基于頻帶共享的衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究

楊明文

(國家新聞出版廣電總局北京地球站,北京　102206)

基于頻帶共享的衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究

楊明文

(國家新聞出版廣電總局北京地球站,北京102206)

筆者在文中就如何提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)于頻帶信號(hào)的利用率進(jìn)行了探討,認(rèn)為基于頻帶共享技術(shù)的通信系統(tǒng)是不二之選,筆者提出的具體方案是雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶技術(shù),具體來說,小站和各個(gè)中心站之間的接入方式采用的是FDMA,中心站與小站之間的前向鏈路采用的廣播方式是TDM,這兩種技術(shù)的使用對(duì)提高頻率的利用率意義重大,然后對(duì)此項(xiàng)技術(shù)在衛(wèi)星通信應(yīng)用中的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了探討。

頻帶共享衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

從對(duì)目前國內(nèi)外衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析來看，在業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用的主要是DVB-S系統(tǒng)，他有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)即系統(tǒng)中存在一個(gè)前向廣播載波的同時(shí)還有很多相對(duì)較小的雙向或反向的FDMA載波，這些載波在傳統(tǒng)的應(yīng)用模式中往往是彼此獨(dú)立，互相沒有交集的，意即每一個(gè)載波獨(dú)自占用一段頻率區(qū)間，相鄰載波之間還需要留有安全間隙才能保證系統(tǒng)的正常工作，為了最大限度地提高系統(tǒng)頻率的利用率，我們可以考慮基于頻帶共享技術(shù)來完成衛(wèi)星通信傳輸。

1　基于頻帶共享的衛(wèi)星通信技術(shù)系統(tǒng)概況

基于頻帶共享的衛(wèi)星通信技術(shù)系統(tǒng)是一種通過頻帶重疊實(shí)現(xiàn)頻帶共享的技術(shù)，對(duì)于頻率資源的利用率可以提高一倍以上，基本工作原理是將一對(duì)用戶的雙向鏈路信號(hào)的頻譜區(qū)域加以重疊，然后公用一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行信號(hào)的傳輸，其主要模式是非對(duì)稱模式和對(duì)稱模式兩種，在非對(duì)稱狀態(tài)下，主站和用戶站之間形成一個(gè)星狀的網(wǎng)絡(luò)，反向鏈路和前向鏈路的信號(hào)會(huì)在頻域內(nèi)發(fā)生重疊，兩者同用轉(zhuǎn)發(fā)器中的同一頻帶，在對(duì)稱狀態(tài)下，主站和用戶站之間信號(hào)發(fā)射頻率基本相互符合，每個(gè)用戶的獨(dú)立的頻帶構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。

圖1　基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2　單級(jí)串行干擾抵消器的構(gòu)造原理圖

對(duì)于基于頻帶共享的衛(wèi)星通信技術(shù)系統(tǒng)來說，最大限度的減小甚至消除主站和用戶站之間的信號(hào)干擾是其中比較關(guān)鍵性的技術(shù)要求，為了達(dá)到此目的，信號(hào)接收端重新估計(jì)和重構(gòu)經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)器有反饋給自己的由接收端本身發(fā)出去的信號(hào)，并將這一部分信號(hào)從所有的接收信號(hào)中剔除出去，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)接受的信號(hào)的優(yōu)化，提高系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的接收心性，通過這樣的方法，不僅可以降低對(duì)鏈路傳輸系統(tǒng)性能的影響還能使通信系統(tǒng)對(duì)頻帶的利用率得到大幅度的提升。

在雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶系統(tǒng)中，由各個(gè)小站發(fā)送的FDMA載波信號(hào)以及有中心站發(fā)射的TDM載波信號(hào)共用一個(gè)頻帶完成信號(hào)的傳輸，地球上的信號(hào)接收端接到的TDM載波信號(hào)的波譜密度比FDMA信號(hào)的功率譜密度要高出很多，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比較，頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢，比如由于FDMA和TDA載波通過共同的頻帶進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶的節(jié)約;在一定程度上對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)的抗截獲能力予以優(yōu)化，在頻帶共享系統(tǒng)中，地球上的信號(hào)接收端接到的TDM載波信號(hào)的波譜密度比FDMA信號(hào)的功率譜密度要高出很多。這樣的話，可以認(rèn)為是TDM載波將FDMA載波進(jìn)行了隱藏，使得FDMA信號(hào)受到干擾的可能性大大降低。不過不可否認(rèn)的是，相較于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)，基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸性能有所下降，因?yàn)槭穷l帶共享的，小站在對(duì)來自中心站的TDM信號(hào)進(jìn)行接收時(shí)，會(huì)受到來自小站自己發(fā)射的FDMA載波信號(hào)的干擾，而這種干擾對(duì)中心站和小站來說其實(shí)是互相的，因此，要想最大限度地提高基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)頻帶的利用率，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高質(zhì)量傳輸，就需要盡量降低二者之間的相互干擾作用。

