误信息等)。 MM层包括注册信息(包括身份注册与位置更新)、平安信息(包括鉴权,身份认证与临时身份安排)、连接管理信息、MM层与CM层状态信息。 CM层包括CM业务恳求信息、呼叫建立、呼叫过程、拆链、状态信息(包括拥塞状态,DTMF等)。 上述信令在进行信令传输时遵循通用的信令格式6-8,如表2所示。 表2 信令格式 87654321 TI或SIPDoctet1 信息类型octet2 其他信息单元etc 表中信令的第一个字节属于标识头部分,高4位为传输

17、标识,低4位为协议标识,用来区分运用不同协议的信令。其次字节标识信令类型,剩余字节为详细的信息单元。这些信令在移动通信过程中主要完成呼叫、位置更新、信关站间及内部的切换、定向重试、短信息等业务。在卫星移动通信系统中运用的上述基本流程与陆地蜂窝GSM系统的流程类似,但由于运用卫星作为中继,信号传播延时大9-10等缘由,又有它的特别之处,比如呼叫重建功能不再适用本系统,利用卫星中继的优势在信令中增加了GPS信息等。针对移动通信系统,设计呼叫模型如图4所示,其流程主要是,移动终端首先发出信道恳求吩咐,中继卫星接收到信号之后进行透亮转发,将信令转发给信关站,信关站限制中心对信令进行分析,并对移动用户做

18、出响应,向地面网中的被呼叫用户发出吩咐,被呼叫用户接收到吩咐后做出响应,并发出相关恳求吩咐给信关站的限制中心,通过卫星中继转发给地面发出呼叫的移动用户,经过一系列的恳求,吩咐与响应之后,最终在呼叫用户与地面网的被呼叫用户建立连接,连接完成之后,进行呼叫进程。 图4 卫星移动通信系统呼叫模型 5 结 语 卫星移动通信在技术和成本上具有高可用性和高性价比的优势,它以其覆盖广,通信容量大,通信距离远,不受地理环境限制,质量优,经济效益高等优点,已成为信息化的主要支柱之一。但是我国目前采纳的卫星移动通信系统均来源于国外,卫星通信的很多核心技术也为国外全部,因此建设我国自主的卫星移动通信系统意义重大,且

19、势在必行。 本文所提出的卫星移动通信系统体系架构对于国内建设卫星移动通信系统具有肯定的借鉴意义。基于此通信系统的呼叫模型为后续卫星通信系统的应用供应了参考价值。 参考文献 1马冲,左鹏,王振华.Inmarsat系统及其在突发事务中的应用J.数字通信世界,2022(6):31-35. 2NELSON, JEFFREY M. Future integrated architecture(FIA): a proposed space-internetworking architecture for future operationsR/OL. 2022-09-01. . 3GIAMBENE G, M

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