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2对策探索
目前，卫星通信技术是我国大范围区域内应急通信的主要技术手段，包括VSAT技术系统、BGAN技术系统。短波通信技术在地震应急救援现场的局域通信中也有很大的作用。这类应急通信系统应当具有高信噪比、大容量、高稳定性、全天候、盲区小、抗干扰、多通道、低功耗、小型便携、高机动性等基本特性［2］。在目前技术水平条件下，应进一步完善通过多种技术系统集成的震后应急通信系统，以解决地震后初期不同情况下地震现场与后方指挥中心的通信。
2.13G技术的应用据科学统计，不同震级的地震因为释放能量的大小不同，对震区内的通信环境的影响也有不同的差别。比如，Ms5.0～6.0级地震发生后，震区大部分地面网络或3G网络受损普遍轻微，Ms6.0～7.0级地震对地面网络或3G基站的破坏一般发生在高烈度区，而Ms7.0级以上的地震发生后，地面通信设施基本不可用［3］。应急通信车应根据地震现场的实际情况选择不同的通信方式，在地面通信设施受损较小的情况下可依托地面网络或者3G作为信道开展视频会议、语音通讯、数据传输业务，极端条件下使用VAST卫星网络，这样可大幅度提高地震应急通讯效率。3G网络与VAST卫星网络相比传输速度较快，下行速度峰值理论可达3.6Mbit/s，上行速度峰值也可达384kbit/s。国内支持国际电联确定3个无线接口标准，分别是中国联通WCDMA、中国移动TD－SCDMA、中国电信CDMA2000。WC-DMA以其技术成熟、终端类型多、速率高、网络覆盖好等特点在3种3G网络中具有明显优势，因此可以采用WCDMA技术作为主用3G通信技术，实现应急通信车与指挥中心的3G通信，CD-MA2000或TD－SCDMA可作为备用的3G通信方式。
2.2短波电台的应用短波通信属于独立自主通信，不依赖其他有线和无线通信手段都必须具备的网络、传输线路、中继体和建筑等基础运行条件，抗毁能力最强，是实现中、远程无线联络的基本手段［4］。从点对点直通距离看，短波是所有无线通信方式中距离最远的一种无线通信手段。另外，短波通信设备简单，可以根据使用要求进行固定设置，也可以个人背负或车载安装进行移动通信，组网灵活，实时性好，特别是在救灾初期常常是主要依赖的通讯工具。因此，我们可以建设一套短波通信网络，由车载电台、便携式电台组成。车载电台用于组成指挥所通讯枢纽或作移动通讯使用，选择使用鞭形天线或双极天线，这样可以保证应急通信车在一般行进速度时正常通信，便携式电台具有体积小和重量轻等特点，一般采用鞭形天线，利用地波进行近距离通信，主要用于应急通信车无法抵达的陡峭山地灾害现场，由应急人员背负便携式电台进入地震现场，保障通讯联络，实现无盲区通讯。为了解决短波通信网与其他通信的融合问题，同时提高整个短波通信网络的可靠性，必要时可以配备多网系融合设备，通过该设备可以将短波无线通信和有线通信、卫星通信及超短波通信等通信手段进行融合，通过其他制式的承载网络，实现对短波系统的延伸和扩展，从而可以大幅度提高通讯效率［5］。
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
2混合算法仿真及其仿真结果分析
混合算法首先基于雨衰模型得出功率补偿的极限阈值，然后根据该阈值将信道的雨衰补偿算法分为两部分:当雨衰值小于该阈值时，运用自适应功率控制算法进行雨衰值估计，再根据估计值相应地增大功率补偿衰减;当估计的雨衰值大于功率补偿极限值时，在功率调整到最大的同时，估计当前信道的信噪比，计算信噪比比值，再通过式(17)进行速率调整。由图2可知，年平均小于0．02%的时间其雨衰值超过34dB，这里设34dB为功率补偿的极限值。
为使可用率达到99．99%，则当雨衰超过34dB时，应适当降低信息速率。同时从图2中可以看出，雨衰超过44dB的时间百分比小于0．01%。由于缺乏Ka波段实测雨衰数据，因此，笔者应用不同频率衰减转换公式，由Ku波段雨衰数据转换成Ka频段的雨衰数据作为雨衰真实值［14，15］。图3显示了2013年5月27日在200min的观测时间内每10s取一个降雨衰减值的雨衰真实时间序列。从图3中可以看到，本次选取的属于雨衰非常大的降雨过程，在［108，145］min时间内衰减较大，最大衰减值可以达到44．67dB，其中雨衰超过34dB的时间占总时段的13．1%。图4为应用自适应功率控制算法所得到的补偿误差曲线。其中模型阶数p=5，已知数据数m=10，Δt=10s。在雨衰超过34dB的时段，功率控制已无法进行跟踪补偿，因此，补偿误差趋于劣化，甚至达到十几分贝。同时，在雨衰速率变化大时，误差也会增大。图5为信息速率随观测时间变化的曲线。
