低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路設(shè)計(jì)*

蘇 曼1，肖 躍2,劉垚圻,4,李 民，孫加偉，陳 宇

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094;2.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210014;3.中科南京移動(dòng)通信與計(jì)算創(chuàng)新研究院，南京 211135;4.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100190)

0 引 言

近年來，以實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋的高速連接為目標(biāo)的天地一體化網(wǎng)絡(luò)成為信息行業(yè)的焦點(diǎn)，作為天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，衛(wèi)星通信在海上通信、空中通信、超視距傳輸、抗災(zāi)等方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[1]。隨著航天技術(shù)、電子器件、天線理論與設(shè)備等發(fā)展以及各國(guó)在太空探索方面活動(dòng)的開展，建設(shè)大規(guī)模低衛(wèi)星星座成為可能[2]。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較低時(shí)延、全球覆蓋等特點(diǎn)[3-6],但與中高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，相對(duì)地面的高速運(yùn)動(dòng)這一特點(diǎn)尤為突出。為保證可靠的通信，在通信體制的設(shè)計(jì)上必須充分考慮該問題，獲取衛(wèi)星在可視范圍內(nèi)對(duì)地的多普勒頻偏及變化規(guī)律，并給出相應(yīng)的補(bǔ)償方法。

通信體制對(duì)衛(wèi)星通信的應(yīng)用起著決定性作用。當(dāng)前衛(wèi)星通信體制標(biāo)準(zhǔn)主要是由衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商或產(chǎn)品生產(chǎn)商制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此外還有一些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。20 世紀(jì)末以來，各標(biāo)準(zhǔn)化組織加大了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，有關(guān)組織已提出了幾種體制標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)被應(yīng)用。例如由中國(guó)廣播科學(xué)研究院研究開發(fā)完成的先進(jìn)衛(wèi)星廣播系統(tǒng)(Advanced Broadcasting System-Satellite，ABS-S)、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)借鑒開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(Open System Interconnection Reference Model，OSI)提出的一套空間通信協(xié)議族[7]，以及主要用于同步軌道衛(wèi)星的一些標(biāo)準(zhǔn)——?dú)W洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)的數(shù)字衛(wèi)星電視廣播(Digital Video Broadcasting，DVB)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)電信工業(yè)協(xié)會(huì)(Telecom Industry Association，TIA)的星上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP over Satellite，IPoS)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)有線電視實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)星有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)接口規(guī)范(Data Over Cable Service Interface Specification for Satellite，DOCSIS-S)標(biāo)準(zhǔn)、ETSI的基于星上再生處理的網(wǎng)狀衛(wèi)星系統(tǒng)(Regenerative Satellite Mesh，RSM-A)標(biāo)準(zhǔn)。其中DVB協(xié)議族是當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣泛的數(shù)字衛(wèi)星電視廣播標(biāo)準(zhǔn)之一，代表了國(guó)際衛(wèi)星通信廣播領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平，具有靈活的輸入匹配接口和較高的頻譜效率，涵蓋了更大的載噪比范圍，同時(shí)支持自適應(yīng)調(diào)制編碼以及多種頻譜滾降系數(shù)，滿足音頻、視頻和數(shù)據(jù)等不同業(yè)務(wù)的需求。

本文結(jié)合了靈活的DVB協(xié)議，對(duì)衛(wèi)星通信下行鏈路進(jìn)行協(xié)議總體設(shè)計(jì)以及鏈路模型、幀結(jié)構(gòu)、算法的設(shè)計(jì)與仿真，為DVB協(xié)議的應(yīng)用提供了工程性借鑒。

1 下行協(xié)議設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)再生式處理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其前向鏈路采用單載波時(shí)分多址接入(Time division multiple access,TDMA)方式承載用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、控制信令和網(wǎng)管數(shù)據(jù)，反向鏈路采用多頻時(shí)分多址接入(Multiple Frequency- Time Division Multiple Access，MF-TDMA)/時(shí)分多址(TDMA)方式承載用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、控制信令和網(wǎng)管數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)協(xié)議分為物理層(L1)、鏈路層(L2)、網(wǎng)絡(luò)層及以上(L3+)三層。從縱向看，協(xié)議又分為用戶面、控制面和管理面，如圖1(a)所示。其中，控制面包括天線控制、路由控制、動(dòng)態(tài)鏈路控制、尋址方案、服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)控制和性能增強(qiáng)代理(Performance Enhancing Proxy,PEP)控制等功能模塊；用戶面包括性能增強(qiáng)、路由等功能模塊；管理面包括安全管理、性能管理、服務(wù)等級(jí)(Service-Level Agreement，SLA)管理、計(jì)費(fèi)管理、配置管理、故障管理等功能模塊。系統(tǒng)的協(xié)議棧采用分層架構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、中間層、應(yīng)用層，其協(xié)議棧架構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 下行協(xié)議設(shè)計(jì)

