天地一體化信息網絡中信令技術的研究

姚艷軍，王　爍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

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天地一體化信息網絡中信令技術的研究

姚艷軍，王爍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

摘要為了解決天地一體化信息網絡中信令相關技術難點以及信令信道的建設，提出了在天基骨干節點搭載S頻段相控陣載荷的解決方法。對幾個關鍵技術進行了重點分析：在物理層，提出了基于開環的信令數據時頻快速同步技術、基于非相干的分組數據解調技術；在鏈路層，采用擴頻ALOHA方式解決廣域用戶隨機接入問題。仿真結果表明，基于多符號聯合檢測的分組數據解調技術比理想相干解調僅損失0.5dB，擴頻ALOHA多址隨著擴頻增益增大，容量也相應增加。

關鍵詞天地一體化信息網絡；信令信道；骨干網；S頻段；相控陣載荷

0引言

天地一體化信息網絡由互聯網、移動通信網和天基信息網三網組成，不但在地面可以利用商用的網絡資源，還可以利用天基信息網絡完成信息的傳輸與分發，其目的是利用統一的技術體制和規范，建設天地一張網，實現業務應用無縫融合和資源統籌調度。

天基信息網面向全球范圍陸海空天“立體空間”里的用戶，具有“高、遠、廣”的優勢，能有效解決地面網絡覆蓋的有限性和容災脆弱性，在天地一體化信息網絡中發揮著關鍵作用，其邏輯劃分由接入網和骨干網組成。接入網服務用戶，主要解決如何為局部區域的多用戶同時提供信息服務。骨干網服務節點，主要解決跨區域骨干數據傳輸問題。一些信息獲取類衛星或者地表重要用戶，對數據傳輸帶寬要求比較大，也可以直接接入到骨干網。

文獻[1]對美國的天基信息系統發展現狀與趨勢進行了概述，文獻[2-3]論述了天基信息網絡的概述、應用前景及系統分類，文獻[4-6]從軍事一體化聯合作戰的角度提出了建設我國天基信息網絡的思考。目前的文獻大多停留在定性描述階段，較少能夠提出具備實際可操作的網絡建設、關鍵技術以及相關仿真論證的手段。本文著眼于實際可操作層面，結合具體場景詳細闡述了整個通信過程中的信令流程，創新性地提出了一種信令網的建設方法，即在骨干接點搭載S頻段相控陣載荷，解決信令傳輸問題。

1信令信道的需求

骨干網一般為毫米波或激光鏈路，其特點有：① 能量集中，波束窄，覆蓋范圍小；② 服務對象高速運動，需要動態建鏈和目標跟蹤，如信息獲取類衛星；③ 骨干鏈路資源有限，不能同時為所有用戶提供服務，這需要信令信道為骨干網提供相關的信令控制功能，以保證骨干網的組網智能化、資源彈性化、隨遇接入和按需服務功能。如在通信前，用戶利用信令信道提出申請，報告自身及對方的信息，網絡解析信令后調度骨干鏈路的波束服務用戶，從而完成鏈路的建立；在通信時，由于某些用戶具有高動態特性，還需要利用信令信道動態的更新拓撲和路由，維持通信鏈路。

2個用戶完成寬帶數據交換為例，具體分析信令在其中的作用，如圖1所示。A、B、C、D和E為靜止軌道的天基骨干節點，彼此用激光完成互聯。同時，各自又具有能全球覆蓋的波束，用來完成信令的接入。用戶1和用戶2為高動態用戶，用戶1有寬帶數據要發往用戶2。

圖1　信令信道的作用場景

整個通信建立的過程分為4個階段，如圖2所示。

圖2　信令過程的4個階段

第1階段：“隨機請求”，用戶1通過全球廣域無縫覆蓋的波束發送信令a，基本內容為“我是1，我要傳寬帶數據給2”；第2階段：“全網尋呼”，網絡解析信令a，發送信令b，基本內容為“用戶2，用戶1有寬帶數據要傳給你”；第3階段：“尋呼應答”，用戶2收到信令b后，發送信令c，基本內容為“好的，知道了，我是用戶2，我目前位置在xxx”；第4階段：“鏈路建立”，網絡根據以上信令，建立路由和鏈路，調度窄波束服務用戶1和用戶2，開始寬帶數傳。值得指出的是，為了解釋信令的作用，以上階段做了簡化，實際中的信令或更為復雜。

