1、新一代卫星移动通信系统的基本架构与信道特性研究 吴其达 四川司法警官职业学院 摘 要： 自从地球的天眼卫星被发明出以后, 地球对于人类来说就不是那么的大了。而且由于卫星的不断研发和进步, 卫星从一开始的单纯使用在军事上, 而慢慢的运用到人们的日常生活里, 就比如说卫星导航。所以, 有了卫星移动通信科技, 而且不管是军事还是普通用户, 运用卫星通信的范围越来越广, 架构出范围广、速度快、延时短、方便灵活的卫星移动通信网络已然是全球的发展方向。卫星移动通信相对整个通信行业占比越来越多, 它特有的优点和战略意思不言而喻。在以后的通信行业, 必将是一个跨时代的进步, 卫星移动通信会带领通信科技走向新时
2、代。本篇文章主要论述了新型卫星移动通信网络的的构建, 并讲解了新型卫星移动通信网络的构成、重点技术, 阐明了卫星移动通信网络的信息通道特点, 设计了多个通道模型, 给本文的关键问题研究带来了相应的环境。关键词： 卫星移动通信; 通道; 网络; 模型; 作者简介：吴其达 (1981-) , 男, 四川德阳人, 硕士研究生, 主要研究方向计算机通信与测控, 卫星通信, 嵌入式设计与应用、加密技术等。收稿日期：2017-05-12Research on the basic architecture and channel characteristics of the new generation s
3、atellite mobile communication systemWu Qida Abstract： Since the earths eye-satellite was invented, the earth for humans is not so big.And because of the continuous development and progress of the satellite, the satellite from the beginning of the simple use of the military, and slowly applied to peo
4、ples daily lives, such as satellite navigation.So, the satellite mobile communication technology, and whether military or ordinary users, the scope of application of satellite communication is more and more wide, the architecture of satellite mobile communication network, a wide range of speed, shor
5、t delay and flexible is the direction of global development.Compared with the whole communication industry, the proportion of satellite mobile communication is more and more.In the future of the telecommunications industry, is bound to be an era of progress, satellite mobile communications will lead
6、 to a new era of communication technology.This article mainly discusses the construction of the new satellite mobile communication network, and explained the structure, key technology of a new type of satellite mobile communication network, the information channel characteristics of satellite mobile
7、 communication network, the design of multiple channel model, it brings the corresponding environment to the key issues of this article.Keyword： satellite mobile communication; channel; network; model; Received： 2017-05-120 前言多年来, 使用卫星进行移动通信渐渐地受到国内外的大量关注, 因为它具备容量大、范围广、方便灵活、频带宽、不受环境影响等优点1。通信行业的研究者以及
