衛(wèi)星通信無線寬帶接入技術(shù)研究

摘 要:無線接入技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)，提高航天信息系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)。基于對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線接入技術(shù)的現(xiàn)狀分析，指出衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接入面臨的六大問題和發(fā)展趨勢(shì);提出基于連接標(biāo)識(shí)的面向連接的衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接口技術(shù)方案。該方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，靈活性高，適應(yīng)多種物理層技術(shù)，擴(kuò)展性強(qiáng)，并且針對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)連接具有不同的QoS保證。關(guān)鍵詞:衛(wèi)星移動(dòng)通信; 無線接入技術(shù); 多媒體業(yè)務(wù);QoS

中圖分類號(hào):TN927-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(wèi)星通信與地面通信相比具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、不受地理環(huán)境的限制等，尤其對(duì)于軍事通信有極大的優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)使得衛(wèi)星通信成為國(guó)家信息基礎(chǔ)建設(shè)中不可替代的部分[1]。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)衛(wèi)星通信提出了更高的要求，需要衛(wèi)星信息可以直接支持戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用[2]，例如:美國(guó)在近幾次戰(zhàn)爭(zhēng)中都大量使用衛(wèi)星系統(tǒng)，通信衛(wèi)星可以支持無人飛機(jī)、單兵等各類終端，使得美軍一個(gè)完整的“殺傷鏈”所需時(shí)間也由1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的3天，變?yōu)榭扑魑謶?zhàn)爭(zhēng)的101 min，而阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)下降為19 min，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)更是縮短到了12 min。

衛(wèi)星系統(tǒng)直接支持戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用首先需要解決衛(wèi)星無線接入問題[3]，即要求衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靈活地支持各種固定或移動(dòng)用戶、QoS業(yè)務(wù)的寬帶高速接入，這是當(dāng)前國(guó)際航天信息系統(tǒng)發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)問題。

衛(wèi)星無線接入技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)，提高航天信息系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)，目前，在國(guó)際上得到了廣泛的關(guān)注。在美國(guó)“銥”系統(tǒng)[4]、“全球星”系統(tǒng)[5]以及“阿拉伯移動(dòng)”等系統(tǒng)中都得到很好的應(yīng)用，但這些系統(tǒng)一般都是針對(duì)窄帶移動(dòng)通信，主要業(yè)務(wù)是面向語(yǔ)音的，而針對(duì)寬帶多媒體業(yè)務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)以及相應(yīng)的寬帶衛(wèi)星無線接入技術(shù)，還不成熟。

與此同時(shí)，地面寬帶無線接入技術(shù)正經(jīng)歷一個(gè)巨大的變革，其技術(shù)發(fā)展也將推動(dòng)衛(wèi)星接入技術(shù)的發(fā)展和飛躍。

地面無線通信網(wǎng)絡(luò)從其誕生之日起得到了迅速的發(fā)展，系統(tǒng)的通信能力不斷增強(qiáng)，支持的傳輸速率不斷提高，業(yè)務(wù)種類不斷增多，隨著各種便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品如手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、筆記本電腦的普及，用戶越發(fā)迫切地要求通過無線接入提供高速的多媒體業(yè)務(wù)，目前，無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，無線城域網(wǎng)也正在投入市場(chǎng)。

因此，移動(dòng)無線寬帶接入技術(shù)已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也越來越受到人們的廣泛關(guān)注[6]。

我國(guó)目前在衛(wèi)星無線接入方面研究基礎(chǔ)還很差，現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)星上信息處理能力弱，無法保證各類移動(dòng)終端的靈活接入，需積極開展星上處理技術(shù)研究，尤其是多用戶無線移動(dòng)接入技術(shù)，提高星上處理的能力，是解決當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)“動(dòng)中通”能力差，靈活性差等問題的關(guān)鍵。

1 無線接入技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 典型衛(wèi)星系統(tǒng)的無線接入技術(shù)

從1945年英國(guó)人A.C.克拉克提出靜止軌道衛(wèi)星通信的設(shè)想至今，衛(wèi)星通信已經(jīng)經(jīng)歷了多次革命性的發(fā)展，從簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)中繼通信的靜止軌道衛(wèi)星到實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信的低軌道衛(wèi)星組網(wǎng)的“銥”星系統(tǒng)，從單一的語(yǔ)音通信到多媒體業(yè)務(wù)傳輸，無線接入技術(shù)的發(fā)展是關(guān)鍵因素之一。

