作者：陳鴻波

    本文主要介紹了COST252對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信的研究成果，包括衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星星座，連網(wǎng)結(jié)構(gòu)要求，空中接口和資源治理等。

    要害詞S-UMTSS-ATMS-ip

    一、引言

    隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在其中起著越來(lái)越重要的作用。衛(wèi)星通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(SUMTS)將為UMTS用戶提供全球性的覆蓋，使用戶在任何地方都可以進(jìn)行通信。要為將來(lái)的固定和移動(dòng)通信提供全球性的覆蓋，衛(wèi)星系統(tǒng)是必不可少的。衛(wèi)星部分將在全球信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(GII)中起一個(gè)很重要的作用，歐洲的COST252工作組正在制定相關(guān)的衛(wèi)星個(gè)人通信標(biāo)準(zhǔn)。3G移動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率為144kb/s到2Mb/s，衛(wèi)星部分速率上限是144kb/s。在ACTS項(xiàng)目和Ka頻段的商用系統(tǒng)中，衛(wèi)星部分的目標(biāo)是為固定和移動(dòng)終端提供更高的數(shù)據(jù)速率。3G全球多衛(wèi)星多波束系統(tǒng)采用碼分多址技術(shù)，如歐洲ESA的寬帶CDMA衛(wèi)星系統(tǒng)(SW-CDMA)，它是衛(wèi)星寬帶/時(shí)分多址接入技術(shù)與CDMA技術(shù)的結(jié)合。

    二、衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    衛(wèi)星系統(tǒng)有助于基于TCP/IP的Internet應(yīng)用的增長(zhǎng)，尤其是要求高帶寬和帶寬點(diǎn)播靈活性的多媒體業(yè)務(wù)。因此，ATM、TCP/IP和衛(wèi)星技術(shù)將會(huì)是未來(lái)全球系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

    衛(wèi)星是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，它與地面骨干網(wǎng)絡(luò)的互操作性很重要，有助于提供QoS和兼容不同類型的業(yè)務(wù)。

    1.系統(tǒng)情況

    SUMTS----SUMTS網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相接，以提供2Mb/s的數(shù)據(jù)速率。

    SATM(衛(wèi)星異步轉(zhuǎn)移模式)----在衛(wèi)星ATM的分層實(shí)現(xiàn)上，存在兩種不同的觀點(diǎn)，一種是不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的協(xié)議結(jié)構(gòu)，只是將ATM協(xié)議放在非ATM的衛(wèi)星協(xié)議平臺(tái)上。另一種觀點(diǎn)是衛(wèi)星網(wǎng)采用完全的ATM結(jié)構(gòu)，其中衛(wèi)星部分的ATM層是S-ATM(以區(qū)別地面固定網(wǎng)中的ATM層)，支持傳統(tǒng)的ATM業(yè)務(wù)、TCP/IP應(yīng)用和UDP/IP應(yīng)用。前者的優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)不同用戶終端的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是透明的；衛(wèi)星訪問(wèn)協(xié)議止于關(guān)口站，不會(huì)為外界網(wǎng)看到；不需要修改現(xiàn)行的衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是很難為各種不同的協(xié)議提供最好的性能。具有這種分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星ATM稱之為在非ATM上的ATM封裝。后者的優(yōu)點(diǎn)是適用于一個(gè)高度集成的星地ATM環(huán)境，缺點(diǎn)是協(xié)議復(fù)雜，需要修改現(xiàn)有的各種衛(wèi)星協(xié)議和網(wǎng)間接口協(xié)議。

    SIP(衛(wèi)星IP)----使用IP傳輸，可以直接連接到IP骨干網(wǎng)，也便于采用Internet的新標(biāo)準(zhǔn)，如IPv6、RSVP、移動(dòng)IP等。有衛(wèi)星星際鏈路(ISL)的衛(wèi)星系統(tǒng)能夠使用冗余的路徑，可以避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞。在低軌道(LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，使用IP路由很有吸引力，它支持組播和與地面IP網(wǎng)絡(luò)的連網(wǎng)，但是它不適合電路交換網(wǎng)絡(luò)。不同的商用系統(tǒng)采用不同的方法：Celestri和SkyBridge將ATM并入到衛(wèi)星交換；Teledesic使用專用的無(wú)連接自-適應(yīng)路由協(xié)議，提供快速的分組交換。

