多跳通信

這種技術的傳輸方式不是傳統(tǒng)意義下的基站和移動用戶間的直接通信，而是信源借助一個或多個固定的或移動的中繼節(jié)點來傳輸它的信息到目的節(jié)點(信宿)，它的主要特點是把傳統(tǒng)意義下的直接傳輸路徑分成多個短小的路徑來傳遞信源信息的。有關文獻研究表明，這種多跳傳輸與傳統(tǒng)單跳傳輸相比具有降低系統(tǒng)的發(fā)送功率、延伸覆蓋和提高系統(tǒng)的容量及吞吐量等特點。由于在無線傳播中路徑損耗正比于傳播距離2~4次方，多跳鏈路比單跳鏈路減少了發(fā)送功率，相應地降低了干擾，也潛在地增加了系統(tǒng)容量。它也可為處于死區(qū)或深衰落的用戶建立可靠的多跳通信鏈路，從而延伸覆蓋。多跳合作分集就是通過合作節(jié)點間的分集發(fā)送，在接收端實現(xiàn)分集增益以克服多徑衰落。多個用戶間相互合作可構成一個虛擬的分布式天線陣列，具有分布式MIMO的特性。多跳合作編碼是多跳技術和編碼的結合，也可實現(xiàn)分集增益以提高通信的可靠性。

這種網(wǎng)絡是多個網(wǎng)絡的融合，如蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)及PAN(個人區(qū)域網(wǎng))，旨在提供無處不在的高速數(shù)據(jù)覆蓋。它起源于最早的分組無線網(wǎng)絡，目前來說多指移動Ad Hoc 網(wǎng)絡或端到端網(wǎng)絡(peer-to-peer)等自組織網(wǎng)絡。

多跳中繼技術不是一種新技術，而已廣泛應用于衛(wèi)星中繼和微波中繼的通信系統(tǒng)中。在微波中繼通信中，由于電磁波的傳播為視距傳播，需要中繼站對前一站的信號進行放大或再生轉(zhuǎn)發(fā)到下一個中繼站。衛(wèi)星中繼是利用地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號，實現(xiàn)兩個或多個地面站的通信。而多跳中繼不同于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中直放站的中繼傳輸。直放站只能擴大服務范圍，消除覆蓋盲區(qū)，但不能增加系統(tǒng)容量。

1.在無中心網(wǎng)絡中的應用

多跳中繼在無線移動通信中的應用最初出現(xiàn)在無線分組網(wǎng)絡(Packet radio networks)中，這種網(wǎng)絡是由美國國防部遠景研究規(guī)劃局(DARPA)上世紀七十年代后期啟動的一個研究項目。它沒有固定基礎架構，移動節(jié)點通過中繼節(jié)點彼此通信，是一種自組織網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡的特點是可以快速組建、、便于遷移、抗毀性強、易于擴展。它主要應用于軍事領域，在戰(zhàn)場上提供通信。但是這種網(wǎng)絡存在節(jié)點隱藏和路由循環(huán)等問題。

隨后的應用是Ad Hoc網(wǎng)絡，而這種網(wǎng)絡的基本思想也是起源于無線分組網(wǎng)絡。Ad-hoe網(wǎng)絡在性能上已得到很大的改善和提高，如節(jié)點隱藏和路由循環(huán)等問題在路由算法中幾乎可以避免。根據(jù)節(jié)點是否移動，ad-hoc網(wǎng)絡可分為移動ad-hoc網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)絡。在移動ad-hoc網(wǎng)絡中，各個無線節(jié)點都可以自由移動。在傳感器網(wǎng)絡中，無線節(jié)點靜態(tài)地隨機分布于規(guī)定區(qū)域，傳感器負責收集區(qū)域內(nèi)的聲音、電磁信號或地震信號等多種信息，將它們發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點。通常所指的無線ad-hoc網(wǎng)絡大多是移動ad-hoc網(wǎng)絡。Ad.hoc網(wǎng)絡也是無基礎架構網(wǎng)絡，其應用和研究領域已經(jīng)面向商業(yè)應用，如緊急救護、救災、會議中心、旅游地點等許多特殊環(huán)境。通信網(wǎng)絡中的每個節(jié)點有對稱的功率和處理能力，網(wǎng)絡建立是自組織的，移動節(jié)點無基站系統(tǒng)的干預，直接與其距離在通信范圍內(nèi)的節(jié)點通信。若源節(jié)點與目的節(jié)點相距較遠。而不能直接通信時，需要經(jīng)過中間節(jié)點的多跳中繼，此時的中間節(jié)點即為中繼節(jié)點。目前WLAN和HiperLAN中的無中心自組織模式就是ad-hoe網(wǎng)的典型應用。

