衛星通信無線寬帶接入技術研究

摘 要:無線接入技術是無線通信系統的核心技術之一，也是實現衛星組網，提高航天信息系統效率的關鍵技術。基于對當前衛星移動通信系統和地面移動通信系統的無線接入技術的現狀分析，指出衛星移動通信無線接入面臨的六大問題和發展趨勢;提出基于連接標識的面向連接的衛星移動通信無線接口技術方案。該方案實現復雜度低，靈活性高，適應多種物理層技術，擴展性強，并且針對每一個業務連接具有不同的QoS保證。關鍵詞:衛星移動通信; 無線接入技術; 多媒體業務;QoS

中圖分類號:TN927-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0076-05

Satellite Communication Wireless Broadband Access Technology

ZHANG Miao-ke

(Shaanxi Institure of Education， Xi’an 710061， China)

Abstract: Wireless access technology is one of the core technologies of wireless communication systems and also is the key technology for forming satellite network and improving the efficiency of aerospace information system. Based on the analysis of current wireless access technologies of satellite mobile communication systems and terrestrial mobile communication systems， six problems and development trends of satellite mobile communication wireless access are presented at first. Then a connection-oriented technology solution of satellite mobile communication wireless access based on connection identifier is proposed. This solution is easy to implement， more flexible， adapting to a variety of physical layer technology and expandable. Meanwhile， it can guarantee different QoS for different traffic.Keywords: satellite mobile communication; wireless access technology; multimedia traffic; QoS

0 引 言

衛星通信與地面通信相比具有其獨特的優勢，比如通信距離遠、覆蓋范圍廣、不受地理環境的限制等，尤其對于軍事通信有極大的優勢，這些特點使得衛星通信成為國家信息基礎建設中不可替代的部分[1]。

現代戰爭對衛星通信提出了更高的要求，需要衛星信息可以直接支持戰術應用[2]，例如:美國在近幾次戰爭中都大量使用衛星系統，通信衛星可以支持無人飛機、單兵等各類終端，使得美軍一個完整的“殺傷鏈”所需時間也由1991年海灣戰爭的3天，變為科索沃戰爭的101 min，而阿富汗戰爭下降為19 min，伊拉克戰爭更是縮短到了12 min。

衛星系統直接支持戰術應用首先需要解決衛星無線接入問題[3]，即要求衛星網絡可靈活地支持各種固定或移動用戶、QoS業務的寬帶高速接入，這是當前國際航天信息系統發展的前沿和熱點問題。

衛星無線接入技術也是實現衛星組網，提高航天信息系統效率的關鍵技術，目前，在國際上得到了廣泛的關注。在美國“銥”系統[4]、“全球星”系統[5]以及“阿拉伯移動”等系統中都得到很好的應用，但這些系統一般都是針對窄帶移動通信，主要業務是面向語音的，而針對寬帶多媒體業務的衛星系統以及相應的寬帶衛星無線接入技術，還不成熟。

與此同時，地面寬帶無線接入技術正經歷一個巨大的變革，其技術發展也將推動衛星接入技術的發展和飛躍。

地面無線通信網絡從其誕生之日起得到了迅速的發展，系統的通信能力不斷增強，支持的傳輸速率不斷提高，業務種類不斷增多，隨著各種便攜式消費電子產品如手機、個人數字助理(PDA)、筆記本電腦的普及，用戶越發迫切地要求通過無線接入提供高速的多媒體業務，目前，無線局域網技術已經得到廣泛的應用，無線城域網也正在投入市場。

因此，移動無線寬帶接入技術已成為技術發展的必然趨勢，也越來越受到人們的廣泛關注[6]。

我國目前在衛星無線接入方面研究基礎還很差，現有的衛星通信系統星上信息處理能力弱，無法保證各類移動終端的靈活接入，需積極開展星上處理技術研究，尤其是多用戶無線移動接入技術，提高星上處理的能力，是解決當前衛星系統“動中通”能力差，靈活性差等問題的關鍵。

