劉麗宏

(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)

小口徑TDMA衛(wèi)星通信地球站應(yīng)用研究

劉麗宏

(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)

小口徑天線鄰星干擾、TDMA幀效率等問題影響了小口徑TDMA衛(wèi)星通信地球站推廣應(yīng)用，其中突發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高TDMA幀效率關(guān)鍵，在對(duì)DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，分析了幾個(gè)DVB-RCS商用系統(tǒng)，在分析TDMA突發(fā)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上綜合考慮幀長(zhǎng)、載波速率、時(shí)隙數(shù)，不同載波速率下適當(dāng)?shù)耐话l(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高M(jìn)F-TDMA幀效率的方法。針對(duì)小口徑天線鄰星干擾問題，提出擴(kuò)頻的解決方法，經(jīng)過計(jì)算或仿真驗(yàn)證了方法的有效性。

衛(wèi)星通信；MF-TDMA；小口徑

0 引言

近些年衛(wèi)星通信無論在民用或軍用領(lǐng)域都得到了極大的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，隨著衛(wèi)星功率的提高、集成電路技術(shù)、射頻器件技術(shù)以及編碼和調(diào)制等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的成熟，甚小口徑數(shù)據(jù)終端(Very Small Data Terminal，VSAT)應(yīng)運(yùn)而生，使得小口徑衛(wèi)星通信地球站得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在VSAT設(shè)備普遍采用DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)，DVB-RCS系統(tǒng)一般采用星狀網(wǎng)或星網(wǎng)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，前向采用TDM載波，反向多條載波回傳，多址方式采用TDMA[2]。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃樾菭睢⒕W(wǎng)狀和星網(wǎng)混合等多種形式，系統(tǒng)組成包含中心站和遠(yuǎn)端站。衛(wèi)星通信特性適合于廣播[3]，因此星狀網(wǎng)是衛(wèi)星通信最常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星形衛(wèi)星通信系統(tǒng)適用于業(yè)務(wù)傳輸主要發(fā)生在中心站和遠(yuǎn)端站之間。

星型網(wǎng)非常適合于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可支持同時(shí)在線的地球站數(shù)量多，前向下載數(shù)據(jù)量大，反向回傳數(shù)據(jù)量小，且MF-TDMA在載波帶寬不變的情況下，可以靈活調(diào)整用戶業(yè)務(wù)帶寬，適應(yīng)在線用戶數(shù)變化大、每個(gè)用戶業(yè)務(wù)帶寬經(jīng)常變化。因此小口徑TDMA地球站非常適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)，解決用戶上網(wǎng)和通話的需求。

MF-TDMA星型網(wǎng)也適合于應(yīng)急通信，在大家需要了解災(zāi)區(qū)情況，反向需要載波帶寬變大時(shí)由于MF-TDMA星型網(wǎng)可按要求增加用戶反向帶寬為用戶提供更好通信保障。MF-TDMA星型網(wǎng)應(yīng)用，是后續(xù)重點(diǎn)推廣和關(guān)注的方向。

1 DVB-RCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DVB-RCS[4-5]反向信道采用MF-TDMA體制[6]，為多用戶提供高利用率帶寬。使用按需分配的模式，優(yōu)化不同種類的業(yè)務(wù)傳輸方式使得話音、視頻、文件傳輸和web瀏覽需求能夠得到有效處理，DVB-RCS使用多種方法使得系統(tǒng)效率更高，因此比傳統(tǒng)按需分配衛(wèi)星通信系統(tǒng)更有效，這些使用模式結(jié)合了靈活的傳輸機(jī)制，包括信道編碼優(yōu)化、突發(fā)幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化、IP封裝優(yōu)化等，使得系統(tǒng)可以更好地利用衛(wèi)星資源的功率和帶寬。圖1表示一個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)有1個(gè)中心站和3個(gè)遠(yuǎn)端站，遠(yuǎn)端站共同利用3條返向載波時(shí)隙向中心站回傳業(yè)務(wù)，系統(tǒng)按時(shí)隙分配載波資源，高效利用衛(wèi)星頻率資源。