    2.系統(tǒng)要求

    容量----SUMTS為單個(gè)用戶提供的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到144kb/s。使用Ka頻段的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)為每個(gè)用戶提供的數(shù)據(jù)速率如下：Teledesic全球衛(wèi)星系統(tǒng)的上行鏈路為16kb/s？2Mb/s，下行鏈路為16kb/s？64Mb/s；Spaceway的上行鏈路為16kb/s？6Mb/s，下行鏈路高達(dá)92Mb/s；Astrolink的上行鏈路最高可達(dá)20Mb/s，下行鏈路最高可達(dá)155Mb/s。

    頻段----目前，UMTS的頻段為1885？2025MHz和2110？2200MHz，為衛(wèi)星部分留出的只有30MHz。衛(wèi)星移動(dòng)通信(MSS)的上下行鏈路分別在L和S頻段運(yùn)行，反饋鏈路在C頻段提供傳統(tǒng)的窄帶業(yè)務(wù)，要提供寬帶業(yè)務(wù)，就得使用Ka頻段(20？30GHz)和極高頻(EHF)頻段(40？50GHz)。

    3.衛(wèi)星星座

    現(xiàn)在的多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)采用地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星系統(tǒng)。GEO的性能受傳輸時(shí)延的影響，時(shí)延為0.5秒，這是從衛(wèi)星到地面的傳播時(shí)間。這對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流來(lái)說(shuō)，是很不利的。

    新一代的寬帶系統(tǒng)要求很低的時(shí)延，這就要求在非地球靜止軌道(NGEO)星座有更多的低中軌道衛(wèi)星。LEO衛(wèi)星(高度為500？2000km)的時(shí)延為10-40ms，但是LEO衛(wèi)星的覆蓋范圍比較小，傳輸時(shí)有很大的多普勒頻移。為了保持實(shí)時(shí)傳輸不被中斷，這需要頻繁的星際切換，這意味著波束之間的切換需要巨大的信令開(kāi)銷(一個(gè)波束相當(dāng)于地面蜂窩系統(tǒng)中的一個(gè)小區(qū))。

    中軌道(MEO)衛(wèi)星(高度為2000？20000km)處在GEO和LEO衛(wèi)星之間。在用戶切換到下一個(gè)衛(wèi)星之前可以持續(xù)一個(gè)小時(shí)。

    也可以使用其他的衛(wèi)星星座。例如，高橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星系統(tǒng)，它的遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)相距很遠(yuǎn)。商用Ellipso和Pentriad系統(tǒng)就是使用的HEO衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星沿著遠(yuǎn)地點(diǎn)緩慢地移動(dòng)時(shí)，可以提供通信業(yè)務(wù)。但是，這些系統(tǒng)僅僅限于特定的業(yè)務(wù)。

    移動(dòng)性治理機(jī)制一一當(dāng)在運(yùn)營(yíng)商之間進(jìn)行呼叫切換時(shí)，由于在NGEO星座中衛(wèi)星動(dòng)態(tài)的移動(dòng)，采用GSM中的方式進(jìn)行移動(dòng)性治理會(huì)導(dǎo)致很大的信令開(kāi)銷，可以通過(guò)計(jì)算用戶呼叫時(shí)需要FES切換的概率來(lái)克服這一點(diǎn)。在這種移動(dòng)性治理機(jī)制中，移動(dòng)終端離開(kāi)FES一定距離時(shí)，就進(jìn)行位置更新。用戶的移動(dòng)性由基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)檢測(cè)。FES區(qū)域的終端可以進(jìn)行位置更新，在一定范圍內(nèi)可能不需要進(jìn)行FES切換。業(yè)務(wù)提供商的QoS(包括FES切換概率，呼叫丟失率等)決定該FES服務(wù)區(qū)域的大小。

    SATM----許多移動(dòng)性問(wèn)題都與無(wú)線ATM網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，比如虛擬連接樹(shù)，可以用于動(dòng)態(tài)衛(wèi)星FES網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)最初的虛擬連接樹(shù)算法，移動(dòng)終端可以在一個(gè)很大的區(qū)域內(nèi)自由地漫游。該區(qū)域由幾個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)覆蓋，并且使用預(yù)定義的虛電路執(zhí)行切換。在呼叫建立時(shí)，一個(gè)移動(dòng)用戶接入到虛擬連接樹(shù)，在連接樹(shù)的中間交換點(diǎn)建立查詢表。

