GEO卫星移动通信系统的体系结构特征研究

贾和平，宋 莉，李红涛，马 荣，曹馨蕾

(1.原兰州军区通信网络技术管理中心，甘肃 兰州 730000； 2.中国人民解放军31682部队，甘肃 兰州 730000； 3.西部战区陆军参谋部，甘肃 兰州 730000)

GEO卫星移动通信系统的体系结构特征研究

贾和平1，宋 莉2，李红涛3，马 荣2，曹馨蕾2

(1.原兰州军区通信网络技术管理中心，甘肃 兰州 730000； 2.中国人民解放军31682部队，甘肃 兰州 730000； 3.西部战区陆军参谋部，甘肃 兰州 730000)

基于大型可展开天线的对地静止轨道(GEO)卫星移动通信系统是未来卫星移动通信发展的重要方向。通过对GEO卫星移动通信系统与地面蜂窝移动通信系统和低轨卫星移动通信系统的比较，分析研究了GEO卫星移动通信系统的系统特征，并总结了其对系统结构设计所产生的影响，包括传输时延、功率受限性、小区结构、相邻小区干扰、用户访问限制和移动终端速率等。在此基础上，提出了GEO卫星移动通信系统的体系结构特征和不同组网应用模式。为基于GEO的卫星移动通信系统的体系架构提供了参考。

对地静止轨道卫星移动通信系统；体系结构；移动信道；网络结构；传输时延

0 引言

基于对地静止轨道卫星的移动通信系统(GEO卫星移动通信系统，也称为Geostationary Mobile Satellite Systems,GMSS)充分利用大型可展开天线提供的高增益多波束覆盖优势[1]，通过采用空分复用[2]、先进的星上处理/交换[3]和类蜂窝结构的网络管理控制[4]等先进技术，不仅降低了对移动终端EIRP(有效全向辐射功率)[5]和G/T(品质因数)的要求，使GEO卫星支持手持终端的通信成为可能；更重要的是通过波束间的频率复用，使系统能够提供足够大的用户容量来满足各种应用的需求。

体系结构的研究是GEO卫星移动通信系统研究的基础，目前GEO卫星移动通信系统的研究大量借鉴了地面移动通信系统的成功经验[6]，都采用了类GSM或CDMA网络的体系结构[7]，并参考和借用地面移动通信系统的规范，特别是在核心网层面完全利用了现有地面移动网络的标准。

在MUOS系统中，空中接口直接存在于地面中心站与用户终端之间，处理、交换和管理功能完全由地面中心站完成。换言之，地面中心站承担了相当于WCDMA网络中的UTRAN(UMTS无线接入网)、MSC(移动交换中心)的全部功能。在ACeS系统中，完全采用类GSM网络的体系结构，并支持ACeS/GSM和ACeS/AMPS的双模终端。网关站子系统由3个位于不同地域的地区级地面站组成，由网关为系统提供到其他电信网络(如PSTN和PLMN)的接口。卫星控制中心除负责卫星的管理、控制和检测外，还设有网络控制中心(NCC)，负责整个ACeS网络的主控和性能检测、卫星载荷的管理、呼叫的计费等。在Thuraya系统中，也采用了类GSM网络的体系结构，网关站子系统由一个主网关(Primary Gateway，PGW)和多个地区级(国家)网关(Regional Gateways，RGW)组成，主网关中的卫星控制功能由卫星操作中心(SOC)、上行链路信标站(UBS)和卫星载荷控制(SPCP)3部分共同组成。

本文通过对GEO卫星移动通信系统与地面蜂窝系统和LEO卫星移动通信系统的比较，深入研究GEO卫星移动通信系统的特征，并详细分析这些特性对系统体系结构设计所带来的影响，如频率复用增益的减少导致的频带资源稀缺、长传输时延对协议有效性的降低、高速移动终端对切换算法要求的提高、网关接入选择带来的路由优化等。基于上述对GEO卫星移动通信系统的特征分析，提出GEO卫星移动通信系统的体系结构特征，并着重研究该系统的不同组网应用模式。