圖1 DVB-RCS反向MF-TDMA信道載波時(shí)隙分配示意圖

2 2個(gè)商用DVB-RCS系統(tǒng)特性分析

HUGHES、Gilat、iDirect的DVB-RCS系統(tǒng)在全球商用DVB-RCS市場(chǎng)份額中占據(jù)前3位，下面介紹其中2家公司相關(guān)的產(chǎn)品。

2.1 Idirect衛(wèi)星系統(tǒng)

① 中心站前向出站載波采用TDM方式；

② 遠(yuǎn)端站使用一個(gè)共享的上行載波即采用D-TDMA訪問體制；

③ 可構(gòu)建星狀網(wǎng)、星狀/網(wǎng)狀混合網(wǎng)，系統(tǒng)支持快速跳頻(MF-TDMA)和迅速帶寬分配；

④ 支持TCP加速、動(dòng)靜態(tài)路由以及QoS等功能。

圖2為Idirect衛(wèi)星系統(tǒng)1個(gè)主站和2個(gè)遠(yuǎn)端站星網(wǎng)混合組網(wǎng)示意圖。

圖2 Idirect衛(wèi)星系統(tǒng)示意圖

2.2 Gilat公司SkyEdge II IP

① 總體指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):星狀；天線尺寸:0.55 m to 1.2 m (Ku),1.8 m (C) ；頻率：Ku,C,Ex.C 。

② 出境信道

符號(hào)率:FEC:256 ksps-45 Msps；訪問機(jī)制:DVB-S，DVB-S2 CCM 和 ACM；調(diào)制方式:QPSK， 8PSK，16APSK，32APSK (DVB-S2 only)。

③ 入境信道

符號(hào)率:128～2 560 ksps；調(diào)制和編碼:QPSK，8PSK Turbo編碼。

④ 訪問機(jī)制:基于DVB-RCS的MF-TDMA。

上述2家公司的設(shè)備指標(biāo)可以看出，采用MF-TDMA星狀網(wǎng)體制符合目前國(guó)際商用領(lǐng)域小型地球站技術(shù)體制發(fā)展路徑。從上述設(shè)備使用可總結(jié)DVB-RCS系統(tǒng)星型網(wǎng)使用特點(diǎn)如下：

星型網(wǎng)特點(diǎn)：

① 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)發(fā)布，中心站在TDM載波發(fā)送信息，全網(wǎng)的遠(yuǎn)端站都可同時(shí)接收，實(shí)現(xiàn)了中心站向多個(gè)遠(yuǎn)端站信息發(fā)布；

② 多點(diǎn)到1點(diǎn)接收，中心站具有多載波解調(diào)能力，可同時(shí)解調(diào)多條載波，遠(yuǎn)端站可分多組同時(shí)通過多條載波向中心站發(fā)送信息；

③ 數(shù)據(jù)和話音可同時(shí)在線，地球站的數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)可通過接入設(shè)備復(fù)接在一起，通過衛(wèi)星信道傳輸；

④ 多用戶多業(yè)務(wù)同時(shí)在線，一條載波TDMA時(shí)隙可分給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶可傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻多種業(yè)務(wù)，一條TDMA載波可實(shí)現(xiàn)多用戶多業(yè)務(wù)同時(shí)在線；

⑤ 遠(yuǎn)端站可同時(shí)接收多中心信息，遠(yuǎn)端站可具有一個(gè)以上的解調(diào)器，同時(shí)接收多中心發(fā)布的業(yè)務(wù)。

3 小口徑TDMA地球站應(yīng)用關(guān)鍵要素

小口徑TDMA地球站[7]適用于應(yīng)急通信，例如地震等自然災(zāi)害造成的原有通信設(shè)施損毀，需要機(jī)載、車載或便攜式等運(yùn)輸、開通方便，能夠迅速搭建并投入使用通信設(shè)備，也適用于偏遠(yuǎn)人口稀少的地區(qū)，可以用低成本通信設(shè)施，滿足人們基本通信和上網(wǎng)需求。

小口徑TDMA地球站作為星形衛(wèi)星通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)端站主要取決于2個(gè)方面：小口徑天線鄰星干擾問題，TDMA體制小站如何更好適應(yīng)星狀網(wǎng)。

