低轨道卫星通信研究论文

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论文关键词：低轨道卫星;通信系统;切换管理

论文摘要：低轨道（LEO）卫星移动通信系统是卫星距离地面500～1500km，运行周期2～4小时的卫星通信系统。铱系统、全球星系统及系统是地轨道卫星移动通信系统发展最快的范例。LEO卫星移动通信系统具有广阔的发展前景

1LEO卫星移动通信系统的特点

低轨（LEO）卫星移动通信系统与中轨（MEO）和静止轨道（GEO）卫星移动通信系统比较，具有以下特点：

1.1由于具有更小的信号衰减和更低的传播时延，低轨卫星通信系统更有利于实现个人全球通信。LEO系统的路径传输损耗通常比GEO低几十分贝，所需发射功率是GEO的1/200-1/2000，传播时延仅为GEO的1/7~1/50，这对于实现终端手持化和达到话音通信所需要的延时要求是十分有利的。

1.2蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展为LEO卫星移动通信提供了技术保障。

1.3由于地面移动终端对卫星的仰角较大，天线波束不易受到地面反射的影响，可避免多径衰落。

1.4它在若干个轨道平面上布置多个卫星，由星间通信链路将多个轨道平面上的卫星联接起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区用户至少被一个卫星覆盖，用户可随时接入系统。

1.5由于卫星的高速运动和卫星数目多，也带来了多普勒频移严重和星间切换控制复杂等问题。但不管怎样，低轨卫星移动通信系统的上述特点对于支持实现个人通信是有巨大吸引力的。

2LEO卫星通信系统用户切换的一般过程

低轨卫星移动通信系统中，由于卫星的高速运动，使得它的波束覆盖区也跟着移动，而波束覆盖区的移动速度远大于用户的运动速度，因此，在LEO卫星移动通信系统中，切换主要是由于卫星波束移动引起的。

对于卫星移动通信系统中的呼叫切换，通常经历这样一个过程：

2.1用户周期测量当前使用波束和邻近波束的导频信号或广播信道的信号强度的变化，以便确定它是否正在穿越相邻波束之间的边界或者处于相邻波束的重叠区内。

2.2若用户进入相邻波束的重叠区，达到切换触发的条件，将开始启动切换过程。用户中止利用当前波束进行通信，等待分配信道利用新波束进行通信。

2.3切换过程开始后，需要在新到达波束中为该用户按照一定的信道分配算法进行信道分配，并在原先波束中释放使用的信道；如果采用了波束内切换或信道重安排，则原先波束还须按照呼叫结束后的信道重安排算法进行波束内的信道优化分配，进行必要的波束内分配。分配完成后，将数据流从旧链路转移到新链路上来，完成切换。

3LEO卫星通信系统用户切换的种类

低轨卫星通信系统用户切换可分为以下类型：

3.1同一信关站和卫星的不同波束之间的切换

目标波束和现用波束在同一信关站和同一卫星内，该切换涉及两个波束的信道分配和修改同一信关站(不采用星上交换)或卫星(采用星上交换)的交换路由表。

3.2同一信关站不同卫星之间的切换

目标波束与现用波束不在同一颗卫星内、但在同一个信关站范围内，它涉及两颗卫星的信道分配；对于采用星上交换的体制，需要改变两颗卫星星上交换路由表；对于卫星透明转发的体制，需要修改信关站交换路由表。

3.3不同信关站同一卫星的波束间的切换

目标波束和现用波束属于同一颗卫星，但属于不同的信关站，它涉及两个信关站之间的切换，包括信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等，对于采用星上交换的卫星还需要改变其交换路由表。

3.4不同信关站不同卫星之间的切换

目标波束和先用波束属于不同的卫星且属于不同的信关站，它涉及两个信关站和两颗卫星之间的切换，信关站涉及信道分配、改变地面线路连接、位置更新、记费等问题，对于采用星上交换的卫星需要改变其交换路由表。

4LEO卫星通信系统中用户切换目标卫星的选择准则

在低轨卫星移动通信系统的切换控制中，切换的目标卫星的选择策略对切换的最终性能也有着直接的影响。因此，根据系统的需要，设计出适合于本系统的切换目标卫星选择方案至关重要。目前，低轨卫星移动通信系统中的切换目标卫星选择策略主要有以下几种：最近卫星准则、最强信号准则、最长可视时间准则、最多可用信道数准则、覆盖时间与仰角加权准则及最小跳数切换准则。

其中，最近卫星准则认为距离用户终端最近（仰角最大）的卫星能够提供很好的服务质量（QoS），可从纯几何上对其性能进行分析，也称为最大仰角准则。采用该准则时，用户终端在任何时候都选择能够为其提供最大仰角的卫星。该准则实现简单，但一般不会在实际系统中采用，因为它既没有考虑无线信号在空中的传播条件，也没有考虑网络的运行状况。强信号准则是终端在任何时候选择能够接收到最强信号的卫星。拥有足够高的信号强度是无线通信的一个基本条件，可以认为最强信号卫星准则能够提供较好的服务质量。

最长可视时间准则又称为最大覆盖时间准则。按照这个策略，用户将利用星座系统运行的先验知识，始终选择具有最大服务时间的卫星作为其切换的目标卫星。该准则基于对最小化系统的切换请求到达率考虑，延长了切换后呼叫一直被某个卫星服务的时间，从而可获得较低的被迫中断概率。

最多可用信道数准则为：用户选择具有最多可用信道数的卫星为它提供服务。该准则出于对整个系统信道资源利用率考虑，以使卫星系统中每个卫星所承载的业务量趋于均匀分布，避免因某个卫星节点超负荷而失效，从而影响到整个系统性能。应用这个准则时，不管卫星的具体位置，新呼叫和切换呼叫会经历相同的阻塞率或被迫中断概率，从而可以避免出现某个卫星超载的情况。

最小跳数切换准则则应用于具有星上路由的情况，策略要求用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。在具体实现过程中，通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。当然，如果通信双方的当前卫星出现低于最小仰角（或信噪比）时，也需要进行切换。假定卫星系统使用准静态路由算法，路由表项中带有卫星到卫星的路由跳数，而且其路由信息随着网络拓扑变化由系统自动刷新。

5低轨卫星通信系统用户切换与路由

在切换时，由于服务卫星的改变，对于采用星上交换和星上路由的卫星通信系统，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下几种方案：全路由重建，部分路由重建，重路由结合扩展路由，动态概率优化路由，最小跳数路由。

其中全路由重建卫星切换方案：原有路由完全被新路由代替，该方案得到的新路由仍然是最优化路径，但其处理时延比较大。

部分路由重建卫星切换方案：当切换发生时，原有路由被部分保存，只有变化部分被更新，该方案处理时延比较小，但新生成的路由可能不是最优化路径。

重路由与扩展路由结合：切换后首先进行路由扩展，再进行路由优化。以降低延时，但信令开销增大。

动态概率优化路由：全路由重建节约带宽，但是扩大了信令资源，需要选择合适的优化概率P，在带宽和信令资源之间折中。即并不对所有扩展后的路由进行优化，而是以概率P，对一部分路由进行优化，一部分仍保持原扩展路由。

最小跳数路由策略：用户在任何时候都选择能够为其提供最少跳数路径的卫星。通信双方周期性检测其可见卫星中是否有比当前通信路径的跳数更少的路径，如果存在则进行切换，否则继续使用当前卫星进行通信。该策略能够获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有很好的系统性能。

参考文献

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

[2]刘刚.低轨卫星星座网的切换研究.通信学报，2004(25)

[3]王亮，张乃通.LEO网络中卫星切换的动态概率优化策略.通信学报，2002