1 GMSS系统与地面蜂窝系统的对比研究

由于GEO卫星移动通信系统采用了多波束覆盖技术来为移动用户提供服务，仅从空间结构看，它类似于一个单基站(即卫星)蜂窝移动通信系统，而卫星的每个波束则相当于地面系统中的一个蜂窝小区。因此，GMSS系统与地面蜂窝系统在解决位置管理、越区切换、频率复用和通信管理等方面都存在一定相似性。

下面重点对GMSS系统与地面蜂窝系统的差异性进行分析、对比。

1.1 移动信道特征对比及其影响

1.1.1 信道的衰落特征

GMSS系统与地面移动通信系统的信道传输特性具有很大差异[8]。在地面移动通信系统中，移动信道主要呈现瑞利衰落特征；而在GEO卫星移动通信系统中，卫星与地面终端间存在直达路径是通信的基本要求[9]，否则几乎任何因素的遮蔽都会使微弱的星地通信信号中断[10]，因此，GMSS系统中的信号主要呈现莱斯衰落特征[11]，由于直达路径的信号较强[12]，GMSS信道一般被建模为k因子为7～9的莱斯衰落模型[13]。与地面蜂窝系统相比，GMSS系统中由于频率复用距离的增大，使得卫星系统的频带资源变得更为有限。

1.1.2 传输时延

相比地面移动通信系统中不到1 ms的延时，GMSS系统中的通信信号经历了相当长的传输时延。该传输时延将对通信质量、通信建立时间等系统性能产生显著的影响。

1.1.3 功率受限性

在地面移动通信系统中，功率不是影响系统容量的决定因素。而GMSS系统则不然，与频率一样，卫星功率是系统中最宝贵的资源之一，很大程度上决定了系统的容量。一个S频段系统用户电路下行链路的计算结果如表1所示。从表1中可以看出，有限的信道资源所要服务的“小区”范围却高达上百到数百km，如何节省信道资源、提高信道利用率是GMSS系统研究的一个重要课题。

表1 GMSS系统用户电路下行链路计算

1.2 网络结构差异及其影响

1.2.1 小区面积

在地面蜂窝系统中，宏蜂窝小区的覆盖半径大多为1～25 km[14]。然而在GMSS系统中，小区的大小由卫星的波束覆盖范围决定，小区面积的半径通常在上百km的数量级。这种小区面积的差异使得在GMSS系统中，系统频率复用增益明显降低、移动终端穿越波束时较大的传输时延变动带来了对定时同步方案要求的提高；移动终端的越区率会产生显著不同等。

1.2.2 小区结构

地面蜂窝系统中，一般根据当地通信环境和用户需求对网络的覆盖进行规划，同时，受地形特征和建筑的影响，小区的形状非常不规则。而在GMSS系统中，小区的设置由波束覆盖范围所确定，因此，小区结构更为规则和简明，当移动终端在GMSS系统中移动时，其移动路径和运动模式也更易分析和预测。

1.2.3 相邻小区干扰

在地面蜂窝移动通信系统中，相邻小区的干扰主要受发射功率和小区大小的影响。而在GMSS系统中，相邻波束的干扰主要受多波束天线阵列的功率和旁瓣特性影响。

1.2.4 用户访问限制

在地面蜂窝系统中，一个给定小区只能访问一个特定的移动交换中心(Mobile Switch Center，MSC)。而在GMSS系统中，卫星对覆盖范围内所有用户是共视的，处于卫星覆盖区域的用户终端可以访问任何一个网关站(作为固定网络的接入点)。因此，在GMSS系统中，对一个由移动终端发起的呼叫，可以利用系统中对访问网关站的不受限制特性，将该呼叫路由到距离被叫方最近的网关，从而最小化地面通信链路的开销。

1.2.5 广播特性

在GEO卫星移动通信系统中，由于所有点波束信号都是通过同一个点源(即卫星)来发送，从而使发送到多个点波束内的控制信息的广播可以被联合调度，有利于选择合适的点波束组分发相关信令信息。