3.1 小口徑天線鄰星干擾問題

由于同步軌道上的通信衛(wèi)星使用相同的通信頻段，因此當(dāng)衛(wèi)星排列較密，而地球站天線口徑較小、波束較寬時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的鄰星干擾[8]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)必須要考慮這一問題。

按ITU—S.728-1 -1995《Maximum permissible level of off-axis e.i.r.p. density from very small aperture terminals (VSATs)》的要求，對(duì)于使用14 GHz頻段、3°軌道間隔的衛(wèi)星，地球站偏軸輻射到空間的EIRP譜密度最大允許值要求如下：

33-25lgΦdB (W/40 kHz) 2°≤Φ≤7°；

12 dB (W/40 kHz) 7°<Φ≤9.2°；

36-25lgΦdB (W/40 kHz) 9.2°<Φ≤48°；

-6 dB (W/40 kHz) 48°<Φ≤180°。

對(duì)于2°軌道間隔的衛(wèi)星，需在3°軌道間隔的基礎(chǔ)上離軸EIRP 值再降低8 dB；對(duì)靜止軌道衛(wèi)星3°以外的任何方向上，EIRP 值可在3°軌道間隔要求基礎(chǔ)上放寬3 dB。

假設(shè)中心站天線口徑為13 m，遠(yuǎn)端站口徑為0.3 m，調(diào)制方式為QPSK，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為36 MHz；上行為Ku頻段，取中心頻率14.25 GHz，接收G/T=8 dB/K；這里按2°軌道間隔的衛(wèi)星要求計(jì)算地球站偏軸輻射的最大允許值。依據(jù)ITU對(duì)地球站偏軸輻射的最大允許值限制，繪制圖3和圖4。其中包絡(luò)線為ITU限制值，方向圖為0.3 m遠(yuǎn)端站采用LDPC 1/2編碼時(shí)發(fā)射的EIRP值。

圖3可以看出0.3 m站采用LDPC編碼，在不擴(kuò)頻的情況下EIRP譜密度在天線的主瓣、旁瓣都超出包絡(luò)，超過偏軸輻射的最大允許值，不滿足ITU標(biāo)準(zhǔn)要求。因此會(huì)產(chǎn)生鄰星干擾造成相鄰?fù)ㄐ判l(wèi)星通信障礙，干擾鄰近衛(wèi)星的正常工作。

圖4顯示若地球站采取擴(kuò)頻體制，LDPC碼率為0.5時(shí)采用8倍擴(kuò)頻偏軸EIRP譜密度降低，主瓣、旁瓣EIRP譜密度都在包絡(luò)線以下符合ITU標(biāo)準(zhǔn)要求。為保險(xiǎn)起見0.3 m天線采用10倍擴(kuò)頻可以保證0.3 m地球站正常通信不會(huì)產(chǎn)生鄰星干擾影響其他衛(wèi)星的工作。因此小口徑地球站采用擴(kuò)頻可以有效地抑制鄰星干擾。

圖3 0.3 m站采用未擴(kuò)頻時(shí)的對(duì)照?qǐng)D

圖4 0.3 m站采用8倍擴(kuò)頻時(shí)的對(duì)照?qǐng)D

3.2 MF-TDMA星型網(wǎng)特性分析

系統(tǒng)容量：反映衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的能力，由網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量2個(gè)指標(biāo)決定。此外衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量還受限于整個(gè)系統(tǒng)的頻帶資源以及衛(wèi)星瞬時(shí)所能提供的最大功率。

網(wǎng)絡(luò)容量：主要指網(wǎng)絡(luò)所能容納的用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)量，對(duì)不同級(jí)別的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有不同的要求。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量：是指全網(wǎng)在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)钠骄忍財(cái)?shù)目，與載波效率、頻帶資源分配等相關(guān)。

3.2.1 DVB-RCS星狀網(wǎng)特點(diǎn)

① 前向采用TDM載波；

② 反向MF-TDMA，遠(yuǎn)端站靈活擴(kuò)展，由于每條TDMA體制載波可有多個(gè)站共用，因此在系統(tǒng)帶寬一定情況下，遠(yuǎn)端站用戶數(shù)量擴(kuò)展能力優(yōu)于其他體制；

