寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)RSM－A空中接口設計（二）

秦長路 馮少棟 項海濤

引 言

作為衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向,寬帶衛(wèi)星通信日益受到人們的重視,2004年起,歐洲標準化組織ETSI相繼出臺了一系列寬帶衛(wèi)星通信的標準,為寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計提供指導與參考。其中基于星上再生處理的網狀衛(wèi)星系統(tǒng)(Regenerative Satellite Mesh RSM-A)采用星上再生式處理轉發(fā)技術,可實現(xiàn)網內用戶終端之間的單跳通信,目前已在休斯公司研制的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)Spaceway3上成功應用。

上行鏈路設計

1. 上行鏈路載波模式設計

RSM-A系統(tǒng)工作在Ka頻段,其中上行鏈路為29.50GHz到30.00GHz,下行鏈路為19.70GHz到20.20GHz。500MHz的上行帶寬基于兩種極化方式劃分為16個子帶,每一子帶帶寬為62.5MHz。如圖 1所示。每個子帶寬根據不同的載波模式可采用不同的配置方式:

● 128 kbps可靠模式及 512 kbps載波模式:在這種模式下,可將一個子帶劃分為96個帶寬為 Hz的載波。96個載波按照頻率由低到高依次標記為0,1,2…95。

● 2Mbps載波模式:在這種模式下,可將一個子帶劃分為24個帶寬為 Hz的載波,24個載波按照頻率由低到高依次標記為0,4,8…92。

● 16Mbps載波模式:在這種模式下,可將一個子帶劃分為3個帶寬為 Hz的載波,3個載波按照頻率由低到高依次標記為0,32,64。

用戶終端應能夠在所支持的載波模式的任意中心頻率進行發(fā)送。

載波中心頻率相對子帶起始頻率的偏移=

N=96,24,3表示載波數目。

P=載波標號=0-95(512Kbps模式);0,4,8…92(2Mbps模式);0,32,64(16Mbps模式)

發(fā)端用戶終端載波(在運行波段范圍內)切換完成時間通常少于3ms,可以使誤差達到30Hz以內。

2. 幀結構設計

上行鏈路有四種速率的載波模式(128 kbps, 512 kbps, 2 Mbps 及16 Mbps),幀長均為96ms,如圖 2所示,每一載波幀分為空載時間及固定數目用于數據傳輸的時隙,根據載波模式不同相對應的幀結構有兩種:

(1)第一種載波幀由32個標準時隙(SS—Standard Slot),適用于16 Mbps, 2 Mbps 及 512 kbps速率的載波

(2)第二種載波幀由8個長時隙(LS—Long Slot)構成,適用于128kbps速率的載波模式。用戶終端在空載時間內不發(fā)送任何數據,主要用于上行幀的同步,其長度配置如下:

3.時隙結構設計

如前所述,當載波速率為16Mbps/2Mbps/512kbps時,上行鏈路幀由32個標準時隙組成,當載波速率為128kbps時,上行鏈路幀由8個長時隙組成。從圖 3中可以看出,不同模式的載波幀,時隙中填充的數據包個數不同。

在RSM-A系統(tǒng)中,標準時隙和長時隙不能在一個上行鏈路幀中混合使用,所有在一個上行鏈路幀當中的時隙都應采用相同的配置。

第Nslot個時隙起始時間與該幀起始時間的相對值遵循如下關系:

Slot(Nslot)start=Tdead time +tslot×Nslot

其中Tdead time是空載時間的時長,tslot 是時隙長度,Nslot是時隙號碼,在RSM-A系統(tǒng)中時隙號碼為0-31(標準時隙)或0-7(長時隙)。

4. 突發(fā)結構設計

突發(fā)成形過程如圖 4所示,每一個上行鏈路MAC數據包都是由兩個從MAC層接收的RSM-A分組加一個接入控制域組成。RSM-A分組的信息部分被加擾,接著進行兩次FEC編碼(內碼及外碼),若干碼塊(碼塊的個數取決于載波的速率)封裝成一個TDMA突發(fā)。

5. 加擾與封裝

一個RSM-A分組有108個字節(jié),其中包括8字節(jié)的分組頭及100字節(jié)的信息位。除了送往星上處理器的分組之外,其它分組的信息部分在傳輸之前需要經過加擾。分組頭不需要進行加擾。加擾基于每個分組完成,如圖 5所示,兩個RSM-A分組加上4個字節(jié)的接入控制域(ACF)構成一個未編碼的上行MAC數據包。