空中接口遵循低層協(xié)議規(guī)范，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。其中物理層定義了空口的傳輸參數(shù)和幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層定義了邏輯鏈路控制和媒體接入控制協(xié)議。

此外，在低層協(xié)議中還包含了管理面和控制面的功能，這些功能主要通過低層協(xié)議棧的低層信令(Low Layer Signalling，L2S)實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)控制中心(Network Control Center，NCC)在關(guān)口站終止L2S管理面和L2S控制面功能，而反向鏈路衛(wèi)星終端(Return Channel Satellite Terminal，RCST)在遠(yuǎn)端終止L2S管理面和L2S控制面功能。用戶面通過關(guān)口站的IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如地基路由器等)實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)(如因特網(wǎng))的連接。

圖1(c)描述了RCST前向鏈路的接口，它由用戶業(yè)務(wù)的層2接口來配置。一個(gè)RCST可以允許多個(gè)用戶業(yè)務(wù)的層2接口對(duì)其進(jìn)行配置，每個(gè)配置接口都對(duì)應(yīng)一個(gè)衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)(Satellite Virtual Network，SVN)或SVN運(yùn)營(yíng)商?？臻g基站通過層2地址映射的方式將不同虛擬網(wǎng)域的業(yè)務(wù)分開。

L2S對(duì)層1和層2的接口進(jìn)行管理，并通過初始化互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第四版(Internet Protocol version 4，IPv4)的監(jiān)視和控制(Monitoring & Control，M&C)接口，使RCST、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和SVN運(yùn)營(yíng)商之間可以通過IPv4進(jìn)行交互。

2 鏈路模型設(shè)計(jì)

前向鏈路為衛(wèi)星基站到用戶終端的下行通信，采用TDMA方式，前向糾錯(cuò)碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)采用 BCH碼和低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check Code，LDPC)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)幀數(shù)據(jù)域的幀長(zhǎng)采用16 200 b短幀。物理層前向鏈路收發(fā)過程遵循圖2[8]。

圖2 前向鏈路物理層鏈路模型

如圖3所示，下行點(diǎn)波束的物理幀由幀頭(Physical Layer Header，PLHEADER)、導(dǎo)頻塊、負(fù)載段、填充段(PL-Padding)構(gòu)成，其中，PLHEADER長(zhǎng)度為90個(gè)符號(hào)，由同步起始標(biāo)志字(Start of Frame,SOF)和物理層信令編碼(Physical layer signaling code，PLSC)構(gòu)成，SOF長(zhǎng)度為26個(gè)符號(hào)，是一個(gè)已知序列，用于同步輔助，值為18D2E82；PLSC長(zhǎng)度64個(gè)符號(hào)，用于指示寬波束的調(diào)制編碼方案；負(fù)載段采用前向糾錯(cuò)技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制編碼方案，支持多種調(diào)制編碼方式的組合，共由S個(gè)Slot構(gòu)成；導(dǎo)頻段由周期性導(dǎo)頻塊構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)頻塊由36個(gè)符號(hào)構(gòu)成，導(dǎo)頻塊的插入周期是16個(gè)Slot，導(dǎo)頻塊數(shù)量是n[8]；PL-Padding為無效字段，用于幀長(zhǎng)對(duì)齊。

圖3 幀結(jié)構(gòu)示意圖

同步模塊主要包含時(shí)間同步、信噪比估計(jì)、頻偏估計(jì)與相位估計(jì)，這里主要介紹對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中挑戰(zhàn)最大的頻偏估計(jì)。高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，不僅會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的多普勒頻偏，還會(huì)因?yàn)榻邮諜C(jī)與發(fā)射機(jī)的晶振不同等其他原因產(chǎn)生頻偏[9-10]。而對(duì)于低軌衛(wèi)星而言，其移動(dòng)速度非?？?，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)7 km/s，在Ka頻段，僅低軌衛(wèi)星本身造成的多普勒頻移約為500 kHz[1,11-12]。如圖4所示，合理利用先驗(yàn)知識(shí)，如星歷表，通過其輔助完成頻偏估計(jì)。

圖4 基于預(yù)估計(jì)的同步算法示意

首先終端根據(jù)星歷表預(yù)估頻偏，并對(duì)大頻偏進(jìn)行預(yù)矯正，其次再針對(duì)殘留頻偏進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償。同樣，可以根據(jù)下行的頻偏估計(jì)情況對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行頻率預(yù)矯正。同步完成后，用戶可通過下行廣播信道獲取并更新衛(wèi)星星歷，結(jié)合自身運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算更加精確的多普勒頻偏。

