先進(jìn)寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)體制研究與關(guān)鍵技術(shù)仿真

+

呂強(qiáng) 李峰 王敏 劉亙瑋 閆鍵峰

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部

先進(jìn)寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)體制研究與關(guān)鍵技術(shù)仿真

+

呂強(qiáng) 李峰 王敏 劉亙瑋 閆鍵峰

中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部

面對(duì)我國民用寬帶衛(wèi)星市場的巨大發(fā)展?jié)摿σ约皣H商用寬帶衛(wèi)星市場的迫切需求，發(fā)展我國自主研發(fā)的大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)變得尤為重要。本文主要研究美國衛(wèi)訊公司先進(jìn)的SurfBeam2通信系統(tǒng)體制的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)該體制涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，重點(diǎn)針對(duì)物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究仿真，同時(shí)，提出改進(jìn)的載波頻偏估計(jì)方法。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制傳統(tǒng)頻偏估計(jì)后的殘留頻偏的波動(dòng)，提高估計(jì)精度，在同等信噪比環(huán)境下能取得更好的誤碼性能。本文研究成果可以為我國大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和體制制定提供參考。

寬帶 衛(wèi)星 體制 仿真

1 前言

隨著地面網(wǎng)絡(luò)的高速建設(shè)，人們?cè)絹碓礁惺艿礁咚賹拵ㄐ艑?duì)生活、工作所帶來的方便快捷。但是受到地理?xiàng)l件限制和在某些場合下，地面網(wǎng)絡(luò)無法到達(dá)，使得衛(wèi)星通信成為一種必不可少的通信手段。寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)為多媒體和高數(shù)據(jù)速率Internet應(yīng)用提供一種無所不在的接入方式。為適應(yīng)用戶對(duì)于高質(zhì)量寬帶接入和各種互動(dòng)式多媒體服務(wù)等寬帶衛(wèi)星通信的迫切需求，世界各國都將寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施的重點(diǎn)發(fā)展方向，致力于建設(shè)一個(gè)天地一體化的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)體系。尤其是美國衛(wèi)訊公司推出的新一代寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)——SurfBeam2，代表了國際寬帶衛(wèi)星通信體制的先進(jìn)水平，具有易擴(kuò)展、大容量、支持網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)SurfBeam2系統(tǒng)的研究與應(yīng)用對(duì)于提升寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量、擴(kuò)展服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及降低系統(tǒng)運(yùn)營成本具有重要意義，可為我國大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和體制制定提供參考。

2 寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)通信體制研究

通信體制技術(shù)研究是寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的核心問題。在確定了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)后，必須明確系統(tǒng)采取的通信體制，確定系統(tǒng)內(nèi)各部分之間、各部分內(nèi)部所采用的信號(hào)和信息形式，確定系統(tǒng)信道接入策略、資源分配方案及使用的傳輸協(xié)議。針對(duì)這些問題，要求從信號(hào)傳輸技術(shù)方案、無線鏈路層技術(shù)方案、傳輸協(xié)議、網(wǎng)管通信機(jī)制、同步技術(shù)方案等方面對(duì)系統(tǒng)的通信體制進(jìn)行詳細(xì)的研究。世界各國廠家制定的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)體制及其應(yīng)用情況不盡相同，具體如下表所示：

由上表可以看出，主要可歸納為OFDM-TDM/MF-TDMA系統(tǒng)，DVB-S2 /DVB -RCS系統(tǒng)，IPoS系統(tǒng)，SurfBeam2系統(tǒng)，IP over ATM系統(tǒng)等，其中，SurfBeam2體制是為世界上總?cè)萘孔畲蟮娜w衛(wèi)星（ViaSat衛(wèi)星、Ka-Sat衛(wèi)星和Yahsat-1B衛(wèi)星）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體制，目前SurfBeam系統(tǒng)已經(jīng)有數(shù)以十萬計(jì)的用戶數(shù)。本文重點(diǎn)對(duì)該體制進(jìn)行研究。