最典型的衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)是Iridium系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)都是窄帶通信系統(tǒng)，主要以語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。Iridium的無線接入技術(shù)是基于美國(guó)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)AMPS設(shè)計(jì)的，采用TDMA多址接入方式，與GSM技術(shù)類似[4]。Globalstar的無線接入技術(shù)采用的是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的IS-95標(biāo)準(zhǔn)，采用CDMA多址接入方式[5]。比較典型的同步軌道移動(dòng)通信系統(tǒng)有Inmarsat、Aces和Thuraya等，這些系統(tǒng)都是以語(yǔ)音和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)的時(shí)間較早，主要針對(duì)語(yǔ)音通信和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無線接入技術(shù)主要是參照地面的2G移動(dòng)通信系統(tǒng)。

1.2 地面系統(tǒng)無線接入技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于巨大的市場(chǎng)需求的推動(dòng)，地面無線通信系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速，目前主要有以下三個(gè)發(fā)展方向。

1.2.1 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代系統(tǒng)。2G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是以GSM和IS-95兩大系統(tǒng)為代表的，GSM系統(tǒng)的空中接口基于TDMA方式，IS-95系統(tǒng)的空中接口基于窄帶CDMA方式。兩者的共同特點(diǎn)是以窄帶語(yǔ)音通信為主、基于電路交換方式，整個(gè)用戶無線接口的設(shè)計(jì)與采用的多址方式緊密聯(lián)系，這種設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的靈活性很差，不能適應(yīng)基于分組數(shù)據(jù)的多媒體綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊蟆?G標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)2G系統(tǒng)性能的進(jìn)一步擴(kuò)展。

目前主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別是在GSM基礎(chǔ)上的WCDMA、在IS-95基礎(chǔ)上的CDMA2000和中國(guó)自主提出的TD-SCDMA[7]。3G標(biāo)準(zhǔn)的無線接口設(shè)計(jì)在2G標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增加了智能天線、多用戶檢測(cè)等新技術(shù)，提高了系統(tǒng)容量，并且增加了多種控制信道，提高了分組數(shù)據(jù)交換和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑＤ壳埃@三種標(biāo)準(zhǔn)都有其發(fā)展空間。

1.2.2 無線局域網(wǎng)(WLAN)

無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)局域網(wǎng)的無線接入制定的，即IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的是IEEE 802.11b和IEEE 802.11g。無線局域網(wǎng)通常覆蓋范圍在100 m以內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)的用戶接入控制以載波偵聽多址接入/沖突檢測(cè)(CSMA/CA)的分布式訪問控制方式為基礎(chǔ)，每個(gè)接入點(diǎn)只能同時(shí)接入數(shù)十個(gè)用戶，并且不具有QoS保證。

1.2.3 無線城域網(wǎng)(WMAN)

IEEE 802.16無線城域網(wǎng)技術(shù)是針對(duì)寬帶無線接入而制定的，以數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)[8-9]。該接口標(biāo)準(zhǔn)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(yè)務(wù)，很容易支持多播和廣播業(yè)務(wù)，并且提供了靈活的QoS保證機(jī)制，具有動(dòng)態(tài)帶寬分配能力，能夠?yàn)椴煌瑯I(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)，滿足多類型業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨蟆Ｒ虼耍摷夹g(shù)被認(rèn)為是邁向4G的重要一步。

目前，地面通信系統(tǒng)的發(fā)展還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種標(biāo)準(zhǔn)都在不斷的改進(jìn)與完善中，在未來很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都將是各類系統(tǒng)共存的局面。

2 衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接入面臨的問題

我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接入技術(shù)面臨以下幾個(gè)問題。

2.1 缺乏衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接口標(biāo)準(zhǔn)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前還沒有形成業(yè)界共同認(rèn)可的無線接口標(biāo)準(zhǔn)。在UMTS/IMT-2000的衛(wèi)星部分提出了6種提案，分別是歐洲ESA的寬帶CDMA衛(wèi)星系統(tǒng)SW-CDMA，歐洲ESA的混合寬帶CDMA/TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)SW-CTDMA，ICO全球通信公司的ICORTT，INMARSAT 的Horizons系統(tǒng)，Iridium LLC公司的I-OLLC RTT，韓國(guó)TTA的SAT-CDMA衛(wèi)星系統(tǒng)。由于衛(wèi)星系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)相比有其特殊性，衛(wèi)星系統(tǒng)的投資很大，技術(shù)專屬性強(qiáng)，各國(guó)在衛(wèi)星系統(tǒng)的研制方面存在很大的差異，因此，很難形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)必須自主研究，形成我國(guó)自主的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的無線接入技術(shù)規(guī)范。

