魏海濤，鮑亞川，蔚保國(guó)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

基于偏移載波組合調(diào)制的衛(wèi)星通信擴(kuò)容設(shè)計(jì)與分析

魏海濤1,2，鮑亞川1,2，蔚保國(guó)1,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用中可能遇到的擴(kuò)容問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了通過(guò)采用偏移載波的組合調(diào)制信號(hào)體制設(shè)計(jì)以提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)入站服務(wù)能力的基本思路和設(shè)想。基于新的設(shè)計(jì)方法，在保持已有系統(tǒng)和鏈路資源不變的情況下，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)入站服務(wù)能力的大幅度提高，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用AltBOC與BPSK調(diào)制的組合方式可使入站能力提高100%，而采用BOC與BPSK調(diào)制的組合方式可以使入站服務(wù)能力提高66.35%。這種組合調(diào)制方式對(duì)未來(lái)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了新的途徑和參考。

偏移載波調(diào)制；譜分離系數(shù)；等效載噪比；入站容量

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中往往都會(huì)面臨這樣一個(gè)問(wèn)題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)之初受到各方面條件限制，以滿足當(dāng)時(shí)的用戶數(shù)量和服務(wù)質(zhì)量為目標(biāo)建設(shè)的系統(tǒng)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)的長(zhǎng)期發(fā)展和用戶數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，服務(wù)能力將逐漸難以滿足需求。此時(shí)基于現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)施和頻帶資源，仍然可以借助于采取新的信號(hào)體制設(shè)計(jì)手段，充分挖掘系統(tǒng)潛力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)能力的倍增。

在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，通信鏈路之間的互干擾，即多址干擾是影響系統(tǒng)性能和服務(wù)能力的重要因素[1-2]。在鏈路數(shù)目較多的情況下，多址干擾對(duì)于接收信號(hào)載噪比的影響十分明顯，對(duì)于衛(wèi)星通信入站這樣的突發(fā)擴(kuò)頻通信方式，在眾多用戶同時(shí)入站時(shí)，中心站的信號(hào)接收解調(diào)將會(huì)面臨壓力，這也在一定程度上限制了衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務(wù)能力的提高[3-4]。

針對(duì)多址干擾的研究由來(lái)已久，眾多多址干擾消除和抑制方法層出不窮，但要從本質(zhì)上消除其影響，最理想的方式是采用合理的信號(hào)體制設(shè)計(jì)以降低影響[5-6]，多址干擾影響的降低將會(huì)帶來(lái)更多的鏈路余量，進(jìn)而提高系統(tǒng)服務(wù)能力。本文通過(guò)采用偏移載波調(diào)制組合使用降低用戶入站信號(hào)間干擾，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信入站能力的提高，經(jīng)過(guò)理論和仿真分析，論證該方案的可行性和有效性。

1 偏移載波調(diào)制

隨全球多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)而衍生出的導(dǎo)航信號(hào)兼容互操作一直是導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者和科研工作者開(kāi)展了大量相關(guān)研究，其中偏移載波調(diào)制技術(shù)作為最重要的發(fā)明和創(chuàng)新，對(duì)于導(dǎo)航信號(hào)頻率兼容性的提高起到了至關(guān)重要的作用。目前眾所周知的偏移載波調(diào)制技術(shù)包括BOC[7-8]、AltBOC[9-10]以及衍生的MBOC、CBOC、TD-AltBOC等[11]，并已在Galileo、北斗二代等系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。本文基于BOC[12-13]及AltBOC調(diào)制進(jìn)行相關(guān)分析和論證[14]。

1.1 BOC調(diào)制

BOC調(diào)制是在BPSK的基礎(chǔ)上增加了一級(jí)方波副載波調(diào)制。根據(jù)副載波類(lèi)型不同，BOC信號(hào)可分為正弦型和余弦型，分別記為BOCs(m,n)和BOCc(m,n)，其中m=fsc/f0，n=fc/f0，在這里f0=1.02 MHz，fc和fsc分別是擴(kuò)頻碼和副載波速率。

其基帶信號(hào)表達(dá)式為：

(1)

其功率譜密度為：

(2)

1.2 AltBOC調(diào)制

AltBOC調(diào)制是將復(fù)數(shù)型方波與信號(hào)相乘，使得該信號(hào)的頻譜分成兩部分，它們分別偏移到中心零頻的左右兩側(cè)。

由信號(hào)體制分析以及減少對(duì)現(xiàn)有出站信號(hào)影響考慮，采用恒包絡(luò)AltBOC調(diào)制，其調(diào)制信號(hào)表達(dá)式為：

(3)

(4)

定義n為調(diào)制系數(shù)，一個(gè)偽碼碼片對(duì)應(yīng)的副載波半個(gè)周期的數(shù)目，恒包絡(luò)AltBOC調(diào)制的功率譜密度如式(5)所示。幾種信號(hào)調(diào)制模式的歸一化功率密度如圖1所示。

(5)