1.3 移动终端特性的差异及其影响

与地面蜂窝系统相比， GMSS系统中移动终端的移动速度分布范围跨度很大，既包括手持和车载等慢速终端，同时也包括洲际飞机和宇宙飞船等高速移动平台。对于该系统中移动速度较高的终端而言，如果仍沿用地面蜂窝系统中针对低速、短传输时延用户终端的移动管理算法，将导致系统性能的急剧恶化。此外，不同移动速度终端的越区率差异很大，除位于波束边界区域的慢速移动终端外，其他慢速终端移出小区的概率将相对较小；但对于系统中的高速终端而言，仍存在较大的波束间切换概率。

2 GMSS系统与低轨卫星移动通信系统的对比研究

LEO(Low Earth Orbit)卫星移动通信系统通过多颗低轨卫星构成卫星星座实现全球覆盖[15]，同GEO卫星移动通信系统唯一可选的轨道不同[16]，在低轨高度范围内存在众多的可选轨道方案，单颗卫星覆盖区域直径为数十km，数十颗卫星可覆盖全球，如美国的铱星系统等，发射费用相对较低，发射灵活。不同星座系统的空间段，如构成星座的低轨卫星数量、卫星轨道平面的数量、卫星轨道平面的倾角和卫星的轨道高度等区别都很大。

与GEO卫星移动通信系统相比，LEO卫星移动通信系统具有以下显著特征：

① 由于低轨星座的卫星轨道低、每颗低轨卫星的覆盖范围较小，相比GEO卫星移动系统，低轨卫星移动通信系统具有信号传播损耗和时延较小、频率利用率高的优点。

② 与GEO卫星移动通信系统中卫星与用户相对固定的连接关系不同，LEO系统中卫星的高速运动使卫星、地面关口站及地面移动终端间不存在固定关系，形成了一个时变的网络拓扑，因此具有更复杂的体系结构。

③ LEO卫星移动通信系统中，单颗卫星覆盖时间、区域有限，卫星相对地面用户移动较快，支持用户通信服务的卫星会由于卫星的高速运动而产生频繁的更换，如铱星系统，卫星星下点和波束在地球表面形成的小区相对地球表面高速运动，小区最大驻留时间约为65 s[17]，这将对移动性管理、无线资源管理技术提出更高的要求。此外，在卫星移动通信系统中，由于卫星的快速移动，移动终端的位置区必须由卫星标识和地面关口站标识共同决定。

④ 在LEO卫星移动通信系统中，与高速运动的卫星相比，移动地面站自身的移动速度，包括绝大多数高速终端的自身移动都可以忽略。因此，可以认为地面移动终端相对卫星做不间断的高速运动、而该运动是有规律并且可预测的，该特征与地面蜂窝系统或GEO卫星移动通信系统相比都是截然不同的。

综上所述，虽然GEO卫星移动通信系统与LEO卫星移动通信系统具有都是利用卫星作为中继平台的这一共性，但在系统的体系结构、移动性管理和无线资源管理等众多方面都存在很大差异。

3 GMSS系统体系结构特征

根据当前的技术水平和未来发展趋势，结合上述分析，GMSS系统在体系结构的建立中应该考虑以下基本需求：

提供的服务：GMSS系统应能够提供类似于地面蜂窝移动通信系统的基本话音和数据通信服务(主要有声码话、低速数据、传真、点对点短信息服务和小区短消息广播等)，在此基础上，发挥卫星通信的优势，提供一些地面移动通信系统所不具备的加强服务，如广域路由优化[18]和高强度告警等[19]。在路由优化服务中，系统允许将MES发起的呼叫通过路由优化，接入到对其有利的网关站(可以根据路径最近原则、费用最低原则等选取有利网关站)，而不仅限于MES所注册的网关站。在高强度告警服务中，系统通过在高穿透告警信道中发送高强度告警信号，允许用户由于受到非正常的路径损失影响，而没有位于通常覆盖区域内时被寻呼。系统支持用户在波束间的用户漫游，可以实现网内终端之间，网内终端到地面网固定用户和移动用户之间的的无缝呼叫。系统能够增强对分组数据的支持能力，并能够保证数据业务的服务质量。