    在S-ATM網(wǎng)絡(luò)中，連接樹(shù)的根可以是一個(gè)GTW站，或者是一個(gè)ATM交換機(jī)。葉子節(jié)點(diǎn)為輸入部分，即一個(gè)或者一組波束。虛擬樹(shù)將根據(jù)衛(wèi)星地移動(dòng)動(dòng)態(tài)地建立和釋放。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)用戶接入到一個(gè)衛(wèi)星站時(shí)，發(fā)起一次呼叫后，它的位置就能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)，它的下一個(gè)切換時(shí)間也能夠很準(zhǔn)確地猜測(cè)。在呼叫建立階段，根據(jù)移動(dòng)的多波束狀態(tài)可以猜測(cè)用戶切換的次數(shù)和方向。從這一點(diǎn)看，它比地面移動(dòng)系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗L問(wèn)的波束列表可以預(yù)先定義。

    8.協(xié)議

    S-ATM----主要有兩種協(xié)議用于寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：

    ATM協(xié)議封裝和快速分組交換，在衛(wèi)星部分使用，用于用戶建立和治理。根據(jù)衛(wèi)星的接口和網(wǎng)關(guān)，衛(wèi)星協(xié)議支持不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有的協(xié)議無(wú)需修改，但是會(huì)使分組的開(kāi)銷增大，導(dǎo)致協(xié)議的效率下降。

    一個(gè)與ATM協(xié)議棧高度綜合的方案是，用S-ATM層取代標(biāo)準(zhǔn)的ATM層，只需對(duì)信元頭和功能進(jìn)行相應(yīng)的修改，MAC使用多頻時(shí)分多址(MF-TDMA)或者CDMA。

    這兩種協(xié)議有很多相似性，都存在一個(gè)大小固定的信息單元，通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)接口，可以運(yùn)載控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)連通時(shí)，在不同的高層協(xié)議建立、保持、釋放和傳輸用戶數(shù)據(jù)。在未來(lái)的2？5年內(nèi)，多數(shù)在Ka頻段的標(biāo)準(zhǔn)將采用新版的ATM協(xié)議層。S-ATM信元頭中包括必要的路由和控制信息，不同的技術(shù)如部分分組丟棄(PPD)技術(shù)，可以用來(lái)檢測(cè)衛(wèi)星交換中的錯(cuò)誤信元。

    PRMA----典型的分組預(yù)約多址協(xié)議(PRMA)用于地面蜂窩系統(tǒng)。它基于時(shí)隙ALOHA接入技術(shù)和TDMA傳輸模式，與時(shí)隙預(yù)約機(jī)制的隨機(jī)接入相結(jié)合。通過(guò)利用通話中的平靜期，可以在一個(gè)信道上復(fù)用多個(gè)通話。因此，給終端分配的時(shí)隙并不固定，而是根據(jù)當(dāng)前的活動(dòng)終端動(dòng)態(tài)地進(jìn)行處理。PRMA在治理語(yǔ)音和數(shù)據(jù)流，容量改進(jìn)方面都優(yōu)于TDMA。

    在語(yǔ)音業(yè)務(wù)中的實(shí)時(shí)可變比特率VBR業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中的可用的比特率ABR業(yè)務(wù)中，可以使用一種改進(jìn)的PRMA機(jī)制，PRMA-HS。當(dāng)終端等待接收預(yù)約結(jié)果時(shí)，終端并不停止競(jìng)爭(zhēng)。這種機(jī)制可以提供更高的效率，它對(duì)LEO系統(tǒng)中的時(shí)延并不敏感。因此，對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PRMA-HS可以作為一個(gè)統(tǒng)一的MAC協(xié)議解決方案。

    9.空中接口

    衛(wèi)星中的傳播和衛(wèi)星分集是兩個(gè)主要的問(wèn)題，因?yàn)閷?lái)的移動(dòng)和衛(wèi)星業(yè)務(wù)可能采用NGEO衛(wèi)星星座。對(duì)LEO、MEO、HEO和GEO系統(tǒng)在L頻段上的測(cè)試已經(jīng)進(jìn)行了。在EHF，一些相關(guān)的測(cè)試表明在直接路徑上傳播的信號(hào)有陰影效應(yīng)，在郊區(qū)的道路上很少出現(xiàn)回聲。與L頻段相比，EHF頻段的回聲更少，衰減更高。在市區(qū)，信號(hào)的陰影效應(yīng)更明顯。

    在EHF頻段，Lntz提出了一個(gè)信道模型，它有兩種：好的信道服從Ricean分布，差的信道服從瑞利分布，分別對(duì)應(yīng)于無(wú)陰影效應(yīng)和有陰影效應(yīng)兩種情況。考慮到上行鏈路上的功率限制，減少陰影效應(yīng)的措施有：路徑分集，衛(wèi)星分集。

