作者：陳鴻波

    本文主要介紹了COST252對衛星移動通信的研究成果，包括衛星系統結構，衛星星座，連網結構要求，空中接口和資源治理等。

    要害詞S-UMTSS-ATMS-ip

    一、引言

    隨著移動通信系統的發展，衛星移動通信系統在其中起著越來越重要的作用。衛星通用移動通信系統(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行通信。要為將來的固定和移動通信提供全球性的覆蓋，衛星系統是必不可少的。衛星部分將在全球信息基礎結構(GII)中起一個很重要的作用，歐洲的COST252工作組正在制定相關的衛星個人通信標準。3G移動系統的數據速率為144kb/s到2Mb/s，衛星部分速率上限是144kb/s。在ACTS項目和Ka頻段的商用系統中，衛星部分的目標是為固定和移動終端提供更高的數據速率。3G全球多衛星多波束系統采用碼分多址技術，如歐洲ESA的寬帶CDMA衛星系統(SW-CDMA)，它是衛星寬帶/時分多址接入技術與CDMA技術的結合。

    二、衛星系統結構

    衛星系統有助于基于TCP/IP的Internet應用的增長，尤其是要求高帶寬和帶寬點播靈活性的多媒體業務。因此，ATM、TCP/IP和衛星技術將會是未來全球系統聯網的基礎。

    衛星是網絡基礎設施的一部分，它與地面骨干網絡的互操作性很重要，有助于提供QoS和兼容不同類型的業務。

    1.系統情況

    SUMTS----SUMTS網絡與地面網絡相接，以提供2Mb/s的數據速率。

    SATM(衛星異步轉移模式)----在衛星ATM的分層實現上，存在兩種不同的觀點，一種是不改變現有衛星的協議結構，只是將ATM協議放在非ATM的衛星協議平臺上。另一種觀點是衛星網采用完全的ATM結構，其中衛星部分的ATM層是S-ATM(以區別地面固定網中的ATM層)，支持傳統的ATM業務、TCP/IP應用和UDP/IP應用。前者的優點是衛星平臺對不同用戶終端的協議標準是透明的；衛星訪問協議止于關口站，不會為外界網看到；不需要修改現行的衛星標準。缺點是很難為各種不同的協議提供最好的性能。具有這種分層結構的衛星ATM稱之為在非ATM上的ATM封裝。后者的優點是適用于一個高度集成的星地ATM環境，缺點是協議復雜，需要修改現有的各種衛星協議和網間接口協議。

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

    2.系統要求

    容量----SUMTS為單個用戶提供的數據速率可以達到144kb/s。使用Ka頻段的寬帶衛星系統為每個用戶提供的數據速率如下：Teledesic全球衛星系統的上行鏈路為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92Mb/s；Astrolink的上行鏈路最高可達20Mb/s，下行鏈路最高可達155Mb/s。

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

    3.衛星星座

    現在的多數衛星系統采用地球靜止軌道(GEO)衛星系統。GEO的性能受傳輸時延的影響，時延為0.5秒，這是從衛星到地面的傳播時間。這對實時業務流來說，是很不利的。

    新一代的寬帶系統要求很低的時延，這就要求在非地球靜止軌道(NGEO)星座有更多的低中軌道衛星。LEO衛星(高度為500？2000km)的時延為10-40ms，但是LEO衛星的覆蓋范圍比較小，傳輸時有很大的多普勒頻移。為了保持實時傳輸不被中斷，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銷(一個波束相當于地面蜂窩系統中的一個小區)。

    中軌道(MEO)衛星(高度為2000？20000km)處在GEO和LEO衛星之間。在用戶切換到下一個衛星之前可以持續一個小時。

    也可以使用其他的衛星星座。例如，高橢圓軌道(HEO)衛星系統，它的遠地點和近地點相距很遠。商用Ellipso和Pentriad系統就是使用的HEO衛星，當衛星沿著遠地點緩慢地移動時，可以提供通信業務。但是，這些系統僅僅限于特定的業務。

    移動性治理機制一一當在運營商之間進行呼叫切換時，由于在NGEO星座中衛星動態的移動，采用GSM中的方式進行移動性治理會導致很大的信令開銷，可以通過計算用戶呼叫時需要FES切換的概率來克服這一點。在這種移動性治理機制中，移動終端離開FES一定距離時，就進行位置更新。用戶的移動性由基于衛星的定位系統檢測。FES區域的終端可以進行位置更新，在一定范圍內可能不需要進行FES切換。業務提供商的QoS(包括FES切換概率，呼叫丟失率等)決定該FES服務區域的大小。

    SATM----許多移動性問題都與無線ATM網絡相關，比如虛擬連接樹，可以用于動態衛星FES網絡，根據最初的虛擬連接樹算法，移動終端可以在一個很大的區域內自由地漫游。該區域由幾個無線接入點覆蓋，并且使用預定義的虛電路執行切換。在呼叫建立時，一個移動用戶接入到虛擬連接樹，在連接樹的中間交換點建立查詢表。

    在S-ATM網絡中，連接樹的根可以是一個GTW站，或者是一個ATM交換機。葉子節點為輸入部分，即一個或者一組波束。虛擬樹將根據衛星地移動動態地建立和釋放。當一個移動用戶接入到一個衛星站時，發起一次呼叫后，它的位置就能夠準確地計算出來，它的下一個切換時間也能夠很準確地猜測。在呼叫建立階段，根據移動的多波束狀態可以猜測用戶切換的次數和方向。從這一點看，它比地面移動系統更有優勢，因為所訪問的波束列表可以預先定義。