與其它傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡相比，Ad hoc網(wǎng)絡具有以下顯著特點。

無中心和自組織。

動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲。

多跳路由。

無線傳輸。

移動終端的便攜性。

安全性差。

2.在移動蜂窩

盡管多跳中繼技術在無中心控制的無線網(wǎng)絡中得以廣泛研究和應用，最近幾年，在蜂窩網(wǎng)中研究多跳中繼技術也己成為一個熱點，目前出現(xiàn)的有機會驅(qū)動多址接入網(wǎng)絡、多跳蜂窩網(wǎng)、混合無線網(wǎng)等多種研究和應用。

(1)機會驅(qū)動多址接入網(wǎng)絡(Opportunity Driven

Multiple Access，ODMA)

它不是真正的多址接入技術，而是一種旨在減少發(fā)送功率、克服死區(qū)及降低干擾分布的多跳中繼協(xié)議。它的基本思想是利用小區(qū)內(nèi)的其他移動臺把原來的單跳路徑分成多個短跳路徑來傳輸信號，利用基站和移動臺的智能計算實現(xiàn)最佳路由，使發(fā)送總功耗最小，而其目的是在小區(qū)中增加高數(shù)據(jù)速率覆蓋，增加TDD系統(tǒng)容量，為業(yè)務熱點提供分布式的網(wǎng)絡結構

(2)多跳蜂窩網(wǎng)(Multi-hop Cellular Network,MCN)

多跳蜂窩網(wǎng)是由[18J首次提出的~種無線通信網(wǎng)絡結構。他們結合了單跳蜂窩網(wǎng)有基站固定設旌的優(yōu)點和ad-hoc網(wǎng)絡的靈活性。這種網(wǎng)絡減少了基站的數(shù)目及移動臺和基站的發(fā)送范圍，也意味著小區(qū)內(nèi)多個分組可同時發(fā)送;在沒有基站時仍能建立和保持連接;由于基站的幫助可使跳數(shù)減少，路由比ad-hoe網(wǎng)中的更具魯棒性。但是在MCN中由于數(shù)據(jù)分組會造成多重發(fā)送，可能浪費更多的帶寬。

(3)混合無線岡(Hybrid Wireless Network,HWN)

HWN不同子上述的多跳蜂窩網(wǎng)，它是蜂窩網(wǎng)和ad.hoc網(wǎng)的一種融合，但保持了各自的獨立性，使移動用戶在不同的場合下工作在不同的網(wǎng)絡模式，即蜂窩模式和ad-hoe模式。這種混合網(wǎng)一般也要求中繼終端具有雙模式功能或兩種空中接口，中繼終端可以是移動的也可以是固定的。

隨著移動通信系統(tǒng)和移動INTERNET的發(fā)展，未來的移動通信將是一個無所不在的無線通信系統(tǒng)，提供無縫、不同QoS、高速率的無線多媒體業(yè)務，但高速傳輸與覆蓋的矛盾是未來通信中企待解決的問題。雖然被未來通信青睞的OFDM、MIMO和智能天線等技術解決了高速傳輸和頻譜效率，但它們不能改善高速傳輸與覆蓋的矛盾。最近幾年出現(xiàn)的多跳中繼技術可能是一個比較理想的解決方案之一。

多跳技術在傳統(tǒng)意義上講僅僅是中繼轉(zhuǎn)發(fā)，即參與中繼的各終端沒有協(xié)議上的控制，如微波中繼和衛(wèi)星中繼;而從發(fā)展意義上說它是一種合作中繼技術，及參與中繼活動的終端有一種協(xié)議上支配，如Ad Hoc網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點，它必須遵循一定的路由協(xié)議才能進行接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息。

工作軌道

按照工作軌道區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般分為以下3類:

2.1.1、低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)(LEO):

