浅谈低轨道卫星通信系统信道切换技术_王文洋

０．引言 移动通信无疑已成 21 世纪备受瞩目的一个课题，它使得人们从有 线的网络中解脱出来。无线通信实际上已成为通信工业发展最快的一 部分，其中最为庞大的是全球个人通信网（PCN），它给每个用户提供一 个体积小、价格便宜的个人终端来实现随时随地的多媒体通信。为了实 现这个全球个人通信的美好设想，关键是建立一个包含高、中、低轨道 的卫星移动通信系统，而低轨道卫星移动通信系统即是其中一个重要 组成部分。 国外许多国家都在开发自己的低轨道卫星通信系统，长期以来，美 国在该领域中始终处于领先地位，英国、法国等国家的发展也十分迅 速，目前国际上针对移动通信需求而发展的低轨道卫星通信系统就有 8～9 个，其中就包括著名的铱星系统和全球星系统。这些系统虽然主要 以支持话音业务为主，但低轨道卫星的优越技术性能已经向人们预示 其包括话音、数据、传真、寻呼、定位、电视等内容的形形色色的通信服 务功能。高速数据通信是低轨道卫星通信系统中的一项重要的服务功 能，它可以为飞速发展的包括电话会议、全球双向交互式多媒体业务在 内的计算机数据通信提供强有力的支撑。可以预见，低轨道卫星通信系 统将成为今后世界上最具市场效益的通信产业之一。 １．低轨道卫星移动通信信道模型 低轨道卫星移动通信信道包括星际链路信道和星地链路信道，它 们既有着与地面移动通信信道相同的部分，也有着各自独特的特性。 （1）星际链路信道 低轨道卫星分布在电离层以外，空气的密度稀薄，可看作是自由空 间。星际链路需要考虑的问题主要是卫星之间的高速运动造成的多普 勒频移，当考虑毫米波频段时，多普勒频移相对较大，而宽带大容量通 信系统的频谱较宽，加之通信链路接点相对位置的不断变化，频谱的展 宽范围也较大。 星际链路可以分为三种类型：轨道内星际链路、轨道间星际链路和 反向缝链路。轨道内星际链路是卫星与同一个轨道上最近 2 颗或 4 颗 卫星间的链路，在卫星运行过程中保持不变。轨道间星际链路是卫星与 邻近轨道上卫星间的链路，如铱星系统中每个卫星有两条轨道间星际 链路。轨道间星际链路在卫星运行过程中是动态可变的，主要原因是： 1)在不同的纬度，卫星轨道间的距离是不同的；2)在极地区域，卫星快速 交叉运行，卫星上天线系统不能快速跟踪卫星的交叉位置，轨道间链路 需要经过断开再连接的过程。在极地星座中，存在南北反向运转的相邻 两个卫星轨道平面，这两个反向运行轨道上卫星间的链路称为反向缝 链路。反向缝链路实质是一个特殊的轨道间链路，如果卫星网络系统存 在反向缝链路，因卫星反向运行而引起反向缝链路频繁切换。如果不存 在，反向运行轨道上卫星之间必须经过其它轨道上的卫星才能通信。铱 星系统不支持反向缝链路，Teledesic 系统计划支持反向缝链路。 （2）星地链路信道 电波从卫星到地面的传播主要是受到大气效应的影响，包括中性 大气与电离层两种特性极不相同的媒介影响。中性大气效应主要是密 度大和气象变化过程复杂的对流层效应，在晴空条件下，有折射、时延、 反射、多普勒频移以及气体分子的吸收衰减和湍流散射，在坏天气情况 下，还有雨雪、冰晶、尘埃等的吸收与散射所致的衰减，以及降雨和冰晶 的去极化效应。电离层的效应主要是折射弯曲、群时延、相位超前、多普 勒频移与法拉地极化旋转以及闪烁效应，特别是具有频率色散效应。一 般当频率高于 100GHz，对流层的影响是主要的；当频率低于 1 GHz 时， 电离层的影响是主要的。频率在 1 GHz 到 10GHz 之间时，特别是对于 低仰角，对流层与电离层两者的效应都有重要的影响。 ２．低轨道移动卫星通信中的切换 在蜂窝移动通信系统中，无线切换是一项非常重要的技术，采用的 是移动台辅助切换的方法，这是一种分布式的方法，由移动台检测判决 射频信号的强度，交换中心控制完成。低轨道移动卫星通信中的切换与 其相似，但在低轨道卫星移动通信系统中基站在太空高速运动，必须做 出相应的改变以适应卫星移动通信的特殊环境并制定相应的路由机 制。下面从低轨道卫星通信系统信道模型出发讨论任意倾角圆形低轨
道卫星移动通信中的切换问题。 在 LEO 卫星系统中，每颗卫星的覆盖域由更小的点波束覆盖域组
