正交頻分復用技術衛星應用研究

(1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛星通信由于具有大容量、適于多種業務、覆蓋面積廣、通信質量高等優點，已成為國際和國內通信的重要手段。正交頻分復用(OFDM)[1]技術具有很高的頻譜效率和良好的抗多徑衰落能力、靈活性高，在地面4G移動通信系統[2]中得到成功應用，其在頻帶日益緊張、信道特性復雜的衛星通信系統中可以提高系統容量，具有廣闊的應用前景。地面通信技術的發展會牽引并推動衛星通信技術的發展，近年來，衛星通信與地面通信的融合得到廣泛關注， 第三代合作伙伴計劃(3GPP)組織研究5G移動通信系統的同時，成立包括泰雷茲(Thales)、休斯(HUGHES)等國外一流衛星公司組成3GPP衛星組織，研究星地融合通信的技術途徑。OFDM是地面4G、5G移動通信系統的關鍵技術之一。然而OFDM技術具有高峰值平均功率比(峰均比，PAPR)的特點，其通過星上高功率放大器時會產生非線性失真，系統性能會降低，影響衛星通信質量。因此，若要將OFDM應用于衛星通信系統，首先要解決其高峰均比的問題。

本文旨于研究OFDM技術的衛星應用，基于星地通信信道及星上放大器歸一化模型[3]，建立OFDM星地通信系統，基于此，研究OFDM衛星通信系統的性能，能與地面通信系統兼容。傳統的降低峰均比方法[4]如限幅法、選擇性映射方法僅僅以降低峰均比為目標，并沒有與限制OFDM衛星應用的關鍵因素——高功率放大器(HPA)相結合，本文研究的改進的應用于衛星通信系統的降低OFDM峰均比的方法，使用一種新的衡量指標，將星載高功率放大器和OFDM信號的PAPR結合在一起，代替傳統方法，將該方法用于選擇性映射方法(SLM)中，在1×10-4誤比特率時要比PAPR準則好2 dB。本文提出在信道條件好時，采用4G系統上行鏈路使用的單載波頻分多址接入(SC-FDMA)技術，在信道條件差時采用OFDM技術，接收端采用均方誤差(MSE)準則的SLM方法進行解調。這樣衛星系統與地面系統可以采用相同技術，為星地融合通信提供了可能性。

1 OFDM系統降低峰均比的傳統方法

現有的減少OFDM系統PAPR的方法[5]有很多種。其中一種是信號預畸變技術，對信號首先進行非線性處理，包括限幅加窗[6]、壓擴法等方法。這類方法在信號經過放大器之前，首先要對信號進行非線性畸變，其優點在于直觀、簡單，但信號畸變對系統性能造成的損害是不可避免的；另一類是依據于概率類技術，通過對一個OFDM符號加不同的加擾序列來選擇具有最小PAPR的OFDM信號進行傳輸，如SLM[7]、部分傳輸序列(PTS)[8]。

1.1 限幅法

限幅法原理是信號先進行限幅，然后進入非線性放大器件，限幅法給OFDM衛星通信系統帶來相關的問題是OFDM信號幅度產生了畸變，產生干擾，會降低誤比特率(BER)性能，同時會增加帶外輻射功率。

影響限幅性能的參數是限幅率Cr，Cr越大，限幅門限則越高，限幅效果越差；Cr越小，限幅門限越低，限幅效果越好。

圖1為星上使用HPA的OFDM衛星通信系統采用限幅法后性能。從圖中可以看出，由于限幅法是非線性算法，一味追求低的PAPR值，必然會帶來性能的惡化。雖然調整Cr值，可以一定程度改變性能，但由于限幅法對信號進行了非線性畸變，使得其通過星載HPA后，性能反而不如不采取限幅法的性能。

因此，在衛星通信系統中，若HPA工作于非線性段，建議不采用限幅法。

圖1 OFDM衛星通信系統采用限幅法性能Fig.1 Performance of OFDM satellite communication system using clipping amplitude method

1.2 選擇性映射方法

選擇性映射(SLM)方法的基本思想是用多個隨機相位向量與輸入序列進行向量點乘，則可以得到多個不同的輸出序列[7]，然后對多個輸出序列進行快速傅立葉逆變換(IFFT)計算，得到時域OFDM符號，從多個OFDM時域信號序列內選擇PAPR最小的進入系統進行傳輸。SLM大大減少峰值信號出現的概率。其缺點為計算量大，接收端還需要知道所用的相位序列。

