低轨卫星通信系统关键技术浅析

傅德晟 何坤 陈进

摘要：随着地面通信技术的快速发展，万物互联、用户随时、随地、及时通信等需求，为全球用户提供更好的通信服务，使得卫星通信成为了越发关键的研究热点。卫星通信技术相比地面通信，还有很大的发展空间，卫星通信将会发挥越来越重要的作用。本文针对低轨卫星通信系统关键技术展开研究，对切换接入技术、星上转发器技术、以及与地面网络融合技术三个研究方向进行了分析，为我国低轨卫星通信系统的研究提供技术参考。

关键词：低轨卫星;切换接入技术;星上转发器技术;与地面网融合技术

中图分类号：TN927.2   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）04-0052-02

Abstract：With the rapid development of ground communication technology， the Internet of everything， users anytime， anywhere， timely communication and other requirements， to provide better communication services for global users， satellite communication has become an increasingly critical research hotspot. Compared with ground communication， satellite communication technology still has a large space for development， and satellite communication will play an increasingly important role. In this paper， the key technologies of low-orbit satellite communication system are studied， and the switching access technology， on-board transponder technology and fusion technology with ground network are analyzed， so as to provide technical reference for the research of low-orbit satellite communication system in China.

Key words：low-orbit satellite;Switching access technology;On-board transponder technology;Fusion technology with ground network

1 概述

与地面通信相比，卫星通信具有地面通信无法比拟的优点，如覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、便于实现全球无缝链接，被认为是建立全球个人通信不可或缺的重要手段。

按照卫星运行的轨道不同，通信卫星（系统）可以分为低轨通信卫星（LEO）、中轨卫星通信（MEO）和高轨地球同步卫星通信（GEO）。LEO卫星轨道高度约500-2000km，MEO卫星轨道高度2000-20000km，GEO卫星轨道高度为36000km。

与其他通信系统相比，低轨卫星通信系统具有较为显著的优点：一方面，与同步轨道卫星通信系统相比，低轨卫星通信系统轨道高度低，使得路径损耗小，传输时延短;另一方面，低轨卫星成本低，数个卫星组成卫星星座即可实现全球覆盖;第三，地面蜂窝通信中多址、点波束、多波束天线、频率复用等关键技术为低轨卫星通信系统提供了技术保障，因此低轨卫星通信被认为是最有前景的移动通信技术之一。同时，低轨卫星通信系统在技术方面，也提出了眾多的挑战，如星上转发器技术、快速移动导致的频繁切换处理技术、与地面网络的融合技术等，因此，为了更好的支撑低轨卫星通信系统的发展，本文就上述问题进行了分析归纳。

2 切换接入技术

低轨卫星通信系统中，卫星相对地面以数千米每秒的速度快速运动，使得单颗卫星覆盖用户时间持续10分钟左右，同时为了增大系统的通信容量，单颗卫星的覆盖区域又划分为多个点波束，由于卫星相对地面的快速移动，使得用户在通信过程中会频繁的由一个点波束切换至另一个点波束，为保障通信过程的连续性，使得切换接入技术在低轨卫星通信系统中显得尤为重要。

2.1切换类型。从信道类型角度入手，切换大致可以分为硬切和软切两种类型。从波束归属入手，可分为卫星间切换和波束间切换。本文将从波束归属入手介绍切换内容。

（1）波束间切换。为了增大系统容量，单颗卫星的覆盖区域又划分为多个点波束，因此相比于星间切换，卫星内点波束之间的切换会更加频繁。波束切换将一般分为相邻波束的测量/测量上报、切换判决以及切换执行三个阶段。

（2）卫星（基站）间切换。与波束间切换类似，星间切换也分为测量/测量上报、切换判决、切换执行3个阶段。

2.2常见切换策略。低轨卫星移动通信系统中常见的切换策略主要有最短距离、最长服务时间、负载均衡等策略。

最短距离策略：该策略根据用户及卫星位置信息，计算当前所有覆盖及潜在覆盖用户的卫星与用户的之间的距离，选择距离用户最近的卫星（有空闲信道）作为切换的目标卫星，一旦目标卫星没有空闲信道或资源不足以为切换用户提供服务，则在剩余的计算结果中选择距离次近者卫星作为接入或切换目的卫星，以此类推。该方案原理较为简单，计算量也小，但是切换过程很容易产生乒乓效应，致使很多原本不需要切换而进行了切换，大大影响用户通话质量。