8、IT 公司慢慢地将目光投向了使用卫星移动通信到人们日常生活中。因为在国内外通信、紧急救灾、民用通信、IT 应用、医疗救助、公共资源、交通导向等行业的特有优点, 卫星移动通信是整个社会人们日渐期待的方向。在2里明文写出, 应该促使卫星和相关运用行业的规模化范围应用, 维持国民经济重要领域的运用需要, 促使卫星和其运用全产业链迅速发展。目前的卫星移动通信程序是根据 GSM/CDMA 规范来的, 基本支持通话、讯息、传真等传速很低的业务, 很难满足现今的图片像素、视频、网站、视频会议、大信息流等多媒体信息输送。所以, 在卫星移动通信里导入4G/B4G 等科技, 构建出具备高速度、多业务、高频谱速率的
9、新型卫星移动通信网络是大势所趋3。现今, 在新型卫星移动通信网络的研发进程中, 还有许多非常关键的难题待解决。本篇文章主要论述了新型卫星移动通信网络建立, 阐述了新型卫星移动通信科技的构成、主要技术, 讨论了卫星移动通信网络的通道特点, 构建了多个通道模型, 给本文的关键难题讨论营造了合理的氛围。1 新型卫星移动通信网络构建新型卫星移动通信网络的基础是移动通信, 通信两方在通过信息交互时, 起码有一方是处于运动状况的, 像行人、车辆、飞机、船等。网络架构包含:用户端、空间端以及地面端三方面5。1.1 用户端新型卫星移动通信网络用户端意思是全部的用户终端, 像手拿、便携、车载或机载等能够移动的通
10、信设施。用户能够利用终端在海陆空等多变境况下进行通信, 实施语音或者数据情况的交互。它大概包含空中各类高度和功能的飞机或者飞行设备, 还有就是陆地上的船、汽车、员工与地面通信设备等。1.2 空间端空间端的构成包含一颗或者几颗具备不一样的轨道标准数的通信卫星以及近端的空间设施, 卫星间互相交互, 形成卫星星座, 能够利用星际链接 (ISL) 以及轨间链接 (IOL) 做到星际间的互通8。星际链接意思是位于相同的卫星轨道线路上的卫星间的结合, 轨间链接意思是位于不同的卫星轨道线路上的卫星间结合。近端的空间设施 (NSP) 指的是处于近端空间的飞行设备设为潜在节点构成的通信网络。1.3 地面端(1)
11、 信关站信关站作用是确保地面网与卫星网之间的链接, 达到地面和卫星之间的任务数据交互、管控信令、移动互换以及管理等要求, 是地面网和卫星网用户两者间通信的主要内容。信关站和公共互换电话网 (PSTN) 、公共互换数据网 (PSDN) 以及公共陆地移动网 (PLMN) 等系统做到互联互通10。(2) 网络管控中心网络管控中心统一协调和管控信关站的全面工作, 控制有效载荷的运用;给相应的业务服务运营商配置空间资源以及做出高效载荷的设置;做到用户呼叫路由设置;为用户终端形成资源运用记录;检测和控制卫星移动通信网络进行性能检测;监控输送通道然后确保用户根据传输标准的操作情况。(3) 卫星管控中心卫星管
12、控中心一般是负责监控与设置通信卫星, 包含遥测编辑、指令发布、形成分发性历史记录、侧距与轨道分析、卫星动态模拟与波束标校等能力。2 卫星移动通信网络通道特性移动用户在经过通信时, 必须要有一端是保持运动状态, 空间环境随时可能会改变。因为移动卫星用户常常位于室外空旷环境里通信, 卫星和用户间存有视距传送, 因此终端接收的信息不仅有直射情况同时也会有多径情况, 而且多径情况遵循瑞利分布11。除此之外, 移动终端种类、卫星轨道等情况都会促使卫星移动通信通道处于多元化。2.1 卫星通道损耗在卫星移动通信的过程中, 电磁波肯定会经过多重损耗, 比如说自由空间传送消耗、大气吸收消耗或者下雨、雾、云等情况
13、形成的散射和衰弱等。因为卫星信号传送距离大, 自由空间传送消耗就成为干扰接收信号功率最重要的原因之一12。卫星波束范围广, 波束内许多用户到卫星间距离基本是不一样的, 自由空间消耗也就不一样。电磁波经馈源雷达发射出, 在自由空间里的电磁波能源经球面方式向外散发。传送距离越大, 散发面越广, 单位面积里收到的信号能量就越小。自由空间传送消耗 LF为:注意, d 是传送距离 (单位:km) , f 是作业频率 (单位:GHz) , 是作业波长, c 是光速。2.2 通道特性分析(1) 多径效应在电磁波信息传送的过程中, 都会因为许多物体 (像高楼) 的反射、折射以及散射, 因而导致收到的信息是很复
14、杂的, 是根据不同幅度、延时以及相位的许多信号相叠加构成14。不一样的传送通道会具备易变性和随机性, 涉及到总成的各径向信息间的连接关系会根据传送路径不一样而变成随机变化, 因此导致收到信号的衰退。(2) 阴影效应只要电信号在传送途中碰到障碍物或者遮挡物 (像高楼大厦、大山、森林等) 遮挡时, 肯定有一些能量经过吸收和发散, 致使信号能量衰退, 接收信号平均值降低, 因而形成阴影遮挡情况。一旦用户运动遇到遮挡物时, 卫星和用户间的直接信号就会因建筑物遮挡, 信号能量发生逐渐衰退, 导致收到的信号的平均值会在处于不断的波动情况, 因此阴影衰退15。(3) 多普勒频移因为卫星与移动终端间的互相运动
15、而致使收到信号相比发射信号的协波频率出现偏移的状况称为多普勒效应, 此效应导致的频率改变值叫做多普勒频移, 也可以写为:注意, 代表入射波和移动终端移动方向间的夹角;v 代表卫星与运动终端之两者的相对速度;f c是发射频率。在卫星移动通信网络里, 除了移动终端的移动会导致多普勒效应, 卫星的运动同样可以形成多普勒频移。静止轨道卫星网络中, 多普勒频移基本源自移动终端的移动;非静止轨道卫星网络中, 卫星的运动速度极大的超过终端的速度, 所以由此得出结论, 卫星相比较地面用户的高度移动是形成多普勒频移的重要构成部分。(4) 电离层闪烁电离层存在好多显现自由态的电子以及离子, 可以让无线电波产生折射