网络管理：系统的网络管理中心同卫星运行控制中心相互配合，可以重组GEO卫星有效载荷使其适应业务的变化和不均匀性；系统应具备星载动态资源分配能力，能够实现功率资源在波束间的动态分配(区域功率增强技术)，以适应覆盖区内业务和传输环境的变化；系统支持多级网络管理，通过设置固定网关站和移动网关站可实现对指定服务域内的用户管理，或指定用户群的管理(分级管理的要求在军事应用中是必须的，其对支持军兵种和战区的组网应用非常关键)。

互连与互通：该系统必须实现与地面通信网的互连互通，包括固定话音网(如公用电话交换网PSTN)、固定数据网(如分组交换数据网PSDN，Public Switched Data Network)、公众陆地移动网PLMNs(Public Land Mobile Networks)以及专用网PN(Private Networks)等。在军事应用中，系统还必须能够通过机动型网关站实现与地域通信网、战术互联网的互连互通。

用户连接方式：该系统为用户提供2种连接：① GMSS系统移动用户终端与固定网络及地面移动网络内用户终端之间的双向连接，该连接通过网关实现，即GMSS用户经卫星到网关，再由网关经地面网络到地面网用户；② 连接是GMSS系统内2个移动用户之间的双向连接，这2个用户可能位于同一波束、不同波束或不同卫星，根据卫星有效载荷的不同方式，该类连接有单跳、双跳和星际链路单跳等方式。采用不同有效载荷形式的系统工作方式中，当透明转发单星区域覆盖时，移动用户之间的连接都必须经双跳卫星链路完成；而当采用星上处理/交换有效载荷时，同一卫星覆盖范围内的用户可以通过星上交换单元经单跳卫星链路实现通信；位于不同卫星覆盖下，当有星际链路时，移动用户可通过星际链路不经过地面网关站直接建立连接，如果没有星际链路，则需要通过双方的地面网关站经双跳链路转接。

4 GMSS系统的组网应用模式

根据当前的技术水平和未来发展趋势，结合上述分析，GMSS系统在体系结构的建立中应该考虑以下基本需求：根据GEO卫星星上处理方式、星际链路和系统覆盖特性的不同，将GMSS系统划分为3种组网应用模式：单星区域覆盖组网应用模式、多星全球覆盖无星际链路组网应用模式和多星全球覆盖有星际链路组网应用模式。

4.1 单星区域覆盖组网应用模式

从区域覆盖发展到全球覆盖是目前GMSS系统发展的主要特征，这也是GMSS系统相对于LEO系统的技术优势和成本优势。目前ACeS和Thuraya都是沿着这条途径在稳步向前发展，它们在应用之初都是一个单星覆盖的区域GMSS系统。

空间段使用一个大型可展开天线的GEO卫星，在一个特定的服务区域内产生数目从几十到几百个不等的点波束，为各种移动终端(构成了系统的用户段)提供通信服务。GMSS移动终端到地面网的互连互通经地面段的网关站转接来实现。

在单星覆盖模式下，根据是否采用星上处理/交换技术又存在2种不同的用户连接方式。当卫星采用透明转发器时，GMSS用户间的所有连接都通过地面网关站转接完成，也就是说GMSS用户间的通信链路是双跳连接。当卫星采用星上交换转发器时，只有当GMSS用户呼叫地面网的用户时才经过网关站的转接，GMSS网内用户通信由星上交换完成话音电路的交叉连接或数据的路由。

卫星到GMSS用户的卫星链路称为用户链路(User Link)，网关站到卫星的卫星链路称为馈电链路(Feed Link)。由于通信的站型、链路传输容量和作用的不同，用户链路和馈电链路使用不同的频率。馈电链路主要面向网关站，以固定使用和机动使用为主，通信容量要求较高，一般采用C、Ku和Ka频段；用户链路面向移动终端，这些终端天线口径较小，功率较低，传输条件较差，以低速业务为主，一般采用UHF、L和S频段。

系统的网络管理由位于地面的网管中心完成，主要管理内容包括：卫星资源管理与分配(包括卫星功率和带宽资源)、用户管理(包括用户的安全性管理)、通信接续管理(包括通信的建立、拆除等)、提供系统的操作维护功能和多个网关站之间的协调功能(包括最佳路由选择等)。在网管功能的设计中，即使采用星上处理/交换转发器时，也仍然只考虑将网管功能设置在地面。这是因为，虽然将网管功能放置在地面时会增大通信的接续时间，但是从系统可靠性、可扩展性和稳定性等多个方面来考虑，这样做的优势是显而易见的。在实际应用中可以发现，即使是在基于星上ATM交换的宽带卫星通信系统中，大部分系统的网络管理功能仍然是设置在地面的。