③ 中心站具有多載波解調(diào)能力，反向載波數(shù)增加，不需要增加設(shè)備；

④ 遠(yuǎn)端站可同時(shí)收多中心信息；

⑤ 遠(yuǎn)端站發(fā)送頻率可變，可以通過跳頻發(fā)送信息到多中心；

⑥ 遠(yuǎn)端站單終端支持多路、多種業(yè)務(wù)在線。

3.2.2 TDMA體制遠(yuǎn)端站特性分析

① 多遠(yuǎn)端站共用載波，鏈路余量計(jì)算

假定一個(gè)星形網(wǎng)包括1個(gè)中心站和24個(gè)遠(yuǎn)端站，遠(yuǎn)端站配置天線口徑等效0.6 m，中心站配置天線口徑等效2.4 m。2.4 m站發(fā)送上下行大氣雨衰損耗取1 dB，0.6 m站發(fā)送上下行雨衰取1 dB，鏈路余量都為1 dB進(jìn)行鏈路計(jì)算。表1說明2種體制的遠(yuǎn)端站業(yè)務(wù)速率9.6 kbps、64 kbps所需的載波速率、共用載波遠(yuǎn)端站數(shù)、全網(wǎng)需配置的反向載波數(shù)，以及由載波速率決定的功放功率，由此該遠(yuǎn)端站應(yīng)選擇的功放大小。

表1 星型網(wǎng)載波配置、功放選擇和鏈路計(jì)算

站型業(yè)務(wù)速率/kbps載波速率/kbps共用載波遠(yuǎn)端站數(shù)全網(wǎng)共需反向載波數(shù)每載波功放功率/W功放選擇/WFDMA遠(yuǎn)端站9.610.61240.22TDMA遠(yuǎn)端站9.664461.034FDMA遠(yuǎn)端站64721241.54TDMA遠(yuǎn)端站64256384.110

前向TDM載波為8 Mbps載波，每載波功放功率為75.19 W。

星形網(wǎng)反向載波采用FDMA體制，則全網(wǎng)同時(shí)在線，需要使用的衛(wèi)星資源是1個(gè)8 Mbps大載波，24個(gè)9.6 kbps小載波，網(wǎng)絡(luò)通信會(huì)造成前反向功率不平衡，容易帶來非線性效應(yīng)，不利于充分發(fā)揮轉(zhuǎn)發(fā)器的功率效率。

由此可見采用TDMA遠(yuǎn)端站雖然在用戶業(yè)務(wù)速率、鏈路余量相同時(shí)選擇的功放會(huì)大于FDMA站，但采用稍大的載波在目前網(wǎng)絡(luò)前向普遍采用幾Mbps到幾十Mbps的大載波時(shí)更有利于網(wǎng)絡(luò)前反向功率的均衡。

② 突發(fā)結(jié)構(gòu)效率

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)入TDMA衛(wèi)星終端設(shè)備后，首先進(jìn)行分割并添加分組頭后生成分組包，然后多個(gè)分組包形成一個(gè)鏈路層數(shù)據(jù)包，鏈路層數(shù)據(jù)包添加物理層的導(dǎo)頻頭后生成一個(gè)可在信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)突發(fā)包[9-10]，數(shù)據(jù)突發(fā)包的生成過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)突發(fā)包的生成過程示意圖

由圖 5導(dǎo)出幀效率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，數(shù)據(jù)時(shí)隙開銷= 保護(hù)時(shí)間+ 獨(dú)特字開銷 + 突發(fā)頭開銷+N×分組頭開銷；M為數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)；N為數(shù)據(jù)突發(fā)內(nèi)的分組包數(shù)目。

表 2給出了典型幀長(zhǎng)度為106 ms的星狀TDMA反向幀效率計(jì)算結(jié)果。

表2 典型幀設(shè)計(jì)下的載波配置建議與幀效率

典型載波速率/kbps典型數(shù)據(jù)時(shí)隙長(zhǎng)度/ms數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)星狀TDMA反向幀效率/%81921.06969740961.06969520482.125489510244.2524952564.2524851288.512856417685

按表2設(shè)計(jì)幀長(zhǎng)、時(shí)隙長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)時(shí)隙個(gè)數(shù)，TDMA幀效率可達(dá)到85%以上。

