下一代卫星移动通信

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        一、引言

　　随着移动通信系统的发展，卫星移动通信系统在其中起着越来越重要的作用。卫星通用移动通信系统(S UMTS)将为UMTS用户提供全球性的覆盖，使用户在任何地方都可以进行通信。要为将来的固定和移动通信提供全球性的覆盖，卫星系统是必不可少的。卫星部分将在全球信息基础结构(GII)中起一个很重要的作用，欧洲的COST252工作组正在制定相关的卫星个人通信标准。3G移动系统的数据速率为144kb/s到2Mb/s，卫星部分速率上限是144kb/s。在ACTS项目和Ka频段的商用系统中，卫星部分的目标是为固定和移动终端提供更高的数据速率。3G全球多卫星多波束系统采用码分多址技术，如欧洲ESA的宽带CDMA卫星系统(SW-CDMA)，它是卫星宽带/时分多址接入技术与CDMA技术的结合。


　　二、卫星系统结构

　　卫星系统有助于基于TCP/IP的Internet应用的增长，尤其是要求高带宽和带宽点播灵活性的多媒体业务。因此，ATM、TCP/IP和卫星技术将会是未来全球系统联网的基础。

　　卫星是网络基础设施的一部分，它与地面骨干网络的互操作性很重要，有助于提供QoS和兼容不同类型的业务。

　　1.系统情况

　　S UMTS----S UMTS网络与地面网络相接，以提供2Mb/s的数据速率。

　　S ATM(卫星异步转移模式)----在卫星ATM的分层实现上，存在两种不同的观点，一种是不改变现有卫星的协议结构，只是将ATM协议放在非ATM的卫星协议平台上。另一种观点是卫星网采用完全的ATM结构，其中卫星部分的ATM层是S-ATM(以区别地面固定网中的ATM层)，支持传统的ATM业务、TCP/IP应用和UDP/IP应用。前者的优点是卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的；卫星访问协议止于关口站，不会为外界网看到；不需要修改现行的卫星标准。缺点是很难为各种不同的协议提供最好的性能。具有这种分层结构的卫星ATM称之为在非ATM上的ATM封装。后者的优点是适用于一个高度集成的星地ATM环境，缺点是协议复杂，需要修改现有的各种卫星协议和网间接口协议。

　　S IP(卫星IP)----使用IP传输，可以直接连接到IP骨干网，也便于采用Internet的新标准，如IPv6、RSVP、移动IP等。有卫星星际链路(ISL)的卫星系统能够使用冗余的路径，可以避免网络的拥塞。在低轨道(LEO)卫星网络中，使用IP路由很有吸引力，它支持组播和与地面IP网络的连网，但是它不适合电路交换网络。不同的商用系统采用不同的方法：Celestri和SkyBridge将ATM并入到卫星交换；Teledesic使用专用的无连接自-适应路由协议，提供快速的分组交换。

　　2.系统要求

　　容量----S UMTS为单个用户提供的数据速率可以达到144kb/s。使用Ka频段的宽带卫星系统为每个用户提供的数据速率如下：Teledesic全球卫星系统的上行链路为16kb/s？2Mb/s，下行链路为16kb/s？64Mb/s；Spaceway的上行链路为16kb/s？6Mb/s，下行链路高达92Mb/s；Astrolink的上行链路最高可达20Mb/s，下行链路最高可达155Mb/s。

　　频段----目前，UMTS的频段为1885？2025MHz和2110？2200MHz，为卫星部分留出的只有30MHz。卫星移动通信(MSS)的上下行链路分别在L和S频段运行，反馈链路在C频段提供传统的窄带业务，要提供宽带业务，就得使用Ka频段(20？30GHz)和极高频(EHF)频段(40？50GHz)。