表1 各廠家VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用情況

2.1 SurfBeam2體制研究

SurfBeam2融合了下一代4G無線系統(tǒng)的技術(shù)。這里有包含鑒權(quán)、授權(quán)及計(jì)費(fèi)功能的用戶管理標(biāo)準(zhǔn)和MAC層的WIMAX技術(shù)。使用公開標(biāo)準(zhǔn)的好處是可采用已有產(chǎn)品來發(fā)揮操作支持系統(tǒng)（OSS）和業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)（BSS）的作用。系統(tǒng)整合的OSS/BSS提供無縫覆蓋、業(yè)務(wù)管理、用戶管理、網(wǎng)絡(luò)管理和故障標(biāo)簽和記賬等功能。即SurfBeam2系統(tǒng)可以提供從物理層到應(yīng)用層的全部定義。如下圖所示：

圖 1 SurfBeam2體制協(xié)議示意

圖 2 SurfBeam2系統(tǒng)框圖

SurfBeam2的地面系統(tǒng)包括用戶終端（UT： User Terminal）、信關(guān)站和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心（NOC：Network Operation Center）。

（1）用戶終端

用戶終端包括室外單元和室內(nèi)單元。其中，室外單元與DTH(衛(wèi)星直播到戶)的電視接收天線類似，只是增加了信號(hào)發(fā)射功能，主要包括天線反射面，饋源，發(fā)射和接收部件，以及用于固定在家庭、辦公室或公司的底座套件。通常家庭用室外天線尺寸為75cm，商業(yè)用天線尺寸為98cm或更大；室內(nèi)單元如下圖所示，尺寸約為23 X23 X3.8 cm，其功能和大小都與普通的ADSL或有線電視的調(diào)制解調(diào)器差不多，它為計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)提供了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，室內(nèi)單元可以豎直或水平放置在用戶的辦公桌上。室內(nèi)單元與室外單元之間通過兩根中頻電纜相連。

（2）信關(guān)站

信關(guān)站由射頻子系統(tǒng)、中頻子系統(tǒng)、基帶子系統(tǒng)和信關(guān)站管理系統(tǒng)組成。射頻天線的典型尺寸為7.3m，接收機(jī)盡量靠近天線饋源，以減少差損；饋源采用了波紋圓錐喇叭，可提供較好的天線增益和旁瓣性能。

圖 3 SurfBeam用戶終端室內(nèi)單元和室外單元

圖 4 SMTS-1200信關(guān)站

中頻子系統(tǒng)主要完成信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，中頻處理設(shè)備SMTS-1200（Satellite Modem Termination System）如下圖所示，基于成熟的有線電視網(wǎng)絡(luò)調(diào)制解調(diào)傳輸系統(tǒng)(CMTS)，采用電信運(yùn)營級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)制造，每個(gè)SMTS每秒可以路由高達(dá)42億個(gè)數(shù)據(jù)包并為每個(gè)衛(wèi)星接口單元管理1.6萬個(gè)并發(fā)連接。

基帶處理設(shè)備主要完成調(diào)度、協(xié)議處理，QoS保障，TCP/HTTP加速、網(wǎng)絡(luò)路由等功能。為了在信關(guān)站和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心NOC之間的連接被破壞時(shí)，仍能向用戶提供無間斷的服務(wù)，每個(gè)信關(guān)站都有自己的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)本地的設(shè)備配置、服務(wù)保障、IP地址分配、故障診斷、維護(hù)和存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行記錄，并周期性發(fā)送給NOC的主數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行信息更新。

（3）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心

在地理位置上，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心NOC可以與信關(guān)站同址，也可以與信關(guān)站分開。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心包括用戶數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS：Network Management System）、單元管理系統(tǒng)（EMS：Element Management System）、運(yùn)營支撐系統(tǒng)（OSS：Operations Support System）和業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（BSS：Business Support System），如下圖所示。

圖 5 SurfBeam2分層管理系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）可為運(yùn)營商提供完善的“交鑰匙”服務(wù)，運(yùn)營商可以通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)集中控制和監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)方面，通過與前/后臺(tái)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)管理、配置管理、計(jì)費(fèi)管理、性能管理和安全管理等多種管理功能。運(yùn)營及商務(wù)支撐系統(tǒng)（OSS/BSS）可通過一系列有效的工具開展高效的客戶服務(wù)和管理，這些工具包括分銷商、客戶入口，客戶服務(wù)管理，計(jì)費(fèi)，各種報(bào)表生成，計(jì)費(fèi)及客戶數(shù)據(jù)庫等，將運(yùn)營商、分銷商和客戶等不同層次分開，實(shí)現(xiàn)分層管理。運(yùn)營及商務(wù)支撐系統(tǒng)（OSS/BSS）可采用第三方的產(chǎn)品。

