卫星移动通信试验系统协议软件设计与实现

摘要

卫星通信技术具备通信距离远、覆盖范围大、频带宽、容量大等优点，而且不受台风海啸地震等自然灾害和人为战争的影响，广泛应用于救灾、军事、探险、偏远地区通信等场景。是实现人们能够在任何时间、任何地点与任何人相互通信目标的过程中必不可少的关键技术。本文研究卫星移动通信系统协议栈设计与实现，致力于设计一种可与地面移动通信系统兼容的卫星移动通信协议栈方案。
　　首先，本文对卫星移动通信技术进行了研究。重点关注卫星通信场景与地面通信场景的不同之处，并设计了卫星移动通信总体架构。同时关注卫星通信中协议栈与地面通信协议栈的不同之处，提出了适用于卫星移动通信场景的的协议栈设计。
　　其次，本文针对卫星传输过程中的长延时和卫星快速移动带来的TA快速变化的特点提出了随机接入的解决方案。解决方案分成物理层部分和协议层部分，在物理层，提出了基于极性扩展的随机接入前导序列结构用来适应卫星传输过程中的长延时，同时提出全新的根据下行跟踪TA调整策略来适应TA快速变化。在协议层，设计了适用于低轨卫星环境的随机接入响应的数据结构来应对长延时，同时为timeAlignmentTimer定时器的配置了合理的时间来适应TA快速变化场景。这些改造使得通信系统的随机接入能够适应卫星传输场景中长延时和TA快速变化的特性，同时最大程度保证了与地面系统的兼容性。
　　最后对包括协议栈在内的整个通信系统进行了实现。进行实现时采用了网上开源的软件无线电软硬件。硬件设备采用了usrpb210、三台计算机、e3372上网卡托和普通商用手机，软件采用了EURECOM推出的OpenAirInterface。首先对不同的计算机进行不同配置使其能够满足本文实现的要求，接下来在不同计算机分别安装了核心网软件和基站软件，安装完软件后修改了相应的配置和数据库参数使得插入自制sim卡的UE能够接入本文实现的基站和核心网，然后对本文实现的通信系统进行了性能的测评，测评结果是该通信系统传输速率比较高，且比较稳定，同时也找出了下一步需要改进的地方。

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本论文专用术语注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 地面蜂窝移动技术的发展

1．3 宽带卫星移动通信系统概述

1．4 论文内容安排

第二章 系统总体架构及协议栈设计

2．2 系统总体架构

2．3 协议栈设计

2．3．1 MAC层

2．3．2 RLC层

2．3．3 PDCP层

2．4 本章小结

第三章 随机接入设计方案

3．2．1 系统的参数设计

3．2．2 卫星信道简介

3．2．3 地面随机接入与前导序列

3．3 前导序列和随机接入响应的设计

3．3．1 前导序列设计

3．3．2 随机接入响应设计

3．4 TA下行跟踪及定时器的配置

3．4．1 下行跟踪调整TA方案

3．4．2 timeAlignmentTimer定时器配置

3．5 性能仿真

3．6 本章小结

第四章 协议栈的实现

4．2．1 软件无线硬件

4．2．2 软件无线电软件

4．3 OAI软件的安装和运行

4．3．1 OAI软件的内容

4．3．2 内核的配置

4．3．3 电源管理和CPU变频

4．3．4 域名的配置

4．3．5 安装核心网软件

4．3．6 安装基站软件

4．3．7 配置文件

4．3．8 修改数据库

4．3．9 制作sim卡

4．3．10 配置UE

4．3．11 运行

4．4 性能测试

4．4．1 不同配置性能比较

4．4．2 短距离信息传输速率测试

4．4．3 不同距离信息传输速率测试

4．5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．2 展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间撰写的论文和专利