卫星与WiMAX系统应急场景混合组网研究

2016-03-22武警工程大学信息工程系张竹馨刘广斌

电子世界 2016年1期

武警工程大学信息工程系　张竹馨　刘广斌

武警工程大学信息工程系张竹馨刘广斌

【摘要】卫星通信是实现大范围通信覆盖的有效方式，但在城市以及室内存在覆盖性能不佳的问题。通过与地面通信网络的连接，可实现卫星的无缝覆盖。提出了卫星与WiMAX系统混合组网的方式，分析了卫星通信工作原理及其优点，分析了WiMAX系统的关键技术以及其适用于“最后一公里”通信的技术支持。给出了卫星与WiMAX系统混合组网的网络模型，提出了客户端的两种接入模式，并得出了相关结论。

【关键词】卫星通信；WiMAX；接入模式；组网

0　引言

由于蜂窝移动通信的推出和发展，无线通信的面貌和在通信中的地位发生了革命性的变化[1]，在通信需求与日俱增的今天发挥着越来越重要的作用。无线通信网络分为有中心网络和无中心网络[2]，之前提到的蜂窝移动通信属于有中心网络，需要建设位置固定的基础设施，而无中心网络像Ad Hoc网络[3]则不需要固定的基础设施。在应急场景中，无线通信为上传下达指示安排，传递现场消息发挥着重要作用。

卫星通信由于其高轨道的特性，能提供高覆盖率以及高效的传播速率。卫星特别是静止卫星能够跨越大区域、为分散开的众多用户提供即时服务，并且这种服务很大程度上不受距离和分散程度的影响。采用了基于辅助地面组件（ATC）技术的卫星移动通信系统，可以与地面通信的3G（CDMA,WiMAX），4G等移动通信空中接口通过卫星链路运行[4]。WiMAX（微波存取全球互通），又称为IEEE 802.16无线城域网，是一种功能强大的无线接入技术，能够作为有线网络接入（Cable和DSL）的无线扩展，其目标是提供一套点对多点的无线接入技术，以提供有效互操作的宽带无线接入手段，并提供大吞吐量的接入速率[5]。将地面WiMAX接入技术与静止轨道卫星移动通信系统相结合，可应用于实时数据交付要求高的应急场景，实现最后一公里的无缝链接。

1　卫星通信与WiMAX技术系统概述

1.1卫星通信系统概述

卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术的基础上发展起来的。通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站，故其通信距离远。利用同步卫星（静止卫星）来转发无线电信号的通信系统就称为卫星通信系统[6]。在该系统中，通信卫星与地球同步运行，相对地面静止，这样通过三颗彼此相距73000km的同步卫星，构成卫星空中链路，可覆盖除南北极之外的全部地区。具体来说，卫星通信还具有如下特点：

（1）设站灵活，容易实现多址通信。

（2）系统容量大，可提供多种通信业务。

（3）卫星通信采用频分多址、时分多址、空分多址和码分多址这四种多址连接技术，多种技术的使用尤其是空分多址使得其能够容纳更多的用户。

（4）对外部依赖性小，网络部署快。

（5）电路使用费用与通信距离无关。

卫星通信系统由空间分系统、地球站群、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四个部分组成。空间分系统主要作用是进行信号的中继，由卫星内的转发器负主责。地球站群中，中心站负责通信系统中的业务调度与管理，并对其余地球站进行监测和业务转接，而普通地球站主要担负收信及发信功能。跟踪遥测及指令分系统负责跟踪测量卫星的在轨运行状态；监控管理分系统则主要负责对卫星在服务开通前后的通信性能参数进行监测和控制。

1.2WiMAX技术概述

WiMAX是一项新兴技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。由于在OFDM接入技术、开放网络模式、基于IP的无线宽带技术、电信运营商基础设施、支持不确定的应用等方面独一无二的优势，WiMAX成为第一个真正面向电信级运营的、具有QoS保证的、全球标准化的无线宽带接入技术。

WiMAX系统中，采用OFDM/OFDMA为物理层技术，频率效率高，成本低，并且具有抗多径衰弱和易与MIMO技术联合运用的优点；WiMAX系统中MIMO技术的应用使得通信设备更适应在城市范围内多径环境下的无线信号处理，并且移动终端在切换时能做出快速、准确的切换决定，非常适合于大范围内快速搜救通信的需要；同时，WiMAX系统使用IP架构，可以在需要时迅速与现有网络如ADSL、3G等接驳，搭建满足现场各种宽带通信需求的网络；并且，WiMAX采取混合自动请求重传HARQ技术，融合了自动重复请求(ARQ)和前向信道纠错编码(FEC)差错控制方法的优点，客服移动信道时变和多径衰弱对信号传输的影响，降低系统的误码率，提高系统吞吐量，间接扩大了系统的覆盖范围。

2　基于卫星和WiMAX结合的应急通信组网

2.1需求分析

突发情况下，在各种通信手段失去效能后，应急通信建设需要满足以下需求[2]：

（1）能做到快速部署：网络的规划以及部署过程必须简单快捷，并且尽量不需对专业人员过多依赖，配置过程尽量简单明了。

（2）便捷和可移植性：网络部署的快速性要求设备的操作流程简单，并且设备的购置无需通过专有途径，尽量做到商业可购买。

（3）健壮性和可扩展性：应急通信现场的终端设备必然是处于移动变化之中，用户数量也是处于不断变化之中的，网络必须具有较高的容错性，能够及时适应环境变化以及用户数量不断增加的需求。

（4）安全性：灾害发生后，不同的救援单位同赴现场，且存在部分敏感信息，必须保证信息的安全性。

（5）低成本：网络的建设和维护成本尽量要低。

2.2通信组网方案

目前，卫星通信技术和WiMAX技术都得到了很大的发展，两者皆有各自的优点。将两种技术结合起来，相互补充，实现更广范围、更加高效的通信。在卫星与WiMAX技术混合组网中，卫星通信以DVB-RCS(Digital Vidio Broadcasting and Return Channel via Satelli)技术为基础，作为中继系统连接WiMAX网络，从而实现无缝覆盖以及远距离网络的宽带无线接入服务，如图1所示。

图1　卫星与WiMAX混合网络示意图

用户端在接入WiMAX网络时有两种模式：热点回传模式以及终端接入模式。热点回传模式采用WiMAX无线接入网把远端WiFi热点业务回送到核心网，WiMAX基站(BS)的作用仍未业务接入点(SAP)，而WiMAX用户站(SS)是热点侧的无线接入设备，提供接口标准与热点相连，作为WLAN接入点(AP)的热点设备再通过IEEE802.11a/g无线链路与无线终端相连。如图2所示。终端接入模式中，用户端设备(TE)直接通过作为SAP的WiMAX基站(BS)接入核心网。