FDMA幀效率分析：業(yè)務(wù)信道約90%；但是其需要獨(dú)立的TDM控制信道和ALOHA信道，在考慮業(yè)務(wù)和信令的綜合開銷時(shí)，效率無法達(dá)到90%。因此，星狀TDMA反向幀效率與FDMA相當(dāng)。

3.3 小口徑TDMA地球站星狀網(wǎng)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)星狀網(wǎng)遠(yuǎn)端站最初主要采用小口徑TDMA地球站，隨著TDMA技術(shù)的發(fā)展，以前小口徑TDMA地球站使用中的問題大部分得到了解決。以下幾個(gè)方面是用戶在使用小口徑TDMA地球站中需要考慮的要素：

① 可靠性:為滿足鏈路高可靠性的要求，選擇合適設(shè)備配置，例如用戶載波速率64 ksps，配置0.6 m天線、10 W功放可以使得鏈路余量6 dB以上，保證了小口徑TDMA地球站鏈路的可靠性。

② 載波效率：現(xiàn)在的TDMA技術(shù)縮小了幀之間的保護(hù)時(shí)隙，以及時(shí)隙與時(shí)隙間隔，并調(diào)整幀長(zhǎng)使得幀效率提高，TDMA幀效率和FDMA大致相當(dāng)。

③ 多業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸：提高了小口徑TDMA地球站信道終端接入技術(shù)，支持接入多業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸。不需要多載波發(fā)送，減小功率回退的影響。

④ 操作使用：小口徑TDMA地球站信道終端設(shè)備使用得到了簡(jiǎn)化，只需配置載波頻率和速率等幾個(gè)參數(shù)，入網(wǎng)后由中心站下發(fā)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，操作和使用越來越方便。

小口徑TDMA地球站具有帶寬利用率高、組網(wǎng)靈活、開通迅速等優(yōu)勢(shì)，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，小口徑TDMA地球站可靠性、載波效率以及業(yè)務(wù)傳輸能力都得到很大提高

4 結(jié)束語(yǔ)

在小口徑TDMA地球站使用中，擴(kuò)頻是解決小口徑天線衛(wèi)星通信鄰星干擾問題的有效手段，突發(fā)結(jié)構(gòu)高效設(shè)計(jì)是提高TDMA載波效率的關(guān)鍵，鏈路余量設(shè)計(jì)是鏈路可靠性的保證。通過仿真給出了天線口徑與擴(kuò)頻比的關(guān)系；計(jì)算得出了典型幀設(shè)計(jì)的載波配置建議與幀效率，有助于設(shè)計(jì)高效的突發(fā)結(jié)構(gòu)；通過鏈路計(jì)算給出了遠(yuǎn)端站不同業(yè)務(wù)速率對(duì)應(yīng)載波速率和功放功率，本文對(duì)上述幾個(gè)方面進(jìn)行了探討，提出了突發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鏈路余量、鄰星干擾等方面設(shè)計(jì)思路與解決方法，對(duì)于設(shè)計(jì)小口徑TDMA地球站具有較高的指導(dǎo)意義。

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Research on Small Aperture TDMA Earth Station Application

LIU Li-hong

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Small aperture antenna is limited by some disadvantages such as adjacent sallite inteference and TDMA frame efficiency,which affects the extension and application of the small aperture satellite communication earth station. The burst structure design is the key to improve TDMA frame efficiency. Several DVB-RCS commercial systems are analyzed on basis of the reaserch on DVB-RCS standards. A method is proposed which integratedly consides frame length,carrier rate,time slot number and proper burst structure design at various carrier rates on basis of the analysis of TDMA burst structure. This method can improve MF-TDMD frame efficiency. The spread spectrum solution is proposed for adjacent satellite inteference of small aperture antenna,and its effectiveness is verified through calculation and simulation.

satellite communication;MF-TDMA;small aperture

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.23

劉麗宏. 小口徑TDMA衛(wèi)星通信地球站應(yīng)用研究[J].無線電通信技術(shù),2017,43(4):96-100.

[LIU Lihong. Research on Small Aperture TDMA Earth Station Application [J].Radio Communications Technology,2017,43(4):96-100.]

2017-03-16

劉麗宏(1967—)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信總體技術(shù)。

TP927

A

1003-3114(2017)04-96-5