2信令信道的建設

信令信道傳輸網絡的控制數據，如申請、尋呼及應答等控制信令，速率一般在kbps級別，具有短時、低速等特點，完成整個網絡的控制與管理。為了保證信令隨時暢通，必須具有全球覆蓋的波束基礎。地面蜂窩網絡利用密集分布的基站完成地表用戶的無縫覆蓋，使得用戶具有隨機接入功能。類似地，為了保證全球的波束覆蓋，提出以下2種建設思路：

① 高頻段(Ka)寬波束覆蓋。在天基骨干節點上搭載單個高頻段天線陣元，形成一個寬波束覆蓋全球，這種方式的優點是方式簡單，但抗雨衰能力不夠，在雨衰嚴重時可能會造成鏈路中斷。

② 低頻段(S)多波束密集覆蓋。在天基骨干節點上搭載S頻段多波束相控陣載荷，以點波束交疊覆蓋的形式，形成蜂窩式的組合全景波束，如圖3所示，可以實現對全球陸海空天各類用戶的無縫覆蓋。

圖3　S頻段合全景波束無縫覆蓋三維示意

基于S頻段組合全景波束建設信令信道有以下幾個優點：

① 以點波束交疊的形式覆蓋全球，能保證一定的增益，減小對用戶端的要求，從而使得手持式小用戶成為可能；

② 用戶使用全向天線就能保證鏈路預算要求，不需要定向天線復雜的對星操作；

③ 工作于S頻段，具有良好的抗雨衰性能。

以天基骨干節點搭載口徑為1.7 m的S頻段相控陣載荷為例，按照一定的交疊電平，覆蓋1 000 km的航天器總共約需要37個波束。在信令信息速率為1 kbps的條件下，終端的EIRP約需要6.5dBW。

有了全球覆蓋的波束基礎后，需要考慮的是通信體制設計問題。由于信令一般為低速數據，可基于CDMA通信體制，既能滿足信令的QoS要求，也能滿足一定的抗干擾性能。下面分別提出基于CDMA體制的信令信道物理層、鏈路層的若干關鍵技術及解決途徑。

3物理層關鍵技術

3.1時頻快速同步技術

在CDMA通信體制條件下，在接收端需要通過載波同步、碼同步實現收發兩端的時頻對齊。載波頻率和相位、碼相位既可通過環路實現，也可采用開環估計的方式實現[7]。使用環路實現同步需要一定數量的比特用于環路鎖定。由于信令信息具有低速突發特點，對同步時間要求較高，本方案采用開環同步方法，包括以下幾個步驟：① 捕獲[8]；② 載波多普勒估計；③ 碼偏估計。

捕獲實現時頻粗同步，并將粗同步的信息輸入到后繼的多普勒估計、碼偏估計模塊，載波和碼偏估計采用基于數據輔助的估計方法[9]。

3.2低損的分組數據解調技術

解調的主要任務之一是在接收信號載波與本地載波存在一定頻差和初始相差的條件下，采取一定的措施，從調制載波中恢復出基帶調制信號的過程。衛星通信中常用的解調方式主要有差分解調和相干解調2種。差分解調可以不需要恢復相干載波，通過一種簡易的方法可對信號進行解調。而相干解調的原理是通過一定方法，從接收到的調制信號中提取載波頻率和相位信息，在接收端恢復出與調制載波同頻同相的載波信號并調制的過程[10]。

由于信令數據內容較短，為低速突發的分組業務，對同步時間要求較高，恢復相干載波比較困難，本方案采用非相干解調的方式，不需要恢復相干載波信息，可以承受一定的信道估計誤差，處理的復雜度較低，實現起來較為簡單。常用的非相干解調方式即為差分解調，其基本原理是將前一個信號間隔內的載波相位作為相位參考。相干解調的性能要由于差分解調的性能，調制階數越高，性能差異越大。

為了提高非相干解調的性能，采用多符號聯合檢測的方式。多符號聯合差分檢測方法與現有的差分檢測的區別在于：現有的差分檢測是通過比較某一符號區間的接收信號與前一符號的相位實現的，多符號差分檢測(MSD)是通過比較N(N>2)個符號之間的相位，同時對N-1個符號做出判決[11]。

(1)

在白噪聲條件下，給定s、θ時，接收信號的似然函數為：

(2)

式中，

(3)