该模式下控制中心(SCC)虽然建在地面，但从严格意义上讲，它属于空间段的一部分，负责完成卫星的在轨运行与控制，以及协助网管中心完成呼叫处理和资源调整所需的必要操作。

4.2 多星全球覆盖无星际链路组网应用模式

多星全球覆盖无星际链路组网应用模式是对单星区域覆盖的直接扩充模式，通过在静止轨道布置多颗GEO卫星来扩展覆盖范围，并最终形成全球覆盖。每颗卫星都有自己的网关站，2个星的某些网关站可以共址建设，但需要使用2付天线和射频系统。由于卫星间没有星际链路，2个卫星覆盖范围下用户间的通信需要经过双方的网关站转接采用双跳方式来完成。不同卫星覆盖下的网关站通过地面网络互连来连接。每个卫星可以使用透明转发器也可以使用星上交换转发器。

全网可设置统一的网络管理中心或2级网管中心，除完成同一卫星下的网络管理功能外，还必须实现全网内的用户管理，以及不同卫星覆盖下的用户呼叫时的链路建立。网管中心还需要负责管理GMSS用户在不同卫星覆盖下的漫游。

每一颗卫星都设有自己的测控站和标校站，它们通过地面网的互连来接受同一个卫星控制中心的控制，该控制中心负责整个GEO卫星星座的遥控与遥测。同时，配合网络管理中心实现卫星资源管理的管理，并根据通信任务的需求实现有效载荷的动态调整。

4.3 多星全球覆盖有星际链路组网应用模式

多星全球覆盖有星际链路组网应用模式是无星际链路模式的进一步提升，无星际链路时，不同卫星覆盖下用户的通信必须通过双方的网关站来转接，这种方式存在两方面的问题：一是双跳连接带来传输时延的增加，对话音等实时业务的影响较大；二是通过地面多次转接将显著降低话音业务的通信质量，特别是对于声码话业务。而采用星际链路方式，不仅降低了通信时延，而且会显著改善通信质量。

在有星际链路模式下，2个卫星覆盖范围下的用户直接通过双方的卫星经由星际链路建立连接，减少了对地面网关站的依赖。但在呼叫控制过程中，仍然需要经过某一个指定的地面管理站的参与，通过这个站将呼叫信令转接到网管中心。

目前，GMSS系统主要沿着先区域覆盖后全球覆盖的思路而发展，在这个过程中主要以无星际链路的多星覆盖应用模式为主。由于静止轨道的高度较高，通过星际链路虽然能够改善通信的时延和质量，但同付出的复杂性和成本代价相比，其吸引力还不足以促成实际系统的建设。

5 结束语

当前，对移动通信系统的研究主要集中于地面蜂窝系统和低轨星座系统，与这些系统相比，GEO卫星移动通信系统在系统组成、信道特征、组网应用和网络管理等许多方面都存在相当大的差异。本文在探讨GEO卫星移动通信系统体系结构特点基础上，从系统的不同应用模式入手，提出了该系统在单星、多星、配置/不配置星际链路下的组网应用模式，从而为基于GEO的卫星移动通信系统的体系架构提供了参考。

[1] 李怡,易克初,于全,等.基于多波束GEO卫星的大容量互联网接入系统[J].信号处理 2016,32(12):1 387-1 394.

[2] 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,2017.43(2):12-15.

[3] 赵芳.低轨卫星通信系统路由与交换技术研究[D].成都:电子科技大学,2015.

[4] 窦志斌.LTE RLC UM模式在卫星通信中的适应性研究[J].无线电通信技术,2014,40(6):6-8.

[5] 王力权,张志丽.一种适用于卫星移动通信系统的功率控制技术[J].无线电通信技术,2016,42(4):57-60.