2.2 SurfBeam2關(guān)鍵技術(shù)

以下是基于Surfbeam2技術(shù)體制梳理出的系統(tǒng)級(jí)關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究、方案比較和算法仿真驗(yàn)證，最終形成適合于我國寬帶通信系統(tǒng)的先進(jìn)通信體制標(biāo)準(zhǔn)，為我國衛(wèi)星寬帶接入產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1)衛(wèi)星鏈路自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)

Ka頻段由降雨引起的電波衰減非常大，特別是大雨、暴雨引起的雨衰將嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。傳統(tǒng)的固定速率系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過留余量的形式來保證鏈路狀況最差的終端能夠接收到信號(hào)。而衛(wèi)星鏈路自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)可以根據(jù)衛(wèi)星鏈路狀況實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)參數(shù)，可有效提高信道的可靠性和提升系統(tǒng)抗雨衰性能。該技術(shù)主要包括衛(wèi)星鏈路前向自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、衛(wèi)星鏈路反向功率自動(dòng)控制和動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)。

2)運(yùn)營支持管理實(shí)現(xiàn)技術(shù)

圖 6 前向鏈路ACM體制示意圖

圖 7反向鏈路靈活的信號(hào)傳輸能力以適應(yīng)廣泛的業(yè)務(wù)需求

基于已有的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，以WiMAX、3G等地面通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理方式為參考，融合AAA（認(rèn)證、授權(quán)及計(jì)費(fèi)）等開放的網(wǎng)絡(luò)管理工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)OSS和BSS的集成，從而突破大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)集成管理和支持技術(shù)，為Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的管理和運(yùn)營提供有效的手段。

3）超大規(guī)模網(wǎng)元管理技術(shù)

Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中根據(jù)波束覆蓋情況需要設(shè)置多個(gè)地面信關(guān)站，按照每個(gè)信關(guān)站管理十萬多個(gè)終端站的規(guī)模計(jì)算，系統(tǒng)內(nèi)被管網(wǎng)元的數(shù)量達(dá)到數(shù)百十萬個(gè)，屬于超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。如何對(duì)如此大規(guī)模的網(wǎng)元進(jìn)行管理控制和狀態(tài)監(jiān)視，并且保證針對(duì)各個(gè)網(wǎng)元管理信息上報(bào)的實(shí)時(shí)性，是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理需要重點(diǎn)解決的問題。針對(duì)此問題需要研究一套超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理策略。

3 物理層關(guān)鍵技術(shù)仿真

物理層是衡量不同體制的通信系統(tǒng)性能的主要方面之一。終端與信關(guān)站間的單純物理鏈路采用何種信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能，并且對(duì)其他層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)也有很大的影響。本章節(jié)主要根據(jù)SurfBeam2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，針對(duì)物理層信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)，主要是編碼調(diào)制技術(shù)和載波同步技術(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)將迭代的思想應(yīng)用于載波同步算法中，并給出了仿真結(jié)果。

3.1 編碼調(diào)制技術(shù)仿真

SurfBeam2系統(tǒng)的前向鏈路采用的是LDPC編碼方式，本文針對(duì)LDPC碼的編碼調(diào)制技術(shù)展開研究。信源經(jīng)過LDPC2/3碼率編碼后，進(jìn)行8PSK調(diào)制Gray映射，通過AWGN信道傳輸后，再進(jìn)行解調(diào)和譯碼，得到信源信息。下面分別從LDPC碼的迭代次數(shù)、幀長等方面，研究其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖 8迭代次數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖圖 9幀長對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖 10 本文頻偏估計(jì)算法原理框圖

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)BER性能隨著迭代次數(shù)的增加而顯著改善。但是當(dāng)?shù)g碼達(dá)到一定次數(shù)之后，繼續(xù)增加迭代，系統(tǒng)BER性能變化不大。由于LDPC碼的低密度性和隨機(jī)性，一個(gè)調(diào)制符號(hào)中的各個(gè)比特可以認(rèn)為是經(jīng)過理想交織的，因此，隨著幀長的增加，交織的更加充分，比特之間更加獨(dú)立，從而提高了系統(tǒng)BER性能。

