低轨卫星移动通信系统的星间链设计

胡东伟，宋春晓

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



低轨卫星移动通信系统的星间链设计

胡东伟1,2，宋春晓1,2

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081；2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

从分析铱星通信系统的特点出发，研究了低轨卫星移动通信系统波束覆盖面积和星间切换、波束切换的频率，以及系统用户位置管理方案和数据包路由策略对星间链的要求；分析了星间链的多普勒特性，提出星间链应采用频分双工体制、采用Ka(或更高)频段的载波频率，并设计了星间链传输的帧结构方案。仿真验证了该帧结构方案的可行性。

低轨卫星；移动通信；星上路由；星间链

0 引言

目前，国际上运行着的低轨卫星移动通信系统主要有铱星(Iridium)系统、全球星系统(GlobalStar)和轨道通信系统(OrbComm)。OrbComm系统容量小，主要用于数据采集。GlobalStar系统星上采用透明转发模式。为了达到全球覆盖，GlobalStar需要在全球布设信关站。铱星系统由66颗低轨卫星构成，具有星间链，理论上全球布设一个信关站即可实现全球覆盖。

近来，国内低轨卫星移动通信系统的建设又引起了关注[1]。但是，到目前为止，国内未有一个完整的低轨卫星移动通信系统方案见诸报导。由于我国在国外布设信关站有很多的政治阻碍，因此铱星系统是最值得我国借鉴的方案。但铱星系统的完整方案至今也未披露。这在一定程度上，不能让我们建立起充分的信心。

此次试图剖析铱星系统的特点，分析系统的用户管理和星上路由策略对星间链设计的影响，进而提出系统的星间链设计方案。

1 铱星系统的特点分析

铱星系统由空间卫星段、地面段和用户段3部分组成。空间段卫星星座由66颗低地球轨道主用卫星和6 颗备用卫星组成，分布在780 km 高的6个轨道面上，每个轨道面上有11 颗工作星和1 颗备份星，轨道倾角为86.4°。地面段包括系统控制部分和关口站。系统控制部分是铱星系统的管理中心，负责系统的运营和业务的提供，并将在轨卫星的运行轨迹数据提供给关口站。关口站的作用是连接地面网络系统与铱星系统，并对铱星系统的业务进行管理。用户段包括可提供电话服务(语音、数据和传真)的用户设备(ISU)和支持直接信息服务的信息终端设备(MTD)2类[2]。

铱星卫星的轨道周期约100 min，飞行速度约7.52 km/s。每颗卫星携带3个L波段天线，在地球上形成48个点波束，每个波束直径大约400 km。单颗卫星覆盖直径大约4 500 km。因此，倘若终端不动，大约1 min一次，用户终端就要从同一颗卫星的一个波束切换到另一个波束；大约9 min一次，用户终端就要从一颗卫星切换到另一颗卫星的服务区[2-3]。

铱星系统的星间链如图1所示。每颗星与其前后左右4颗星，建立4条星间链。其中第1轨道面和第6轨道面的卫星，只有向右或向左的单向星间链，其余为双向星间链。相向运动的卫星之间，不建立星间链。同一轨道面上，前后2颗卫星之间的星间链固定距离为4 033 km，时延为13.4 ms。且前后星星间链指向固定。相邻轨道面上，2颗星的最远距离大约3 579 km，时延大约为11.9 ms；最近距离一般只有几千米，接近为0(极地区域)。

铱星系统每颗卫星支持3 840条话音信道。但实际上，由于功率的限制，每颗卫星实际只能支持1 100路话音信道。这样，66颗卫星，总共能支持的话音信道数目为72 600条。

图1 铱星系统的星间链

2 星上路由方案及其对星间链的要求

2.1 星间路由的时延分析

图2 最远通信距离的计算

考虑卫星终端到卫星终端的最远路由，即星上由第1轨道面第1颗卫星至第6轨道面第6颗卫星的时延，这一过程中需经过5跳的同轨道面路由和5跳的异轨道面路由，时延大约为13.4*5+11.9*5+7.9*2 = 142.3 ms。其中最后一项为卫星到地面的时延，包括上下行2跳。考虑到每一跳的处理时延，设为2 ms，则总时延大约为166.3 ms。