　　3.卫星星座

　　现在的多数卫星系统采用地球静止轨道(GEO)卫星系统。GEO的性能受传输时延的影响，时延为0.5秒，这是从卫星到地面的传播时间。这对实时业务流来说，是很不利的。

　　新一代的宽带系统要求很低的时延，这就要求在非地球静止轨道(NGEO)星座有更多的低中轨道卫星。LEO卫星(高度为500？2000km)的时延为10-40ms，但是LEO卫星的覆盖范围比较小，传输时有很大的多普勒频移。为了保持实时传输不被中断，这需要频繁的星际切换，这意味着波束之间的切换需要巨大的信令开销(一个波束相当于地面蜂窝系统中的一个小区)。

　　中轨道(MEO)卫星(高度为2000？20000km)处在GEO和LEO卫星之间。在用户切换到下一个卫星之前可以持续一个小时。

　　也可以使用其他的卫星星座。例如，高椭圆轨道(HEO)卫星系统，它的远地点和近地点相距很远。商用Ellipso和Pentriad系统就是使用的HEO卫星，当卫星沿着远地点缓慢地移动时，可以提供通信业务。但是，这些系统仅仅限于特定的业务。

　　移动性管理机制一一当在运营商之间进行呼叫切换时，由于在NGEO星座中卫星动态的移动，采用GSM中的方式进行移动性管理会导致很大的信令开销，可以通过计算用户呼叫时需要FES切换的概率来克服这一点。在这种移动性管理机制中，移动终端离开FES一定距离时，就进行位置更新。用户的移动性由基于卫星的定位系统检测。FES区域的终端可以进行位置更新，在一定范围内可能不需要进行FES切换。业务提供商的QoS(包括FES切换概率，呼叫丢失率等)决定该FES服务区域的大小。
　　S ATM----许多移动性问题都与无线ATM网络相关，比如虚拟连接树，可以用于动态卫星FES网络，根据最初的虚拟连接树算法，移动终端可以在一个很大的区域内自由地漫游。该区域由几个无线接入点覆盖，并且使用预定义的虚电路执行切换。在呼叫建立时，一个移动用户接入到虚拟连接树，在连接树的中间交换点建立查询表。

　　在S-ATM网络中，连接树的根可以是一个GTW站，或者是一个ATM交换机。叶子节点为输入部分，即一个或者一组波束。虚拟树将根据卫星地移动动态地建立和释放。当一个移动用户接入到一个卫星站时，发起一次呼叫后，它的位置就能够准确地计算出来，它的下一个切换时间也能够很准确地预测。在呼叫建立阶段，根据移动的多波束状态可以预测用户切换的次数和方向。从这一点看，它比地面移动系统更有优势，因为所访问的波束列表可以预先定义。

　　8.协议

　　S-ATM----主要有两种协议用于宽带卫星网络：

　　ATM协议封装和快速分组交换，在卫星部分使用，用于用户建立和管理。根据卫星的接口和网关，卫星协议支持不同的协议标准。现有的协议无需修改，但是会使分组的开销增大，导致协议的效率下降。

　　一个与ATM协议栈高度综合的方案是，用S-ATM层取代标准的ATM层，只需对信元头和功能进行相应的修改，MAC使用多频时分多址(MF-TDMA)或者CDMA。

　　这两种协议有很多相似性，都存在一个大小固定的信息单元，通过不同的网络接口，可以运载控制数据和用户数据。在网络连通时，在不同的高层协议建立、保持、释放和传输用户数据。在未来的2？5年内，多数在Ka频段的标准将采用新版的ATM协议层。S-ATM信元头中包括必要的路由和控制信息，不同的技术如部分分组丢弃(PPD)技术，可以用来检测卫星交换中的错误信元。

　　PRMA----典型的分组预约多址协议(PRMA)用于地面蜂窝系统。它基于时隙ALOHA接入技术和TDMA传输模式，与时隙预约机制的随机接入相结合。通过利用通话中的平静期，可以在一个信道上复用多个通话。因此，给终端分配的时隙并不固定，而是根据当前的活动终端动态地进行处理。PRMA在管理语音和数据流，容量改进方面都优于TDMA。

　　在语音业务中的实时可变比特率VBR业务和数据业务中的可用的比特率ABR业务中，可以使用一种改进的PRMA机制，PRMA-HS。当终端等待接收预约结果时，终端并不停止竞争。这种机制可以提供更高的效率，它对LEO系统中的时延并不敏感。因此，对未来移动通信系统来说，PRMA-HS可以作为一个统一的MAC协议解决方案。