这里假设信道的(m，σ2)=(4．5，0．5)，信息速率为2．048Mbit/s，其中I^o的值可通过仿真自适应功率补偿后信道的误码率曲线得到，其值为18dB。从图5中看到，雨衰大时，速率频繁调整，最低速率为256kbit/s，可保证一般的数据通信需求。图6为采用混合算法后得到的跟踪补偿误差曲线，可以看出，该算法有效地减小了雨衰较大时的补偿误差，使其几乎全部在±1dB以内，最大补偿误差约为1．6dB。图7为信道的误码率仿真曲线。从图7中可以看到，降雨在无补偿的情况下，信道的误码率很大，但在功率控制补偿后，误码率明显减小。同时，图7还给出了运用混合补偿算法后的误码率曲线，相比较于只应用功率控制技术的方法，其误码率小很多，且在信噪比达到18dB时，误码率小于10－7。
计算机通过GPIB通信接口对AV4033的功能控制是通过程控仪器标准指令来实现的，程控指令是可以对频谱仪进行远端控制的一组特殊格式串，包括仪器设置、通道配置、数据扫描方式、控制输出、读取数据、状态报警、接口设置等指令集。这些指令的发送均是字符串形式,所有的频谱仪命令都必须符合特殊的语法规则，在应用高级语言进行编程时，程控指令一般是作为一个独立的参数在调用函数中出现，这类针对远程控制的函数随GPIB接口和采用的高级语言的不同而不同，但其程控指令是相同的，AV4033系列频谱仪的语法命令图如图3所示。本文利用程控指令和频谱仪进行通信时,选择LabWindowsCVI自带的GPIB函数库,可以方便地进行程控命令发送和数据读取操作。
2应用举例
卫星固定通信台站天线口径大波束窄，对天线伺服系统的自动跟踪性能要求较高，为确保通信效果，需定期测量卫星天线系统的自动跟踪性能，传统的测试方法需用频谱仪在射频方舱内测试，且测试结果保持和记录都不方便，利用本系统可以方便进行远程测试，而且可以将测试结果保存在数据存储单元中，方便后续查询和参考。卫星天线跟踪性能测试流程如下：（1）调整卫星天线使其对准通信卫星；（2）在监控主机上按下述过程设置频谱仪；a)按卫星信标频率设置频谱仪中心频率，设置SPAN为0到100KHzb)根据信标信号的电平变化范围设置Sacle/DIV，以使测量过程中的载波电平变化始终落在频谱仪的可显示电平范围内c)根据信标频率稳定度，选择尽可能窄的RBWd)根据载波的峰值频率和功率，调整频谱仪的中心频率和参考电平e)利用键盘调窄SPAN，重复4f)重复5，将SPAN调整到最小g)将SPAN置0，使载波显示谱线作水平运动h)输入扫描时间，确定扫描长度（3）用手控方式调偏卫星天线的方位角和俯仰角，频谱仪显示谱线的电平将随天线偏离卫星而下降（4）启动天线自动跟踪功能，观察卫星信标电平随时间的变化，记录自动跟踪天线的对星过程以及跟踪速度和精度（5）存储记录数据，重复3、4步骤，多记录几次测试结果，分析卫星天线自动跟踪性能。
2SOQPSK－TG的极化分集接收
经过高斯信道传输后的卫星接收信号可表示为，本文设计的极化分集接收系统首先通过ADC将接收的两路圆极化信号（左旋极化、右旋极化）转换为数字信号，然后经过自动增益控制环路（Au－tomaticgaincontrol，AGC）、差模环（Differentialmodeloop，DML）、最大比合并（Maximumratiocombining，MRC）、共模环、定时同步环路，得到解调信号，整体框图如图2所示。
2．1自动增益控制环路卫星通信信道衰落使得接收信号的包络会产生起伏，幅度变化可以相差几十分贝，本文给出的MRC算法、载波恢复算法和时钟恢复算法都要求输入端的两路信号幅度保持恒定不变，可见AGC在系统中至关重要。因此需要通过AGC调节接收信号的增益，使接收机输出电压恒定或基本不变，提高系统性能。其数学模型如下A（n＋1）＝A（n）＋βR－A（n）x（n［］）（8）式中：A（n）为AGC的调节增益，R为增益门限，β为增益步长。经过当前时刻增益A（n）所得的信号A（n）x（n）与门限R作比较，若小于门限则会增大下一个时刻的增益A（n＋1），同理若大于门限则减小下一时刻的增益，使输出信号基本维持在门限附近。增益步长β越小，幅度收敛越慢，捕获时间越长，误差越小，即波形失真越小；反之β越大，收敛越快，捕获时间越短，误差越大。
2．2差模环到达接收机的两路信号由于相位或本振频率不一致会引入一定的相位偏移和频率偏移，而MRC算法要求两路信号同频、同相后才能加权合并，取得增益，因此必须完成两路信号的同频同相处理。两路信号经过下变频、低通滤波后通过鉴相器将所得的误差信号分为两路，通过环路滤波器后以相反的极性调整数字控制振荡器（Numericalcontrolledoscillator，NCO），使两路信号以相反的方向被推到同一个公共频率上，实现两路信号的同频同相锁定。SOQPSK－TG信号的差模环算法模型推导如下，设经过AGC后的两路信号分别。
