2009年第05期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.05,2009 总第209期Communications Technology No.209,TotallyGEO多波束卫星通信网络关键技术研究杨巧丽①②， 陆锐敏②， 马刈非①（①解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；②总参第63研究所，江苏 南京 210007）【摘 要】文章对GEO多波束卫星通信网络的体系结构进行了分析研究；提出了一种集中式与分布式相结合的天地一体化无线资源管理模式；针对QoS保证和特殊的抗干扰应用需求，对其呼叫准入控制、波束切换管理、分组调度策略等关键技术给出了初步的研究建议。
【关键词】GEO卫星通信网络；服务质量（QoS）；无线资源管理（RRM）【中图分类号】TN927.23【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2009)05-0158-03Key Technologies of GEO Multi-beam Satellite Communications NetworkYANG Qiao-li①②， LU Rui-min②， MA Yi-fei①（①Institute of Communication Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210007, China;②No.63 Research Institute of PLA General Staff Headquarters, Nanjing Jiangsu 210007, China）【Abstract】The network structure of GEO Multi-beam satellite communications network is analyzed. The model of integrated space-ground radio resource management in combination of centralized mode and distributed mode is proposed. For the quality of service (QoS) support and the special requirement of anti-jamming, some research suggestions on call admission control, beam handoff management and packet scheduling are given.【Key words】GEO satellite communications network；quality of Service (QoS)；radio resource management (RRM)0 引言GEO多波束卫星通信系统以其覆盖范围广、星座和网络控制简单等诸多优点一直都是军事领域研究和应用的重点[1]。
为了满足未来国家多方面安全利益的需求，未来军事卫星通信系统将由3-5颗GEO卫星星座组成，采用更高的频段、多波束天线、宽带跳频、星上处理、星上交换、星上网络控制、星际链路等先进技术，能够实现与地面其他网络内任何用户的互连互通，同时还将满足从低速到高速的话音、数据、视频、Internet数据传输等多媒体业务需求，实现抗干扰并可应对复杂的电磁环境，提供受保护的动中通服务能力。
1 天地一体化网络体系结构随着星上处理和交换技术的发展，鉴于军事应用抗干扰、抗摧毁能力的特殊需求，未来军事GEO卫星通信系统将采用多星全球覆盖有星际链路组网应用模式[2]，采用星际链路方式时，卫星无需地面站中转就可直接互连，不仅降低了通信时延，而且还会显著地改善通话质量；另外，为了保证在地面网络管理中心受到打击时整个卫星通信系统的自主运行能力，还应该考虑星上网络控制设计方案[3]。
如下页图1所示，给出了多星全球覆盖有星际链路天地一体化网络体系结构示意图。
在军事应用背景下，应用Ka或更高频段为系统提供了足够大的带宽，可调多波束主要是为了空间隔离以提高系统的抗干扰能力，必要时可能还需要波束重叠使用以增强特殊覆盖区域内的用户容量和通话质量，所以一般不进行频率复用。
同其它卫星通信系统类似，GEO多波束卫星通信网络也可划分为空间段、用户段和地面段[4]。
空间段由3-5颗多波束GEO卫星通过星际链路组成一个+/- 65°纬度带内的准全球覆盖卫星星座，每颗卫星均具备收稿日期：2008-09-22。
作者简介：杨巧丽（1979-），女，工程师，博士生，主要研究方向为卫星通信抗干扰；陆锐敏（1963-），男，高级工程师，硕导，主要研究方向为卫星通信抗干扰；马刈非（1947-），男，教授，博导，主要研究方向为卫星通信网络。
158复杂而完善的星上处理、星上交换、星上网络控制等功能，通信链路采用天地一体化宽带跳频技术体制。
星上网络控制能够自主完成本服务区域内用户业务处理、资源管理等核心工作，同时还可以向地面网管中心报告本系统运行产生的事件报告并接受来自地面网管中心的控制。
