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1、第六届卫星通信新业务新技术学术年会 2 0 1 0 3 基于3 G 兼容技术的G E O 卫星移动通信系统网络架构方案 吴建军程宇新郭健许玉滨高振兴杜建成王坤 ( 北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室) 1 引言 建立我国的自主卫星移动通信系统是非常重要和必要的，尤其是在经历了惨痛的2 0 0 8 年5 1 2 汶川大地震之后，相关的立项呼吁一直持续不断。首先，建立我国卫星移动通信系统可以提供灾害 情况下应急通信保障，提高我国相应的防灾、救灾和减灾能力其次，可以扩展和补充地面蜂窝移 动通信系统的覆盖范国，尤其是不易建立地面系统的近海、远洋、沙漠、偏远山区等。最重要的是， 这关系到我国空
2、问战略资源的保护。我国有关单位在2 0 0 4 年申请的1 1 5 5 。E 1 2 5 5 。E 轨位和 S 频段的卫星网络，将在2 0 1 0 年1 1 月到期如果届时未能发射相应卫星并建立通信系统，则很可 能被其他次优先权国家占据，使我国失去发展G E O 卫星移动通信系统的战略机会。 在这种情况下，我国多个部门开展了卫星移动通信系统的先期研究项目。其中，国家科技部于 2 0 0 8 年底启动了相应的8 6 3 重点项目，课题之一为“基于3 6 及其兼容技术的卫星移动通信系统总 体技术研究”，而本单位在这一课题中承担了“卫星移动通信系统体系结构研究”子课题。按照科 技部的要求，本项目所设
3、计的系统应该基于3 G 及其兼容技术，其次应该具备一定的星上单跳通话能 力。 目前一些典型的卫星移动通信系统包括：兼容2 G 的系统，如I r i d i u m ，O l o b a l s t a r ，T h u r a y a ， A c e S ：兼容3 G 的系统如I n m a r s a t 的B G A N ；以及一些所谓的下一代卫星移动通信系统，即M S V 和 T e r r e s t a r 。尽管这些典型系统可以作为本课题系统的参考，但尚无法完全满足本课题的具体设计要 求。为此需要开展相应的研究和设计工作。 本文中主要介绍基于3 G 兼容技术的卫星移动通信系统体系结
4、构设计的一种初步方案，重点包括 其网络结构方案、新设功能实体、新接口及其协议模型、呼叫处理流程修正方案等内容。 3 1 4 第A 坷卫星通信新业务新拄术学术年台2 0 1 03 2 系统概况 2 1 系统主要特点 我们所涉及的系统首先是个典型的卫星通信系统，包括守问段、地面段、用户段三个部分 如图l 所示。 空闻段 咿& 毫 图l 卫星移动通信系统组成结构图 在介绍系统网络结构方案之前需要先列举一些系统总体设计的主要特点，包括从卫星轨道选 择、通信体制选择，到空中接口的选择。 ( t ) G E O 轨道 由于我国在2 0 0 4 年所申请的卫星网络为c E 0 卫星轨位，另一方面也考虑到G
5、E O 卫星系统所特有 的简单性，本系统方案选择采用G E O 卫星轨道。当然这样的选择也会带来较故传输时延的不利影 响需要对系统设计进行综台考虑。 ( 2 ) 3 G 技术 基于3 G 及其兼容技术进行卫星移动通信系统设计是国家科技部的一个主要设计要求，目的是考 虑与我国地面3 G 移动通信系统的发展相适应，不仅提供低速率的话音业务，也提供高速率的数据业 务。 ( 3 ) 氍D 眦室中接口 3 1 5 第六届卫星通倍新, I k 4 Y 新挂术学术年会 2 0 1 03 由于采用C k ) , I A 2 0 0 0 体制将面临专利困境而T D - S C D M A 体制在基rH 星的通信