2.2 多媒體綜合業(yè)務(wù)傳輸

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展方向是要支持多媒體綜合業(yè)務(wù)的傳輸，除傳統(tǒng)的語(yǔ)音通信外，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占有越來越大的比例，尤其是對(duì)于軍用移動(dòng)通信系統(tǒng)，各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占相當(dāng)大的比例。這就需要衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線接口必須提供靈活的QoS保證機(jī)制，具有動(dòng)態(tài)帶寬分配能力，能夠?yàn)椴煌瑯I(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)，保證不同業(yè)務(wù)的QoS要求，滿足多媒體綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨螅⑶矣捎谛禽d系統(tǒng)處理能力有限，無線接口設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單、高效。

2.3 與地面2G/3G系統(tǒng)的兼容性

由于衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)存在固有的差別，過于注重衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的兼容性將增加衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度，降低衛(wèi)星系統(tǒng)性能。而隨著目前各種新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)正面臨著重大的轉(zhuǎn)變:以WIMAX為代表的新型無線接入方案得到極大的發(fā)展，成為未來(4G)移動(dòng)通信主要的選擇之一。因此，對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線接口應(yīng)該是借鑒地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并注重地面技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合衛(wèi)星移動(dòng)通信的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不必過于強(qiáng)調(diào)與2G/3G的兼容性。

2.4 無線接入與路由交換的有機(jī)結(jié)合

由于衛(wèi)星通信，尤其是中低軌衛(wèi)星組成的星座通信系統(tǒng)與普通的地面基站和路由交換器都不完全相同，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站與核心網(wǎng)的路由器交換機(jī)一般是兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，而對(duì)于星座通信系統(tǒng)中的每顆衛(wèi)星的有效通信載荷需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶的無線接入和星間的路由交換功能，因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該將用戶無線接入與網(wǎng)絡(luò)路由交換有機(jī)地結(jié)合起來。

2.5 衛(wèi)星多波束天線

采用多波束天線是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，Globalstar采用16波束的天線，Iridium采用48波束的天線，而同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)Aces具有140個(gè)波束，Thuraya更是達(dá)到250個(gè)波束以上。可見，衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)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(dòng)性。單顆衛(wèi)星天線波束的不斷增加給用戶無線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)增加了難度，與地面系統(tǒng)單基站對(duì)應(yīng)單小區(qū)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(gè)波束內(nèi)的用戶接入，并且為適應(yīng)多波束天線技術(shù)的發(fā)展，用戶無線接口的設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定的靈活性與可擴(kuò)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(tǒng)不同，低軌道星座通信系統(tǒng)由于其高動(dòng)態(tài)性以及采用多波束天線，使得用戶在波束間的切換相當(dāng)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(shè)計(jì)必須考慮的又一重點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 不同技術(shù)方案比較

目前已有的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和提出的計(jì)劃基本都是2000年以前的，因此這些系統(tǒng)基本上是基于地面蜂窩系統(tǒng)2G或3G的。為了保證3G系統(tǒng)對(duì)2G的向下兼容性，3G系統(tǒng)必須沿著2G的基本體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，無線接口是電路交換的，因此在保證不同業(yè)務(wù)的區(qū)分QoS要求方面能力不足、靈活性差，尤其不能很好地適應(yīng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，并且無線接口設(shè)計(jì)是基于信道化的，使得無線鏈路層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很高。