3.2 頻率同步算法改進(jìn)

傳統(tǒng)的頻偏估計(jì)方法是與譯碼相獨(dú)立的，即數(shù)據(jù)在譯碼前端進(jìn)行頻偏估計(jì)和補(bǔ)償后就進(jìn)入解調(diào)譯碼。由于傳統(tǒng)頻偏方法的頻偏估計(jì)精度有限，波動(dòng)過大的殘留頻偏會(huì)導(dǎo)致譯碼性能下降。本文在傳統(tǒng)頻偏估計(jì)方法的基礎(chǔ)上，首先在解調(diào)前端進(jìn)行初始頻偏估計(jì)，然后利用譯碼信息對(duì)其殘留頻偏進(jìn)行進(jìn)一步估計(jì)和補(bǔ)償，從而有效抑制傳統(tǒng)頻偏估計(jì)后的殘留頻偏的波動(dòng)，提高系統(tǒng)性能。本文方法的系統(tǒng)原理框圖如所示：

圖 11 仿真系統(tǒng)原理框圖

圖12 13dB下傳統(tǒng)方法估計(jì)誤差

圖13 13dB下本文方法估計(jì)誤差

為了說明本文頻偏估計(jì)算法的有效性，采用前文所述的仿真條件進(jìn)行仿真，即基于LDPC編碼、8PSK調(diào)制，AWGN信道，并與傳統(tǒng)方法（未對(duì)殘留頻偏進(jìn)行估計(jì)）性能進(jìn)行比較。下圖為仿真系統(tǒng)原理框圖：

圖12和圖13分別為在信噪比為13dB，頻偏為20Hz時(shí)，利用傳統(tǒng)的Kay方法和本文方法進(jìn)行頻偏估計(jì)誤差。可以看出，傳統(tǒng)方法進(jìn)行頻偏估計(jì)后的殘留頻偏的波動(dòng)很劇烈，而經(jīng)過本文方法進(jìn)行頻偏估計(jì)后，有效地抑制了殘留頻偏的波動(dòng)，將頻偏波動(dòng)控制在了很小的范圍。圖14為采用相同編碼調(diào)制方式時(shí)，應(yīng)用傳統(tǒng)Kay方法和本文方法進(jìn)行頻率校正后的系統(tǒng)BER性能比較?？梢钥闯?，本文方法較傳統(tǒng)方法都有較大提高。在BER為10-4時(shí)，較傳統(tǒng)方法提高約2dB。

圖14 本文方法與傳統(tǒng)方法誤比特率比較

4 結(jié)論和建議

本文研究了國外寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)體制的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)SurfBeam2體制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。梳理了SurfBeam2系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：衛(wèi)星鏈路自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)、運(yùn)營支持管理實(shí)現(xiàn)技術(shù)、超大規(guī)模網(wǎng)元管理技術(shù)等，并對(duì)物理層編碼調(diào)制算法進(jìn)行仿真，同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)有載波頻偏估計(jì)算法的不足提出了改進(jìn)，仿真結(jié)果表明了改進(jìn)算法的有效性，這些研究成果可為我國大容量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和體制制定提供參考。寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)體制標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)我國寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后續(xù)規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有非常重要的意義，應(yīng)盡早開展制定我國自主的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

[1]呂強(qiáng)等，寬帶衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展研究，第九屆衛(wèi)星電視國際研討會(huì)，2011.10

[2]呂強(qiáng)等，國外寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展分析，國際太空，2011.5 [3]ViaSat. SurfBeam2 System Description. Document 1108751.

[4]Mackay D J C. Good error-correcting codes based on very sparse matrices[J]. IEEE Trans. On Information Theory, 1999, 45(2):399-432.

[5]FITZ M P. Planar filtered techniques for burst mode carrier synchronization[C]//Proc. Conf. Rec. GLOBECOM91. Phoenix:[s.n.], 1991(12):2-5.

[6]LUISE M, REGGIANNINI R. Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions[J]. IEEE Transactions on Communications, 1995,43(2):1169-1178