卫星短报文通信系统研究

刘 宇，邹光南，王兆俊，尤启迪，李 甫

(1.航天恒星科技有限公司，北京100086;2.西安电子科技大学，陕西西安710075)

0 引言

卫星短报文通信系统作为地面通信系统的补充，有广泛的需求和应用。3种典型的卫星短报文通信系统包括ORBCOMM、Argos和Aprize。

文献［1－4］分析了系统ORBCOMM的主要特性，介绍了存储转发机制，对短数据系统技术体制做了综述性介绍，详细描述了系统组成，系统工作原理、工作模式和工作流程。文献［5］介绍了Argos系统，分析了系统组成和系统中通信终端平台的定位方法。文献［6］对卫星通信信道进行了分析和研究，在该信道模型基础上，对低轨卫星CDMA短数据移动通信系统的关键性能进行了分析。文献［7］对Globalstar系统进行了简要介绍，描述了其系统构成。文献［8］对Iridium系统的构成、工作原理和技术进行了介绍。文献［9－12］分析了卫星通信的一些新技术和趋势，介绍了不同的动态接收技术。这些已有系统用户链路频带规划效率低，拥塞控制机制不完善，应对大动态接收也有一定的局限性。本文针对这些问题，提出了在这几个方面都有改善的一种卫星短报文通信系统关键技术。

1 卫星短报文通信系统技术体制

本文所涉及的系统体制主要针对用户上行信道规划、用户接入、拥塞控制和多普勒分集接收展开。

1．1 用户上行信道规划

在已有的卫星短报文通信系统中，用户上行的信道规划在频率上采用传统的方式，即用户信道间设有保护间隔，以防止多普勒频移造成的频谱漂移，规划方式如图1所示，这种方式下存在信道间保护间隔。

图1 传统用户上行信道规划

本文对用户上行的信道规划如图2所示，在用户频带内信道间不设置保护间隔，所有频带皆用于用户数据上行，只在用户频带两边设置保护带。这种信道规划方式下，利用多普勒频移进行并行分集接收，把原本多普勒频移带来的问题转化为优势，这种信道规划方式下的接收在后面描述。由于没有信道间保护频带，所有用户频带都用于数据传输，提高了频带资源的利用效率。

图2 无间隔用户上行信道规划

1．2 接入方式

短数据业务的特点是多数情况下为突发、不连续，传输数据量小的短包，少数情况下有突发的数据量大的业务。为适应这种业务特征，适宜采用2种方式接入:随机接入和预约接入。用户上行信道分为普通和专用通道2类逻辑信道，系统根据当前运行状况动态划分2类信道。用户上行通道一般情况下作为普通信道使用，终端通过竞争占用信道资源，采用S-Aloha方式接入系统。由于环境等要素变化，终端需要短时间内上传大量数据时，为了提高数据传输的可靠性和及时性，可以通过预约方式申请专用信道，系统将空闲上行信道作为专用信道分配给终端，完成数据传送后终端释放该信道，该信道再次成为普通信道，通过这种信道分配方式保证系统传输效率和资源利用率。

1．3 拥塞控制

短报文通信系统主要采用S-Aloha方式实现数据传输，在系统运行过程中可能会出现某一区域内的终端在某一段时间内集中向卫星发送数据的情况，在这种情况下可能会引起大量数据冲突，从而出现大量接收数据异常的情况，为避免出现某一区域内终端在某一时间段内集中发送数据的情况，需要采取相应的拥塞控制机制保证该区域内的终端在该时间段内分散进行数据发送，根据拥塞控制的发起方不同，系统中可以采取主动和被动2种拥塞控制方式。

1．3．1 主动拥塞控制流程

主动拥塞控制是指当终端发送数据后，长时间没有收到网络侧发送的确认信息，终端自动延迟下次数据发送时刻，从而实现冲突的避让，由于是由终端主动进行发送时刻的延迟操作，无法实现与网络侧及其他终端的同步，因此，可能会出现大面积终端延迟后再次出现拥塞的现象，直到大部分终端的发送时刻不完全一致时，才会达到较好的拥塞控制效果，因此，采用主动拥塞控制的缺点是取得较好的拥塞控制效果的时间比较长，优点是实现起来比较简单，仅需在终端设计相应的冲突避让算法进行控制就能实现。本系统中主动拥塞控制计划采用树分协议控制算法实现。

具体过程如下:设网络中有1～N编号的N个终端，它们都能独立地监听信道和检测冲突。如果某个时刻在信道上发生了冲突，则未参与冲突的终端将不再向信道中发送请求，直到冲突解决。发生了冲突的终端中，编号为1～N/2的终端被推入堆栈中，编号为N/2～N的终端在下一时隙发送。而在下一时隙中可能出现3种情况:①如果仍然有冲突，则编号在N/2～3N/4范围内的终端被推入堆栈中，编号为3N/4～N的终端在下一时隙发送。换言之，在每轮循环中，如果有冲突存在，就把发生冲突的终端的一半推入堆栈，而另一半参与下一时隙的竞争。②如果没有冲突且有数据正常发送，则在数据发送完毕后，将堆栈顶部的终端弹出，在下一时隙发送数据。③如果没有冲突而且信道空闲，则将堆栈顶部的终端弹出，在下一时隙发送。该过程被重复执行，直到堆栈被清空，所有参与了冲突的终端数据都发送完毕，这一轮的冲突才算完全解决。基本二叉树形冲突分解算法原理如图3所示。

