基于多波束衛星移動通信系統的應急通信機制

中圖分類號：TN927.1 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2025）07-0074-04

Mergency Communication Mechanism Based on Multi-Beam Satellite Mobile Communication System

FANGYingyong，LIJie （NanjingPandaHanda TechnologyCo.，Ltd.，Nanjing21oo14，China）

Abstract： Firstly，a brief introduction to the composition of amulti-beam satelite mobile communication system is given.Due tothecomplexityofconventionalservicecommunication processes insuch system，asimpleandefficient real-time emergency communication mechanism is proposed.The proposed emergency communication mechanism is elaborated in detail， along with a specific implementation process.

Keywords： satellite mobile communication; multi-beam; emergency communication

1 研究背景

衛星移動通信系統通常由空間段、地面端和用戶段三部分組成：空間段由靜止軌道衛星組成，實現信息的透明轉發功能，采用多點波束覆蓋用戶區域；地面段由運控管理中心和信關站組成，主要完成衛星的管理、業務處理、網絡管理等功能；用戶段由各類設備終端組成[]。

衛星移動通信系統主要提供常規的移動業務服務，包括話音、傳真、短消息、數據、視頻等業務。常規業務經衛星鏈路的傳輸方式包括單跳傳輸和雙跳傳輸兩種；單跳傳輸方式主要完成終端用戶與信關站之間的通信服務，傳輸鏈路包含一條衛星與信關站之間的傳輸路徑、一條衛星與終端用戶之間的傳輸路徑；雙跳傳輸方式主要完成終端用戶之間的通信服務，此時的通信服務需要在信關站進行消息的交換轉發處理，傳輸路徑包含兩條衛星與信關站之間的傳輸路徑和兩條衛星與終端用戶之間的傳輸路徑。為了保障常規業務通信服務的QoS（服務質量），終端用戶發起常規業務服務之前需要進行接入請求、入網申請、資源分配等信令消息交互流程[2]，此類信令消息是用戶終端與信關站之間通過單跳傳輸方式實現。常規業務服務一般處理流程如圖1所示，整個信令消息交互流程包含了多次單跳傳輸過程；按照一次單跳傳輸時延約為280ms^[3] ，進行常規業務服務之前約需要幾秒鐘的信令消息處理時延，該時延針對常規服務時延不敏感業務而言，是可以容忍的；但對于時延敏感的應急通信服務，需要對突發緊急情況做出迅速實時響應，消息傳輸時延是一個最重要的傳輸指標；倘若采用常規業務服務模式下復雜的消息傳輸流程進行應急通信服務，必然會造成應急通信服務的效率低、實時性差等不利后果。針對時延敏感的應急通信服務，本文提出了一種簡單高效的多波束衛星移動通信系統應急通信機制，并且給出了該通信機制的具體實現過程。

圖1衛星移動通信系統常規業務交互流程圖

2 通信機制

針對時延敏感的衛星移動通信系統應急通信服務，衛星系統采取多色波束頻率資源預分配策略，終端用戶和信關站之間采取簡單高效的猝發傳輸機制，從而使得終端用戶在衛星覆蓋區域內，無須進行接入請求、入網鑒權、資源申請等復雜的信令消息交互流程，即可進行應急業務通信服務，以短消息方式高效實時上報用戶終端位置信息。

2.1資源分配

衛星移動通信系統為多點波束通信系統，由于終端用戶頻率資源受限，整個衛星系統采用多色頻率復用準則以提高頻率資源利用率，衛星服務區以多色小區形式覆蓋。衛星系統的所有點波束被分配到各個不同的小區，衛星覆蓋區域內小區以波束和頻率組合區分；同一波束內所有用戶屬于同一小區并且共享應急服務通信頻率資源，不同波束之間用戶采用頻分復用方式進行應急服務通信。

衛星系統運控管理中心根據系統內點波束頻率資源情況，在每個點波束對應的頻率資源內選擇一個頻率子帶作為應急服務的通信資源，圖2給出了系統多點波束頻率資源映射關系框圖。信關站應急站控中心根據運控管理中心下發的應急服務通信頻率資源，配置對應波束內應急通道設備頻率資源參數，完成應急服務頻率資源預規劃配置。應急服務資源預規劃配置過程可描述為：

（1）運控管理中心根據任務指示，依據頻率多色復用準則劃分系統內波束與通信頻率資源之間的對應關系，在每個點波束內選擇一個可用頻率子帶作為對應波束應急服務的通信頻率資源。

（2）信關站側站控中心根據運控管理中心下發的配置參數表，配置相應應急通道頻率資源參數。

（3）信關站應急服務系統處于等待服務狀態。

2.2消息傳輸

衛星移動通信系統應急服務采用R-ALOHA（隨機接入）/VTDM（垂直時分復用）方式進行業務傳輸。應急服務用戶直接以R-ALOHA隨機接入的方式發送應急業務，波束內用戶之間以隨機競爭方式進行應急服務，波束之間用戶以多色頻分復用方式進行應急服務。信關站采取全頻段所有點波束并行處理收發方式，每個用戶點波束對應一個相應的應急服務收發處理通道；信關站側應急系統在收到用戶應急服務業務請求后，在對應波束通道內以單載波VTDM突發形式發送應答回執消息。

圖2衛星系統多波束與頻率資源映射示意圖

衛星移動通信系統應急通信業務以短消息形式承載用戶所處位置信息，包括經度、緯度和海拔高度數據。終端用戶依據北斗模塊（或GPS模塊）快速實時獲取當前位置信息，需要應急服務通信時，直接以R-ALOHA隨機接入方式實時發送應急服務請求即可。

