一种基于北斗的卫星通信系统

一种基于北斗的卫星通信系统

作者：胡曼青

来源：《科技视界》2015年第01期

【摘 要】本文介绍一种基于北斗的卫星移动通信试验系统。这是一个利用我国北斗卫星的冗余资源的支持话音和低速数据的小容量系统，它可以在某些关键时刻和特殊环境下起到重要而不可替代的作用。同时，在试验系统这一平台上，还可以对下一阶段建立的GEO卫星移动通信系统的关键技术进行试验研究。基于“北斗”的卫星移动通信试验系统将以我国低EIRP的“北斗”导航卫星资源为空间段，建立我国的卫星移动通信试验系统。系统由三部分构成：由我国北斗卫星冗余资源支持的空间段;具有系统接续控制和交换能力、并与地面公用网接口的地面段;以及有较高天线增益的应用段。 【关键词】北斗卫星;网络结构;空中接口 A Beidou Satellite-based Communication System HU Man-qing

（Department of Communication and Information Engineering， Chengdu College of UESTC， Chengdu Sichuan 611731， China）

【Abstract】This paper describes a test system Beidou satellite-based mobile communications. This is a redundant use of our resources Beidou satellite voice and low-speed data support the small-capacity systems， It can play an important and irreplaceable role in some key moments and special environment. Meanwhile， the key technology in the test system platform， you can also set up for the next phase of GEO satellite mobile communication system will be tested. Based on

the“Compass”satellite mobile communication system will test China’s“Compass”navigation satellite resources for low EIRP space segment， establishment of satellite mobile communication test system. System consists of three parts： By redundancy of resources to support Beidou satellite space segment， Ground segment systems with connection control and switching capabilities， and interface with the public network of ground， As well as the application period of a high antenna gain. 【Key words】Beidou satellite;Network Structure;Air Interface 1 系统总体架构

（1）在分析“北斗”卫星现有冗余资源的基础上，利用“北斗”卫星的转发器作为空间段; （2）地面段包括综合信关站、地面运控站、信标站等;

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（3）应用段包括三类用户终端（便携式、车载式、固定式），实现用户终端之间、用户终端与地面通信网络之间的互联互通。 1.1 系统特点

（1）利用我国北斗卫星冗余资源支持的空间段;

（2）具有系统接续控制和交换能力、并与地面公用网接口的信关站; （3）具有创新型高技术应用的移动终端;

（4）具有移动通信系统空中接口规范、完整的信令体系和安全保密体制。 1.2 系统组成

系统由空间段、地面段和应用段组成，见下图： 图1 系统组成

空间段：利用北斗卫星所搭载的转发器实现用户与用户、用户与信关站间信号的转发。 应用段：即用户终端，将可识别的信息（语音、数据、短消息）处理成可在空间传输的、符合系统要求的无线信号，并向卫星发射;同时，将卫星发射（转发）来的符合系统要求的空间无线信号接收处理成可识别的信息（语音、数据、短消息）。 用户终端有三种形式：

（1）固定式用户终端：在固定地点使用; （2）便携式用户终端：可搬移，机动性好;

（3）车载式用户终端：可在运动中使用，实现动中通。

地面段：由信标站、地面运控系统和综合信关站组成。综合信关站是试验系统与地面通信网之间的汇接交换中心，负责与PSTN（Public Switched Telephone Network 公共交换电话网）之间的接口，完成认证与授权、资源管理、协议转换、呼叫控制、计费处理以及移动终端之间、移动终端与PSTN之间的互联互通。 2 系统空中接口 2.1 系统网络结构

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从网络结构上，系统可划分为终端和综合信关站两大部分。终端包含用户识别模块，综合信关站由收发系统、业务控制系统、卫星信号监测管理、移动交换中心等网络部件组成，系统网络体系结构见图2。 图2 系统网络架构

用户话音和数据通过业务信道在终端和信关站之间传输，当系统内部终端之间相互通信时，由信关站转发信号，传输路径经历了2跳卫星链路。当卫星终端与网外用户通信时，信号经历1跳卫星链路由信关站的移动交换中心GMSC（Gateway Mobile Switching Center 网关移动交换中心）与PSTN、PLMN（Public Land Mobile Networks公共陆上移动网络）和SMC（Sort Message Center）建立连接。同步轨道卫星通信系统单跳延迟大约270毫秒。 2.2 卫星移动终端SMT（Satellite Mobile Terminal）

