小口徑TDMA衛(wèi)星通信地球站應用研究

劉麗宏

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

小口徑TDMA衛(wèi)星通信地球站應用研究

劉麗宏

(中國電子科技集團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用，其中突發(fā)結構設計是提高TDMA幀效率關鍵，在對DVB-RCS標準進行研究的基礎上，分析了幾個DVB-RCS商用系統(tǒng)，在分析TDMA突發(fā)結構基礎上綜合考慮幀長、載波速率、時隙數(shù)，不同載波速率下適當?shù)耐话l(fā)結構設計是提高MF-TDMA幀效率的方法。針對小口徑天線鄰星干擾問題，提出擴頻的解決方法，經(jīng)過計算或仿真驗證了方法的有效性。

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域都得到了極大的發(fā)展，應用領域越來越廣泛，隨著衛(wèi)星功率的提高、集成電路技術、射頻器件技術以及編碼和調(diào)制等數(shù)字信號處理技術的成熟，甚小口徑數(shù)據(jù)終端(Very Small Data Terminal，VSAT)應運而生，使得小口徑衛(wèi)星通信地球站得到廣泛應用。現(xiàn)在VSAT設備普遍采用DVB-RCS標準，DVB-RCS系統(tǒng)一般采用星狀網(wǎng)或星網(wǎng)混合拓撲結構[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)絡拓撲分為星狀、網(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)絡拓撲結構，星形衛(wèi)星通信系統(tǒng)適用于業(yè)務傳輸主要發(fā)生在中心站和遠端站之間。

星型網(wǎng)非常適合于當前互聯(lián)網(wǎng)應用，可支持同時在線的地球站數(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)務帶寬，適應在線用戶數(shù)變化大、每個用戶業(yè)務帶寬經(jīng)常變化。因此小口徑TDMA地球站非常適合于偏遠地區(qū)，解決用戶上網(wǎng)和通話的需求。

MF-TDMA星型網(wǎng)也適合于應急通信，在大家需要了解災區(qū)情況，反向需要載波帶寬變大時由于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)應用，是后續(xù)重點推廣和關注的方向。

1 DVB-RCS系統(tǒng)簡介

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，這些使用模式結合了靈活的傳輸機制，包括信道編碼優(yōu)化、突發(fā)幀結構優(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表示一個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡有1個中心站和3個遠端站，遠端站共同利用3條返向載波時隙向中心站回傳業(yè)務，系統(tǒng)按時隙分配載波資源，高效利用衛(wèi)星頻率資源。

圖1 DVB-RCS反向MF-TDMA信道載波時隙分配示意圖

2 2個商用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市場份額中占據(jù)前3位，下面介紹其中2家公司相關的產(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 遠端站使用一個共享的上行載波即采用D-TDMA訪問體制；

③ 可構建星狀網(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、動靜態(tài)路由以及QoS等功能。

圖2為Idirect衛(wèi)星系統(tǒng)1個主站和2個遠端站星網(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

網(wǎng)絡結構: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

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

③ 入境信道

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

④ 訪問機制:基于DVB-RCS的MF-TDMA。

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

星型網(wǎng)特點：

① 點對多點發(fā)布，中心站在TDM載波發(fā)送信息，全網(wǎng)的遠端站都可同時接收，實現(xiàn)了中心站向多個遠端站信息發(fā)布；

② 多點到1點接收，中心站具有多載波解調(diào)能力，可同時解調(diào)多條載波，遠端站可分多組同時通過多條載波向中心站發(fā)送信息；

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

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

⑤ 遠端站可同時接收多中心信息，遠端站可具有一個以上的解調(diào)器，同時接收多中心發(fā)布的業(yè)務。

3 小口徑TDMA地球站應用關鍵要素

小口徑TDMA地球站[7]適用于應急通信，例如地震等自然災害造成的原有通信設施損毀，需要機載、車載或便攜式等運輸、開通方便，能夠迅速搭建并投入使用通信設備，也適用于偏遠人口稀少的地區(qū)，可以用低成本通信設施，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)的遠端站主要取決于2個方面：小口徑天線鄰星干擾問題，TDMA體制小站如何更好適應星狀網(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，因此當衛(wèi)星排列較密，而地球站天線口徑較小、波束較寬時，將會出現(xiàn)較為嚴重的鄰星干擾[8]，系統(tǒng)設計和系統(tǒng)應用時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°。

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

假設中心站天線口徑為13 m，遠端站口徑為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)星要求計算地球站偏軸輻射的最大允許值。依據(jù)ITU對地球站偏軸輻射的最大允許值限制，繪制圖3和圖4。其中包絡線為ITU限制值，方向圖為0.3 m遠端站采用LDPC 1/2編碼時發(fā)射的EIRP值。

圖3可以看出0.3 m站采用LDPC編碼，在不擴頻的情況下EIRP譜密度在天線的主瓣、旁瓣都超出包絡，超過偏軸輻射的最大允許值，不滿足ITU標準要求。因此會產(chǎn)生鄰星干擾造成相鄰通信衛(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頻體制，LDPC碼率為0.5時采用8倍擴頻偏軸EIRP譜密度降低，主瓣、旁瓣EIRP譜密度都在包絡線以下符合ITU標準要求。為保險起見0.3 m天線采用10倍擴頻可以保證0.3 m地球站正常通信不會產(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頻可以有效地抑制鄰星干擾。