6、系统中应用也存 在较大的难题，因此采用w c D M 体制作为奉系统的空中接口是一个台适的选择尤其考虑到V C D I A 的广泛应用现实。 ( 4 ) 3 G P PR 4 参考横犁 在3 G P P U ) , f f S 的标准序列中，包括R 9 9 ，R 4 5 6 7 8 9 九0 等，矾标准已经形成了一个成熟、 稳定的网络架构版本浚阿络结构划分为无线接入网( R A N ) 和核心网( c 、) 等主要部分，电路( c s ) 和分组( P S ) 两个域，特别地具有一个承载无差的核心嘲( C N ) 。 ( 5 ) 独立于P U , E N 的核心网 由于我国的3 G 系统牌照分
7、别发放给了中国移动、中国联通和中国电信二家运营商出于平衡各 方利益的考虑以及独立卫星通信系统的发展需求考虑将采用一种昂低级的卫星移动通信系统与 地面移动通信系统综合方式，即地理综台或卫星自成系统的方式。 ( 6 ) 双跳和单跳相结音 由于采用G E O 卫星作为空间段较大的传输时延将影响到话音通信质量尤其是在需要地面信 关站介入的双跳通信模式下。为了降低传输时延的影响，则只能采取单跳通信的模式，为此需要进 行星上交换处理。考虑到赍源及技术水平，一般来说目前只能采取双跳和单跳相结台的方案，而具 体实现也只是在这两者之间进行适当的舞源优化配置。 2 2 卫星和信关站配置 对于G E O 卫星移动通
8、信系统来说，系统配置的主要影响因素是卫星数目和信关站的数量这两 者的配置组合方式对系统的规模有较大影响。 图2 卫星和信关站配置组合结构盈 l 【】孥 鎏 一 、，f 基潍I I I 第六届卫星通信新业务斩技术学术年台 一般而言采用多个卫星可以扩大覆盖范踊或者通过减小卫星波柬宽度而提高波束内的E I R P 值，后者对终端小型化或者提高业务速率都有一定的好处。采用多个信关站一般是考虑到运营应用 的同题，一般而言每个信关站由一个运营商进行管理，共同分享整个覆盖范围下的用户和业务。多 卫星多信关站的系统配置是面向长远发展的一种更佳配哥方式不仪具有单E 星多情关站系统配置 方式的所有优点而且可以扩大
9、卫星移动通信系统的覆盖范周共至未来向全球覆盖拓展也可以在 覆盖范围不变的前提下通过减小疆盖小I i 波束宽度以达到提高E I R P 和G T 值的日的从而更好地提 供高速率业务或更好地支持小型化手持式终端。 当然，多砸星多信关站的系统配置方式同时也更适合民_ f I 】和军用并存的应用场景。在这场情况 下，军事应用可以考虑单独的卫星和信关站进行军用通信网络的运行控制和管理更有利于军用和 民用系统同络的龋离。此外，由于存在多颗通信卫星，一般采用分布武星控和运控矗案，并且通过 数据通信网络进行处理信息交换和共享。多颗通信卫晕之间还可以设冕星际链路( I S L 进行数据传 输，以提供整个网络的遥
10、信估输和切换控制性能。 一种采用多卫星多信关站配置组台如图2 所示。 23 罔络域划分模型 本系统设计基于u I f I s 的阿络架构模型，其基本域的划升模犁如图3 所示。 _I I I1 黜勰基 器n 洳7 骚融 翻3u 盯s 网络域模型 整个网络结构划分为用户设各域( U s e rE q u i p m e n tO o m a i n ) 和基础设施域( I n f r a s t r u c t u r e D o m a i n ) 两太部分，前者进一步划分为通用S I M 域( U S I MD o m a i n 和移动设备域( M o b i l eE q u i p m
11、e n t D o m a i n ) 后者划分为接入网络域( A c c e s sN e t w o r kD o m a i n ) 和核心网络域( C o r eN e t w o r kD o t a l n ) 。 第六届卫星通信新业务新技术学术年会2 0 1 0 3 各功能域之间定义有标准接口，其中最主要的接口是移动设备域和接入网络域之间的接口U u ，及接 入网络域与核心网络域之同的接口I u 。 为简化本系统的架构设计，尤其考虑到研究重点在基础设施方面，我们采用一个更一般化的卫 星移动通信系统网络域模型，如图4 所示。 圈 回 I 叫 l 1 圈 圈 1 _ J J 回圜 回