1 無線接入技術現狀

1.1 典型衛星系統的無線接入技術

從1945年英國人A.C.克拉克提出靜止軌道衛星通信的設想至今，衛星通信已經經歷了多次革命性的發展，從簡單的點到點中繼通信的靜止軌道衛星到實現全球移動通信的低軌道衛星組網的“銥”星系統，從單一的語音通信到多媒體業務傳輸，無線接入技術的發展是關鍵因素之一。

最典型的衛星星座通信系統是Iridium系統和Globalstar系統，兩個系統都是窄帶通信系統，主要以語音和低速數據業務為主。Iridium的無線接入技術是基于美國的第二代移動通信系統AMPS設計的，采用TDMA多址接入方式，與GSM技術類似[4]。Globalstar的無線接入技術采用的是第二代移動通信系統的IS-95標準，采用CDMA多址接入方式[5]。比較典型的同步軌道移動通信系統有Inmarsat、Aces和Thuraya等，這些系統都是以語音和中低速數據業務為主，采用電路交換方式，多址接入方式采用MF-TDMA。

目前已有的衛星移動通信系統由于設計的時間較早，主要針對語音通信和低速數據業務，無線接入技術主要是參照地面的2G移動通信系統。

1.2 地面系統無線接入技術的發展趨勢

由于巨大的市場需求的推動，地面無線通信系統的發展非常迅速，目前主要有以下三個發展方向。

1.2.1 蜂窩移動通信系統

蜂窩移動通信系統是目前使用最為廣泛的移動通信系統，目前已經發展到第三代系統。2G移動通信網絡是以GSM和IS-95兩大系統為代表的，GSM系統的空中接口基于TDMA方式，IS-95系統的空中接口基于窄帶CDMA方式。兩者的共同特點是以窄帶語音通信為主、基于電路交換方式，整個用戶無線接口的設計與采用的多址方式緊密聯系，這種設計使得系統的靈活性很差，不能適應基于分組數據的多媒體綜合業務傳輸的要求。3G標準是對2G系統性能的進一步擴展。

目前主要技術標準分別是在GSM基礎上的WCDMA、在IS-95基礎上的CDMA2000和中國自主提出的TD-SCDMA[7]。3G標準的無線接口設計在2G標準基礎上增加了智能天線、多用戶檢測等新技術，提高了系統容量，并且增加了多種控制信道，提高了分組數據交換和高速數據傳輸的能力。目前，這三種標準都有其發展空間。

1.2.2 無線局域網(WLAN)

無線局域網標準主要是針對局域網的無線接入制定的，即IEEE 802.11系列標準，目前已經得到廣泛應用的是IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。無線局域網通常覆蓋范圍在100 m以內。該標準的用戶接入控制以載波偵聽多址接入/沖突檢測(CSMA/CA)的分布式訪問控制方式為基礎，每個接入點只能同時接入數十個用戶，并且不具有QoS保證。

1.2.3 無線城域網(WMAN)

IEEE 802.16無線城域網技術是針對寬帶無線接入而制定的，以數據分組業務為基礎的網絡[8-9]。該接口標準的MAC層采用TDMA多址方式，下行采用TDM方式，支持面向連接的業務，很容易支持多播和廣播業務，并且提供了靈活的QoS保證機制，具有動態帶寬分配能力，能夠為不同業務提供差異化服務，滿足多類型業務傳輸的需求。因此，該技術被認為是邁向4G的重要一步。