3 仿真與分析

本節(jié)基于上述協(xié)議和鏈路模型搭建仿真平臺(tái)，研究在不同仿真參數(shù)配置下分別加入不同的頻偏后前向鏈路的性能表現(xiàn)。這里，前向鏈路的性能表現(xiàn)使用衛(wèi)星終端接收數(shù)據(jù)的誤比特率描述。

仿真平臺(tái)依據(jù)DVB-S2協(xié)議，幀長(zhǎng)為16 200 b，幀頭為90符號(hào)，導(dǎo)頻為36·S符號(hào)(S根據(jù)調(diào)制方式的不同有所變化)。表1描述了要在平臺(tái)上進(jìn)行仿真的四種前向鏈路仿真參數(shù)配置情況，其中，前三種配置情況均對(duì)四種頻偏(符號(hào)速率的5%、10%、15%、20%)進(jìn)行仿真，第四種配置情況只對(duì)頻偏為符號(hào)速率的5%進(jìn)行仿真。LDPC編碼迭代15次，鏈路仿真10 000次。仿真得到四種參數(shù)配置下分別加入四種頻偏后誤比特率(Bit Error Rate，BER)隨信噪比的變化曲線，如圖5所示。

表1 前向鏈路仿真參數(shù)配置

(a)0.059 544 Mb/s

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，四種參數(shù)配置情況，無論加入頻偏多少，誤比特率均隨著給定信噪比的增大而減小。信噪比越大，信道環(huán)境中的相對(duì)噪聲功率越小，信息出錯(cuò)的可能性越小，誤比特率自然也就越低。還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每種參數(shù)配置情況，加入的頻偏越小，誤比特率越低。頻偏越小，就意味著衛(wèi)星終端解調(diào)出的星座點(diǎn)與發(fā)送端真實(shí)的星座點(diǎn)之間的幅角越小，判決錯(cuò)誤的可能性就越低，誤比特率自然也就越低。

另外，對(duì)于四種仿真參數(shù)配置情況，如果要達(dá)到10-4的誤比特率性能，頻偏分別取符號(hào)速率的5%、10%、15%和20%時(shí)的信噪比門限為：配置1對(duì)應(yīng)-2.6 dB、-1.75 dB、-1.6 dB、-1.4 dB；配置2對(duì)應(yīng)2.25 dB、3 dB、4 dB、4.2 dB；配置3對(duì)應(yīng)6.8 dB、7.5 dB、8.5 dB、9.3 dB；配置4對(duì)應(yīng)19 dB。在誤比特率達(dá)到10-4時(shí)，可以進(jìn)行語音業(yè)務(wù)和游戲視頻業(yè)務(wù)，鏈路性能良好。

4 結(jié)束語

如何合理利用衛(wèi)星資源，在有限的帶寬和功率下，盡可能地實(shí)現(xiàn)信號(hào)高質(zhì)量的傳輸，仍然是衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究目標(biāo)。本文基于靈活的DVB協(xié)議，對(duì)下行鏈路進(jìn)行了協(xié)議設(shè)計(jì)和物理層鏈路模型設(shè)計(jì)。其中，頻偏預(yù)估計(jì)實(shí)現(xiàn)了在進(jìn)行精細(xì)的頻偏估計(jì)和補(bǔ)償之前對(duì)大頻偏的估計(jì)和補(bǔ)償，這一操作降低了對(duì)后面頻偏估計(jì)模塊估計(jì)范圍的要求，從而提高了整個(gè)鏈路頻偏估計(jì)和補(bǔ)償?shù)男阅?。仿真測(cè)試表明本文設(shè)計(jì)的協(xié)議和鏈路模型性能良好，可用于工程實(shí)踐。本文的工作對(duì)于DVB協(xié)議的靈活設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有借鑒意義。

值得注意的是，本文在進(jìn)行鏈路模型設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證時(shí)，對(duì)于信道模型僅考慮了頻偏，但在實(shí)際的信道環(huán)境中影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩匾獜?fù)雜得多，包括時(shí)延、各種干擾以及各種衰落等。另外，本文在對(duì)頻偏預(yù)估計(jì)中的多普勒頻移進(jìn)行研究的時(shí)候，假定衛(wèi)星終端相對(duì)地面靜止，僅考慮衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，但是實(shí)際中的衛(wèi)星終端并不一定是相對(duì)地面靜止的，例如航船、飛機(jī)等等。下一步的工作是針對(duì)更加復(fù)雜的信道模型和多普勒頻移模型，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高鏈路性能，從而適用于通信環(huán)境更加惡劣的場(chǎng)景。