卫星移动通信系统体系设计及应用模型

伴随通信系统“天地一体化”技术体系的推广，移动通信正朝着无缝覆盖的趋势发展，卫星移动通信覆盖面广的特点使其成为地面移动通信的必要补充。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)系统以及提供全球覆盖的国际海事卫星(Inmasrsat)系统等。Inmasrsat由国际海事组织经营，使用该系统的国家已超过160个，用户达29万多个，其第4代系统BGAN是第1个通过手持终端向全球同时提供话音和宽带数据的移动通信系统，也是第1个提供数据速率证的移动卫星通信系统。因此这里提出卫星移动通信系统设计及其应用模型。

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很多因素的影响，如大气吸收、对流层闪烁、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重，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可靠性的主要因素。在进行卫星通信系统设计时要采取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。

    图中，S-Um接口为移动终端与地面信关站使用卫星信道通过卫星中继进行信号的传输：Abis接口为地面信关站与信关站收发信机的接口；A接口为地面移动网交换中心与信关站的接口。

2 卫星移动通信系统通信体制
2．1 帧结构
    移动卫星通信系统采用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(hyperframe)，超帧(superframe)，复帧(multiframe)，帧(frame)，时隙(timeslot)。
2．2 调制方式
    无论是业务信道还是控制信道，本系统均采用相同的调制方式，与GSM系统不同，本系统采用π／4-CQPSK(coherent quadrature phase shift keying)调制机制，其成型滤波采用滚降系数为0．35的平方根升余弦函数。相对于常用的OPSK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，减少带外功率辐射，极大方便功率放大器的设计。

3 卫星通信信令结构
    信令指在通信系统中除用户的业务数据之外的一切控制信息与状态信息。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，其信令交换使用图2所示的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)由于使用卫星信道，其信道模型与地面GSM系统有本质区别，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，并提供短信控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)，其中连接管理层又包括呼叫控制(CC)，补充业务(SS)，短信息业务(SMS)。

3．1 网络层协议栈
    L3层的信令传输由协议控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。其具体流程如图3所示。

    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，将控制信息，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层的传输函数根据不同的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，双音接收系统(DTRS)实体使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)=2处检测快速随路控制信道(FACCH)上的数据链路连接是否存在，如果存在，则使用数据链路(DL)连接，否则通过接入点(SAPI)=0进行数据传输，信息以比特流的形式在定义的各种逻辑信道上进行物理层传输。当RR连接不存在时，RR实体则终止数据传输。
    下行信号：RR层根据协议标识(PD)头将从L2层不同接入点获得的信息进行分割并分配给不同的子层，(但分割时保留PD头，以便后续MM层继续使用)。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(即控制业务子层、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，根据不同信令使用的频段和时隙不同，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2类：用于传输用户编码语音和数据的卫星业务信道(S-TCH)以及卫星控制信道(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)，信息速牢勾12 Kb／s；1／4码率控制信道(S-TCH／Q)，信息速率6 Kb／s；1／8码率控制信道，信息速率为3 Kb／s。可根据具体的语音和数据量的大小来分配所用信道。
    卫星控制信道(S-CCH)包括卫星广播控制信道(S-BCCH)，卫星公共控制信道(S-CCCH)，卫星专用控制信道(S-DCCH)。其中卫星专用控制信道又包括独立控制信道和随路控制信道。随路控制信道分为慢速随路控制信道(S-SACCH)和快速随路控制信道(S-FACCH)，通常不能独立使用，而是联合其他控制信道一起使用。上述3种控制信道通过使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)，卫星广播控制信道(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请求、信道请求、签权、同步信道信息、立即指配命令等信令。
    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，主要传输分配命令，分配响应、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的进行起着关键作用，在卫星移动通信系统中涉及的信令很多，L3层各子层涉及的信令总结如下：
    1)RR层 信道请求，呼叫请求，信道建立，加密模式及相应，信道分配与切换，信道释放，RR层状态信息，已经状态诊断信息(包括卫星波束信息、电源控制信息、版本信息以及各种错误信息等)。
    2)MM层 注册信息(包括身份注册与位置更新)，安全信息(包括鉴权、身份认证与临时身份分配)，连接管理信息，MM层与CM层状态信息。
    3)CM层 CM业务请求信息，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，如图4所示。

    图4中信令的第一个字节属于标识头部分，高4位为传输标识，低4位为协议标识，用来区分使用不同协议的信令。第二字节标识信令类型，剩余字节为具体的信息单元。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使用的上述基本流程与陆地蜂窝GSM系统的流程类似，但由于使用卫星作为中继，信号传播延时大，又其特殊性，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巾增加了GPS信息等。针对移动通信系统，设计呼叫模型如图5所示，其流程主要是，移动终端首先发出信道请求命令，中继卫星接收到信号之后进行透明转发，将信令转发给信关站，信关站控制中心对信令进行分析对移动用户做出响应，并向地面网中的被呼叫用户发出命令，被呼叫用户接收到命令后做出响应，并发出相关请求命令给信关站的控制中心，通过卫星中继转发给地面发出呼叫的移动用户，经过一系列的请求、命令与响应之后，最终在呼叫用户与地面网的被呼叫用户之间建立连接，连接完成之后，进行呼叫进程。

5 结论
    卫星移动通信业务与地面通信业务的有机结合能够更大程度地开辟通信业务的市场空间，同时为社会应急、紧急救灾、偏远山区的农村通信做出重大贡献。但是我国目前采用的卫星移动通信系统均来源于国外，卫星通信的许多核心技术也为国外所有，因此建设我国自主的卫星移动通信系统意义重大，且势在必行。
    本文所提出的卫星移动通信系统体系架构、调制方式、信号速率、使用频率及编码率等的选择，可以较好地应对卫星信道高延时、多径衰落、雨衰等严重问题，以适用于卫星移动通信，此系统对于国内建设卫星移动通信系统具有一定的借鉴意义。文中的信令结构为此系统的呼叫模型的建立提供了理论基础。本文提出的呼叫模型作为系统的应用模型，为后续的卫星通信系统的实际应用提供了参考价值。