目前，地面通信系統的發展還沒有統一的標準，各種標準都在不斷的改進與完善中，在未來很長的時間內都將是各類系統共存的局面。

2 衛星移動通信無線接入面臨的問題

我國衛星移動通信無線接入技術面臨以下幾個問題。

2.1 缺乏衛星移動通信無線接口標準

衛星通信系統目前還沒有形成業界共同認可的無線接口標準。在UMTS/IMT-2000的衛星部分提出了6種提案，分別是歐洲ESA的寬帶CDMA衛星系統SW-CDMA，歐洲ESA的混合寬帶CDMA/TDMA衛星系統SW-CTDMA，ICO全球通信公司的ICORTT，INMARSAT 的Horizons系統，Iridium LLC公司的I-OLLC RTT，韓國TTA的SAT-CDMA衛星系統。由于衛星系統與地面通信系統相比有其特殊性，衛星系統的投資很大，技術專屬性強，各國在衛星系統的研制方面存在很大的差異，因此，很難形成一個統一的標準。我國必須自主研究，形成我國自主的衛星通信系統的無線接入技術規范。

2.2 多媒體綜合業務傳輸

衛星移動通信系統的發展方向是要支持多媒體綜合業務的傳輸，除傳統的語音通信外，數據業務將占有越來越大的比例，尤其是對于軍用移動通信系統，各類數據業務將占相當大的比例。這就需要衛星移動通信系統的無線接口必須提供靈活的QoS保證機制，具有動態帶寬分配能力，能夠為不同業務提供差異化服務，保證不同業務的QoS要求，滿足多媒體綜合業務傳輸的需求，并且由于星載系統處理能力有限，無線接口設計必須簡單、高效。

2.3 與地面2G/3G系統的兼容性

由于衛星系統與地面系統存在固有的差別，過于注重衛星系統與地面系統的兼容性將增加衛星系統的設計與實現難度，降低衛星系統性能。而隨著目前各種新型無線網絡技術的不斷發展，地面移動通信系統正面臨著重大的轉變:以WIMAX為代表的新型無線接入方案得到極大的發展，成為未來(4G)移動通信主要的選擇之一。因此，對于衛星移動通信系統的無線接口應該是借鑒地面系統的設計思想，并注重地面技術的發展趨勢，結合衛星移動通信的特點進行設計，而不必過于強調與2G/3G的兼容性。

2.4 無線接入與路由交換的有機結合

由于衛星通信，尤其是中低軌衛星組成的星座通信系統與普通的地面基站和路由交換器都不完全相同，地面移動通信系統的基站與核心網的路由器交換機一般是兩個獨立的設備，而對于星座通信系統中的每顆衛星的有效通信載荷需要同時實現用戶的無線接入和星間的路由交換功能，因此，在設計中應該將用戶無線接入與網絡路由交換有機地結合起來。

2.5 衛星多波束天線

采用多波束天線是實現衛星移動通信的一個關鍵技術，Globalstar采用16波束的天線，Iridium采用48波束的天線，而同步軌道衛星系統Aces具有140個波束，Thuraya更是達到250個波束以上。可見，衛星移動通信的發展趨勢是進一步提高多波束天線的增益，以支持更高的傳輸速率和更好的用戶移動性。單顆衛星天線波束的不斷增加給用戶無線接口的設計與實現增加了難度，與地面系統單基站對應單小區的情況不同，受星上體積、功耗的限制，需要一塊用戶無線接口板能夠處理N(N≥1)個波束內的用戶接入，并且為適應多波束天線技術的發展，用戶無線接口的設計應具有一定的靈活性與可擴展性，即N可以靈活改變。

2.6 波束間頻繁切換

與地面蜂窩系統不同，低軌道星座通信系統由于其高動態性以及采用多波束天線，使得用戶在波束間的切換相當頻繁[10]。因此，如何有效處理波束間頻繁的用戶切換是用戶無線接口設計必須考慮的又一重點。

3 設計方案

3.1 不同技術方案比較

目前已有的衛星移動通信系統和提出的計劃基本都是2000年以前的，因此這些系統基本上是基于地面蜂窩系統2G或3G的。為了保證3G系統對2G的向下兼容性，3G系統必須沿著2G的基本體系結構進行設計，無線接口是電路交換的，因此在保證不同業務的區分QoS要求方面能力不足、靈活性差，尤其不能很好地適應分組數據業務的傳輸，并且無線接口設計是基于信道化的，使得無線鏈路層設計與實現復雜度很高。