2　中心站與小站之間信號(hào)干擾的分析

在基于雙向鏈路頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，中心站與各個(gè)小站之間的TDM載波信號(hào)以及各個(gè)小站與中心站之間的FDMA載波信號(hào)是通過公用信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器通過同一個(gè)頻帶進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，從上圖1中還可以看到地球上各個(gè)信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)所處理的信號(hào)頻譜圖。從圖中可以看到，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比較，基于雙向鏈路頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有高出其一倍以上的信號(hào)頻率的利用率，但同時(shí)它也是一種具有自干擾的系統(tǒng)，因此它對(duì)信號(hào)的傳輸性能與傳統(tǒng)系統(tǒng)會(huì)有一定的懸殊，甚至達(dá)到了惡化的程度。在整個(gè)通信系統(tǒng)中，前向鏈路和反向鏈路的頻譜會(huì)發(fā)生相互重疊，然后公用一個(gè)頻帶。

當(dāng)各個(gè)小站在接收來自中心站發(fā)射的TDM載波信號(hào)時(shí)，其自身也在發(fā)射FDMA載波信號(hào)，這會(huì)對(duì)其信號(hào)接收產(chǎn)生一定的干擾，這對(duì)于小站來說，如果沒有相關(guān)的先驗(yàn)性知識(shí)的指導(dǎo)，就很難實(shí)現(xiàn)這種干擾的控制與消除，因此，一般都基于相對(duì)來說系統(tǒng)設(shè)備比較完善，經(jīng)過合理的仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)中，以此來限制干擾，并預(yù)留一部分鏈路使小站信號(hào)接受質(zhì)量的最優(yōu)化，由此可見，需要保障系統(tǒng)中的TDM信號(hào)的載波功率譜的密度要比FDMA載波功率譜密度大才能使小站比較正常的接收TDM信號(hào)。

當(dāng)中心站在接受來自小站的發(fā)射的FDMA載波信號(hào)時(shí)，自身也會(huì)發(fā)射TDM載波信號(hào)，再加上中心站的干擾功率比有用功率還多，不過好在中心站非常清楚自己所發(fā)送的信號(hào)，這樣就可以在接收FDMA載波信號(hào)的時(shí)候?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行提剔除，從而保證接收信號(hào)的質(zhì)量，但在消除了信號(hào)干擾的同時(shí)，接收的載波信號(hào)的信噪比就會(huì)有所惡化，仍然沒有解決系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的傳輸性能方面的優(yōu)化。

3　中心站與小站之間信號(hào)干擾的處理

通過對(duì)上述關(guān)于中心站與各小站之間干擾問題及信號(hào)傳輸性能進(jìn)行分析后，筆者提出了以下解決方案。

對(duì)于返現(xiàn)鏈路來說，中心站經(jīng)過自身發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行重建然后對(duì)傳輸?shù)难訒r(shí)加以準(zhǔn)確地估算，最大限度地提高TDM載波信號(hào)干擾的消除力度，然后再進(jìn)行信號(hào)的檢查，又從改善了FDMA信號(hào)的傳輸性能，獲得比較好的反向鏈路傳輸質(zhì)量。

對(duì)于正向鏈路來說，各個(gè)小站的接收機(jī)還不能做到自身對(duì)干擾信號(hào)的消除，不過通過對(duì)系統(tǒng)本身的優(yōu)化與改進(jìn)可以限制用戶的發(fā)射信號(hào)的功率大小，獲得較高的鏈路余量，進(jìn)而保證小站的信號(hào)接收質(zhì)量。