假设信关站设置于第3轨道面，则卫星终端到信关站的最大时延，需经过3跳的异轨道面路由和5跳的同轨道面路由，为13.4*5+11.9*3+7.9*2=118.5 ms。其中最后一项为终端与卫星和卫星与信关站之间的时延。加上处理时延，大约为138.5 ms。

从上面的分析看，星上路由和处理时延最大大约在166.3 ms，这相对于波束切换(1 min)和星间切换(9 min)，是很短暂的。因此，可以认为，在星上路由期间，卫星星座及其覆盖是静止的[4-5]。因此，路由策略的选择，就可以根据固定的星座结构来进行[6-7]。

2.2 星上路由方案

2.2.1 星上路由要解决的问题

从总体上说，星上路由包括从卫星终端到卫星终端的路由和从卫星终端到信关站的路由。星上路由要解决的问题，就是由二元组(源终端地址、目的终端地址)，转化为(L1，L2…Ln)的映射[8]。其中Li表示一条单向的星间链，n为总跳数。根据星座架构及星间链配置，整个系统共有242条单向星间链。Li和n均为变数，Li可取242条单向星间链中的任意值，n为非负整数，最大可取值为12。n为0时表示无需星间路由。

由于卫星的飞行，卫星终端不断地发生切换。切换包括波束切换、卫星切换和星间链路的极区切换[9]。由于切换的存在，(源终端地址、目的终端地址)到(L1，L2…Ln)的映射，无固定的映射关系，给问题带来复杂性。显然，其映射关系，受源终端地址、目的终端地址所在的卫星(即由哪一颗卫星为他提供连接，称之为该终端的卫星地址)的影响。终端的卫星地址可认为是路由策略的一个隐变量。

2.2.2 用户位置管理

由于终端的卫星地址对路由策略的影响，需要对终端的卫星地址进行记录和管理，即移动性管理。假设系统内的每一颗卫星及每一颗卫星的每一个波束，都有固定的编址。任何一个终端用户在系统内的地址，也都可以用该编址来表示。这个编址可以用三元组(卫星轨道号、卫星相位号、卫星波束号)来表征，称为卫星地址。卫星轨道号(3 bit)表征目标地址位于6个轨道面的哪一个。卫星相位号(4 bit)表示目标地址位于轨道面内11颗星中的哪一颗。卫星波束号(6 bit)表示目标地址位于一颗卫星的哪个波束。显然，总共13个比特即可表示出一个卫星地址。

由于每一颗卫星都需要执行路由策略，因此可考虑在每一颗卫星上存储每个终端的卫星地址。假设系统最大在线(不一定激活)用户数目为200万， 则索引用户终端序号需要21位地址(称为终端ID)。于是，存储所有卫星用户的终端ID和卫星地址，需要(21+13)*200 000 bit，即8.5 M字节。这个存储量不大，在信关站和每颗卫星上同时存储是可行的。

当某一卫星终端接入系统时，终端接入的卫星向所有其他卫星和信关站发出信令，增加该终端的记录。当某一终端退出网络时，终端所在的卫星，向所有其他卫星和信关站发出信令，删除该终端的记录。当某一终端由同一个卫星的一个波束切换到另一个波束时，终端所在的卫星更新其地址内波束号即可。当某一终端由一颗卫星切换到另一颗卫星时，终端所在的卫星，向所有其他卫星和信关站发出信令，更新该终端的地址。由于星间链的时延都在毫秒级，而波束切换的频度大约在1 min，而卫星切换的速度更慢，因此可认为星上及信关站内终端地址的更新是近似实时、无误差的。