16、、散射以及反射等, 然后进入其极化面的转变, 因为导致电波信号的相位、幅值、极化情况等产生短时间的无规律改变, 导致电离层闪烁情况。此效应可以致使地空无线电程序的信号相位与振幅发生改变, 因为信号质量衰退, 导致通信网络、卫星导航网络、地空目标监控网络信号中断, 极大地影响正常通信过程。2.3 典型卫星通信通道模型(1) Corazza 模型Corazza 模型不但直接分量会受到阴影遮挡, 而且多径分量同样遭到阴影遮挡, 又名为全阴影模型。此通道模型较为符合具体情况, 合适于许多卫星移动通信情况 (像郊区、闹市、旷野等) 。相对于前面两个通道模型, Corazza 模型能够极好的模拟非同步轨道
17、卫星网络的通道特殊性, 相对来说比较适合于 LEO 和MEO 卫星通道。Corazza 模型能够作为是莱斯分布与对数正态分布相联合, 所以它的概率分布函数就应该是莱斯概率分布与对数正太概率函数非联合。经过对卫星移动通信通道特点与通道模型的分解, 我们能够在讨论过程里全面直观的模拟出具体的通道情况, 确保研发成果的可靠。(2) LMS 模型依照移动终端位于的阴影遮挡环境不一样, LMS 模型把卫星通道列为三个状况:LOS (Line of Sight) 状况、中等阴影遮挡状况和深度阴影遮挡状况, 并用三状况 Markov 链来概括他们。此模型不但能够概述宽带与窄带通信的状况, 同样又能够概述静止
18、、非静止轨道卫星通信通道特点, 然后适用于 L/S/Ka 波段的分别遮挡范围 (开放环境到城市) 与不同仰角 (0 度至 90 度) 的境况中, 最终经过许多试验数据来获得不同频率、境况于仰角下的通道模型数据。此通道模型的主要特点就是可以形成任何通道参数的时间序列, 过去的统计能够在生成的序列里编辑得到, 还能够反馈不一样的阴影的保持时间、通道导致的时间散射和他们对链路与网络性能的影响等通道数据。3 结语卫星移动通信网络具备独有的优点与通道特性, 比如信号传送时延大;多普勒频移较大、单波束含概面积大;卫星和移动终端功率限制以及通道状况改变较慢等。卫星移动通信的推广, 以及高速率信息传送业务的需
19、求增多, 推进了卫星移动通信科技的迅速进步。在卫星移动通信网络中导入 4G/B4G 等科技, 构建具备高速率、多元化、高频谱速率的新型卫星移动通信网络是未来趋势。参考文献1易克初, 李怡, 孙晨华, 南春国.卫星通信的近期发展与前景展望J.通信学报, 2015 (06) :161-176. 2黄宝怡.卫星移动通信应用发展研讨会在京举办J.卫星应用, 2016 (04) :90. 3刘坤, 朱立东.基于 LTE 的卫星移动通信随机接入技术研究J.无线电通信技术, 2017 (02) :12-15. 4范翔.基于 Ka 波段的卫星宽带接入技术J.中国新通信, 2015 (23) :75. 5杨随虎
20、.5G 移动通信相关技术与国内发展趋势展望J.自动化与仪器仪表, 2016 (11) :82-83. 6田清华.基于 OFDM 的高速移动无线通信系统及宽带卫星通信系统关键技术研究D.北京邮电大学, 2013 7孟楠.卫星通信系统跨层带宽分配及多媒体通信技术研究D.北京邮电大学, 2013 8姜君.用于移动载体卫星通信的动中通系统若干关键问题研究D.南京理工大学, 2012 9杨桂明.基于短消息的移动通信网络自动监控系统的研究J.自动化与仪器仪表, 2015 (1) :45-46. 10王俊飞, 崔维嘉, 王大鸣.基于 LMS 估计的卫星移动通信定时同步优化J.电讯技术, 2014 (07)
21、:945-950. 11王金海.基于 IMS 的卫星通信多网系统一接入技术研究J.无线电通信技术, 2015 (03) :30-33. 12陈鹏, 邱乐德, 王宇.卫星认知无线电检测门限与功率分配联合优化算法J.西安交通大学学报, 2013 (06) :31-36+43. 13程磊, 童新海, 吴久银, 张忠超, 孔博.一种卫星移动通信中的 L/P 跨层设计J.电子技术应用, 2013 (08) :98-101. 14吕子平, 梁鹏, 陈正君, 韩淼.卫星移动通信发展现状及展望J.卫星应用, 2016 (01) :48-55. 15任丹.一种新的卫星移动通信系统及其应用J.网络安全技术与应用,
22、 2012 (02) :67-68+63. 16Xianqing Yi, Zhili Sun, Fang Yao, Ye Miao.Satellite constellation of MEO and IGSO network routing with dynamic groupingJ.Int.J.Satell.Commun.Network., 2013 (6) :61-67. 17Zhang Yong.New prediction of chaotic time series based on local Lyapunov exponentJ.Chinese Physics B, 2013 (5) :623-629.