[6] 刘为,温文坤.卫星通信系统中基于小区间协作的切换方法[J].计算机工程与设计,2015(8):2 040-2 044.

[7] 陈坤汕.基于LTE的GEO卫星通信系统上行接入技术研究[D].郑州:解放军信息工程大学,2013.

[8] ETSI TS 101 376-1-3 V1.1.1,2001-03,GEO-Mobile Radio Interface Specifications,Part 1:General Specifications,Sub-part 3:General System Description,GMR-201.202[S].

[9] 蔡建铭,吕海寰,甘仲民,等.卫星通信系统[M].北京:人民邮电出版社,1994.

[10] 陈振国,杨鸿文,郭文彬.卫星通信系统与技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2003.

[11] C Loo.A Statistical Model for a Land Mobile Satellite Link [J].IEEE Trans.Veh.Technol,1985,86(34):122-127.

[12] ABDI Ali,LAU Wing C.A New Simple Model for Land Mobile Satellite Channels:First and Second Order Statistics[J].IEEE Tran on Wireless communication,2003,2(3):519-527.

[13] PATZOLD M,LI Y,LAUE F.A Study of a Land Mobile Satellite Channel Model with Asymmetrical Doppler Power Spectrum and Lognormally Distributed Line-of-sight Component[J].IEEE Trans.Veh.Technol,1998,47:297-310.

[14] 孙孺石,丁怀元,穆万里,等.GSM数字移动通信工程[M].北京:人民邮电出版社,1996.

[15] CHOWDHURY P K,ATIQUZZAMAN M,IVANCIC W.Handover Schemes in Satellite Networks:State-of-the-art and Future Research Directions[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,Fourth Quarter 2006,8(4):2-14.

[16] 何异舟.下一代卫星移动通信系统关键技术研究[D].北京:北京邮电大学,2015.

[17] 李怡,田斌,易克初,等.基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统[J].系统工程与电子技术,2016,38(2),400-408.

[18] ETSI TS 101 377-2-1 V1.1.1,2001-03,GEO-Mobile Radio Interface Specifications,Part 2:Service Specifications,Sub-part 1:Teleservices supported by a GMR-2 Public Satellite Mobile Network(PSMN),GMR-2 02.003[S].

[19] ETSI TS 101 377-2-2 V1.1.1,2001-03,GEO-Mobile Radio Interface Specifications,Part 2:Service Specifications,Sub-part 2:General on Supplementary Services,GMR-2 02.004[S].

Research on Architecture Characteristics of GEO Mobile Satellite System

JIA He-ping1,SONG Li2,LI Hong-tao3,MA Rong2,CAO Xin-lei2

(1.FormerCommunicationNetworkManagementCenter,LanzhouMilitaryAreaCommand,LanzhouGansu730000,China; 2.Unit31682,PLA,LanzhouGansu730000,China; 3.WesternTheaterArmyGeneralStaff,LanzhouGansu730000,China)

The multi-beam GEO(Geostationary Earth Orbit) mobile satellite system is the important development direction of satellite mobile communication system.By comparing the GEO mobile satellite system with ground cellular mobile communication system and the LEO mobile satellite system,the critical characteristics of the GEO mobile satellite system are discussed.Furthermore,the impact on system structure design are analyzed,including transmission delay,power limitation,cell structure,adjacent cell interference,access control and mobile terminal velocity.Based on the discussion and analysis,the architecture characteristics and different networking application modes of GEO mobile satellite system are proposed,which provides references to the architecture design of GEO mobile satellite communication system.

GEO mobile satellite system;systematic structure;mobile channels;network structure;transmission delay

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.02

贾和平，宋莉，李红涛，等.GEO卫星移动通信系统的体系结构特征研究[J].无线电工程,2017,47(9):7-11，50.[JIA Heping,SONG Li,LI Hongtao,et al.Research on Architecture Characteristics of GEO Mobile Satellite System[J].Radio Engineering,2017,47(9):7-11，50.]

TN927

A

1003-3106(2017)09-0007-05

2017-05-10

国家部委基金资助项目。

贾和平 男，(1968—)，高级工程师。主要研究方向：卫星通信。

宋 莉 女，(1979—)，博士，工程师。主要研究方向：卫星通信。