2．3最大比合并常用的极化分集接收合并方式有3种：等增益合并、选择合并和最大比合并。本文采用分集增益最佳的最大比合并算法［25］，其原理是通过AGC所获得的加权系数对两路信号进行加权合并，使信噪比较大的一路获得较大的权值，信噪比较小的一路获得较小的权值。设so为合并输出信号电压，αi为各支路加权系数，si为各支路输入信号电压，N为支路个数。假设各支路噪声不相干，因此合并输出噪声功率n2o应为各支路输入噪声功率n2i之和，可得合并输出信噪比γo为当且仅当各支路信号电压与加权噪声功率之比相等时，输出达到最大值，此时分集增益为N。
2．4共模环卫星相对地面的高速运动会使信号载波产生多普勒频率分量，这就要求接收机有较强的频移捕获能力、较快的同步速度以及较高的同步精度。本文采用同相正交环算法对载波进行恢复。
3仿真验证
仿真条件：信号中频f0＝32MHz，下变频后载波fR＝fL＝4MHz，每周期采样点数Nc＝32，采样率fs＝128MHz，码元个数Num＝800，每个码元采样点数Ns＝64，接收信号为正弦起伏包络，起伏范围为20dB，两路输入信号频差Δf＝2．56kHz，相差Δφ＝π／4，多普勒频移fd＝6．4kHz，噪声为高斯噪声，信噪比SNR＝15dB，各环路仿真结果见图3～10。上述仿真结果表明，自动增益控制环路能够较好地恒定输入电平，如图3，4所示；差模环、共模环能够准确跟踪两路输入信号频差、相差及多普勒频移，如图5～8所示；最大比合并模块能够使得信噪比较差的一路得到补偿，如图9所示；最后的解调结果如图10所示，在最大起伏为20dB条件下，通过分集接收实现了正确解调。为进一步验证本文所提算法性能，图11给出了分集接收SOQPSK－TG卫星通信系统与传统BPSK卫星通信系统的性能对比结果。对比结果表明，极化分集SOQPSK－TG传输系统明显优于传统BPSK系统，在最大起伏为20dB条件下，可获得5～10dB平均信噪比增益。
2电机的选型及计算
2.1主天线电机选型及计算
2.1.1天线转台加/减速时所需要的力矩式中：W为天线直径；L为天线宽度方向到回转轴的距离；I为天线相对于转轴的转动惯量；m为天线的总质量；θ为天线倾角。
2.1.2转台在风载荷下产生的颠覆力矩（按照天线迎风面最大算）风载荷（20m/s）作用于雷达的最大作用力：式中：ρ为空气质量密度（取1.2kg/m）；υ为平均风速（20m/s）；Cx为风力矩系数（取1.2）；A为天线风阻反射面积（πR2θ）。考虑到交流伺服电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定等特点，选择韩国麦克彼恩交流伺服电机作为主天线方位和俯仰驱动电机，电机参数如表1所示。
2.2极化电机选型及计算极化电机主要用来驱动馈源极化轴。本天线系统采用波纹喇叭作为馈源，重量轻，约5kg左右，且极化轴对速度要求严格；而步进电机转动角度精确，转角和转速不受电压波动和负载变化影响，能实现快速启动、停止、反转和改变转速，因此选型为步进伺服电机，其参数如表2所示。
3卫星通信伺服控制算法
为了实现天线高精度指向卫星，本天线伺服系统采用了粗精对准相结合的方式进行对星，即先利用预设的卫星位置计算出天线理论指向角，实现天线的粗对准；再通过监测信标接收机输出的AGC电平信号强度，实现天线的精对准。
3.1天线粗对准控制算法天线粗对准控制算法即天线理论指向角的计算，这包括天线俯仰角E、天线方位角A和馈源极化角P的计算。设天线所处地理位置的经度为φ1，纬度为θ，静止卫星所在经度为φ2，经度差φ=|φ|1-φ2，可计算出天线方位角A、天线俯仰角E和馈源极化角P。计算公式为。在天线粗对准过程中，将目标卫星的轨道信息（卫星的在轨经度）输入伺服控制单元，利用GPS接收机测得天线所在地的经纬度信息。伺服控制单元进行姿态解算后得到天线对准目标卫星所需要的方位角、俯仰角和极化角，然后驱动各电机运动以实现对卫星的搜索。在对星的过程中同时要利用姿态传感器不断检测天线波束的实际指向信息，得出天线实际角度和理论角度的差值，伺服控制单元根据这些差值驱动天线的方位、俯仰和极化方向的电机不断转动，通过不断地比较，驱动天线最终指向卫星。在天线转动的同时还要不断采集信标接收机输出的AGC电平值的大小，该值也作为一个反馈信号反馈至伺服控制单元，判断该值与预设电平门限值的大小。当采样的电平值大于该门限值后，结束粗对准状态，进入精对准状态；否则，则需继续转动天线进行对准。
