衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)研究

劉 宇，鄒光南，王兆俊，尤啟迪，李 甫

(1.航天恒星科技有限公司，北京100086;2.西安電子科技大學，陜西西安710075)

0 引言

衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)作為地面通信系統(tǒng)的補充，有廣泛的需求和應用。3種典型的衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)包括ORBCOMM、Argos和Aprize。

文獻［1－4］分析了系統(tǒng)ORBCOMM的主要特性，介紹了存儲轉發(fā)機制，對短數據系統(tǒng)技術體制做了綜述性介紹，詳細描述了系統(tǒng)組成，系統(tǒng)工作原理、工作模式和工作流程。文獻［5］介紹了Argos系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)組成和系統(tǒng)中通信終端平臺的定位方法。文獻［6］對衛(wèi)星通信信道進行了分析和研究，在該信道模型基礎上，對低軌衛(wèi)星CDMA短數據移動通信系統(tǒng)的關鍵性能進行了分析。文獻［7］對Globalstar系統(tǒng)進行了簡要介紹，描述了其系統(tǒng)構成。文獻［8］對Iridium系統(tǒng)的構成、工作原理和技術進行了介紹。文獻［9－12］分析了衛(wèi)星通信的一些新技術和趨勢，介紹了不同的動態(tài)接收技術。這些已有系統(tǒng)用戶鏈路頻帶規(guī)劃效率低，擁塞控制機制不完善，應對大動態(tài)接收也有一定的局限性。本文針對這些問題，提出了在這幾個方面都有改善的一種衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)關鍵技術。

1 衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)技術體制

本文所涉及的系統(tǒng)體制主要針對用戶上行信道規(guī)劃、用戶接入、擁塞控制和多普勒分集接收展開。

1．1 用戶上行信道規(guī)劃

在已有的衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)中，用戶上行的信道規(guī)劃在頻率上采用傳統(tǒng)的方式，即用戶信道間設有保護間隔，以防止多普勒頻移造成的頻譜漂移，規(guī)劃方式如圖1所示，這種方式下存在信道間保護間隔。

圖1 傳統(tǒng)用戶上行信道規(guī)劃

本文對用戶上行的信道規(guī)劃如圖2所示，在用戶頻帶內信道間不設置保護間隔，所有頻帶皆用于用戶數據上行，只在用戶頻帶兩邊設置保護帶。這種信道規(guī)劃方式下，利用多普勒頻移進行并行分集接收，把原本多普勒頻移帶來的問題轉化為優(yōu)勢，這種信道規(guī)劃方式下的接收在后面描述。由于沒有信道間保護頻帶，所有用戶頻帶都用于數據傳輸，提高了頻帶資源的利用效率。

圖2 無間隔用戶上行信道規(guī)劃

1．2 接入方式

短數據業(yè)務的特點是多數情況下為突發(fā)、不連續(xù)，傳輸數據量小的短包，少數情況下有突發(fā)的數據量大的業(yè)務。為適應這種業(yè)務特征，適宜采用2種方式接入:隨機接入和預約接入。用戶上行信道分為普通和專用通道2類邏輯信道，系統(tǒng)根據當前運行狀況動態(tài)劃分2類信道。用戶上行通道一般情況下作為普通信道使用，終端通過競爭占用信道資源，采用S-Aloha方式接入系統(tǒng)。由于環(huán)境等要素變化，終端需要短時間內上傳大量數據時，為了提高數據傳輸的可靠性和及時性，可以通過預約方式申請專用信道，系統(tǒng)將空閑上行信道作為專用信道分配給終端，完成數據傳送后終端釋放該信道，該信道再次成為普通信道，通過這種信道分配方式保證系統(tǒng)傳輸效率和資源利用率。

1．3 擁塞控制

短報文通信系統(tǒng)主要采用S-Aloha方式實現數據傳輸，在系統(tǒng)運行過程中可能會出現某一區(qū)域內的終端在某一段時間內集中向衛(wèi)星發(fā)送數據的情況，在這種情況下可能會引起大量數據沖突，從而出現大量接收數據異常的情況，為避免出現某一區(qū)域內終端在某一時間段內集中發(fā)送數據的情況，需要采取相應的擁塞控制機制保證該區(qū)域內的終端在該時間段內分散進行數據發(fā)送，根據擁塞控制的發(fā)起方不同，系統(tǒng)中可以采取主動和被動2種擁塞控制方式。

1．3．1 主動擁塞控制流程

主動擁塞控制是指當終端發(fā)送數據后，長時間沒有收到網絡側發(fā)送的確認信息，終端自動延遲下次數據發(fā)送時刻，從而實現沖突的避讓，由于是由終端主動進行發(fā)送時刻的延遲操作，無法實現與網絡側及其他終端的同步，因此，可能會出現大面積終端延遲后再次出現擁塞的現象，直到大部分終端的發(fā)送時刻不完全一致時，才會達到較好的擁塞控制效果，因此，采用主動擁塞控制的缺點是取得較好的擁塞控制效果的時間比較長，優(yōu)點是實現起來比較簡單，僅需在終端設計相應的沖突避讓算法進行控制就能實現。本系統(tǒng)中主動擁塞控制計劃采用樹分協(xié)議控制算法實現。