SMT是基于“北斗”的卫星移动通信试验系统的用户终端，用户使用SMT接入试验网得到所需的通信服务。

为区别试验网内不同的用户，使用用户识别模块UIM（User Identity Module）予以识别。每个移动终端都有各自的卫星设备识别号SMEI（Satellite Mobile Equipment Identity）。每个移动用户都有自己的卫星移动用户识别号SMSI（Satellite Mobile Subscriber Identity），分别存储在UIM上和SHLR（Satellite Home Location Register）上。 2.3 综合信关站SGS（Synthesize Gateway Station）

综合信关站由收发系统、业务控制系统、卫星资源监测与管理、移动交换中心等网络部件组成。

2.3.1 收发系统GTS（Gateway Transceiver System）

它受控于GSC，包含射频子系统和信道处理子系统。射频子系统完成卫星射频信号和中频或基带信号之间的转换功能，信道处理子系统完成信道调制/解调、帧处理、交织/解交织、编码/译码和信道映射等功能。它完成GSC与无线信道之间的转换，实现SMT和GTS之间通过卫星传输及相关控制功能。

2.3.2 业务控制系统GSC（Gateway Service Control）

GSC是地面信关站的控制部分，它处于GTS和移动业务交换中心GMSC之间。一个GSC可以连接和控制几个GTS，在试验系统中只有一个GTS。它的主要功能是无线信道的管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，移动台切换管理，话务量统计等。

2.3.3 卫星资源监测与管理SRMM（Satellite Resource Monitor & Management）

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卫星资源监控与管理完成对卫星资源的监控与协调管理工作，包括了：卫星频谱与信号监测、卫星工作状况监测与系统管理、运行状况与工作模式管理、信关站与地面运控网进行信息交互与处理、天线与射频状态监视。

2.3.4 移动交换中心GMSC（Gateway Mobile Service Switching Center）

移动业务交换中心由软交换SS（Soft Switch）、AAA（Authentication Authorization Accounting）服务器、操作维护中心OMC（Operation & Maintenance Center）、卫星接入网关SAG（Satellite Access Gateway）、地面接入网关TAG（Terrestrial Access Gateway）等实体组成。

①软交换SS（Soft Switcher）

完成移动呼叫接续、控制、无线资源和移动性管理等功能，是卫星移动通信试验网的核心，同时也是与地面固网和实验网的接口设备。 ②AAA服务器

认证：用户在使用网络系统中的资源时对用户身份的确认。 授权：网络系统授权用户以特定的方式使用其资源。

计费：网络系统收集、记录用户对网络资源的使用，以便向用户收取资源使用费用，或者用于审计等目的。

AAA服务器含卫星归属位置寄存器SHLR（Satellite Home Location Register）与地面移动网的HLR类似，SHLR是用来存储本地用户位置信息的数据库，每个卫星移动用户必须在某一个SHLR登记，不同之处是试验网将卫星移动设备标识寄存器集成到SHLR之中。登记的主要内容有：用户号码、移动设备号码、位置信息、业务信息等。试验系统暂不考虑卫星访问位置寄存器SVLR（Satellite Visitor Location Register），但设计时应该留有扩充的空间。 ③地面接入网关TAG

地面接入网关实现与地面PSTN，PLMN和短消息中心的接口，信令转换，业务合成、分解、存储和传输的实体。地面接入网关实现试验系统与地面其它网络的多种业务转换和互通。 ④卫星接入网关SAG

卫星接入网关是业务控制分系统GSC和移动交换中心GMSC的接口实体。 ⑤操作管理中心OMC

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OMC是网络拥有者对全网进行监测和操作的功能实体。 2.4 系统接口定义 2.4.1 UIM-SMT接口

卫星移动终端SMT到用户识别模块UIM接口，SMT在注册、实现双向鉴权、加密、信息存储时要与UIM交互信息和数据。 2.4.2 S-Um接口

S-Um接口又称SMT-GS卫星空中接口，是卫星移动试验网的主要接口之一。对卫星移动通信而言，大部分信令都是和SMT相关，S-Um接口传递的信息包括了无线资源管理、移动性管理和接续管理等。S-Um接口与卫星移动通信试验系统采用的体制密切关联，相互决定。 2.4.3 Am接口