3.2天线精对准控制算法天线完成了粗对准后，天线进入能收到信号的范围，但是收到的信号强度较弱，距离信号最强指向还有一定的角度差。为了使信号接收效果达到最佳，需进行天线精对准。在这一阶段，需在粗对准后的位置附近结合信标接收机的输出电平AGC的大小变化做微动精确跟踪，最终找到信号最强（AGC电平值最大）的位置作为对准卫星的目标位置。天线精对准控制算法图如图4所示。
1.2卫星移动终端SMT（SatelliteMobileTerminal）SMT是基于“北斗”的卫星移动通信试验系统的用户终端，用户使用SMT接入试验网得到所需的通信服务。为区别试验网内不同的用户，使用用户识别模块UIM（UserIdentityModule）予以识别。每个移动终端都有各自的卫星设备识别号SMEI（SatelliteMobileEquipmentIdentity）。每个移动用户都有自己的卫星移动用户识别号SMSI（SatelliteMobileSubscriberIdentity），分别存储在UIM上和SHLR（SatelliteHomeLocationRegister）上。
1.3综合信关站SGS（SynthesizeGatewayStation）
综合信关站由收发系统、业务控制系统、卫星资源监测与管理、移动交换中心等网络部件组成。
1.3.1收发系统GTS（GatewayTransceiverSystem）它受控于GSC，包含射频子系统和信道处理子系统。射频子系统完成卫星射频信号和中频或基带信号之间的转换功能，信道处理子系统完成信道调制/解调、帧处理、交织/解交织、编码/译码和信道映射等功能。它完成GSC与无线信道之间的转换，实现SMT和GTS之间通过卫星传输及相关控制功能。
1.3.2业务控制系统GSC（GatewayServiceControl）GSC是地面信关站的控制部分，它处于GTS和移动业务交换中心GMSC之间。一个GSC可以连接和控制几个GTS，在试验系统中只有一个GTS。它的主要功能是无线信道的管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，移动台切换管理，话务量统计等。
1.3.3卫星资源监测与管理SRMM（SatelliteResourceMonitor&Management）卫星资源监控与管理完成对卫星资源的监控与协调管理工作，包括了：卫星频谱与信号监测、卫星工作状况监测与系统管理、运行状况与工作模式管理、信关站与地面运控网进行信息交互与处理、天线与射频状态监视。
1.3.4移动交换中心GMSC(GatewayMobileServiceSwitchingCenter)移动业务交换中心由软交换SS（SoftSwitch）、AAA（AuthenticationAuthorizationAccounting）服务器、操作维护中心OMC（Operation&MaintenanceCenter）、卫星接入网关SAG（SatelliteAccessGateway）、地面接入网关TAG（TerrestrialAccessGateway）等实体组成。①软交换SS（SoftSwitcher）完成移动呼叫接续、控制、无线资源和移动性管理等功能，是卫星移动通信试验网的核心，同时也是与地面固网和实验网的接口设备。②AAA服务器认证：用户在使用网络系统中的资源时对用户身份的确认。授权：网络系统授权用户以特定的方式使用其资源。计费：网络系统收集、记录用户对网络资源的使用，以便向用户收取资源使用费用，或者用于审计等目的。AAA服务器含卫星归属位置寄存器SHLR（SatelliteHomeLocationRegister）与地面移动网的HLR类似，SHLR是用来存储本地用户位置信息的数据库，每个卫星移动用户必须在某一个SHLR登记，不同之处是试验网将卫星移动设备标识寄存器集成到SHLR之中。登记的主要内容有：用户号码、移动设备号码、位置信息、业务信息等。试验系统暂不考虑卫星访问位置寄存器SVLR（SatelliteVisitorLocationRegister），但设计时应该留有扩充的空间。③地面接入网关TAG地面接入网关实现与地面PSTN，PLMN和短消息中心的接口，信令转换，业务合成、分解、存储和传输的实体。地面接入网关实现试验系统与地面其它网络的多种业务转换和互通。④卫星接入网关SAG卫星接入网关是业务控制分系统GSC和移动交换中心GMSC的接口实体。⑤操作管理中心OMCOMC是网络拥有者对全网进行监测和操作的功能实体。
1.4系统接口定义
1.4.1UIM－SMT接口卫星移动终端SMT到用户识别模块UIM接口，SMT在注册、实现双向鉴权、加密、信息存储时要与UIM交互信息和数据。
1.4.2S－Um接口S－Um接口又称SMT－GS卫星空中接口，是卫星移动试验网的主要接口之一。对卫星移动通信而言，大部分信令都是和SMT相关，S－Um接口传递的信息包括了无线资源管理、移动性管理和接续管理等。S－Um接口与卫星移动通信试验系统采用的体制密切关联，相互决定。