具體過程如下:設網絡中有1～N編號的N個終端，它們都能獨立地監(jiān)聽信道和檢測沖突。如果某個時刻在信道上發(fā)生了沖突，則未參與沖突的終端將不再向信道中發(fā)送請求，直到沖突解決。發(fā)生了沖突的終端中，編號為1～N/2的終端被推入堆棧中，編號為N/2～N的終端在下一時隙發(fā)送。而在下一時隙中可能出現3種情況:①如果仍然有沖突，則編號在N/2～3N/4范圍內的終端被推入堆棧中，編號為3N/4～N的終端在下一時隙發(fā)送。換言之，在每輪循環(huán)中，如果有沖突存在，就把發(fā)生沖突的終端的一半推入堆棧，而另一半參與下一時隙的競爭。②如果沒有沖突且有數據正常發(fā)送，則在數據發(fā)送完畢后，將堆棧頂部的終端彈出，在下一時隙發(fā)送數據。③如果沒有沖突而且信道空閑，則將堆棧頂部的終端彈出，在下一時隙發(fā)送。該過程被重復執(zhí)行，直到堆棧被清空，所有參與了沖突的終端數據都發(fā)送完畢，這一輪的沖突才算完全解決。基本二叉樹形沖突分解算法原理如圖3所示。

圖3 基本二叉樹形沖突分解算法原理

上述描述的僅僅是樹分協(xié)議的基本思想。在具體的實現過程中，為了消除終端編號順序、解決各個終端發(fā)送公平性的問題，可以在發(fā)生沖突之后由每個終端各自生成一個0～1之間的隨機浮點數。如果某終端上該隨機數的值小于0.5，則該終端被推入堆棧，否則將參與下一時隙的競爭。

1．3．2 被動擁塞控制流程

被動擁塞控制是指當網絡側檢測到系統(tǒng)出現擁塞時，由網絡側根據當前衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域和該區(qū)域內地面終端的具體數量實施擁塞控制，該控制過程比較復雜。

當發(fā)生擁塞時，網絡側根據檢測到的擁塞區(qū)域計算出衛(wèi)星在該區(qū)域的過頂時間T，并根據鏈路規(guī)劃情況，計算出單位時間內能夠承擔的最大并行發(fā)送數據的終端量N。結合該區(qū)域內覆蓋的終端總量M可計算出過頂時間內在該區(qū)域能提供的數據接收最大次數為C=M/N*T，網絡側對區(qū)域內的終端按照C次全部覆蓋生成每次進行數據傳輸的終端規(guī)劃信令，終端根據接收到的規(guī)劃信令確定自己的發(fā)送時刻，從而避免了大量終端集中在某一時刻同時發(fā)送數據的情況。被動擁塞控制流程如圖4所示。

圖4 被動擁塞控制過程

1．4 多普勒分集接收

衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)中，用戶上行鏈路在大多普勒頻偏的情況下接收端接收到的頻率將遠遠偏離發(fā)送端的發(fā)送頻率。為了解決這種情況下的接收問題，本文提出多通道接收方法。多通道接收是將整個工作頻率劃分為小的接收子帶，接收信號由A/D進入基帶后首先進行通道化處理，將信號搬移到各個子帶的中心頻率上，用通道濾波器過濾出本子帶的信號，然后對其進行解調。接收端對整個頻帶進行了子帶劃分，所以發(fā)送終端發(fā)送的信號必然落在接收端的某個子帶中，從而將其捕獲，解調過程如圖5所示。使用這種多通道信道化接收的方法可以很好地解決大多普勒接收問題。

圖5 多通道接收結構

2 仿真分析

首先對系統(tǒng)的接入性能進行仿真。采用Matlab工具，用戶上行通道數為1 000路，按照S-aloha方式接入，接入概率為p，對不同并發(fā)終端接入系統(tǒng)時系統(tǒng)的歸一化吞吐率進行仿真。當系統(tǒng)中并發(fā)接入終端數量增大時，大的p導致吞吐率急劇惡化，這個概率可等效為等待下一次發(fā)送的時延。通過主動或這被動擁塞控制策略，在不同的并發(fā)接入終端量下動態(tài)調整p使得實際接入的終端數在1 000個時，系統(tǒng)吞吐率能夠保持在S-aloha的歸一化吞吐率的性能限0.36處。

為了仿真多普勒分集接收的性能，使用Matlab仿真了4路終端并發(fā)仿真，4路信號間隔1 350 Hz，分別處于中心頻點 0 Hz，1 350 Hz，2 700 Hz和4 050 Hz處，并發(fā)信號的頻譜如圖6所示。

圖6 4個終端并發(fā)的信號頻譜

經過信道化處理后，分離出每個信道上的信號，選取1～6的信道的信號進行展示，對應信道信號的頻譜如圖7所示，其中1、3和6信道處的信號為終端發(fā)送的信號，能夠完成正確解調。仿真結果表明，通道化接收很好地利用了多普勒分集，當信號偏移到其他信道時，信號仍然能夠正確接收。

圖7 通道化后的信號頻譜

3 結束語

研究了衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)所涉及的技術，包括用戶上行信道規(guī)劃、用戶接入、擁塞控制和多普勒分集接收。用戶上行信道規(guī)劃改進了傳統(tǒng)的用戶信道間保留隔離帶的問題，提高了頻譜利用率。在接收時采用通道化接收完成了多普勒分集接收，仿真結果表明了設計的可行性。針對擁塞問題，本文提出了主動和被動2種擁塞控制方法所研究的系統(tǒng)技術改進了已有技術的不足，為后續(xù)衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)的研究工作打下了一定的基礎。

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