6. 編碼

上行MAC數據包的編碼采用級聯(lián)碼方式,分為外部編碼和內部編碼兩個步驟,其中:

● 外碼采用RS(244,220)編碼

● 內碼采用(12,8)漢明碼

編碼后數據塊的大小為366字節(jié)。

7.突發(fā)成形

基于MF-TDMA體制之下中,系統(tǒng)可以根據每個小區(qū)的業(yè)務需求配置FDMA-TDMA載波,可以使得用戶數據信息傳輸速率在128 kbps 、512kbps、2Mbps、16 Mbps之間進行靈活選擇。對于每一個FDMA載波,可基于TDMA以時隙方式進一步進行分配,這些時隙可以以隨機爭用的方式(即所有終端都可以自由接入),也可以以預約方式(即分配給指定用戶終端,其它終端不能占用)進行分配。

一個時隙中通常包含一個TDMA突發(fā),突發(fā)前后均有一個保護時間及功率漸變時間,如圖 6所示,突發(fā)的最后還有一段時隙對齊時間。保護時間是用來防止相鄰時隙之間產生的干擾。功率漸變時間用于上行載波的開啟與關閉。時隙對齊時間用于保證不同載波速率下(512kbps,2Mbps,16Mbps)的時隙有相等的長度,且128kbps速率載波的長時隙四倍于其他的時隙,時隙對齊時間內不傳送任何數據。

不同載波模式下,突發(fā)保護時間、功率漸變時間、時隙對齊時間配置如下:

TDMA突發(fā)包含一個用于同步的獨特字(見圖 6),其后是數據凈荷。用戶終端根據所處的上行鏈路小區(qū)在TDMA突發(fā)起始發(fā)送獨特字用于同步。用戶終端應有能夠使用30種不同的獨特字。根據載波速率不同,獨特字長度配置如下:

為了避免不同上行小區(qū)之間的干擾,終端在不同的小區(qū)采用不同的獨特字,由于RSM-A系統(tǒng)采用7色復用,因此有7組獨特字可供選擇。另外,載波速率不同,獨特字長度也不同,具體定義見表 7。

獨特字后面為承載數據凈荷的數據包,載波速率不同,一個時隙所包含的數據包數目也不同。在RSM-A系統(tǒng)中128kbps,512kbps,2Mbps,16Mbps四種載波所包含的數據包個數分別為1,1,4,32。不同速率載波數據包配置見表 8。

8. 調制

上行鏈路采用OQPSK調制(偏移四相移頻鍵控調制),調制速率由載波模式決定。

9. 上行鏈路功率控制

上行鏈路功率控制(UPLC)的目的:

● 晴朗天空條件下,減小信噪比較理想的鏈路信號對信噪比較弱的鏈路信號的干擾

● 在干擾及大氣影響下,確保留有足夠的余量,將上行鏈路分組丟失率和功率控制誤差控制在一定范圍內。

● 補償由于終端射頻不理想而導致的功率與頻率相對關系的變化。

上行鏈路功率控制是以雙控制環(huán)的方式由衛(wèi)星與終端共同來完成,一方面終端根據本地下行鏈路導頻功率檢測,另一方面通過來自衛(wèi)星的反饋信息,通過這兩方面來綜合進行發(fā)射功率的調整。

結束語

RSM-A系統(tǒng)上行鏈路采用MF-TDMA體制,有四種速率可選,不同速率的突發(fā)結構各不相同,通過不同的突發(fā)結構,使整個系統(tǒng)達到良好的同步性能。

參考文獻

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[6] ETSI TS 102 188-6: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

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[9] ETSI TS 102 189-2: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Regenerative Satellite Mesh - A (RSM-A) air interface; MAC/SLC layer specification; Part 2: MAC layer".

[10] ETSI EN 301 459 (V1.2.1): "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Harmonized EN for Satellite Interactive Terminals (SIT) and Satellite User Terminals (SUT) transmitting towards satellites in geostationary orbit in the 29,5 to 30,0 GHz frequency bands covering essential requirements under article 3.2 of the R&TTE; Directive".