图3 基本二叉树形冲突分解算法原理

上述描述的仅仅是树分协议的基本思想。在具体的实现过程中，为了消除终端编号顺序、解决各个终端发送公平性的问题，可以在发生冲突之后由每个终端各自生成一个0～1之间的随机浮点数。如果某终端上该随机数的值小于0.5，则该终端被推入堆栈，否则将参与下一时隙的竞争。

1．3．2 被动拥塞控制流程

被动拥塞控制是指当网络侧检测到系统出现拥塞时，由网络侧根据当前卫星的覆盖区域和该区域内地面终端的具体数量实施拥塞控制，该控制过程比较复杂。

当发生拥塞时，网络侧根据检测到的拥塞区域计算出卫星在该区域的过顶时间T，并根据链路规划情况，计算出单位时间内能够承担的最大并行发送数据的终端量N。结合该区域内覆盖的终端总量M可计算出过顶时间内在该区域能提供的数据接收最大次数为C=M/N*T，网络侧对区域内的终端按照C次全部覆盖生成每次进行数据传输的终端规划信令，终端根据接收到的规划信令确定自己的发送时刻，从而避免了大量终端集中在某一时刻同时发送数据的情况。被动拥塞控制流程如图4所示。

图4 被动拥塞控制过程

1．4 多普勒分集接收

卫星短报文通信系统中，用户上行链路在大多普勒频偏的情况下接收端接收到的频率将远远偏离发送端的发送频率。为了解决这种情况下的接收问题，本文提出多通道接收方法。多通道接收是将整个工作频率划分为小的接收子带，接收信号由A/D进入基带后首先进行通道化处理，将信号搬移到各个子带的中心频率上，用通道滤波器过滤出本子带的信号，然后对其进行解调。接收端对整个频带进行了子带划分，所以发送终端发送的信号必然落在接收端的某个子带中，从而将其捕获，解调过程如图5所示。使用这种多通道信道化接收的方法可以很好地解决大多普勒接收问题。

图5 多通道接收结构

2 仿真分析

首先对系统的接入性能进行仿真。采用Matlab工具，用户上行通道数为1 000路，按照S-aloha方式接入，接入概率为p，对不同并发终端接入系统时系统的归一化吞吐率进行仿真。当系统中并发接入终端数量增大时，大的p导致吞吐率急剧恶化，这个概率可等效为等待下一次发送的时延。通过主动或这被动拥塞控制策略，在不同的并发接入终端量下动态调整p使得实际接入的终端数在1 000个时，系统吞吐率能够保持在S-aloha的归一化吞吐率的性能限0.36处。

为了仿真多普勒分集接收的性能，使用Matlab仿真了4路终端并发仿真，4路信号间隔1 350 Hz，分别处于中心频点 0 Hz，1 350 Hz，2 700 Hz和4 050 Hz处，并发信号的频谱如图6所示。

图6 4个终端并发的信号频谱

经过信道化处理后，分离出每个信道上的信号，选取1～6的信道的信号进行展示，对应信道信号的频谱如图7所示，其中1、3和6信道处的信号为终端发送的信号，能够完成正确解调。仿真结果表明，通道化接收很好地利用了多普勒分集，当信号偏移到其他信道时，信号仍然能够正确接收。

图7 通道化后的信号频谱

3 结束语

研究了卫星短报文通信系统所涉及的技术，包括用户上行信道规划、用户接入、拥塞控制和多普勒分集接收。用户上行信道规划改进了传统的用户信道间保留隔离带的问题，提高了频谱利用率。在接收时采用通道化接收完成了多普勒分集接收，仿真结果表明了设计的可行性。针对拥塞问题，本文提出了主动和被动2种拥塞控制方法所研究的系统技术改进了已有技术的不足，为后续卫星短报文通信系统的研究工作打下了一定的基础。

［1］ 余金培，华戌明，李国通，等．低轨卫星数据通信系统ORBCOMM在我国的应用［J］．电信科学，2000(12):42－44．

［2］ MIYAMOTO Y，UCHIDA K，ORII R，et al．Three ‐ dimensional Underwater Shape Measurement of Tuna Longline Using Ultrasonic Positioning System and ORBCOMM Buoy［J］．Fisheries Science，2006，72(1):63 －68．

［3］ ORBCOMM G．ORBCOMM L P．System Overview ［J］．A80TD0008 Rev B，Virginia，1998(26):25 －28．

［4］ 詹亚平，华戌明．ORBCOMM商用低轨道小卫星短数据通信系统［J］．电子技术，2001，28(2):24 －27．

［5］ 梁洁雯．卫星通信中的数据采集系统［J］．电信科学，2002，18(9):61－63．

［6］ 陈寅健．低轨卫星CDMA短数据移动通信系统设计与分析［D］．上海:中国科学院上海冶金研究所博士学位论文2002:5－30．

［7］ DIETRICH F，METZEN P，MONTE P．The Globalstar Cellular Satellite System［J］．Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，1998，46(6):935 －942．

［8］ LEMME P W，GLENISTER S M，MILLER A W．Iridium(r)Aeronautical Satellite Communications［J］．Aerospace and Electronic Systems Magazine，IEEE，1999，14(11):11－16．

［9］ 王文革，万 千．国际移动卫星通信系统中频率补偿技术［J］．无线电通信技术，2011，37(1):10 －12，33．

［10］张俊祥．卫星通信发展展望［J］．无线电通信技术，2012，38(4):1 －4．

［11］刘 英，路志勇，武 伟．卫星通信天线自动极化调整技术［J］．无线电工程，2012，42(7):46 －48．

［12］庄云胜，王力男，孙 凯．WCDMA体制卫星通信系统抗衰落技术研究［J］．无线电工程，2013，43(3):27－29．