成，以达到覆盖域中的频率复用，如铱星系统每颗卫星的覆盖域是直径 为 4021km 的区域，它包含 48 个直径为 700km 的点波束覆盖域。卫星 绕地球运行导致其相应的覆盖域不断变化，对于地面的固定地点，每个 LEO 卫星的最大可见时间典型值大约是 8～11min，每个点波束的最大 可见时间典型值大约是 1～2min。地面节点连续地通过不同的可见点波 束或卫星获得通信服务。通信连接从一个点波束或卫星转移到新的点 波束或卫星称为切换，经历切换的连接称为切换连接，新的请求获得通 信服务的连接称为新连接。
连接确认控制 CAC(Connection Admission Control)算法通过切换预 测进行资源预留，在新连接的请求到达点波束时，将它与有一定概率访 问的邻居点波束的列表相关联，检查它们是否有可用信道。这种算法虽 然减少了切换的阻塞概率，但不能保证该概率的上界，也降低了网络资 源的利用率。地理连接确认控制 GCAC(Geographical CAC)算法利用用户 位置数据库信息和信道使用状态，估计将来该连接切换的阻塞概率，使 用全球定位系统及时更新用户位置数据库。如果计算出的新连接的阻 塞概率小于目标切换阻塞概率，那么就接收新连接的请求；否则，拒绝 新连接的请求。
重选和优化的路径完全重建相结合而达到综合性能的最优化。
在路径增量阶段，计算新加入卫星到原来路径上卫星之间的增量 路径，并与原有路径形成新路径。路径增量花费时间短，信令开销少，目
标是在切换后无需使用复杂的路由算法而建立比较优化的路径。通过
路径增量形成优化路径的依据是卫星网络拓扑结构的规则性和周期 性，从源到目的的初始路由是优化的，切换发生时，从源到目的路径上 的每颗卫星都用后续卫星替代，那么这样形成的路由可能也是优化的。
３．结论 由于低轨道卫星系统中卫星相对于地面终端高速运动，且轨道周 期比地球同步轨道卫星要小得多，因此在建立低轨道卫星通信系统的 背景下，对卫星信道及切换技术的研究显得尤为重要，在确保卫星通信 质量的前提下，充分合理的利用现有卫星通信资源也是目前国内外许 多学者关注的问题，本文在这个领域进行了初步的探讨，介绍了一些在 卫星通信中的有关切换问题以及实现相应切换的路由策略，如果 LEO 卫星网络系统具有星际链路，卫星具有路由处理能力，那么就能够形成 空间的自治域系统。这样的 LEO 卫星网络系统不仅能够推动网络通信 和互联网经济的发展，而且对国家安全有着十分重要的意义。
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的路径。完全重建阶段需要较多的信令交换，需要的时间较长。 （2）链路切换 低轨道卫星(如铱星)在接近极地时，关闭与邻居轨道卫星间的星际
链路，经过这些星际链路的通信连接需要切换到其它链路，这种切换称 为链路切换。链路切换由于部分星际链路的关闭，容易因网络资源不足 而造成通信阻塞，路径重选的开销比较大，通信中断时间也比较长，因 此，LEO 卫星网络系统的路由机制非常关注链路切换，特别是在路径建 立阶段就需要考虑链路切换，应尽量减少链路切换。
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浅谈低轨道卫星通信系统信道切换技术
陕西理工学院 王文洋
［摘 要］低轨道卫星移动通信系统在未来移动通信系统中将起到越来越重要的作用，本文通过对低轨道卫星通信模型的研究，讨论 了低轨道卫星通信系统的信道切换技术，这对未来低轨道卫星系统的信道切换具有一定借鉴意义。 ［关键词］移动通信系统 低轨道卫星 信道模型 信道切换
Satellite
1
movement
Original up/downlink
New up/downlink
系统总信道数减去设置的阈值，如果忙信道的个数大于阈值，新连接的 请求被拒绝。增加守护信道的数量可以减少切换连接阻塞的概率，但相 应地增加新连接请求的阻塞概率，在切换连接的阻塞和新连接的阻塞 之间存在折衷。切换排队 HQ(Handover Queuing)算法利用相邻两个点波 束之间的覆盖重叠区域，当地面终端进入覆盖重叠区域时，启动切换过 程，如果在新的点波束中存在可用信道，将可用信道分配给地面终端； 否则切换连接的请求放入请求队列中。当有信道空闲时，就分配给请求 队列中的切换连接。切换排队减少了切换连接阻塞的概率，但性能依赖 于新连接的到达率和覆盖重叠区域的大小。动态信道分配算法是对切 换排队算法的修改，在每一个连接离开后都重新分配信道，但因切换频 繁导致卫星系统开销很大。