距地面500-2000Km，傳輸時延和功耗都比較小，但每顆星的覆蓋范圍也比較小，典型系統(tǒng)有Motorola的銥星系統(tǒng)。低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于衛(wèi)星軌道低，信號傳播時延短，所以可支持多跳通信;其鏈路損耗小，可以降低對衛(wèi)星和用戶終端的要求，可以采用微型/小型衛(wèi)星和手持用戶終端。但是低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)也為這些優(yōu)勢付出了較大的代價:由于軌道低，每顆衛(wèi)星所能覆蓋的范圍比較小，要構成全球系統(tǒng)需要數(shù)十顆衛(wèi)星，如銥星系統(tǒng)有66顆衛(wèi)星、Globalstar有48顆衛(wèi)星、Teledisc有288顆衛(wèi)星。同時，由于低軌道衛(wèi)星的運動速度快，對于單一用戶來說，衛(wèi)星從地平線升起到再次落到地平線以下的時間較短，所以衛(wèi)星間或載波間切換頻繁。因此，低軌系統(tǒng)的系統(tǒng)構成和控制復雜、技術風險大、建設成本也相對較高。

2.1.2、中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)(MEO):

距地面2000-20000Km，傳輸時延要大于低軌道衛(wèi)星，但覆蓋范圍也更大，典型系統(tǒng)是國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)。中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以說是同步衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的折衷，中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)兼有這兩種方案的優(yōu)點，同時又在一定程度上克服了這兩種方案的不足之處。中軌道衛(wèi)星的鏈路損耗和傳播時延都比較小，仍然可采用簡單的小型衛(wèi)星。如果中軌道和低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)均采用星際鏈路，當用戶進行遠距離通信時，中軌道系統(tǒng)信息通過衛(wèi)星星際鏈路子網(wǎng)的時延將比低軌道系統(tǒng)低。而且由于其軌道比低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)高許多，每顆衛(wèi)星所能覆蓋的范圍比低軌道系統(tǒng)大得多，當軌道高度為l0000Km時，每顆衛(wèi)星可以覆蓋地球表面的23.5%，因而只要幾顆衛(wèi)星就可以覆蓋全球。若有十幾顆衛(wèi)星就可以提供對全球大部分地區(qū)的雙重覆蓋，這樣可以利用分集接收來提高系統(tǒng)的可靠性，同時系統(tǒng)投資要低于低軌道系統(tǒng)。因此，從一定意義上說，中軌道系統(tǒng)可能是建立全球或區(qū)域性衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)較為優(yōu)越的方案。當然，如果需要為地面終端提供寬帶業(yè)務，中軌道系統(tǒng)將存在一定困難，而利用低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)作為高速的多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能要優(yōu)于中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.1.3、高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)(GEO):

距地面35800km，即同步靜止軌道。理論上，用三顆高軌道衛(wèi)星即可以實現(xiàn)全球覆蓋。傳統(tǒng)的同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術最為成熟，自從同步衛(wèi)星被用于通信業(yè)務以來，用同步衛(wèi)星來建立全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成為了建立衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)模式。但是，同步衛(wèi)星有一個不可克服的障礙，就是較長的傳播時延和較大的鏈路損耗，嚴重影響到它在某些通信領域的應用，特別是在衛(wèi)星移動通信方面的應用。首先，同步衛(wèi)星軌道高，鏈路損耗大，對用戶終端接收機性能要求較高。這種系統(tǒng)難于支持手持機直接通過衛(wèi)星進行通信，或者需要采用l2m以上的星載天線(L波段)，這就對衛(wèi)星星載通信有效載荷提出了較高的要求，不利于小衛(wèi)星技術在移動通信中的使用。其次，由于鏈路距離長，傳播延時大，單跳的傳播時延就會達到數(shù)百毫秒，加上語音編碼器等的處理時間則單跳時延將進一步增加，當移動用戶通過衛(wèi)星進行雙跳通信時，時延甚至將達到秒級，這是用戶、特別是話音通信用戶所難以忍受的。為了避免這種雙跳通信就必須采用星上處理使得衛(wèi)星具有交換功能，但這必將增加衛(wèi)星的復雜度，不但增加系統(tǒng)成本，也有一定的技術風險。

目前，同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要用于VSAT系統(tǒng)、電視信號轉(zhuǎn)發(fā)等，較少用于個人通信。

通信范圍

按照通信范圍區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為國際通信衛(wèi)星、區(qū)域性通信衛(wèi)星、國內(nèi)通信衛(wèi)星。

用途區(qū)分

按照用途區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為綜合業(yè)務通信衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星、海事通信衛(wèi)星、電視直播衛(wèi)星等。

轉(zhuǎn)發(fā)能力

按照轉(zhuǎn)發(fā)能力區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為無星上處理能力衛(wèi)星、有星上處理能力衛(wèi)星。