無線城域網技術IEEE 802.16e-2005標準是針對寬帶無線接入制定的，采用連接標識(CID)來區分不同用戶的管理控制消息和業務，相當于通過CID構成了不同的邏輯信道，與2G/3G系統中物理信道與邏輯信道之間復雜的映射相比，無線接口的設計與實現得以簡化、靈活性更大，并且通過CID與服務流的映射，實現了為不同業務提供不同的QoS保證。如圖1所示，給出了兩種技術標準的比較。

圖1 2G/3G與IEEE 802.16的比較

通過比較可以看出，IEEE 802.16采用基于連接標識的面向連接的無線接口技術，與2G/3G系統采用基于信道映射的方式相比，具有技術實現復雜度低、靈活性高、適應多種物理層技術、擴展性強等優點，并且針對每一個業務連接具有不同的QoS保證。因此，對于星載系統，采用IEEE 802.16面向連接的無線接口技術能夠在星載資源有限的情況下較好地實現多業務、多用戶的無線寬帶接入。

3.2 設計方案

為適應未來衛星移動通信傳輸多媒體綜合業務的需求，無線接口方案設計參考IEEE 802.16寬帶無線接入技術標準，借鑒其基于(CID)的面向連接的無線接口技術，并結合衛星通信的特點。

用戶鏈路接口單元的主要功能分為控制層面和數據層面，如圖2所示。

控制層面完成鏈路層復雜的協議與信令處理功能，由于軟件在實現復雜的邏輯控制功能方面具有優勢，控制層面功能在接口單元上主要通過基于嵌入式CPU的協議/信令處理軟件模塊完成。數據層面主要完成鏈路層數據幀的快速收發處理，考慮到硬件在處理速度上的優勢，這部分使用FPGA硬件實現。

圖2 用戶無線接口設計

3.2.1 控制層面

控制層面主要由協議/信令處理模塊組成，完成用戶入網注冊過程、用戶接入過程、用戶切換過程以及CID管理與分配等功能，如圖3所示。

圖3 用戶無線接口協議/信令處理模塊

協議/信令處理模塊工作流程如下:

(1) 根據協議不斷進行CID列表的維護，通過管理CID實現對信道資源的管理;

(2) 用戶入網注冊獲得管理CID;

(3) 進行業務傳輸時，用戶通過相應的接入策略接入，星載交換機按照資源分配策略為用戶分配信道資源，開始業務傳輸;

(4) 業務過程中發生切換，按照切換控制策略完成用戶切換處理過程。如果是鏈路層切換，則在接口單元上直接完成;如果是網絡層切換，則與網絡層主控單元協同完成。

3.2.2 數據層面

數據層面主要完成MAC幀分段與重組、MAC幀解析與分類鑒別等功能。

3.3 方案的特點

針對多用戶無線接入，采用面向連接的無線接入設計方案，通過為無線業務分配不同的連接標志符，實現業務在鏈路層的有效QoS調度與管理，降低了設計與實現的復雜度，解決了在星上處理和存儲資源有限的條件下實現多業務、多用戶無線接入的難題。

針對衛星特有的多波束天線，采用一塊接口單元對應N(N≥1)個波束的方式，將N個波束看作一個整體，并采用統一的CID來區分這些波束內的所有用戶連接。因此，每塊用戶接口單元對應的波束數N可以根據實際系統的需要靈活地調節，使得系統設計具有良好的可擴展性。另外，可以比較容易地實現用戶在這N個波束內的切換控制和N個波束內資源的動態分配。

針對衛星波束內或相鄰波束間相互通信量大的特點，采用獨特的鏈路層快速交換設計，通過簡單的基于CID交換的方式來實現同一接口單元內用戶通信數據的快速交換。這種設計可以降低整個通信載荷主控CPU的負荷和用戶接口單元與主控單元之間數據接口的負荷，從而提高整個星載通信載荷的吞吐量。