應急服務短消息業務傳輸過程如圖3所示，可描述為：

（1）終端用戶依據北斗模塊（或GPS模塊）實時獲取當前位置信息，包括所處經度、維度和海拔高度數據。

（2）終端用戶采用R-ALOHA隨機接入方式以短消息形式發送當前位置信息。

（3）信關站側應急服務系統接收通道實時接收應急突發短消息，檢測到應急服務短消息指示后將短消息數據轉發給站控中心前端界面。

（4）信關站站控中心根據應急信道設備上報的應急短消息，發出應急通信請求指示；同時，在相應波束應急通道內以VTDM突發方式發送應急短消息應答回執。

（5）終端用戶收到應急短消息回執，應急業務服務結束。

3 實現過程

衛星移動通信系統應急服務通信機制具體實施包括資源預規劃階段和應急短消息業務傳輸兩個階段。

3.1資源預規劃階段

衛星移動通信系統為多波束系統，假設系統多波束數量為M個點波束，頻率復用機制采用N色復用方式。依據圖2所示的映射規則，整個衛星系統的點波束可分為rM/N1各波束組，「·1表示取上整；每組點波束都對映射到相同的N色頻率段，一組中N個波束分別對應N色中的N個不同的頻率段，N色中每個頻率段包含若干個通信頻率子帶。應急服務通信資源預規劃本質上是在每個波束內選擇一個通信子帶作為應急業務通信頻率資源。信關站側采取M個點波束全頻段收發處理，對應M個應急收發通道；用戶終端只需根據當前所處波束，選擇N色頻率段中的一個應急業務通信頻率子帶進行收發處理。以衛星點波束數量M _[=110 和多色復用方式采用七色復用機制1 為例，應急服務資源具體配置過程如下：

圖3衛星移動通信系統應急業務傳輸流程圖

（1）運控管理中心產生資源配置表。地面段運控管理中心根據衛星波束頻率資源，將110個點波束按照七色復用關系劃分為16組，用 b_iⁿ 表示第 n 號束映射到第i個七色組，產生第 i 個七色組波束集 ；將七色頻率對應的用戶頻率資源子帶編號為1到M ，用戶終端頻率資源集 F={f₁，f₂，...，f_M}， （204號近似等間隔劃分為連續7部分；每部分選取一個子帶作為本波束下應急通信資源，選取的子帶編號分別記為 m₁ 到m₇ ，第i個七色組對應的應急頻率資源 運控管理中心產生的整個應急服務資源表BF={{B₁;F₁}，{B₂;F₂}，...，{B₁₆;F₁₆}}_o

（2）信關站站控系統配置參數。

衛星系統信關站內站控微服務依據七色復用關系將110個應急收發通道分成16組，每一組里面七個通道分別對應一個七色里面的七個波束。根據運控管理中心下發的資源參數配置表，提取出第個七色組內波束編號和波束內應急服務資源子帶編號，配置相應信道設備內收發頻率資源參數。

3.2短消息傳輸階段

衛星移動通信系統應急服務是以短消息形式進行業務傳輸，主要承載用戶的位置信息。信關站內應急短消息業務詳細傳輸流程如圖4所示，具體過程如下：

（1）信關站應急收發信道設備檢測到衛星覆蓋區內終端用戶發送的應急短消息請求。

（2）應急站控微服務與應急信道設備建立UDP（用戶數據報協議）通信，接收信道設備應急短消息并放入消息隊列中。

（3）信道設備管理模塊獲取信道設備IP和端口號。

（4）信道設備模塊解析短消息報文內容，包括信道設備IP，端口號，終端IMSI、經度、緯度、高度、告警時間等短消息內容，將終端IMSI（用戶唯一標識）號向用戶管理服務進行用戶權限鑒定，用戶管理服務返回鑒權結果。

（5）應急站控微服務信道設備模塊判斷如果該用戶終端有應急權限，則向終端信息模塊保存終端信息：終端IMSI號、終端電話號碼、終端權限、信道設備IP、信道設備端口、衛星波束號等。

（6）應急站控微服務信道設備模塊調用應急站控微服務的短消息模塊，發送消息內容給系統應急短消息網關，內容包括：終端電話號碼、終端IMSI號、波束號、經度、緯度、高度、告警時間。

圖4衛星移動通信系統應急短消息傳輸實現流程圖

（7）短消息網關將應急短消息轉發給應急站控中心前端服務，向值班人員發出應急服務請求;短消息網關向短消息存儲單元發送應答響應。

（8）短消息存儲單元解析出應急短消息應答報文中的終端IMSI號，根據IMSI在終端信息類中找到終端詳細信息，包括終端IMSI號、終端電話號碼、終端權限、信道設備IP、信道設備端口、衛星波束，調用應急站控微服務的信道設備管理模塊向對應的信道設備發送應急短消息應答報文。

4 結束語

本文針對時延敏感的多波束衛星移動通信系統應急通信服務提出了一種簡單高效的猝發通信機制，從而使得終端用戶在衛星覆蓋區域內，無須進行接入請求、入網鑒權、資源申請等復雜的信令消息交互流程，即可進行應急業務通信服務，以短消息方式高效實時上報用戶終端位置信息。從資源分配和消息傳輸兩個階段對通信機制進行了詳細的闡述，并完成了具體的設計實現。

參考文獻

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