在多次路径增量过程之后，由于卫星上通信流量和链路特性等发
生变化，通过增量形成的整个路径会偏离优化路径，因此在一段时间后
需要进行路径完全重建，重新确定通信的两个节点的优化路径。源端节
点确定重建时间，向目的节点发送路由请求进行初始化，在新路径上网
络资源满足后，从终端节点开始更新路由信息，新路径建立后删除原来
PRP (Probabilistic Routing Protocol) 协 议 ，即 概 率 路 由 协 议 ，利 用 LEO 卫星网络拓扑机构的可预知性，在一个新连接的路径建立阶段，去 掉在其通信生存期内或卫星切换前可能经历链路切换的 ISL，在这个新 形成的卫星网络拓扑结构的基础上计算路由，这样得到的路径会减少 因链路切换引起的路径重选次数。由于用户终端的位置和通信生存期 大小是随机的，只能按照统计概率估算通信连接的生存期。由于 PRP 协议在计算路由时删除了某些星际链路，会增加其它星际链路的阻塞 概率，因此，PRP 协议在链路阻塞概率和因链路切换引起路径重选次数 之间存在折衷，同时区分新连接和切换连接，切换连接的阻塞概率应小 于新连接的阻塞概率。
在路径建立以后，通信连接可能还会经历链路切换，路由重选可使 用上面介绍的 FHRP 协议。
（3）点波束切换 点波束切换包含释放切换终端与当前点波束的连接以及在新的点 波束中分配新连接给切换终端，切换涉及到的两个点波束都在同一个 卫星中。由于点波束覆盖面积小，点波束切换是 LEO 卫星系统中最频 繁的切换，如图 2 所示。
卫星移动 １
２
３
卫星移动 １
２ 切换 ３ 路径
用户 Ａ 用户 Ｂ
用户 Ａ
用户 Ｂ
单元移动 单元移动 单元移动 （ａ）切换前
单元移动 单元移动 单元移动 （ｂ）切换后
图 1 卫星间切换示意图
FHRP(Footprint Handover Rerouting Protocol)协议，即覆盖域切换重
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路由协议，包括路径增量和路径完全重建两个阶段，将简单的路径部分
根据引起切换的不同链路，LEO 卫星网络的切换可以分为卫星间 切换、链路切换和点波束切换等类型。
（1）卫星间切换 卫星间切换是指与地面终端通信的卫星发生改变，新的卫星进入/ 退出两个用户的通信路径。如图 1 所示，用户 A 与用户 B 通信的最初路 径包含卫星 1 和卫星 2，由于卫星向左移动使得用户 B 很快进入了卫 星 3 的覆盖域，在用户 A 与用户 B 的通信路径中增加了卫星 3。 当发生卫星间切换时，由于有卫星进入或退出正在通信的路径，需 要立刻进行路径重选。目前提出完全重选、部分重选和组播重选三种基 本方法，路径完全重选像对待新连接一样完全重新计算通信节点间的 优化路由，但是通信中断时间长和网络开销大；路径部分重选保留部分 原有路径，仅涉及局部路径改变使得通信中断时间短，但是整个路径不 一定优化；路径组播重选方式是在连接建立的确认阶段建立虚拟组播 树，在切换时使用已经建立的路由快速完成路径重选，其缺点是组播树 需要预先分配资源，网络资源的利用率低。为了减少通信中断时间，同 时新路径又能够保证已确认的服务质量要求，路径重选算法既要简单 便于实现，又要对服务质量提供支持。
根据卫星上天线系统的不同控制机制，卫星系统有异步切换和同 步切换两种方式。异步切换指当卫星在太空中运行时，它的覆盖域以恒 定速度(5～10km/s)扫过地球表面。当地面终端达到当前卫星覆盖域的边 沿时，它切换到覆盖域刚刚进入这一区域的新卫星。铱星系统使用了这 种技术。同步切换指卫星有能力控制点波束方向，在短时间内其覆盖域 固定。卫星系统周期性地分派每一个卫星指向新的覆盖域，星地链路在 一段时间(10 秒至几分钟的量级)内保持不变，同步切换引起卫星网络 系统中星地链路同时发送改变。