此外，還可以通過單級(jí)串行干擾抵消器對(duì)信號(hào)加以處理，其構(gòu)造原理如圖2所示。

其中，對(duì)信道和干擾信號(hào)參數(shù)的估計(jì)主要包括對(duì)載波信號(hào)的相位、幅度、傳輸延時(shí)等幾個(gè)參量的估計(jì)，之后再對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行重建，將重建后的干擾信號(hào)從信號(hào)接收機(jī)中剔除，使干擾減少或消除。實(shí)踐表明，由于干擾器和對(duì)干擾信號(hào)以及信道的參數(shù)的估計(jì)的準(zhǔn)確度對(duì)于干擾性能的消除程度起了直接性決定性作用，而在提取干擾信號(hào)及信道的參數(shù)時(shí)也不可避免的受到有效信號(hào)的影響，所以并不推薦僅僅采用單級(jí)串行干擾抵消器，而考慮多級(jí)迭代的方法進(jìn)行消除干擾的系統(tǒng)的構(gòu)建。

4　分析系統(tǒng)的信號(hào)傳輸性能

通過以上方法對(duì)基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號(hào)干擾問題進(jìn)行了分析，并提出了解決方案，接下來對(duì)方案的可靠性加以驗(yàn)證分析，對(duì)于系統(tǒng)信號(hào)傳輸可靠性的分析主要通過仿真來完成。

首先對(duì)前向鏈路的傳輸性能進(jìn)行分析，由于FDMA載波信號(hào)的排列具有隨機(jī)性，不論是數(shù)量還是速率都會(huì)在一定的范圍內(nèi)有所波動(dòng)，如果一次性對(duì)所有的因素進(jìn)行會(huì)考慮，就會(huì)加大仿真的難度和準(zhǔn)確性，筆者在文中假定FDMA信號(hào)同時(shí)發(fā)送，在這種情況下系統(tǒng)受到的干擾最大，經(jīng)過仿真后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的誤碼特性主要受到信號(hào)干擾的影響比較大，當(dāng)信噪比的值越來越大時(shí)，小站在接收TDM載波信號(hào)時(shí)的性能就會(huì)越好，地板效應(yīng)也表現(xiàn)的越明顯。

其次，對(duì)反向鏈路的傳輸性能進(jìn)行分析，在基于雙向鏈路頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，中心站只會(huì)受到自身發(fā)射的TDM載波信號(hào)的干擾，所以，對(duì)系統(tǒng)通過多級(jí)串行干擾抵消器進(jìn)行干擾信號(hào)的抵消具有合理性和科學(xué)性，干擾器直接從接收信號(hào)中對(duì)干擾信號(hào)加以估計(jì)并分離，然后進(jìn)行信號(hào)的重建，系統(tǒng)的仿真也是在最惡劣的條件下進(jìn)行的，即FDMA信號(hào)被全部排滿，發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DMA載波信號(hào)的信噪比的波動(dòng)范圍是3-10dB，干擾消除后的信噪比被控制在了0.5 dB以下。

5　結(jié)語

本文對(duì)基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶技術(shù)，著重介紹了如何消除信號(hào)傳輸過程中的信號(hào)干擾。頻帶共享技術(shù)在于使中心站和小站之間的信號(hào)傳輸處于同一段頻帶中，這樣可以最大限度地提高頻率的利用率，但相應(yīng)的也帶來了兩站之間的接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的干擾問題，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)的傳輸性能受到了較大程度的阻礙，因此又提出多級(jí)串行干擾抵消器的迭代應(yīng)用，通過對(duì)仿真結(jié)果加以分析，認(rèn)為基于頻帶共享的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以使頻帶利用率提升一倍以上的同時(shí)還保證了信號(hào)的傳輸性能，這對(duì)提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效性具有促進(jìn)意義。

[1]萬堅(jiān),許華,朱中梁.基于獨(dú)立分量分析的成對(duì)載波多址分離新算法[J].通信學(xué)報(bào),2012(27).

[2]劉云,郭潔,葉芝慧,宋鐵成.頻譜重疊信號(hào)分離的循環(huán)平穩(wěn)算法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(1 3).

[3]李悅.郝英川.適用于多載波共頻譜傳輸?shù)母蓴_消除方式[J].無線電通信技術(shù),2013(21).

楊明文(1974—),女,漢,北京人,值班員,工程師,研究方向:衛(wèi)星廣播電視傳輸。