無線城域網(wǎng)技術(shù)IEEE 802.16e-2005標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)寬帶無線接入制定的，采用連接標(biāo)識(shí)(CID)來區(qū)分不同用戶的管理控制消息和業(yè)務(wù)，相當(dāng)于通過CID構(gòu)成了不同的邏輯信道，與2G/3G系統(tǒng)中物理信道與邏輯信道之間復(fù)雜的映射相比，無線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)得以簡(jiǎn)化、靈活性更大，并且通過CID與服務(wù)流的映射，實(shí)現(xiàn)了為不同業(yè)務(wù)提供不同的QoS保證。如圖1所示，給出了兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)識(shí)的面向連接的無線接口技術(shù)，與2G/3G系統(tǒng)采用基于信道映射的方式相比，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、靈活性高、適應(yīng)多種物理層技術(shù)、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且針對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)連接具有不同的QoS保證。因此，對(duì)于星載系統(tǒng)，采用IEEE 802.16面向連接的無線接口技術(shù)能夠在星載資源有限的情況下較好地實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多用戶的無線寬帶接入。

3.2 設(shè)計(jì)方案

為適應(yīng)未來衛(wèi)星移動(dòng)通信傳輸多媒體綜合業(yè)務(wù)的需求，無線接口方案設(shè)計(jì)參考IEEE 802.16寬帶無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒其基于(CID)的面向連接的無線接口技術(shù)，并結(jié)合衛(wèi)星通信的特點(diǎn)。

用戶鏈路接口單元的主要功能分為控制層面和數(shù)據(jù)層面，如圖2所示。

控制層面完成鏈路層復(fù)雜的協(xié)議與信令處理功能，由于軟件在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制功能方面具有優(yōu)勢(shì)，控制層面功能在接口單元上主要通過基于嵌入式CPU的協(xié)議/信令處理軟件模塊完成。數(shù)據(jù)層面主要完成鏈路層數(shù)據(jù)幀的快速收發(fā)處理，考慮到硬件在處理速度上的優(yōu)勢(shì)，這部分使用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)。

圖2 用戶無線接口設(shè)計(jì)

3.2.1 控制層面

控制層面主要由協(xié)議/信令處理模塊組成，完成用戶入網(wǎng)注冊(cè)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(xié)議/信令處理模塊

協(xié)議/信令處理模塊工作流程如下:

(1) 根據(jù)協(xié)議不斷進(jìn)行CID列表的維護(hù)，通過管理CID實(shí)現(xiàn)對(duì)信道資源的管理;

(2) 用戶入網(wǎng)注冊(cè)獲得管理CID;

(3) 進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，用戶通過相應(yīng)的接入策略接入，星載交換機(jī)按照資源分配策略為用戶分配信道資源，開始業(yè)務(wù)傳輸;

(4) 業(yè)務(wù)過程中發(fā)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(wǎng)絡(luò)層切換，則與網(wǎng)絡(luò)層主控單元協(xié)同完成。

3.2.2 數(shù)據(jù)層面

數(shù)據(jù)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(diǎn)

針對(duì)多用戶無線接入，采用面向連接的無線接入設(shè)計(jì)方案，通過為無線業(yè)務(wù)分配不同的連接標(biāo)志符，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)在鏈路層的有效QoS調(diào)度與管理，降低了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，解決了在星上處理和存儲(chǔ)資源有限的條件下實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多用戶無線接入的難題。

針對(duì)衛(wèi)星特有的多波束天線，采用一塊接口單元對(duì)應(yīng)N(N≥1)個(gè)波束的方式，將N個(gè)波束看作一個(gè)整體，并采用統(tǒng)一的CID來區(qū)分這些波束內(nèi)的所有用戶連接。因此，每塊用戶接口單元對(duì)應(yīng)的波束數(shù)N可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要靈活地調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有良好的可擴(kuò)展性。另外，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)用戶在這N個(gè)波束內(nèi)的切換控制和N個(gè)波束內(nèi)資源的動(dòng)態(tài)分配。

針對(duì)衛(wèi)星波束內(nèi)或相鄰波束間相互通信量大的特點(diǎn)，采用獨(dú)特的鏈路層快速交換設(shè)計(jì)，通過簡(jiǎn)單的基于CID交換的方式來實(shí)現(xiàn)同一接口單元內(nèi)用戶通信數(shù)據(jù)的快速交換。這種設(shè)計(jì)可以降低整個(gè)通信載荷主控CPU的負(fù)荷和用戶接口單元與主控單元之間數(shù)據(jù)接口的負(fù)荷，從而提高整個(gè)星載通信載荷的吞吐量。

4 關(guān)鍵技術(shù)

前述針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接口設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單給出了方案，除了無線接口體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，在媒體接入控制協(xié)議、無線資源管理方面還存在一些需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 MAC協(xié)議