圖1 AltBOC、BOC功率譜密度圖

2 頻譜分離度分析

調(diào)制方式所導(dǎo)致的信號(hào)間的頻譜分離性能可以用譜分離系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，譜分離系數(shù)定義為：

(6)

式中，βr為接收帶寬，Gs(f)和GJ(f)分別為有用信號(hào)和干擾信號(hào)在各自的發(fā)射帶寬內(nèi)歸一化的功率譜密度。

信號(hào)帶寬取為8MHz為例，AltBOC及BOC的副載波頻率fs及偽碼頻率fc需滿足以下條件：

fs+fc≤βr。

(7)

原信號(hào)采用BPSK信號(hào)，擴(kuò)展信號(hào)選取BOCs(2,2)和AltBOC(2,2)調(diào)制的譜分離系數(shù)如表1所示。

表1 幾種調(diào)制方式的譜分離系數(shù)

由表1可知，AltBOC及BOC調(diào)制因?yàn)橄鄬?duì)于BPSK頻譜主瓣發(fā)生偏移，所以具有較好的譜分離性能，而AltBOC相對(duì)于BOCs又具有更好的譜分離增益。

由譜分離系數(shù)，可得到采用不同調(diào)制時(shí)信號(hào)的等效載噪比，對(duì)多址干擾進(jìn)行量化分析和計(jì)算[15]。

(8)

現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)中心站接收信號(hào)解調(diào)門(mén)限往往為一個(gè)固定值，大多為40～50dBHz，當(dāng)多址干擾導(dǎo)致的等效載噪比小于解調(diào)門(mén)限時(shí)，此時(shí)的入站用戶數(shù)量可以認(rèn)為達(dá)到了系統(tǒng)入站能力的理論極限。

3 入站容量計(jì)算方法

設(shè)衛(wèi)星通信入站信號(hào)為突發(fā)信號(hào)，用戶申請(qǐng)入站按泊松狀態(tài)在地域上均勻分布,幀長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生k次呼叫的概率為：

(9)

式中，λ為單位時(shí)間內(nèi)的平均呼叫數(shù)，即呼叫率。

4 基于偏移載波調(diào)制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及容量分析

假設(shè)信號(hào)接收載噪比為55 dBHz，解調(diào)門(mén)限為45 dBHz，可計(jì)算得到若只采用BPSK調(diào)制方式的最多可同時(shí)入站用戶數(shù)為104。

若入站信號(hào)采用BOCs(2,2)調(diào)制與BPSK調(diào)制相結(jié)合的方式，即部分用戶采用BPSK調(diào)制，部分用戶采用BOCs調(diào)制，此時(shí)接收信號(hào)等效載噪比為：

(10)

根據(jù)解調(diào)門(mén)限及式(10)可以聯(lián)立方程：

(11)

式中，N1為BPSK調(diào)制用戶數(shù)，N2為BOC調(diào)制用戶數(shù)，由式(11)解得，可同時(shí)入站的BPSK調(diào)制用戶數(shù)為56，BOC調(diào)制用戶數(shù)為117，即理論最多可同時(shí)入站總用戶數(shù)可達(dá)173，相比于單純BPSK調(diào)制系統(tǒng)入站服務(wù)能力將提高66.35%。

調(diào)整BPSK用戶數(shù)目，總的入站用戶容量的變化趨勢(shì)如圖2所示?？梢钥闯鰡渭兪褂肂PSK調(diào)制可同時(shí)入站用戶數(shù)為104，單獨(dú)使用BOC調(diào)制可同時(shí)入站用戶數(shù)為150，采用BOC+BPSK調(diào)制組合的方式，總用戶數(shù)隨BPSK用戶比例會(huì)發(fā)生變化。

圖2 采用BOC組合調(diào)制的入站服務(wù)能力變化曲線

若入站信號(hào)采用AltBOC(2,2)調(diào)制與BPSK調(diào)制相結(jié)合的方式，此時(shí)接收信號(hào)等效載噪比為：

(12)

根據(jù)解調(diào)門(mén)限及式(12)可以聯(lián)立方程：

(13)

式中,N1為BPSK調(diào)制用戶數(shù)，N2為AltBOC調(diào)制用戶數(shù)，由式(13)解得，可同時(shí)入站的BPSK調(diào)制用戶數(shù)為58，BOC調(diào)制用戶數(shù)為150，即理論最多可同時(shí)入站總用戶數(shù)可達(dá)208，相比于單純BPSK調(diào)制入站容量將提高100%。

調(diào)整BPSK用戶數(shù)目，采用AltBOC+BPSK調(diào)制組合方式，總的入站用戶容量的變化趨勢(shì)如圖3所示。單獨(dú)使用AltBOC調(diào)制可同時(shí)入站用戶數(shù)為180，總?cè)胝居脩羧萘孔疃鄷r(shí)與上述計(jì)算結(jié)果一致。

圖3 采用AltBOC組合調(diào)制的入站服務(wù)能力變化曲線

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，由于AltBOC相比于BOCs調(diào)制具有更好的頻譜分離度，因此在與BPSK的組合使用中，可以使多址干擾降得更低，同時(shí)也使得系統(tǒng)入站服務(wù)能力得到提高。