由于SLM方法是概率類的降低方法，在接收端可對原始信號進行恢復，因此，該方法不會產生數據的畸變，在沒有其他非線性影響時不會導致誤比特率性能的惡化。

圖2為衛星信道中采用SLM方法后的OFDM衛星通信系統(含星上HPA)的仿真結果。從仿真結果可以看出，由于SLM方法未對信號產生畸變，通過序列優化選擇PAPR低的進行傳輸，減小經過HPA產生的非線性畸變，故其性能要比未采取降低PAPR措施時改善。因此，SLM算法可以應用于衛星通信系統進行降低PAPR，但需要考慮其計算復雜度。

圖2 在衛星信道未采取SLM方法和采取SLM方法的性能Fig.2 Performances of OFDM satellite system using and not using SLM method

2 單載波頻分多址接入技術

地面4G系統上行采用了單載波頻分多址接入(SC-FDMA)[9]，具有較低的PAPR，能夠相應的提高功放的效率和增加小區覆蓋面積，因此作為4G系統上行多址技術，替代OFDM技術。本節借鑒地面4G移動通信系統，研究SC-FDMA在衛星通信系統的性能，研究何種情況下可以代替OFDM技術，何種情況下要采用OFDM技術。

2.1 單徑信道下SC-FDMA衛星通信系統性能仿真結果

圖3為衛星單徑信道下，衛星鏈路分別采用OFDM與SC-FDMA時的誤比特率性能仿真曲線。仿真條件：OFDM子載波數為128，正交相移鍵控(QPSK)調制。從圖中可以看出，在衛星單徑信道未加入HPA時，采用OFDM調制與采用SC-FDMA調制性能是一致的。加入星載HPA后，采用OFDM調制與采用SC-FDMA調制系統性能均有惡化，在1×10-2誤比特率時，HPA的加入對SC-FDMA系統僅帶來了約0.4 dB的性能惡化，對OFDM系統卻惡化了約0.8 dB。可見，在信道條件較好的情況下，SC-FDMA相對較低的PAPR使得其通過放大器后的非線性畸變較小，帶來的系統優勢是非常明顯的。

2.2 多徑信道下SC-FDMA衛星通信系統性能仿真結果

圖4為在衛星多徑信道時，衛星鏈路分別采用OFDM與SC-FDMA誤比特率性能仿真曲線。仿真條件：OFDM子載波數為128，QPSK調制。從仿真結果可以看出，在衛星多徑信道未加入HPA時，OFDM系統性能比SC-FDMA系統性能好約5 dB，在下行鏈路中加入HPA后，OFDM系統性能惡化約0.3 dB，而SC-FDMA系統基本沒有惡化，但是加入HPA的OFDM系統的性能仍然遠遠優于SC-FDMA系統，此時就顯示了OFDM的抗多徑效應的優勢。

圖4 衛星多徑信道下性能對比Fig.4 Performances of multi-path satellite channel using OFDM and SC-FDMA

因此，當信道條件好時，SC-FDMA調制的低峰均比優勢凸顯，系統采用SC-FDMA調制會具有較好的性能；當信道條件較差時，OFDM抗多徑的優勢會凸顯，系統采用OFDM調制會具有明顯的性能優勢。

3 改進的針對OFDM信號PAPR問題的衡量指標

第1節中各種解決PAPR的方法都是盡量使OFDM信號的PAPR值最小，將PAPR最低作為評判準則。若衛星系統為線性系統，則不需要解決PAPR問題，需要解決PAPR問題是由星上放大器的非線性造成的。文獻[10]提出了一種新的衡量準則，用MSE準則代替PAPR作為衡量。

OFDM信號存在最大值，也有次峰值等。在通過星載HPA后，不僅最大值會帶來非線性畸變，其他幅度與其接近的次峰值等也有可能引起信號畸變。現有PAPR技術僅將最大值限制至最小，卻沒有考慮幅度接近次峰值等。所以現有的PAPR最小準則在應用于星上時并不是最優的。