1.4.3Am接口Am接口是信关站内部GTS和GSC之间的内部接口。
1.4.4A接口A接口是卫星地面信关站和GMSC之间的接口，该接口携带关于信关站的管理、呼叫处理和移动性管理等信息。采用SIP和RTP协议分别传输信令和业务数据，通过TCP/IP承载传输。
1.4.5R接口R接口为GMSC与AAA之间的接口，GMSC通过该接口向AAA服务器和SHLR查询被叫卫星移动用户的选路信息，以便确定呼叫路由，呼叫时对用户进行鉴权，并在呼叫结束时向AAA发送计费信息。试验系统的SHLR与信关站放在一起。
1.4.6P接口为综合信关站的地面接入网关与地面网络的接口，传递业务及控制信息。
1.5系统通信体制为了适应卫星资源，试验系统采用CDMA通信体制。前向信道（卫星到终端）和反向信道（终端到卫星）各占用不大于8MHz频谱带宽。见图3。前向和反向信道采用扩频方式，将2.4kbps的数据经成帧、编码、交织、加密处理后，由扩频序列将频谱展宽。前向信道由以下信道组成：PICH（PilotChannel）：前向导频信道，为参考信道，终端由它获取相干解调及同步信息；SCH（SynchronizationChannel）：同步信道，发送定时参数，系统参数；PCH（PagingChannel）：寻呼信道，用于寻呼用户，发送短消息和系统消息；BCH（BroadcastChannel）：广播信道，为终端提供广播业务；DSCH（ForwardDedicatedSignalChannel）：前向专用信令信道，传送专用信令，在通信过程中传输交换信令；TCH（TrafficChannel）：业务信道，承载语音和短消息业务，试验系统使用1～30条。反向信道由以下信道组成：RACH（RandomAccessChannel）：反向随机接入信道，用于终端发起呼叫、被叫和注册时传输信令；RTCH（ReversedTrafficChannel）：反向业务信道，承载语音和短消息业务；RDSCH：（ReversedDedicatedSignalChannel）：反向专用信令信道，用于通信过程中交换信令。前向信道采用正交的Walsh码区分用户和控制信道，码片速率4.9152Mcps，调制方式为QPSK，信道编码为1/3卷积编码。反向信道采用随机码区分用户，码片速率4.9152Mcps，调制方式为HPSK，信道编码为1/3卷积编码。
2系统工作原理
系统的工作原理见图4。用户终端对语音、数据、短消息进行信息处理、基带处理、射频处理形成频率为L的射频信号后，由天馈单元发向卫星。卫星接收到用户所发的信号后，进行放大、变频、滤波等处理，经C波段天线发向信关站。在综合信关站中，由专用C波段天线接收卫星发来的入站信号，经低噪放、下变频处理成中频信号（70MHz），经中频分路后送往两个16路解调器，解调后数据接入本地局域网，通过信令处理与软交换完成与对方用户的连接，建立通信信道。信息经信关按协议处理后送往交换机，交换机将数据送往两个16路调制器，调制器完成对数据的信息处理、基带处理、扩频调制后，形成中频为70MHz的已调合路信号（2个中频，各含16路），送往中频合路器，合路后经上变频处理成S波段信号，经高功率放大（HPA）后，由S波段天线发向卫星。卫星收到信关站所发的信号后，进行放大、变频，处理成频率为L1/L2的射频信号发向用户。用户端接收到卫星所发来的微弱信号后，经低噪放（LNA）、变频处理成频率为70MHz的中频信号，经解调、信道处理、信息还原后得到对方所发的语音、数据、短消息等信息格式。终端接入流程举例，见图5。
2卫星通信机动站动力学模型的建立
Maplesim是一个多领域物理建模和仿真工具，它提供了一个三维可视化的环境建模以及动画显示仿真结果，在这种环境下，可以通过简单且直观的方式搭建各种复杂系统的模型，还可以可视化分析仿真结果。在Maplesim中能将建立好的模型转换到C代码中，可以在其他应用程序和工具中使用此C代码。在3D可视化建模环境下可以快捷、方便且直观地创建所需要的动力学仿真模型，之后将模型转生成C代码，在VC++环境下编译C代码生成动力学模型的DLL文件，这样可以方便其他应用程序的调用仿真。本研究基于.NET开发平台采用C#语言编写上位机仿真用户界面，进而对生成的DLL文件进行调用。半物理仿真系统开始执行，给定一个初始时间t0（初始值），每次经过t时间后，对动力学模型DLL文件进行调用，从卫星通信机动站的动力学模型DLL中输出第一个状态信号，将这个状态参数传递给卫星通信机动站控制器实物，控制器中对输入的状态参数完成控制算法后将再次发出控制信号并传递给C#软件环境，再经过t时间，再次调用DLL中的动力学模型。此时卫星通信机动站动力学模型的DLL输出第二个状态信号。如此循环反复执行此过程，如图3所示，形成了一个闭环的半物理仿真系统。