另外，也應(yīng)該注意到要使這種組合調(diào)制方式最大限度地發(fā)揮作用，動(dòng)態(tài)合理地調(diào)整分配采用每種調(diào)制方式的入站用戶數(shù)目十分重要。對(duì)于采取這種調(diào)制方式組合模式的信號(hào)體制，入站策略和資源分配方式需要進(jìn)一步深入的研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于偏移載波組合調(diào)制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)入站容量擴(kuò)容方法，通過(guò)理論計(jì)算及仿真分析，驗(yàn)證了借助于BOC或者AltBOC調(diào)制與傳統(tǒng)BPSK調(diào)制的組合使用，僅通過(guò)信號(hào)體制的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于原有系統(tǒng)設(shè)備和頻帶資源，即可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)入站容量和服務(wù)能力的大幅度提高。偏移載波調(diào)制的使用，本質(zhì)上通過(guò)引入信號(hào)間頻偏，提到了頻譜利用效率，降低了信號(hào)間多址干擾，提高了接收信號(hào)的等效載噪比?；谄戚d波的組合調(diào)制信號(hào)體制設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)擴(kuò)容，也可以為其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)的擴(kuò)容以及設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

[1] 藺玉柱,彭 偉,王 程.針對(duì)VBR業(yè)務(wù)的多址接入技術(shù)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2014,40(4):7-10.

[2] 陳榮斌,葉國(guó)超.TD-LTE與TD-SCDMA系統(tǒng)干擾共存研究[J].移動(dòng)通信,2014,38(8):14-17.

[3] 譚樹(shù)森.廣義RDSS全球定位報(bào)告系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[4] 譚樹(shù)森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[5] 王 偉,聶 昌.1.9GHz頻段附近TD-LTE對(duì)WCDMA的干擾研究[J].移動(dòng)通信,2015,39(11):71-74.

[6] 李佳俊,宋甲英.LTEFDD和WCDMA互操作研究[J].移動(dòng)通信,2015,39(19):73-75.

[7] 姚 錚，陸明泉，馮振明.正交復(fù)用BOC調(diào)制及其多路復(fù)合技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)，2010,40(5):575-580.

[8] 許 磊,何巍巍,趙 勝.BOC調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)的精確捕獲方法研究[J].無(wú)線電工程,2015,45(11):36-39.

[9] 李獻(xiàn)球,羅顯志,李 雋.ALTBOC調(diào)制信號(hào)功率譜推導(dǎo)新方法[J].無(wú)線電工程,2012,42(5): 34-35,64.

[10]周艷玲，羅雪姣，溫小清，等.衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)AltBOC調(diào)制方式分析[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,37(4):334-350.

[11]楊益康，彭 澎，易國(guó)鍇，等.基于掃頻二進(jìn)制偏移副載波的偽碼擴(kuò)頻調(diào)制體制及其特性的研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(3):637-642.

[12]張?zhí)祢U，何丹娜，陳適，等.基于譜相關(guān)的BOC調(diào)制信號(hào)參數(shù)估計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,41(9):11-16.

[13]吳 偉，張建偉，楊會(huì)英.基于譜相關(guān)的BOC + BPSK混合調(diào)制信號(hào)的參數(shù)估計(jì)性能研究[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(4):358-361.

[14]Betz J W，Kolodziejski K R． Generalized Theory of Code Tracking with an Early-late Discriminator Part II: Noncoherent Processing and Numerical Results[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2009，45(4):1551-1564.

[15]謝 鋼.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理-GPS、格洛納斯和伽利略系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[16]李井源.帶寬受限下頻譜分離對(duì)提高RDSS 入站容量的影響分析[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,34(2):55-58.

Design and Analysis of Satellite Communication Capacity Expansion Based on BOC Combined Modulation

WEI Hai-tao1,2,BAO Ya-chuan1,2,YU Bao-guo1,2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Focused on the service capability expansion problem in satellite communication systems,a combined signal design method of binary offset carrier modulation is proposed.Compared with the common signal design,the inbound capability of satellite communication system can be improved with the new method without more wireless resource usage.The inbound capability can be improved by 100% by the combination of AltBOC and BPSK,and 66.35% by the combination of BOC and BPSK.The method provides a new approach and reference for the design and improvement of future satellite communication systems.

binary offset carrier modulation;spectrum separation coefficient;equivalent carrier noise rate;inbound capacity

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.03

魏海濤，鮑亞川，蔚保國(guó).基于偏移載波組合調(diào)制的衛(wèi)星通信擴(kuò)容設(shè)計(jì)與分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(1):11-14.

2016-10-21

中國(guó)電科航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金課題(EX156290055)；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)課題

魏海濤(1979—)男，高級(jí)工程師，主要研究方向：信號(hào)與信息處理、衛(wèi)星導(dǎo)航、陣列天線。鮑亞川 (1985—)，男，博士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)等。蔚保國(guó)(1966—)，男，博士，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體設(shè)計(jì)等。

TN914.5

A

1003-3114(2017)01-11-4