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卫星通信
光纤通信结课论文
题目:
卫星通信
学院:
xxxxxxxxx学院
专业班级:
xxxxxxxxxxx班
任课教师:
xxx
姓名:
xxxx
学号:
xxxxxxxx
日期:
2009年11月
LEO卫星移动通信系统用户切换
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
关键词:
低轨道卫星;通信系统;切换管理
正文
一、 LEO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。
二、LEO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。
三、LEO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。
3.5移动通信、固定通信与卫星通信技术相结合,是世纪之交又一值得注意的趋势。
人类在1960年发射了第一颗通信卫星。
早期运载火箭尚不足以将卫星送到距地球36000公里的同步轨道,因此,当时的卫星都是中轨或低轨的,存在单星覆盖面小、跟踪技术复杂等问题。
1964年以后,地球同步轨道卫星伴随新型运载火箭研制成功而陆续升空,扩大了单星的覆盖面。
这类卫星非常适合于以广播电视为代表的单向通信,远距离的文艺转播经常就是通过它们进行的。
妨碍同步卫星进一步发展的障碍是时延大(可达数百毫秒)、对地面天线的体积和功率要求高。
相比之下,中、低轨道卫星移动通信系统具有传播损耗小、时延小、频率复用有效、可多星互为备用等优点。
低轨卫星移动通信系统运行于距地500—2000公里的高度,中轨卫星移动通信系统运行于大约10000公里的高度,目前在技术上都比较成熟。
若能扫除高费用的障碍,其应用将更为广泛。
在谈到Internet时,有人将漫游(roaming)的定义区分为广、狭两种。
狭义的漫游是指通过电话拨号进入Internet的用户,当他不在其所属ISP的本地服务范围内时,不需要拨打长途电话,即可实现上网。
广义的漫游是指在已达成协议的ISP和ICP(内容提供商)共享彼此的用户,各自的用户可以分享它们所提供的一切服务。
⒄这不禁使我们想起现实世界中的情形:
要想全球漫游,免不了碰上国界限制;要想饱览群书,免不了碰上借书证在不同图书馆之间无法通用的难题。
如果说国家间互免签证、馆际借书不受限制看起来还比较遥远的话,网络商之间打通服务则是比较现实的事情。
在社会学意义上,卫星通信技术的价值在于对全球化进程的促进。
卫星通信的覆盖范围是跨国界的,卫星所传送的信息的影响则是跨文化的。
四、LEO卫星通信系统中用户切换目标卫星的选择准则
4.1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。
最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。
文章来源:
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4.2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。
4.3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。
1.物理时空中的漫游
人类一方面慨叹地球之小、地球村之拥挤,另一方面惊叹宇宙之大、星距之遥远。
这种心理早晚将驱使人类致力于向太空移民。
20世纪各种航天器的发射,正是太空移民的必要准备。
当人类的篝火已经在诸多异星升起时,新开拓的居住地之间该是什么样的关系?
与金字塔式的森严结构、传统文本式的线性联系相比,超文本式的链接也许更为相宜。
我们的后代可能会将有人居住的星球都当成电子超文本网络的节点,试图解读星际电子超文本网络中传送的信息。
不仅如此,各个星球的居民之间或许会按照与超文本相类似的原则建立经济、政治、文化等多方面的联系,从而使人类形成环宇分布式发展的新格局,并提供星际旅行的必要条件。
正如我们现在进行环球旅行要考虑时间差一样,星际旅行不仅需要穿越空间,而且需要跨越时区,须有包括移动通信在内的多种技术保障。
最初的星际旅行无疑是风险巨大、费用高昂的,普通人难以问津。
要使它变得像我们周末到城郊度假那么方便,无疑并非易事。
然而,这种意义上的漫游仍为一代代人所向往。
20世纪美国作家雷·布雷德伯里在所著的科幻小说《百万年郊游》中设想:
主人公一家度假,居然是到遥远的异星,单在路上就得走一百万年!