而本節中，將HPA的特性引入到PAPR，不再獨立處理PAPR問題；而以非線性畸變的程度作為優化準則。用通過HPA之前、后的OFDM信號的均方誤差(Mean Square Error，MSE)來表征，即將文獻[10]的準則應用于衛星通信系統的新的優化準則。

(1)

式中：x(n)為非線性放大器的輸入；z(n)為非線性放大器的輸出；N為OFDM信號的采樣點數；E為OFDM信號通過放大器前后的均方誤差。

傳統的降低峰均比的方法都能采用MSE作為評判指標，OFDM信號經過HPA后的畸變度減小，從而可以提高BER性能。為了驗證MSE準則的性能，本文將這種指標應用于SLM技術中。同一個待傳輸序列X共有M個可被選序列，在以最小MSE為準則的SLM方法下，選擇MSE值最小的序列進行傳輸。

新的SLM的目的并不在于最小化PAPR，所以本文采用在衛星信道下的誤比特率性能進行比較。圖5給出了M=6時采用PAPR準則、MSE準則時SLM方法的誤比特率性能。仿真中調制方式為QPSK，載波數為128，星上采用HPA進行放大轉發，HPA為飽和輸入狀態，即此時非線性最惡劣。

圖5 衛星信道的不同準則SLM方法的誤比特率性能Fig.5 Performances of SLM method using different criterions in one-path satellite channel

由圖5可見，采用MSE作為性能指標的SLM方法的誤比特率性能比采用PAPR作為性能指標的SLM方法的誤比特率性能要好。從圖5中看出，對于MSE準則的SLM方法，其在1×10-4誤比特率時， 性能要比與PAPR準則的SLM方法好約2 dB，比未采取降低PAPR方法系統性能好約3 dB。這顯示了用非線性畸變產生的MSE作為性能指標的優勢。同時，由于采用MSE作為性能指標的SLM選擇的OFDM序列產生的非線性畸變量最小，故其經過非線性放大器后的帶外干擾也應該較小。

圖6為衛星兩徑信道時兩種準則下的SLM方法應用于OFDM衛星通信系統的性能。從圖中可以看出，在多徑信道時，MSE準則仍然比PAPR準則好約1.5 dB。但改善效果不如單徑信道明顯，這是因為，在信道條件惡劣時，高功率放大器的非線性帶來的影響遠不如信道條件的影響大。

圖6 衛星多徑信道的不同準則SLM方法的BER性能Fig.6 Performances of SLM method using different criterions in multi-path satellite channel

因此，OFDM衛星通信系統可以采用MSE準則的SLM方法，相比于PAPR準則優化的SLM方法，性能得到提升。

4 結束語

為了能夠加快衛星通信系統與地面系統融合，本文研究4G系統關鍵技術——OFDM技術在衛星通信中的應用。星上HPA回退到線性段時可以直接使用OFDM技術，而實際使用中為了提高發射功率，星上HPA處于非線性段，OFDM能否應用于衛星通信系統的關鍵制約因素為如何減小星上HPA的非線性對OFDM信號的畸變程度。本文給出以下使用策略：

(1)SC-FDMA相對較低的PAPR使得其通過放大器后的非線性畸變較小，單徑信道1×10-2誤比特率時,其性能優于OFDM系統0.4 dB，因此，信道條件好時，采用地面4G系統的上行多址方式SC-FDMA。

(2)多徑信道中，由于OFDM具有抗多徑衰落的優勢，其性能遠遠優于SC-FDMA系統。因此，信道條件惡劣時采用OFDM技術。而采用OFDM技術時，建議不再考慮單純降低PAPR，而且采用新的MSE衡量指標，該準則在1×10-2誤比特率時的性能改善約2 dB。

OFDM信號對多徑信道和HPA畸變的適應能力，使得OFDM技術能夠應用于衛星通信系統，且衛星系統和地面4G、5G系統采用相同的多址方式，為星地融合通信提供技術途徑。

若通過本文所論述的方法，能使OFDM應用于衛星通信系統，一方面，當衛星應用于移動終端時可以提升系統抗多徑能力，另一方面，對于星上透明轉發的載荷來說，星上可以繼續采用原有設計，不用改變，只需要改變地面終端的通信體制即可，且具備與地面通信系統融合的條件，地面終端可以實現一卡雙用(地面通信、衛星通信)。