3半物理仿真系统设计
卫星通信机动站半物理仿真系统主要由人机交互操作界面、STM32控制器、信号转换器、数据采集系统以及PC机中的卫星通信机动站动力学模型5部分组成。以STM32控制器为核心的卫星通信机动站半物理仿真系统本身是一个闭环系统，在仿真通讯过程中，由卫星通信机动站控制器实物发出控制信号，控制信号模拟量经过信号转换器转换成数字信号，再通过USB虚拟串口通讯传递给PC机，PC机则调用WindowsAPI（Windows系统中可用的核心应用程序编程接口）对数字信号进行接收。PC机将接收到的信号再调用C#软件环境的动力学仿真模型，最后输出一个状态信号。PC机再将输出的状态信号通过WindowsAPI接口发送出去，状态信号经过USB虚拟串口传递给信号转换器。信号转换器将状态信号数字量转换成模拟量后传给卫星通信机动站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新输出新的控制信号。此控制信号再经信号转换器PC机动力学模型的DLL，最终返回状态信号，如此循环地执行就形成了一个闭环的半物理仿真系统［4-5］，如图4所示为半物理仿真系统框图。
4硬件系统的构建
卫星通信机动站的智能化控制是一个复杂的运动控制系统，其具有多自由度、多传感器、多驱动器、多运动形态的特点，对卫星通信机动站在现实运动过程中的多个传感器的输出模拟量数据进行采集，同时采用SPI串口通讯、蓝牙无线通讯的方式将数据传递给PC机上位机软件用户界面，以数据和虚拟动画相结合的方式直观地显示卫星通信机动站的实时运行状态。采用ADAS3022数据采集系统采集传感器数据，经ADAS3022的数字接口SPI与MCU选用的STM32芯片内部自带的SPI通讯，并且可实现内部自带的ADC（模/数转换器）进行信号转换，再通过HC-05嵌入式蓝牙模块与PC机进行通讯，如图5所示为系统总体设计方案。硬件系统设计了一个完整的5V单电源、8通道、多路复用的数据采集系统，可以集成用于工业级信号的可编程增益仪表放大器（PGIA）［6］。如图6所示为数据采集系统电路原理图。数据采集系统主要是以ADAS3022芯片为核心设计的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS转换速率进行转换，能够接受的最大输入信号范围最高可达±24.576V的差分模拟输入信号。与传统的数据采集相比，在标准的数据采集方案中都会涉及到信号缓冲、电平转换、放大、噪声抑制以及其它模拟信号调理等，但是在ADAS3022中则无需这些辅助调理电路。这样一种高性能的核心芯片的应用，简化了具有高精密16位数据采集系统的设计难点，降低了成本。此外，在外观上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引脚的LFCSP封装；在性能方面，它可以提供最佳的时序和噪声性能，工作温度跨度-40℃到+85℃的工业温度范围［7-8］。此电路系统采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的组合，可同时提供高精度和低噪声性能。
2运营管理平台的实现
2．1开发环境的选择程序代码的编译环境为MicrosoftVisualC++2008，它可以高效开发Windows应用，尤其是Office的应用，数据库采用MySQLSever5．0，其使用的SQL语言是用于访问数据最常用的标准语言，它有着速度快、体积小、代码开源等特点，特别时候想节约成本的中小型企业［4］。另外还需要具有FTP上传及下载功能的传输工具LibCURL。
2．2数据同步算法设计2Mbps专用池在线时间的计算是本平台的核心部分。2Mbps专用池是一种总带宽为2Mbps的捆绑复用模式，同属于一个池的通信机，只要有一台在线就记为该池在线，只有当所有通信机都下线才记该池下线，该算法属于递归调用，具体计算过程如图2所示。