    使用主動(dòng)天線陣列，可以通過(guò)配置衛(wèi)星天線來(lái)覆蓋固定波束，或者外形和大小，動(dòng)態(tài)地改變波束業(yè)務(wù)區(qū)。在這兩種情況下，最重要的要求是不斷的覆蓋業(yè)務(wù)區(qū)。

    動(dòng)態(tài)覆蓋答應(yīng)系統(tǒng)的容量有很大的提高，也有很高的衛(wèi)星分集概率(>90%)，因此，這對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很有吸引力。

    三、CDMA系統(tǒng)

    3G中的SUMTS采用WCDMA，它適合可變速率業(yè)務(wù)，CDMA技術(shù)是S-UMTS的基礎(chǔ)。

    1.TCH碼

    TCH碼是一類二進(jìn)制、非線性、非系統(tǒng)的循環(huán)分組碼，其長(zhǎng)度n=2m，它在FEC和最大似然判決解碼中表現(xiàn)出了很好的性能，在譯碼器中使用DSP就可以實(shí)現(xiàn)。

    TCH序列有很好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)镃DMA系統(tǒng)不僅僅靠互相關(guān)特性來(lái)減少用戶之間的干擾，也靠自相關(guān)特性來(lái)進(jìn)行同步處理，因此，TCH碼可以使用簡(jiǎn)單的相關(guān)接收機(jī)來(lái)檢測(cè)CDMA中不同的用戶。

    2.CDMA接收機(jī)

    CDMA使用有時(shí)變結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，用多用戶檢測(cè)來(lái)減少多徑衰落。由于多址干擾(MAI)，傳統(tǒng)的CDMA通信系統(tǒng)中的單用戶接收機(jī)性能不是很好。

    盡管最佳多用戶檢測(cè)算法提供了很高的容量潛力和性能改善，但是它實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜。故提出了次優(yōu)的方案，如去相關(guān)檢測(cè)或者多階段接收機(jī)。一個(gè)SW-CDMA中的多用戶消除檢測(cè)機(jī)制，接收機(jī)有一個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)所有干擾用戶，根據(jù)用戶需求，在進(jìn)行最后的判決前，在一個(gè)選擇的基礎(chǔ)上(S-PIC)執(zhí)行并行干擾消除多用戶檢測(cè)器(PIC)。接收機(jī)的基本假設(shè)是，將匹配濾波器的輸出分為兩個(gè)不同的組，根據(jù)接收信號(hào)的功率。可靠信號(hào)在整個(gè)接收的信號(hào)中直接檢測(cè)和取消。在判定不可靠的信號(hào)或者復(fù)制之前，不需要進(jìn)一步的處理時(shí)延。

    因此，并行干擾消除方法比RAKE接收機(jī)有更好的性能，并且復(fù)雜度也比較低。

    不同的盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)，在使用BPSK的DS-CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，需要對(duì)LEO、MEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行分析和性能估計(jì)。接收機(jī)在基站的上行衛(wèi)星鏈路端點(diǎn)使用，在使用有多徑衰落的衛(wèi)星信道用戶中，通信系統(tǒng)缺乏同步。這些機(jī)制基于盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)，由Verli，Honig，Madhow提出，在前一種機(jī)制中，一個(gè)盲接收機(jī)包括不同的檢測(cè)器，后者垂直檢測(cè)整個(gè)接收信號(hào)。它在復(fù)雜度和性能之間有一個(gè)很好的協(xié)調(diào)。與傳統(tǒng)的單用戶接收機(jī)相比，多用戶檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)有很好的效果，它不需要練習(xí)序列，僅僅需要必要的用戶信息(如活動(dòng)的用戶數(shù)、處理增益等)。

    四、結(jié)束語(yǔ)

    為了給將來(lái)的移動(dòng)和個(gè)人通信系統(tǒng)提供全球的覆蓋，衛(wèi)星系統(tǒng)是必須的。本文描述COST252中的新一代衛(wèi)星個(gè)人通信系統(tǒng)，COST252的工作包括：MF-TDMAMAC協(xié)議的程序?qū)嶓w；路由算法(DT-DVTR)和LEO系統(tǒng)中的星際鏈路度量；資源治理，GEO和LEO星座中的DCA技術(shù)；使用PRMA的協(xié)議等。下一代移動(dòng)和固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)都將使用IP技術(shù)，這是將來(lái)的一個(gè)研究方向。