PSTN用户图1 天地一体化网络体系结构用户段主要是指网系内的各种用户终端，由分布在卫星覆盖范围内的各种固定及移动地面站组成。
用户终端主要完成网管代理、位置寻呼、身份认证、呼叫请求、加解密、波束切换以及话音和数据通信服务等功能。
不同卫星覆盖区内的各用户终端可以不经过地面站中转直接通过星际链路进行双向通信，也可以通过网关站与其它网系内的各种用户终端进行通信。
地面段主要指各网关站、卫星控制中心和地面网络管理中心。
网关站主要完成与其它网系的互连互通，不同网系用户业务接入时的准入控制、数据包调度以及完成天地一体化路由选择等功能。
地面控制中心主要负责产生并传送卫星平台、载荷的遥控和遥测命令、波束调整重定向命令等，接收来自卫星的遥测信息等。
地面网管中心实现包括故障、配置、账务、性能和安全在内的网络管理功能，实现较复杂的管理操作界面，星上网络控制的数据库备份等。
该网络体系结构充分体现了天地一体化的设计思想，确保了网系内各功能实体间的协同工作，增强了网络的互连互通和抗干扰能力，随着服务质量（QoS）保证、无线资源管理等网络关键技术的应用其各方面性能将得到最优化实现。
2 QoS保证QoS是业务性能的综合效果，决定用户对业务的满意程度[5]。
在大多数情况下，QoS保证通常用带宽、时延和准确度等参数来衡量。
QoS保证的关键问题是不同的业务类型具有不同的QoS需求，因此也具有不同的服务等级。
话音业务：低带宽需求，但是对最大传输时延有严格的要求；数据业务：通常允许不明显恶化QoS的时延，但是E-mail、短消息是典型的低带宽业务，而文件传输明显地占用较高的带宽；视频业务：较高带宽或更高带宽需求，同样对最大传输时延有严格的要求。
因此，为了在GEO多波束卫星网络上提供QoS保证，必须执行有效的资源管理机制。
针对QoS保证的资源管理的目的是合理地分配和有效地访问这些不同业务类型中的可用资源，以满足其质量需求。
在恶劣电磁环境下，为了增强GEO多波束卫星通信网络的抗干扰能力，只能实现最低限度的话音通信，不能保证所有业务的QoS需求。
3 天地一体化无线资源管理无线资源管理的内容主要包括准入控制、负载控制、分组调度、资源管理、切换控制、功率控制等[6]。
结合GEO 多波束卫星通信网络体系结构的特点，未来军事卫星通信网络将采用集中式与分布式相结合的天地一体化无线资源管理模式。
结合图1可以看出，无线资源管理的主要功能在星上实现，各用户终端和网关站协助完成一些准入控制、分组调度等相关工作，各用户可以在不同层面上控制和访问相应的资源；各卫星无线资源管理实体对本服务覆盖范围内的所有用户间动态分配无线资源，相互之间通过星际链路形成分布式资源管理模式，可以交互各服务区域间必须的一些重要资源信息；地面无线资源管理中心的功能与地面网管中心相一致。
对于采用宽带跳频技术体制的GEO多波束卫星通信网络，其无线资源指的主要是信道（即频率）资源，无线资源管理的目的就是在呼叫准入控制和波束切换管理过程中能够对信道资源进行实时动态按需分配，对于基于分组的多媒体业务，需要采用流量控制技术，结合卫星链路特性，对分组进行调度，从而满足不同业务的QoS需求，实现对频率资源的最优化使用。
GEO多波束卫星通信网络中的无线资源管理涉及的内容相当广泛，其最终目标是在满足一定的QoS保证前提下，使系统的抗干扰能力能够得到进一步的提高，整个网络内的无线资源实现最优化配置。
3.1 呼叫准入控制（CAC）呼叫准入控制决定一个呼叫是否被接受还是被拒绝。
呼叫接入策略的功能是要在接受一个呼叫请求时，既能提供足够的资源用以保证QoS，又不影响现有用户的服务质量[6]。
一项好的准入控制策略不仅可以同时保证新用户和已有用户的业务质量，还能最大限度地为系统提供高容量，使系统的业务分布更趋于合理化，资源分配更加科学化。
目前，国内外的许多学者针对CDMA无线网络中的接入控制算法进行了大量的研究，提出了许多的解决方案。
针对GEO多波束卫星通信网络，其网络体系结构和技术体制均与CDMA无线网络有很大的差别，对于特定的波束而言，其新增呼叫可能有三种：一种是本波束范围内的始发呼叫，另一种是相邻波束的切换呼叫，还有一种是通过星际链路来自其它卫星服务区域区的呼叫（该呼叫方式是GEO 多波束159卫星通信网络所特有的）；另外，还要考虑到卫星链路特有的长时延、高误码率、上下行业务的不对称性以及抗干扰业务的突发性，因此其呼叫准入策略易采用多星分布式协作决策方式，结合信道资源实时动态按需分配策略，针对不同用户的QoS设置不同的优先级并制定相应的CAC门限，研究适合本网络特性的CAC算法。
3.2 波束切换管理在GEO多波束卫星通信网络中，考虑到其波束覆盖范围广、移动终端的运动速度变化范围大等实际情况，另外再结合军事应用背景，波束切换可能有四种情形：第一种是同一卫星服务区域内相邻波束间的切换[7]，该切换方式由星上无线资源管理中心集中式管理并统一分配信道资源；第二种是不同卫星服务区域间相邻波束间的切换[7]，该切换方式需要星上无线资源管理中心分布式管理并联合分配信道资源；第三种即是波束内切换，当用户当前使用的通信信道由于受到敌方干扰而变得不可用时，系统需要将用户切换到同一波束内另外的可用信道上；第四种是重叠波束间的群切换，该方式是基于抗干扰应用的另一种特殊形式，即当针对某波束的转发器受到敌方的强电磁干扰时，为了保证其通信畅通，需要将其所有正在通信的用户终端群切换到其重叠覆盖的备份波束内。