2.2.3 星上路由方案

对于卫星终端到卫星终端的路由，直接先根据轨道号，进行横向路由，再根据卫星相位号，进行纵向路由即可，如图3所示。倘若追求最短时延，则可以把横向路由尽量选择在接近极地区域。对于卫星终端到信关站的路由，由于信关站固定位于第3轨道面，横向路由非常简单。对于纵向路由，可以在所有卫星中(或仅第3轨道面内所有卫星)，实时记录信关站位于第3轨道面的卫星相位号，根据卫星相位号进行路由。当信关站由第3轨道面内一颗卫星切换到下一颗卫星时，发出切换信令，更新所有卫星内信关站位置记录[10-11]。

按照这种方式，对于波束切换，星间链的路由保持不变；对于卫星切换，终端发生卫星切换时，更新它在每颗卫星中的卫星轨道号和相位号，路由按照新的目标卫星轨道号和相位号进行；当发生极区切换时，横向星间链(即异轨星间链)关闭，纵向星间链(即同轨星间链) 保持常开，数据包先按照纵向星间链进行路由(向前或向后均可)，路由到横向星间链已打开的卫星，再进行横向星间链路由。

图3 星上路由示意图

倘若路由发生时，目标地址恰好发生切换，而切换信令尚未来得及更新路由的源卫星地址，则路由的目标地址将是目标的旧地址。但是，由于旧地址和新地址只能是相邻的(或者卫星相位号相邻，或者轨道号相邻，且相位号和轨道号只能有一个发生改变)，因此，数据包到达旧的目标地址后，在目标波束内，未查找到目标终端，则根据该星的地址表，重新查找目标终端的地址，补充一跳路由即可。也就是，卫星终端的地址更新，是不影响路由的有效性的。

2.3 对星间链的要求

从以上系统特点和路由策略来看，星间链应具有如下特点：

① 星上时延越小越好，星间链传输速率越高越好；

② 由于要求时延小，星间链应采用频分双工(FDD)体制；

③ 由于要求传输速率高，应选择星间链工作在Ka甚至更高频段，例如激光链路；

④ 由于卫星功率受限，星间链应尽量节省功率；

⑤ 在星间链结构配置上，对于同轨道面卫星，任何两星之间，建立双向链路；对于异轨道面卫星，除了第1轨道面和第6轨道面之间不建立星间链外，其他星间也都建立双向链路。

3 星间链体制设计

3.1 星间链的多普勒特性分析

同轨星间链距离保持不变，因此多普勒频率为0；异轨星间链间的距离不断变化，在赤道上空最远，在极地区域最近，因此呈现较大的多普勒频移[12]。首先定性地分析，在赤道上空，两星近似平行飞行，多普勒频移近似为0；在跨越极地区域时，假设星间链不关闭，则两星由靠近转变为远离，多普勒频移反向；在中纬度地区，相邻轨道的卫星迅速靠近或分离，多普勒频移取得最大值[13]。

(1)

图4 相邻轨道邻星间距离

图5 同一纬度面上，相邻轨道面两颗星间的夹角

距离变化率为：

(2)

式中，ω为卫星飞行的角速度，多普勒频率fd为：

(3)

式中，c为光速，fc为载频，多普勒频率变化率为：

(4)

可见，星间链距离、多普勒频移、多普勒频移变化率都是按照正弦或余弦曲线变化[14-15]。

假设星间链载频为23 GHz，轨道周期为100 min，则多普勒频移的最大值可达到近似510 kHz，其变化呈现图6所示的正弦的曲线形式。

图6 异轨星间链间的多普勒频移

3.2 星间链的帧结构设计

星间链的传输体制设计应在如下2个约束条件下达成传输速率目标：① 克服多普勒频移的影响；② 星间链传输应尽量节省功率。为节省功率，应采用BPSK或QPSK低阶调制，并采用较强的信道编码。此时，BPSK或QPSK解调后的信噪比往往为负值，不适合采用锁相环跟踪，而应采用导频辅助的相位跟踪方法。