最长服务时间策略：该策略是从当前覆盖用户或潜在覆盖用户的所有卫星中选择能提供服务时间最长的卫星作为接入的目的卫星，如果当前所选卫星的信道情况不足以为用户提供服务时，选择能提供服务时间次长的卫星作为接入的目的卫星，以此类推。该方案的原理是选取提供服务时间最长的卫星作为接入的目的卫星，因此在同样的通话时间内大大的减少了切换的次数，从而也减少了由于切换引起的信令交互。该策略计算量稍微复杂，且与最短距离策略相比，用户在波束覆盖边沿时，卫星仰角较低，容易导致用户接入信道快速的非线性恶化，影响通话质量，甚至还会出现掉话的现象。

2.3基本接入策略。为保证切换成功概率及服务质量，需要考虑切换后的接入策略。基本的接入策略主要有：无优先权策略、信道预留策略、切换排队策略等接入策略。

无优先权策略：该策略的基本原理是先来先得，即切换和原始呼叫谁先申请谁先得到资源，而当两者同时申请资源时，如果此时有空闲信道时，则它们获得资源的概率是相同的;而当卫星没有资源可用时，两者均不能获得资源。原始呼叫阻塞概率与切换失败概率相等， 是该策略的一个重要特点。

信道预留策略：该策略属于优先权策略，该策略的主要特点是为切换服务预留特定信道，以保障由于切换而发起的接入请求时，不会因为资源接入问题造成用户通信中断。该策略中首先定义一个门限，当系统忙信道数小于预设门限时，新呼叫用户和切换用户以同等机会接入系统;当系统忙信道数量大于等于预设门限时，拒绝新用户的接入，只允许切换接入，从而保证切换呼叫的优先级;当系统所有资源均被占用时，新呼叫用户和切换用户均被阻塞。该策略在一定程度上增加了新呼叫的阻塞概率，但信道利用率的提升，合理的门限设置，可以有效的降低切换呼叫失败概率，为用户提供更为良好的服务感受。

切换排队策略：该策略属于优先权策略，该方法旨在有效降低切换呼叫的失败概率。该策略中，定义了一个切换缓冲区，同时定义了一个切换排队门限，用户进入到切换缓冲区后，向目标卫星发起切换请求，如果目标卫星暂时没有资源用于切换用户，则用户切换请求进入到队列排队;一旦目标卫星有空闲信道，则按切换请求在队列中的顺序获取资源;如果该终端即将移出该波束仍未获得资源，将切换请求移出切换队列，此次切换失败。

与无优先权策略相比，基于优先权的信道分配策略，如信道预留策略及切换排队策略，具有更高的切换成功概率，可以为用户提供更可靠的服务。

3 星上转发器技术

转发器技术作为星上处理的关键技术之一，对卫星的重量、体积、功耗、可靠性等关键指标具有重要的影响。为了实现灵活的互联互通，包含波束间、子信道间以及用户间便捷通信，需要选择不同的星上转发器技术。同时，双向通信系统的星状网、网状网组网方式与星上转发器技术也有很强的关联，可以决定星上和地面接收端的实现复杂度。

星上转发器技术主要包含透明转发器技术和再生式转发器技术。透明转发器具有信号放大、变频等功能，再生式转发器除了具有信号放大、变频功能外，还具有调制解调、基带交换、射频波束交换等功能。

再生式转发器具有完善的信号处理能力，能够实现星上数据交换，同时，能够以较低的颗粒度完成路由交换。再生式卫星转发器首先将接收的信号下变频为基带信号，路由交换后，再对信号进行编码、调制等信号处理操作。与透明转发器相比，再生式转发器有更好的交换性能、更好的灵活性、更多的组网模式，可以有效提高系统的互联互通能力，提升系统容量。

对于前向链路与反向链路采用不同空中接口体制的通信系统，如前向使用DVB-S系列协议，反向使用DVB-RCS2系列协议的通信系统，实现用户终端之间及时通信，可以利用网状网组网方式，采用透明转发器和再生式转发器组网方式解决此类场景的复杂度和灵活性有很大的区别，如下文所述。