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)僅定義了幾種支持的上行鏈路調(diào)度機(jī)制，可以通過不同的組合來優(yōu)化系統(tǒng)性能。衛(wèi)星通信系統(tǒng)在鏈路時(shí)延、信道特性、業(yè)務(wù)類型等方面都與地面系統(tǒng)不同，因此，需要針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信的特點(diǎn)研究簡(jiǎn)單、高效的衛(wèi)星MAC協(xié)議。

4.2 無線資源管理

無線資源管理(RRM)對(duì)于無線通信系統(tǒng)的QoS保證起著主要作用。RRM技術(shù)的性能直接影響到每一個(gè)用戶的性能和這個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵技術(shù)。

最近20年來，對(duì)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(xiàn)在多媒體業(yè)務(wù)建模上。CAC的決策依賴于精確的網(wǎng)絡(luò)剩余帶寬估計(jì)，而剩余帶寬估計(jì)又需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的精確建模。分組交換無線網(wǎng)絡(luò)中的多媒體業(yè)務(wù)建模問題目前并沒有完全解決。尤其是多媒體綜合業(yè)務(wù)中的VBR業(yè)務(wù)的不確定性給資源分配帶來了挑戰(zhàn)，需要研究一種連接級(jí)與應(yīng)用級(jí)結(jié)合的QoS業(yè)務(wù)模型以及動(dòng)態(tài)CAC策略和帶寬分配算法。

對(duì)于低軌道星座通信系統(tǒng)，切換算法是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，其目的就是降低切換失敗概率，基本技術(shù)包括Guard Channel，Handoff Queuing，Predictive Reservation。低軌衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)性使得切換排隊(duì)的性能遠(yuǎn)低于地面系統(tǒng)，而多媒體綜合業(yè)務(wù)的復(fù)雜性使得現(xiàn)有的保護(hù)信道策略很難預(yù)留最佳的保護(hù)帶寬，基于預(yù)測(cè)的預(yù)留方法是在LEO系統(tǒng)中研究最多的，一般的方法是用戶進(jìn)入小區(qū)i時(shí)，就在小區(qū)i+1內(nèi)預(yù)留信道，更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)用戶的位置(相當(dāng)于時(shí)間)，當(dāng)用戶在小區(qū)i內(nèi)距離到達(dá)小區(qū)i+1 一定的時(shí)間時(shí)在小區(qū)i+1內(nèi)預(yù)留信道。對(duì)于高動(dòng)態(tài)的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶切換頻繁，該方法需要大量的小區(qū)間/衛(wèi)星間關(guān)于信道預(yù)約/釋放的通信，且基于時(shí)間預(yù)測(cè)的方法還需要精確的用戶定位，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較大。 因此，還需要進(jìn)一步研究針對(duì)多媒體綜合業(yè)務(wù)的低軌道移動(dòng)通信系統(tǒng)的切換控制技術(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，存在多種地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，其不同之處主要是采用的無線接入技術(shù)不同，無線接入技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

本文分析了目前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線接入技術(shù)的現(xiàn)狀，指出衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接入面臨以下幾個(gè)問題:

(1) 缺乏衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接口標(biāo)準(zhǔn)，需要形成我國(guó)自主的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的無線接入技術(shù)規(guī)范;

(2) 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線接口必須支持多媒體綜合業(yè)務(wù)傳輸;

(3) 與地面2G/3G系統(tǒng)的兼容性問題，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線接口應(yīng)該是借鑒地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合衛(wèi)星移動(dòng)通信的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不必過于強(qiáng)調(diào)與地面系統(tǒng)的兼容性;

(4) 星載通信載荷的設(shè)計(jì)應(yīng)該將無線接入與路由交換有機(jī)地結(jié)合;

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

(6) 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)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(chǔ)上，本文提出了采用基于連接標(biāo)識(shí)的面向連接的衛(wèi)星移動(dòng)通信無線接口技術(shù)方案，該方案借鑒IEEE 802.16無線城域網(wǎng)技術(shù)的思想，并針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的獨(dú)特特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、靈活性高、適應(yīng)多種物理層技術(shù)、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且針對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)連接具有不同的QoS保證。對(duì)于星載系統(tǒng)，能夠在星載資源有限的情況下較好地實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多用戶的高速接入。

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