可根据最大多普勒频移及其变化率，设计星间链的传输体制[16-17]。显然，一个轨道周期，相当于一个多普勒频移周期。假设轨道周期为100 min，则多普勒频移变化率呈近似余弦曲线变化，最大为534 Hz/s。假设在一个时隙内，接收端消除固定的多普勒频移，则约1.87 ms接收信号相位将旋转2π。如果采用QPSK调制，相位旋转π/2将发生误判。因此，此时设计星间链的时隙周期不应超过0.47 ms[18]。

基于以上分析，设计星间链体制如图7所示。图中，数据按照帧来组织，一帧一帧重复发送。在每一帧中，有一个帧头和若干时隙。在每一个时隙中，包含若干个数据和导频(Pilot)。时隙长度设定为0.2 ms。时隙中导频呈周期排列。假设设计带宽(符号速率)为50 Msps，则每个时隙有10 000个符号。这有足够的空间来设计导频，传输效率亦不会低。

图7 星间链的帧结构

4 仿真验证

设计载频为23 GHz，符号速率为50 Msps，每一帧长1.005 12 ms，对应50 256个符号。其中前256个符号为帧同步头，后50 000个符号分为5个时隙，每个时隙0.2 ms。每个时隙对应10 000个符号，记为si(i=0,1,2,…，9 999)。其中已知的导频信号共1 024个点，表示为：

Si=Pk(i=392+k*9,k=0,1,…,1 023)。

(5)

其余8 976个符号承载信息，1 024个导频可采用FFT进行频率和相位估计。

对该帧结构下的传输系统进行仿真，采用约束长度为9的1/3的咬尾卷积编码，QPSK调制。编码器多项式为[557,663,711]。信道为高斯白噪声信道，并在信道上加入了如图6所示的多普勒频移，频移最大值为510 kHz。图8为整个卫星飞行周期内每帧的误码率情况。从图中可以看到，不同时间内的误码率基本平衡；随着信噪比的提高，误码率迅速减小。

需要说明的是，由于信道编码不属于本文的研究范畴，仿真中采用的信道编码性能较差。在实际系统设计时，应采用更优异的信道编码方案。

图8 异轨星间链在不同时间、不同信噪比下的误码率情况

5 结束语

本文以铱星为参考，首先研究铱星系统的星座架构、波束覆盖和路由延迟，阐述星上路由策略对星间链传输的要求，提出星间链的设计方案，即星间链应采用Ka波段或激光链路、FDD双工方式的方案，并采用导频辅助的调制解调方案来克服多普勒频偏的影响。

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Design of the Inter-satellite Link of Low Earth Orbit Mobile Satellite Communication Systems

HU Dong-wei1,2,SONG Chun-xiao1,2

(1. Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2. The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Beginning with analyzing the characteristics of Iridium Mobile Satellite Communication System,this paper studies the Inter-Satellite-Link (ISL) scheme of Low Earth Orbit Mobile Satellite Communication Systems. The coverage of the antenna beam,and the frequency of inter-satellite and inter-beam handovers are firstly studied. Then the requirements of on board routing algorithms on ISL are clarified,and the Doppler characteristics of ISL are analyzed. Based on the above,the duplex scheme and the frame structure of ISL are proposed. Simulations are made to verify the feasibility of the frame structure.

LEO; mobile communications; on board routing; Inter-Satellite-Link (ISL)

2017-05-17

国家部委基金资助项目

胡东伟(1980— ),男,博士,高级工程师,主要研究方向:无线通信理论和集成电路设计。宋春晓(1978—)，男，高级工程师，主要研究方向：卫星通信。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.03

胡东伟，宋春晓. 低轨卫星移动通信系统的星间链设计[J].无线电通信技术,2017,43(5): 11-15.

[HU Dongwei,SONG Chunxiao. Design of the Inter-satellite Link of Low Earth Orbit Mobile Satellite Communication Systems [J].Radio Communications Technology,2017,43(5):11-15.]

TN919

A

1003-3114(2017)05-11-5