12、围 U EO S R A N l 烈 I J f 户设备 伽 H 星上线接 州l u拽心 图4 一般化的卫星移动通信系统网络域模型 其中用户设备域( I l E ) 包含着各种移动站，G E O 卫星无线接入网域( G S R A N ) 包含有G E O 卫星在 内的无线网络子系统( R N S ) ，核心网域包含有网络交换子系统( N S S ) 等。相应的U u 和I u 接口同 上。 3 卫星载荷配置方案 作为一个卫星移动通信系统卫星载荷配置是影响整个系统网络结构设计的关键因素。一般来 说，有以下的5 种卫星配置方式， 透明弯管转发方式 被动式部分星上交换方式( 即部分交换部分透明，但
13、交换路由不在星上完成) 主动式部分星上交换方式( 即部分交换部分透明，且交换路由在星上完成) 被动式完全星上交换方式( 即完全实现星上交换，但交换路由不在星上完成) 主动式完全星上交换方式( 即完全实现星上交换，且交换路由在星上完成) 当然，限于现有技术条件要实现完全星上交换暂还存在较大困难，尤其在需要较大系统容量的 情况下。因此我们以下仅针对前三种配置进行讨论。 3 1 透明弯管转发模型 星上转发器采用完全透明转发工作方式时，处于一种最简单的工作方式，转发器基本上只是对 用户链路和馈电链路的信号进行频段搬移。相应的功能建模如图5 所示。 3 l B 第六届卫星通信新业务新技术学术年会 2 0
14、 1 03 其中，T P M 表示透明转发模块( T r a n s p a r e n tP r o c e s s i n gM o d u l e ) ，包含用户链路处理单元( U L P U ： U s e rL i n kP r o c e s s i n gU n i t ) 和馈电链路处理单元( F L P U ：F e e d e rL i a kP r o c e s s i n gU n i t ) 两个 部分。 T 蹦中的用户链路处理单元U L P U 是卫星无线接入网与移动用户设备之间空中接口U u 的接入网 侧边界，因此整个T P M 可以看作是无线网络子系统中N o
15、 d eB 的一个组成部分，至少是其射频前端部 分。 图5 透明弯管式转发卫星功能模型 3 2 被动式部分星上交换模型 所谓星上部分交换方式，指的是星上转发器主体仍基于透明转发方式，但具有一部分信道或话 路可进行星上处理交换能力，也即卫星单跳工作能力的方式；而所谓的简单交换方式，则指的是只 完成话音业务交换并且仅是作为一个单纯的交换执行机构，而不进行任何信令的处理。当然，对于 采用W c 呲兼容标准作为空中接口体制的卫星移动通信系统而言，具体的星上处理交换可以基于比 特流交换方式，也可以基于数据帧交换的方式。相应的功能建模如图6 所示。 牛，一一一 ：S P M 图6 被动式部分星上交换卫星功
16、能模型 第六屠卫星通信新业务新技术学术年会2 0 1 0 3 其中，T P M 仍表示透明转发模块( T r a n s p a r e n tP r o c e s s i n gM o d u l e ) ，包含用户链路处理单元 ( U L P U ：U s e rL i n kP r o c e s s i n gU n i t ) 和馈电链路处理单元( F L P U ：F e e d e rL i n kP r o c e s s i n gU n i t ) 两个部分。 S P M 表示交换处理模块( S w i t c hP r o c e s s i n gM o d u l e ) ，包含： N o d eB 部分功能实体( N o d e 胁) ：如解扩解扰、解调解码以及重编码调制、加扰扩频等； 星上交换网络( S S N ：S a t e l l i t eS w i t