    8.協議

    S-ATM----主要有兩種協議用于寬帶衛星網絡：

    ATM協議封裝和快速分組交換，在衛星部分使用，用于用戶建立和治理。根據衛星的接口和網關，衛星協議支持不同的協議標準?，F有的協議無需修改，但是會使分組的開銷增大，導致協議的效率下降。

    一個與ATM協議棧高度綜合的方案是，用S-ATM層取代標準的ATM層，只需對信元頭和功能進行相應的修改，MAC使用多頻時分多址(MF-TDMA)或者CDMA。

    這兩種協議有很多相似性，都存在一個大小固定的信息單元，通過不同的網絡接口，可以運載控制數據和用戶數據。在網絡連通時，在不同的高層協議建立、保持、釋放和傳輸用戶數據。在未來的2？5年內，多數在Ka頻段的標準將采用新版的ATM協議層。S-ATM信元頭中包括必要的路由和控制信息，不同的技術如部分分組丟棄(PPD)技術，可以用來檢測衛星交換中的錯誤信元。

    PRMA----典型的分組預約多址協議(PRMA)用于地面蜂窩系統。它基于時隙ALOHA接入技術和TDMA傳輸模式，與時隙預約機制的隨機接入相結合。通過利用通話中的平靜期，可以在一個信道上復用多個通話。因此，給終端分配的時隙并不固定，而是根據當前的活動終端動態地進行處理。PRMA在治理語音和數據流，容量改進方面都優于TDMA。

    在語音業務中的實時可變比特率VBR業務和數據業務中的可用的比特率ABR業務中，可以使用一種改進的PRMA機制，PRMA-HS。當終端等待接收預約結果時，終端并不停止競爭。這種機制可以提供更高的效率，它對LEO系統中的時延并不敏感。因此，對未來移動通信系統來說，PRMA-HS可以作為一個統一的MAC協議解決方案。

    9.空中接口

    衛星中的傳播和衛星分集是兩個主要的問題，因為將來的移動和衛星業務可能采用NGEO衛星星座。對LEO、MEO、HEO和GEO系統在L頻段上的測試已經進行了。在EHF，一些相關的測試表明在直接路徑上傳播的信號有陰影效應，在郊區的道路上很少出現回聲。與L頻段相比，EHF頻段的回聲更少，衰減更高。在市區，信號的陰影效應更明顯。

    在EHF頻段，Lntz提出了一個信道模型，它有兩種：好的信道服從Ricean分布，差的信道服從瑞利分布，分別對應于無陰影效應和有陰影效應兩種情況?？紤]到上行鏈路上的功率限制，減少陰影效應的措施有：路徑分集，衛星分集。

    使用主動天線陣列，可以通過配置衛星天線來覆蓋固定波束，或者外形和大小，動態地改變波束業務區。在這兩種情況下，最重要的要求是不斷的覆蓋業務區。

    動態覆蓋答應系統的容量有很大的提高，也有很高的衛星分集概率(>90%)，因此，這對未來系統的設計很有吸引力。

    三、CDMA系統

    3G中的SUMTS采用WCDMA，它適合可變速率業務，CDMA技術是S-UMTS的基礎。

    1.TCH碼

    TCH碼是一類二進制、非線性、非系統的循環分組碼，其長度n=2m，它在FEC和最大似然判決解碼中表現出了很好的性能，在譯碼器中使用DSP就可以實現。

    TCH序列有很好的自相關和互相關特性，這一點很重要，因為CDMA系統不僅僅靠互相關特性來減少用戶之間的干擾，也靠自相關特性來進行同步處理，因此，TCH碼可以使用簡單的相關接收機來檢測CDMA中不同的用戶。

    2.CDMA接收機

    CDMA使用有時變結構的節點，用多用戶檢測來減少多徑衰落。由于多址干擾(MAI)，傳統的CDMA通信系統中的單用戶接收機性能不是很好。

    盡管最佳多用戶檢測算法提供了很高的容量潛力和性能改善，但是它實施起來比較復雜。故提出了次優的方案，如去相關檢測或者多階段接收機。一個SW-CDMA中的多用戶消除檢測機制，接收機有一個分級結構，對所有干擾用戶，根據用戶需求，在進行最后的判決前，在一個選擇的基礎上(S-PIC)執行并行干擾消除多用戶檢測器(PIC)。接收機的基本假設是，將匹配濾波器的輸出分為兩個不同的組，根據接收信號的功率。可靠信號在整個接收的信號中直接檢測和取消。在判定不可靠的信號或者復制之前，不需要進一步的處理時延。

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

    不同的盲自適應多用戶檢測，在使用BPSK的DS-CDMA衛星通信系統中，需要對LEO、MEO衛星移動通信系統進行分析和性能估計。接收機在基站的上行衛星鏈路端點使用，在使用有多徑衰落的衛星信道用戶中，通信系統缺乏同步。這些機制基于盲自適應多用戶檢測，由Verli，Honig，Madhow提出，在前一種機制中，一個盲接收機包括不同的檢測器，后者垂直檢測整個接收信號。它在復雜度和性能之間有一個很好的協調。與傳統的單用戶接收機相比，多用戶檢測系統對遠近效應有很好的效果，它不需要練習序列，僅僅需要必要的用戶信息(如活動的用戶數、處理增益等)。

    四、結束語

    為了給將來的移動和個人通信系統提供全球的覆蓋，衛星系統是必須的。本文描述COST252中的新一代衛星個人通信系統，COST252的工作包括：MF-TDMAMAC協議的程序實體；路由算法(DT-DVTR)和LEO系統中的星際鏈路度量；資源治理，GEO和LEO星座中的DCA技術；使用PRMA的協議等。下一代移動和固定衛星業務都將使用IP技術，這是將來的一個研究方向。