　　9.空中接口

　　卫星中的传播和卫星分集是两个主要的问题，因为将来的移动和卫星业务可能采用NGEO卫星星座。对LEO、MEO、HEO和GEO系统在L频段上的测试已经进行了。在EHF，一些相关的测试表明在直接路径上传播的信号有阴影效应，在郊区的道路上很少出现回声。与L频段相比，EHF频段的回声更少，衰减更高。在市区，信号的阴影效应更明显。

　　在EHF频段，Lntz提出了一个信道模型，它有两种：好的信道服从Ricean分布，差的信道服从瑞利分布，分别对应于无阴影效应和有阴影效应两种情况。考虑到上行链路上的功率限制，减少阴影效应的措施有：路径分集，卫星分集。

　　使用主动天线阵列，可以通过配置卫星天线来覆盖固定波束，或者形状和大小，动态地改变波束业务区。在这两种情况下，最重要的要求是不断的覆盖业务区。

　　动态覆盖允许系统的容量有很大的提高，也有很高的卫星分集概率(>90%)，因此，这对未来系统的设计很有吸引力。

　　三、CDMA系统

　　3G中的S UMTS采用WCDMA，它适合可变速率业务，CDMA技术是S-UMTS的基础。

　　1.TCH码

　　TCH码是一类二进制、非线性、非系统的循环分组码，其长度n=2m，它在FEC和最大似然判决解码中表现出了很好的性能，在译码器中使用DSP就可以实现。

　　TCH序列有很好的自相关和互相关特性，这一点很重要，因为CDMA系统不仅仅靠互相关特性来减少用户之间的干扰，也靠自相关特性来进行同步处理，因此，TCH码可以使用简单的相关接收机来检测CDMA中不同的用户。

　　2.CDMA接收机

　　CDMA使用有时变结构的节点，用多用户检测来减少多径衰落。由于多址干扰(MAI)，传统的CDMA通信系统中的单用户接收机性能不是很好。

　　尽管最佳多用户检测算法提供了很高的容量潜力和性能改善，但是它实施起来比较复杂。故提出了次优的方案，如去相关检测或者多阶段接收机。一个SW-CDMA中的多用户消除检测机制，接收机有一个分级结构，对所有干扰用户，根据用户需求，在进行最后的判决前，在一个选择的基础上(S-PIC)执行并行干扰消除多用户检测器(PIC)。接收机的基本假设是，将匹配滤波器的输出分为两个不同的组，根据接收信号的功率。可靠信号在整个接收的信号中直接检测和取消。在判定不可靠的信号或者复制之前，不需要进一步的处理时延。

　　因此，并行干扰消除方法比RAKE接收机有更好的性能，并且复杂度也比较低。

　　不同的盲自适应多用户检测，在使用BPSK的DS-CDMA卫星通信系统中，需要对LEO、MEO卫星移动通信系统进行分析和性能估计。接收机在基站的上行卫星链路端点使用，在使用有多径衰落的卫星信道用户中，通信系统缺乏同步。这些机制基于盲自适应多用户检测，由Verli，Honig，Madhow提出，在前一种机制中，一个盲接收机包括不同的检测器，后者垂直检测整个接收信号。它在复杂度和性能之间有一个很好的协调。与传统的单用户接收机相比，多用户检测系统对远近效应有很好的效果，它不需要训练序列，仅仅需要必要的用户信息(如活动的用户数、处理增益等)。

　　四、结束语

　　为了给将来的移动和个人通信系统提供全球的覆盖，卫星系统是必须的。本文描述COST252中的新一代卫星个人通信系统，COST252的工作包括：MF-TDMA MAC协议的程序实体；路由算法(DT-DVTR)和LEO系统中的星际链路度量；资源管理，GEO和LEO星座中的DCA技术；使用PRMA的协议等。下一代移动和固定卫星业务都将使用IP技术，这是将来的一个研究方向。


作者：陈鸿波