Am接口是信关站内部GTS和GSC之间的内部接口。 2.4.4 A接口

A接口是卫星地面信关站和GMSC之间的接口，该接口携带关于信关站的管理、呼叫处理和移动性管理等信息。采用SIP和RTP协议分别传输信令和业务数据，通过TCP/IP承载传输。

2.4.5 R接口

R接口为GMSC与AAA之间的接口，GMSC通过该接口向AAA服务器和SHLR查询被叫卫星移动用户的选路信息，以便确定呼叫路由，呼叫时对用户进行鉴权，并在呼叫结束时向AAA发送计费信息。试验系统的SHLR与信关站放在一起。 2.4.6 P接口

为综合信关站的地面接入网关与地面网络的接口，传递业务及控制信息。 2.5 系统通信体制

为了适应卫星资源，试验系统采用CDMA通信体制。前向信道（卫星到终端）和反向信道（终端到卫星）各占用不大于8MHz频谱带宽。见图3。

前向和反向信道采用扩频方式，将2.4kbps的数据经成帧、编码、交织、加密处理后，由扩频序列将频谱展宽。

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前向信道由以下信道组成：

PICH（Pilot Channel）：前向导频信道，为参考信道，终端由它获取相干解调及同步信息; SCH（Synchronization Channel）：同步信道，发送定时参数，系统参数; PCH（Paging Channel）：寻呼信道，用于寻呼用户，发送短消息和系统消息; BCH（Broadcast Channel）：广播信道，为终端提供广播业务;

DSCH（Forward Dedicated Signal Channel）：前向专用信令信道，传送专用信令，在通信过程中传输交换信令;

TCH（Traffic Channel）：业务信道，承载语音和短消息业务，试验系统使用1～30条。 反向信道由以下信道组成：

RACH（Random Access Channel）：反向随机接入信道，用于终端发起呼叫、被叫和注册时传输信令;

RTCH（Reversed Traffic Channel）：反向业务信道，承载语音和短消息业务;

RDSCH：（Reversed Dedicated Signal Channel）：反向专用信令信道，用于通信过程中交换信令。

前向信道采用正交的Walsh码区分用户和控制信道，码片速率4.9152Mcps，调制方式为QPSK，信道编码为1/3卷积编码。

反向信道采用随机码区分用户，码片速率4.9152Mcps，调制方式为HPSK，信道编码为1/3卷积编码。

图3 系统通信空中接口 3 系统工作原理 系统的工作原理见图4。

用户终端对语音、数据、短消息进行信息处理、基带处理、射频处理形成频率为L的射频信号后，由天馈单元发向卫星。

卫星接收到用户所发的信号后，进行放大、变 频、滤波等处理，经C波段天线发向信关站。

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在综合信关站中，由专用C波段天线接收卫星发来的入站信号，经低噪放、下变频处理成中频信号（70MHz），经中频分路后送往两个16路解调器，解调后数据接入本地局域网，通过信令处理与软交换完成与对方用户的连接，建立通信信道。 图4 系统工作原理

图5 移动用户间呼叫基本流程

信息经信关按协议处理后送往交换机，交换机将数据送往两个16路调制器，调制器完成对数据的信息处理、基带处理、扩频调制后，形成中频为70MHz的已调合路信号（2个中频，各含16路），送往中频合路器，合路后经上变频处理成S波段信号，经高功率放大（HPA）后，由S波段天线发向卫星。卫星收到信关站所发的信号后，进行放大、变频，处理成频率为L1/L2的射频信号发向用户。用户端接收到卫星所发来的微弱信号后，经低噪放（LNA）、变频处理成频率为70MHz的中频信号，经解调、信道处理、信息还原后得到对方所发的语音、数据、短消息等信息格式。 终端接入流程举例，见图5。 4 结束语

基于“北斗”的卫星移动通信试验系统研究开发是利用现有卫星的冗余资源开发的卫星移动通信系统。“北斗”是我国唯一在轨运行的拥有完全自主知识产权的L波段卫星系统，该试验系统利用其有限的宝贵资源需要进行研究和试验，为将来发展卫星通信领域相关技术奠定了一定的理论和实践基础。

【参考文献】

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[3]张婷，张健，董晶晶.北斗终端的现状及发展趋势浅谈[J]. 数字通信世界，2011（06）. [4]陈向东.北斗民用前景分析[J]. 卫星与网络，2011（05）.

[5]江彩英， 黄永玉，谢丹，郭晓佳.北斗卫星应急通信传输试点建设[J].气象科技，2013（05）.

[责任编辑：曹明明]

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