圖3 0.3 m站采用未擴頻時的對照圖

圖4 0.3 m站采用8倍擴頻時的對照圖

3.2 MF-TDMA星型網(wǎng)特性分析

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

網(wǎng)絡容量：主要指網(wǎng)絡所能容納的用戶節(jié)點數(shù)量，對不同級別的衛(wèi)星網(wǎng)絡有不同的要求。

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

3.2.1 DVB-RCS星狀網(wǎng)特點

① 前向采用TDM載波；

② 反向MF-TDMA，遠端站靈活擴展，由于每條TDMA體制載波可有多個站共用，因此在系統(tǒng)帶寬一定情況下，遠端站用戶數(shù)量擴展能力優(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，不需要增加設備；

④ 遠端站可同時收多中心信息；

⑤ 遠端站發(fā)送頻率可變，可以通過跳頻發(fā)送信息到多中心；

⑥ 遠端站單終端支持多路、多種業(yè)務在線。

3.2.2 TDMA體制遠端站特性分析

① 多遠端站共用載波，鏈路余量計算

假定一個星形網(wǎng)包括1個中心站和24個遠端站，遠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進行鏈路計算。表1說明2種體制的遠端站業(yè)務速率9.6 kbps、64 kbps所需的載波速率、共用載波遠端站數(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，由此該遠端站應選擇的功放大小。

表1 星型網(wǎng)載波配置、功放選擇和鏈路計算

站型業(yè)務速率/kbps載波速率/kbps共用載波遠端站數(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遠端站9.610.61240.22TDMA遠端站9.664461.034FDMA遠端站64721241.54TDMA遠端站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)同時在線，需要使用的衛(wèi)星資源是1個8 Mbps大載波，24個9.6 kbps小載波，網(wǎng)絡通信會造成前反向功率不平衡，容易帶來非線性效應，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遠端站雖然在用戶業(yè)務速率、鏈路余量相同時選擇的功放會大于FDMA站，但采用稍大的載波在目前網(wǎng)絡前向普遍采用幾Mbps到幾十Mbps的大載波時更有利于網(wǎng)絡前反向功率的均衡。

② 突發(fā)結構效率

業(yè)務數(shù)據(jù)進入TDMA衛(wèi)星終端設備后，首先進行分割并添加分組頭后生成分組包，然后多個分組包形成一個鏈路層數(shù)據(jù)包，鏈路層數(shù)據(jù)包添加物理層的導頻頭后生成一個可在信道傳輸?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導出幀效率的計算公式如下：

(1)

式中，數(shù)據(jù)時隙開銷= 保護時間+ 獨特字開銷 + 突發(fā)頭開銷+N×分組頭開銷；M為數(shù)據(jù)時隙個數(shù)；N為數(shù)據(jù)突發(fā)內(nèi)的分組包數(shù)目。

表 2給出了典型幀長度為106 ms的星狀TDMA反向幀效率計算結果。

表2 典型幀設計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)時隙長度/ms數(shù)據(jù)時隙個數(shù)星狀TDMA反向幀效率/%81921.06969740961.06969520482.125489510244.2524952564.2524851288.512856417685

按表2設計幀長、時隙長度和數(shù)據(jù)時隙個數(shù)，TDMA幀效率可達到85%以上。

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

3.3 小口徑TDMA地球站星狀網(wǎng)應用

國內(nèi)星狀網(wǎng)遠端站最初主要采用小口徑TDMA地球站，隨著TDMA技術的發(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技術縮小了幀之間的保護時隙，以及時隙與時隙間隔，并調(diào)整幀長使得幀效率提高，TDMA幀效率和FDMA大致相當。

③ 多業(yè)務同時傳輸：提高了小口徑TDMA地球站信道終端接入技術，支持接入多業(yè)務同時傳輸。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地球站信道終端設備使用得到了簡化，只需配置載波頻率和速率等幾個參數(shù)，入網(wǎng)后由中心站下發(fā)網(wǎng)絡參數(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，隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，小口徑TDMA地球站可靠性、載波效率以及業(yè)務傳輸能力都得到很大提高

4 結束語

在小口徑TDMA地球站使用中，擴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)結構高效設計是提高TDMA載波效率的關鍵，鏈路余量設計是鏈路可靠性的保證。通過仿真給出了天線口徑與擴頻比的關系；計算得出了典型幀設計的載波配置建議與幀效率，有助于設計高效的突發(fā)結構；通過鏈路計算給出了遠端站不同業(yè)務速率對應載波速率和功放功率，本文對上述幾個方面進行了探討，提出了突發(fā)結構設計、鏈路余量、鄰星干擾等方面設計思路與解決方法，對于設計小口徑TDMA地球站具有較高的指導意義。

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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)星通信地球站應用研究[J].無線電通信技術,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，高級工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信總體技術。

TP927

A

1003-3114(2017)04-96-5