尽管这在现在看来这只是异想天开,但是,人类毕竟不会放弃超越物理时空限制的努力。
4.4社会时空中的漫游人类虽然意识到资源共享的重要性,却又为这种共享设下了重要社会障碍。
“墙”,便是这种障碍的具体化。
从木桩、土坯、砖石到钢筋混凝土,围墙分割了内外,阻断了交通。
数码化的防火墙本质上不是为了对付服务器因高温而产生的意外,而是为了区分内部网与外部网。
版权规范在某种意义上也是一堵“墙”,“禁止非授权使用作品”与铁门上常见的“非请勿入”字样正属异曲同工。
保密规定更是一堵墙,以对付觊觎者见长。
凡是有墙之处,人们的游历便不可能是充分自由的。
当然,建墙有建墙的理由。
没有墙挡不了风雨,防不住窃贼,对付不了黑客。
翻墙也有翻墙的办法。
据介绍,“一个出于某种安全原因不能与Internet联通的局域网,可以通过采集和转播来实现对Internet上信息的有选择的访问。
采集服务器通过全息镜像的方式,把多个被选中的目标站点的所有可以访问的信息,以一种充分保持原有结构的方式采集到局域网中来,通过一种不经过IP路由的专用通道,在设立在局域网中的另一台‘转播服务器’上统一组织并提供统一的检索服务,对内部网的用户造成这些站点虚拟在线的景象”,具有安全、省钱、方便等优点。
⒅不过,如果“大同”是人类社会可以实现的未来远景的话,那么,社会意义上的“墙”都有可能被削平。
各种组织、团体、机构虽然仍存在,但不再作为受墙保护的山头,Internet与Extranet的区别丧失了价值。
所有的数据库都向公众开放,无须事先申请密码便可访问。
只有到那时,社会时空中的漫游才是可能的。
今天的Internet已经多少显示出相关的征兆。
当平民百姓运行超文本浏览器便可了解政府的法规、点击网页上的地址便可向各级官员提问时,我们有理由相信漫游于社会时空已为期不远。
五、 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。
5.1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。
5.2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。
内游意义上的“漫游”,重点为媒体世界中逍遥自在的游历,对电子超文本网络来说,所“游”的是虚拟环境。
利用超文本技术构建的网页相互链接,用户便循着这些链接从一个页面漫游到另一个页面。
这并非用户的身体定位有何显著运动,而是网络将用户的请求由一个服务器传到另一个服务器,在找到所需要的HTML文件的URL地址之后,将其数据回传给用户。
上述任务目前主要是在固定通信技术的支持下完成的。
5.3固定通信技术正在经历巨大的变革:
其一,业务数据化。
由于数据业务的增长速度远远高于电话业务,固定通信的用途将很快由电话为主向数据为主转变。
与此相应,其技术基础将由传统的电路交换技术向以IP为代表的分组化技术转变。
这意味着电子超文本网络与固定通信技术的关系日益密切。
其二,信道宽带化。
不论是核心网或接入网,固定通信技术都将在21世纪实现宽带化。
在这一过程中,电子超文本网络将成为货真价实的电子超媒体网络,音频、视频、动态图像等对带宽要求较高的成分将在网上信息中占有越来越大的比重。
其三,三网一体化,即电信网、Internet、有线电视网在技术上趋于一致、实现互联互通。
与此相应,电子超文本网络所建立的链接,将延伸到手机、电视机、信息家电等各种终端。
漫游有漫游的快乐。
当我们从一个站点跳到另一个站点,任凭自己的思路随着网页上的各种提示延伸时,想到现实时空根本不可能有这样大的步伐,不无惊讶地发现原来事物之间存在自己始料未及的各种联系,这自然有其乐趣。
当然,漫游也有漫游的遗憾,那就是很可能终无所得、终无所归。
正因为如此,才有导航技术的出现。
导航系统由信息库和信息加载、信息管理、信息查询三个子系统组成。
信息库既存储了信息项的基本特征,又存储了媒体资源的特征。
信息库中的信息项,是由信息加载子系统收集而来的。
收集当然可以由人工来完成,但这样做速度太慢,因此,通常是通过一个名为“机器人”(Robot)的程序来完成。
信息管理子系统负责对信息库加以更新、维护。
信息查询子系统面向用户,负责接受用户所提出的查询要求,显示查询的结果。
导航技术的实质,是将游历的任务交给专门程序,从而在网络上划分航道,或者开凿港湾。
网络导航系统通常以两种方式来引导网民,一种是提供目录服务,即按内容、时间和空间对网上信息资源进行层次分类,形成树状结构,用户可以根据这一结构查找自己所想要的信息;另一种是提供关键词查询服务,即根据用户输入的关键词搜索信息库,并将搜索所得按一定规则进行排序。
前一种做法相当于划分航道,后一种方法相当于开凿港湾。
目前,导航技术呈现出如下发展趋势:
其一,只搜索符合预先设定的专业方向的网站和网页,而不是“广域遍历”式的搜索,可以更好地为行业和专业人员服务;其二,检索机制从字面的匹配走向基于语义的匹配;其三,查询界面自然语言化,即检索不再是按固定的格式填写查询命令,而是走向填充模式加自然语言的形成。
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
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