2．3平台的实现流程及内存分配Sever端程序首先备份、更名上一次使用的GAC记录文件、带宽更改记录文件，然后登录FTP服务器下载最新的GAC记录文件和带宽更改记录文件，再登录MySQLSever建立各数据库与母表，同时导入GAC记录文件和带宽更改表，建立通信机分立带宽更改表，选出本轮数据同步需要更新的GAC记录，根据需要进行掉线情况过滤并进行通信机分立上下线计算及2Mbps专用池上下线计算，最后编译时间戳记录文件LastUpdate．ini并断开MySQL连接。该段程序用于描述时间的数据类型time_t实际为_int64的64位整数，time_t变量初始化时必须调用time(0)赋值为当前时刻的“历史秒”，即从1970－01－0100:00:00到当前时刻历经的秒数。tm是一个结构体，包含若干计时单位的序数(年序数以1900年为0、月序数以1月为0、日序数以1日为1)，用于记述相对于从1900－01－0100:00:00到当前时刻历经的时间。计算两笔GAC记录时间差的方法是:从GAC记录中读出的时间字符串赋值给tm结构体变量，调用mktime()函数将两个GAC记录时间的tm结构体变量记述的时刻分别转化为time_t变量，再调用difftime()函数将两个time_t变量的差值计算出来。VC用于处理时间的数据类型丰富多样，选择适当的数据类型和处理函数可以事半功倍。MYSQL_RES和MYSQL_ROW是MYSQLAPI内置的数据类型。MYSQL_RES类型变量担负了SELECT存储语句查询结果的任务。MYSQL_RES类变量在使用完成后需调用mysql_free_result()进行内存回收，而在实际开发中，根据上下文不一定能判定一个MYSQL_RES类型变量初始化(或经上一次内存回收)后是否被使用过，而如对初始化后未经使用的MYSQL_RES类型变量进行内存回收，可能会引发错误导致程序异常退出。经权衡，决定在开发中放弃对MYSQL_RES类型变量回收内存的设计，牺牲一定的空间换取可靠性。MYSQL_ROW类型变量实际是二维指针，使用时要特别注意SE-LECT语句的查询结果究竟有多少列，如果越界访问使得该二维指针超出查询结果的列数，会导致程序异常退出。Client端可以查询数据库，选出在指定时段内归属欲结算项目的通信机列表，同时查询在指定时段内欲结算项目的有效租用合同，接着结合计时计费结果的框架将查询的上下线结果填入表格，并按带宽小计时长计入临时数据库表便可完成计时计费结果文件。最后让VisualC++程序控制Word自动化客户端生成用星确认表，这里要通过使用OLE－DB(ObjectLinkingandEmbeddingDatabase)技术，它提供了对包括对关系数据库和非关系数据库在内的所有文件的统一接口。自动化客户端可以理解为模拟人工进行的编辑操作，对编辑目标文档需要进行的操作序列，可逐条列出，然后分解成每一个键入(或点选，拖动)的操作，几乎每一个分解操作，都对应了自动化客户端程序的一行指令。自动化客户端的性能卓越，可以在一两秒内完成数十页含表文档的编辑工作。Office的自动化客户端编程中，最常遇到COleVariant和CComVariant两种数据类型:COleVariant类是对VARIANT结构的封装，当对象构造时首先调用VariantInit进行初始化，然后根据参数中的标准类型调用相应的构造函数，并使用VariantCopy进行转换赋值操作，当VARIANT对象不在有效范围时，它的析构函数就会被自动调用，由于析构函数调用了VariantClear，因而相应的内存就会被自动清除。CComVariant提供了很多构造函数来对VARI-ANT能够包含的多种类型进行处理。CComVariant没有提供针对VARIANT包含的各种类型的转换操作符，必须直接访问VARIANT的成员并且确保这个VARIANT变量保存着期望的类型。
2．4平台实现界面介绍根据如上所述对平台的设计思想和方法，利用MFC分别实现出了人机交互的Sever端和Client端，其界面如图3－4所示。Sever端除了选择系统类别、开始结束时间功能，主要还能实现清空数据库、开始同步数据及暂停、备份、还原等功能。Sever端正常都是在运行状态的，未遇故障时是不停运的。Client端中首先要输入用户信息、设备信息、项目信息及租用信息，利用“新建”和“删除”按钮可添加或删除这些信息。在界面的左边有搜索功能，只要输入设备信息、项目信息或租用信息的关键词就可在下面的列表框里显示出相关的信息。按钮“导入带宽信息”实际就是导入上文所说的带宽更改记录文件，导入成功后便可实现右下角的计时计费功能，把结果以Excel表格形式生成到指定路径下，还能同时生成Word版用星确认表。
1.用户的预感知相关技术。用户的预感知相关技术指的是将用户个人喜好和通信政策有机融合。不同的人有不同的喜好，在不同的基础上应合理考虑用户的个人喜好。在卫星的语音通信当中，用户保障基本语音业务就可以了。但是在综合应用领域，不但要将用户服务质量列入其中，还要对各种抗干扰因素综合考虑。在视频通信当中要把用户对于延迟等各种指标要求也一并纳入考虑范围之内，最终对用户需求予以满足。