3.1透明转发器的网状组网。为了实现终端到终端的单跳通信，在星状网基础上，通过改进信关站和用户终端的功能，基于透明转发器可以构建网状组网。对于信令层面，用户终端到信关站的控制面数据仍以信关站为中心，需要经过信关站的处理转发，发送至用户终端。而用户面的数据，可以进行端到端的传输。这样，信关站和用户终端的功能均有所增加。信关站需要增加对支持端到端通信功能的用户终端的管理，用户终端需要增加支持前向、反向链路不同协议的调制解调器。

以前向使用DVB-S、反向使用DVB-RCS2、的通信系统为例，信关站将控制面信息通过前向的DVB-S/S2信号发送给用户终端，同时信关站接收承载用户终端控制和数据的DVB-RCS2信号。用户终端配置一个调制器和两个解调器，两个解调器其中一个用于解调信关站发送的DVB-S/S2信号，另一个用于解调其他用户终端发送的DVB-RCS2信号，如下图1所示。

3.2再生式转发器的网状组网。基于再生式转发器技术的网状组网，上下行链路体制的转换可以在星上完成，因此，用户终端由于组网方式的改变仅需做少量的改动，增加与端到端通信相关的通信处理过程即可实现全网络的网状组网通信。

相较于透明转发器技术的卫星通信系统，基于再生技术的卫星通信系统可更加灵活的连接用户终端与信关站。同时，还可以复用星状网与网状网业务，发送到下行链路目标波束中。

同样以前向使用DVB-S系列协议，反向使用DVB-RCS2协议的通信系统为例，星上完成链路体制的转换，如下图所示。

4 与地面技术融合

随着移动通信的发展，地面通信能覆盖越来越多的领域，为人们带来越来越便捷的服务。然而，在山区、荒漠、海洋等区域，由于网络建设困难，卫星通信成为主要的通信手段。低轨卫星通信系统以传播时延小、路径损耗小等优点，成为网络建设困难地区的首选。可利用低轨卫星通信系统其全球覆盖的特性，弥补地面通信网络通信覆盖不足的短板，另外低轨卫星系统的低时延、高可靠等特性，使得低轨卫星通信与地面融合成为未来通信领域发展的方向。

现有卫星通信系统在技术体制设计的时候大都以地面移动通信标准作为借鉴，根据系统特性做适应性修改，以满足卫星通信系统要求。如Thuraya卫星通信系统，采用了GMR-1/GMR-1 3G标准，借鉴了GSM/GPRS通信体制;Imarsat-4采用的IAI-2/S-UMTS标准，借鉴了WCDMA通信体制;典型的低轨卫星通信系统如铱星和全球星，其空口接口则是以GSM和IS-95为蓝本。借鉴地面通信技术体制的低轨卫星通信系统，根据系统具体需求做适应性修改即可和现有地面网络进行互联互通。

对于采用非类似地面移动通信技术体制设计的低轨卫星通信系统，可通过类似地面网的处理，在基站或核心网添加网元，如非3GPP网络可通过N3IWF接入5G网络一样，接入到地面网络，与地面网用户进行互联互通。

5 结语

本文针对低轨卫星通信系统中的切换接入技术、星上转发器技术、与地面网络融合技术三个方面进行了分析，并从切换类型、切换策略、接入策略、透明转发器、再生式转发器、类似和非类似地面移动通信技术体制设计卫星通信协议等层面进行阐述。技术的选择和适应性修改需要结合具体的应用需求再进行深入的研究。我国低轨卫星通信技术的研究已全面展开，还有时频偏校正、卫星通信协议、星上处理技术、星间链路技术、路由技术等一系列课题需要进一步研究。

参考文献：

[1]陈坤汕，王大鸣，徐尧.面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式[J].太赫兹科学与电子信息学报.2013（05）.

[2]卫星LTE：IMT-Advanced系统卫星部分的中國提案（英文）[J].刘思杨，秦飞，高镇，张源，何异舟.中国通信.2013（10）.

[3]移动卫星系统与LTE网络间干扰共存性能的研究（英文）[J]. 张萌，于海，付昱霖，常永宇.中国通信.2013（07）.