4 關鍵技術

前述針對衛星移動通信無線接口設計，簡單給出了方案，除了無線接口體系結構設計與實現方面，在媒體接入控制協議、無線資源管理方面還存在一些需要突破的關鍵技術。

4.1 MAC協議

IEEE 802.16標準僅定義了幾種支持的上行鏈路調度機制，可以通過不同的組合來優化系統性能。衛星通信系統在鏈路時延、信道特性、業務類型等方面都與地面系統不同，因此，需要針對衛星移動通信的特點研究簡單、高效的衛星MAC協議。

4.2 無線資源管理

無線資源管理(RRM)對于無線通信系統的QoS保證起著主要作用。RRM技術的性能直接影響到每一個用戶的性能和這個網絡的性能。呼叫接入控制(CAC)、切換控制算法、帶寬分配算法是其中的關鍵技術。

最近20年來，對于CAC算法和帶寬分配算法的研究很多，但在一定程度上都有局限性，主要體現在多媒體業務建模上。CAC的決策依賴于精確的網絡剩余帶寬估計，而剩余帶寬估計又需要對網絡業務的精確建模。分組交換無線網絡中的多媒體業務建模問題目前并沒有完全解決。尤其是多媒體綜合業務中的VBR業務的不確定性給資源分配帶來了挑戰，需要研究一種連接級與應用級結合的QoS業務模型以及動態CAC策略和帶寬分配算法。

對于低軌道星座通信系統，切換算法是影響系統性能的一個關鍵因素，其目的就是降低切換失敗概率，基本技術包括Guard Channel，Handoff Queuing，Predictive Reservation。低軌衛星的高動態性使得切換排隊的性能遠低于地面系統，而多媒體綜合業務的復雜性使得現有的保護信道策略很難預留最佳的保護帶寬，基于預測的預留方法是在LEO系統中研究最多的，一般的方法是用戶進入小區i時，就在小區i+1內預留信道，更準確的方法是根據用戶的位置(相當于時間)，當用戶在小區i內距離到達小區i+1 一定的時間時在小區i+1內預留信道。對于高動態的LEO衛星系統，用戶切換頻繁，該方法需要大量的小區間/衛星間關于信道預約/釋放的通信，且基于時間預測的方法還需要精確的用戶定位，實現復雜度較大。 因此，還需要進一步研究針對多媒體綜合業務的低軌道移動通信系統的切換控制技術。

5 結 語

目前，存在多種地面移動通信系統，其不同之處主要是采用的無線接入技術不同，無線接入技術是無線通信系統的核心技術之一。

本文分析了目前衛星移動通信系統和地面移動通信系統的無線接入技術的現狀，指出衛星移動通信無線接入面臨以下幾個問題:

(1) 缺乏衛星移動通信無線接口標準，需要形成我國自主的衛星通信系統的無線接入技術規范;

(2) 衛星移動通信系統的無線接口必須支持多媒體綜合業務傳輸;

(3) 與地面2G/3G系統的兼容性問題，衛星移動通信系統的無線接口應該是借鑒地面系統的設計思想，結合衛星移動通信的特點進行設計，而不必過于強調與地面系統的兼容性;

(4) 星載通信載荷的設計應該將無線接入與路由交換有機地結合;

(5) 一塊用戶無線接口板應該能夠靈活地處理N(N≥1)個波束內的用戶接入;

(6) 衛星移動通信系統的無線接口必須能夠有效處理波束間頻繁的用戶切換。

在此基礎上，本文提出了采用基于連接標識的面向連接的衛星移動通信無線接口技術方案，該方案借鑒IEEE 802.16無線城域網技術的思想，并針對衛星移動通信系統的獨特特點進行設計，具有技術實現復雜度低、靈活性高、適應多種物理層技術、擴展性強等優點，并且針對每一個業務連接具有不同的QoS保證。對于星載系統，能夠在星載資源有限的情況下較好地實現多業務、多用戶的高速接入。

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