2.环境的预感知相关技术。卫星通信环境当中雨雪等对部分频段信号有一定的干扰作用，中心站与远端站对当地雨雪等信息进行预感，基于雨雪特性与通信轨道估计感知的信息，各类信息集中于中心站，再经中心站分配到各处，给各个站点分配功率与宽带相关资源。当业务建链以后，经远端站把感知信息报上来，再对链路的特性做综合评估，同一时间对初始建链数据库进行修正，资源分配自主学习功能就此达成，对系统频谱相关资源的利用率会有很好的提升作用。
二、认知无线网络技术在卫星通信中未来的发展前景
最近几年时间，认知无线网络技术与多媒体相关技术可以说是在卫星通信中的应用展开了一个新局面。卫星无线网络关键的技术研究包含对无线卫星网络的体系结构的支持，对无线运行网络的层协议、互联网规定协议与传输层相关协议卫星链路要求的支持等等。卫星无线网络可以说是地面无线技术处于卫星通信相关领域当中的演变及应用，把它视作卫星分组相关业务与减少系统的复杂性一种努力，旨在将大流量的分组数据廉价提供给用户。伴随通信技术与认知无线网络技术不断发展前行，认知无线网络技术拓展开来是必然的，卫星通信对认知无线网络技术的运用也是预期的。在我们国家军方卫星通信系统当中引用认知无线网络技术并做以相关研究，是有历史性的意义的。
微波中继通信作为一种现代化通信手段，在城市之间、地区之间的大容量信息传输中发挥了十分重要的作用[3]。现阶段，微波中继通信线路主要在电视节目传输中应用，也是一种备用干线通信线路。随着现代化通信网络的快速发展，智能性、动态性、灵活性要求越来越高，传统模拟微波通信技术已经无法满足实际需求。尽管准同步数字体系（PDH）微波通信能够适应点对点的通信，但是却不能满足动态联网的通信需求，也无法对新业务开发与现代网络管理予以支持，导致通信效率较低。而同步数字体系（SDH）微波通信作为一种新型数字微波传输体制出现在人们眼前。虽然光纤传输网络在容量方面有着微波通信无法比拟的优势，但是无论是通信干线，还是支线，SDH微波通信网络依然是光线传输网络中不可或缺的保护方式与补充部分。
1.2SDH微波通信概述
SDH微波通信传输线路是由一条主干线与若干分支组成[4]。为了更好地和现有光纤传输网络予以融合，还需要对新型微波设备予以改进。不管是设备功能、体积，还是组网方式、技术性能，均要跟随通信技术的发展趋势，进行多层面的融合。其融合主要包括以下内容：一是技术融合：利用一个硬件平台融合PDH微波通信与SDH微波通信，在软件控制下实现空中接口，保证在硬件设备没有更新的情况下，实现空中接口容量的更改，只要通过软件操作就可以设置成功，极大地节约了硬件设备升级成本[5]。二是设备融合：将原有的室内单元（IDU）、数字配线架（DDF）、分插复用器（ADM）等功能予以融合，全部融入到IDU中。如图2所示，在此IDU中，不仅具有连接天馈线的中频接口，还有连接光纤传输设备的STM-N光纤接口，同时还可以直接开展FE、E1等业务，各个接口之间可以通过IDU的统一集成进行业务调度。如果重新组合IDU业务板件，还可以形成树型、星型、链型、环型等复杂网络结构。在微波系统退出网络之后，IDU依然能够继续充当光纤传输的MADM设备，展开相应的通信。在某种程度上而言，高度集成的IDU可以用新型交叉连接代替原来的转接电缆，为系统的调试与维护提供了很大的便利条件。
2新型微波通信的关键技术
2.1编码
自适应调制编码（AMC）在移动通信中得到了广泛应用，根据信道质量对编码速率予以调整，以此来获取较高的吞吐量。当无线通信速率比较低的时候，信道估计相对准确，AMC的应用效果较好。随着终端移动速度的不断加快，信道质量已经无法满足信道的变化，在信道测量错误的情况下，导致AMC调制编码方式和实际情况不相同，影响了系统容量、吞吐量等性能指标，值得相关人员进行深入研究。
2.2多天线技术
在微波中继通信系统中，分集接收得到了广泛应用，是对抗多径衰落以及增强数字微波传输质量的主要途径。在SDH微波通信系统中，因为多状态调制方式的运用，使得其对频率选择性衰落更加敏感，所以，为分集接收的普遍应用创造了有利条件。分集技术就是为了削弱多径衰落与降雨衰落的干扰，对不同的特性收信信号予以合成或者切换，从而得到良好信号的技术。在微波中继通信系统中，分集技术主要包括四种：路由分集、角度分集、空间分集、频率分集[7]。在移动通信中，MIMO技术得到了普遍应用，其是在发送端与接收端借助天线传输无线信号的一种技术，属于一种智能天线。MIMO技术主要就是将用户数据分解成若干并行数据流，在指定的宽带内由多个发射天线同时发射，经过无线信道之后，由多个接收天线予以接收，结合各并行数据流的空间特征，对原有数据流予以解调。MIMO技术的核心内容就是空时信号的处理，也就是借助空间天线对时间域、空间域信号进行处理。MIMO技术可以有效提高频谱利用率，在无线频带有限的条件下，获取更高的传输速率，达到预期的业务效果。