在差分編碼方式下，判決規則可表示為：

(4)

本文對不同的解調算法進行了仿真分析，不同算法性能仿真結果如圖4所示。

圖4　多符號聯合檢測與差分解調性能對比

由圖4可知，差分解調比理想相干解調約損失1dB的信噪比，而采用7符號聯合的差分解調只比理想相干解調約損失0.5dB。

4鏈路層關鍵技術

天基信息網絡的用戶遍布全球，鏈路層需要解決的一個關鍵問題是用戶多址接入。目前常用的多址方式有固定多址方式，如FDMA、TDMA和CDMA，隨機多址方式主要包括純ALOHA、時隙ALOHA和預約ALOHA等。對于突發信令數據而言，如果仍然沿用電話業務中的固定多址預分配方式的話，信道利用率將會很低。即使采用按申請動態分配信道，也不會有太大改善，因為發送數據分組的時間可能遠小于信道申請分配時間[10]，因此本方案采用隨機多址方式。

本方案采用將非時隙ALOHA與CDMA擴頻技術相結合，發送經過擴頻調制的信令。所有用戶共用1個(或數個)公共擴頻碼，2個或2個以上的數據包在時間軸上可能會有重疊的部分，即在信道中發生碰撞，但這些發生碰撞的數據包不一定全部被毀壞，只要它們到達地面站的時間差滿足一定的條件，它們便可以被地面站成功接收，因此系統吞吐量會比傳統的純ALOHA高出很多[12]。

對吞吐性能進行仿真和數值計算，可以得到不同ALOHA接入機制吞吐量和用戶數等變量之間的關系。選取的系統參數為：擴頻沖突區間δ=2 chips，擴頻碼率3.069 Mcps，分組時間長度T=0.5s。在一定的用戶平均到達率λk條件下，純ALOHA、時隙ALOHA以及不同擴頻處理增益N之下，擴頻非時隙ALOHA系統吞吐量與用戶數的關系曲線，如圖5所示。

圖5　不同接入方式下，吞吐量隨用戶數變化

從圖5可以看出，純ALOHA吞吐量最大只有0.184 分組/s；時隙ALOHA吞吐量最大也只有0.368 分組/s，且同樣穩定性較差。擴頻非時隙ALOHA系統吞吐量性能要遠遠優于純ALOHA以及時隙ALOHA，在擴頻增益為31的條件下，最大吞吐量為2 分組/s。而且可以看出隨著擴頻增益N的增大，系統最大吞吐量和穩定工作區域增大。

5結束語

本文對天地一體化信息網絡的信令信道進行了深入研究，引入天基骨干網對信令信道的需求，并結合具體場景，對信令在天基骨干網中的作用進行了具體的闡述；提出了在天基骨干節點搭載S頻段相控陣載荷建設信令信道的思路，并總結了若干特點；對物理層和鏈路層的若干關鍵技術進行了較為詳細的分析，并得到了定量的分析結果。本文的研究成果對后期天地一體化網絡的建設具有較強的指導意義。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.01

收稿日期：2016-03-24

中圖分類號TN391.4

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0001-04

作者簡介

姚艷軍男，(1986—)，博士，高級工程師。主要研究方向：通信網絡系統設計。

王爍男，(1981—)，博士，高級工程師。主要研究方向：衛星通信與網絡技術。

A Research on Signaling Technique in the Global-integrated Network

YAO Yan-jun,WANG Shuo

(The38thResearchInstituteofCETC,HefeiAnhui230088,China)

AbstractThis paper aims to address the key technologies and construction of signaling channel in the Global-integrated Network.The paper proposes the way of developing signaling channel,based on the deployment of S-band phased array payload on the backbone nodes.Then,some key technologies are analyzed.Specifically,in physical layer,the paper proposes a way of fast synchronization based on the open loop method.Then,the demodulation of short message based on non-coherent way is also proposed.In the link layer,the method of spreading spectrum combined with ALOHA is used to solve the problem of random access where the users are scattered all around the word.Simulation results show that the solutions to the key technologies meet the actual requirements.Therefore,the paper can give a good direction in the construction of Global-integrated Network.

Key wordsGlobal-integrated Network;signaling channel;backbone network;S band;phased array payload

引用格式：姚艷軍,王爍.天地一體化信息網絡中信令技術的研究[J].無線電工程,2016,46(7):1-4.