移動用戶目標系統網絡架構及性能分析

張華沖，陳 強，張 保，韓 星，薄保林

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；(2.中國人民解放軍73676部隊，江蘇 江陰 214400)

0 引言

美國新一代軍事通信衛星系統主要包括提供低速戰術業務的窄帶衛星通信系統、提供高速業務的寬帶衛星通信系統和提供受保護業務的抗干擾衛星通信系統等三大部分，負責為美軍提供多維信息鏈接和通信服務[1]。其中窄帶衛星通信系統主要為用戶提供話音、低速率數據和移動通信等服務。

窄帶衛星通信系統采用UHF頻段。由于UHF頻段受氣候和遮蔽等自然環境的影響較小，美軍一直把該頻段作為窄帶衛星通信的主用頻段。目前，美軍衛星通信用戶中，有超過60%的用戶使用UHF頻段進行通信，各軍種部署的UHF頻段衛星通信終端超過1.8萬臺，終端類型超過50種[2]。

自年1978年至今，窄帶衛星通信系統經歷了從艦隊衛星通信系統(FLTSAT)、特高頻后繼星通信系統(UFO)到MUOS的發展歷程[3]。

為了彌補UFO系統通信容量的不足以及戰術通信使用便捷化等需求，美國海軍的通信衛星項目管理辦公室(PMW146)負責開發MUOS項目[4]，并于2004年與洛克馬丁公司等簽訂合同開始研制。

MUOS采用地面第三代移動通信寬帶碼分多址(WCDMA)技術，利用UHF頻段衛星信道在全球范圍內提供類似于手機的服務，支持業務類型包括話音、數據和視頻等。相比于UFO系統，極大滿足了美軍窄帶數據通信需求。

MUOS系統是美軍最新的窄帶衛星通信系統，采用了大量先進技術，代表了窄帶通信的發展方向。本文介紹了MUOS系統的網絡架構，深入分析了其載荷配置、通信流程、復用及多址技術。通過與UFO對比，顯示了MUOS在通信容量方面的巨大突破。總結了MUOS的發展現狀，希望能對我國的軍事衛星通信系統有所借鑒。

1 MUOS網絡架構

MUOS由空間段、用戶段和地面段三部分組成，MUOS系統網絡架構[5-6]如圖1所示。地面段除了完成衛星和網絡控制外，還提供與國防信息系統網絡(DISN)和公共電話交換網絡(PSTN)的接口，支持GIG的接入能力。

圖1 MUOS衛星網絡架構

1.1 空間段

MUOS系統的空間段包括5顆MUOS衛星，位于地球同步軌道，其中4顆主用衛星和1顆備用衛星。MUOS衛星主要功能是完成地面段的網關站與用戶終端之間的信號轉發。MUOS衛星的UHF頻段波束覆蓋地球表面的南北緯65°的全球區域。MUOS衛星的發射時間與軌位如表1所示。

表1 MUOS衛星發射日期及軌位

衛星發射時間軌位服務區域MUOS-12012-02-24177°W太平洋MUOS-22013-07-19100°W美洲大陸MUOS-32015-01-2015.5°W大西洋MUOS-42015-09-0275°E印度洋MUOS-52016-06-24105°W備份星目前覆蓋美洲大陸

1.2 地面段

MUOS地面段包括2個衛星控制站和4個無線接入站，不同的地面站之間通過光纖網絡連接在一起，形成一個統一的網絡。衛星控制站和無線接入站主要完成如下4個方面的功能：

① 衛星控制(Satellite Control Facility，SCF)：通過Ka頻段和S頻段測控鏈路控制衛星正常運行。② 網絡管理(Network Management Facility，NMF)：管理地面網絡運行，完成用戶接入、資源規劃以及干擾定位等功能。③ 無線接入(Radio Access Facility，RAF)：完成饋電鏈路無線信號的收發。④ 交換管理(Switching Facility，SF)：完成呼叫路由管理。

衛星控制站和無線接入站的位置及功能配置如表2所示。

表2 衛星控制站和無線接入站功能配置

站址衛星控制網絡管理無線接入交換管理外部接口加利福尼亞州穆古海軍航空站√----科羅拉多施里佛空軍基地√----弗吉尼亞諾福克海軍基地--√√√夏威夷瓦西阿瓦-√√√√澳大利亞杰落頓--√--意大利Niscemi--√--

1.3 用戶段

MUOS的用戶段包括便攜式、車載、艦載、機載平臺使用的各類型終端。MUOS終端采用公共空中接口(CAI)與MUOS衛星建立連接，通過MUOS無線接入站、商用網關連接到商用的移動衛星終端通信。MUOS用戶也可以通過DISA電信港與其它軍事通信衛星的用戶進行通信。

典型終端有通用動力公司研發的AN/PRC-155雙通道便攜式終端是第一個實現與MUOS衛星通信的終端。哈里斯公司開發的獵鷹III AN/PRC-117G便攜式終端[7]基于軟件無線電架構，是唯一支持加密算法套件Suite B的戰術終端，重量僅為5.4 kg。羅克韋爾公司開發的ARC-210 RT-2063(C)機載終端，其特點是支持傳統窄帶波形(UFO)、寬帶波形(MUOS)及其他多種V/UHF頻段通信波形[8]，提供超視距的數據、話音和圖像傳輸。

MUOS終端一般采用JTRS的體系結構，可以對裝備到用戶的大量UFO終端進行波形升級即可支持MUOS系統。

2 MUOS特點及性能分析

2.1 雙載荷配置

UFO衛星發射于1993～2003年之間，目前，大部分衛星已經進入了壽命末期，通信能力已經下降。MUOS衛星配置了2個載荷：一個是新型的WCDMA載荷，另一個是與UFO衛星和UFO終端兼容的傳統載荷。這樣在MUOS衛星替代UFO衛星的過程中，就保證了窄帶衛星通信業務的平穩過渡。在衛星上，2種載荷的通信業務不支持互聯互通[9]。

傳統載荷與UFO-11衛星兼容，采用下行頻段采用244～270 MHz，上行頻段采用292～318 MHz，支持17個25 kHz信道和21個5 kHz信道。采用專用信道波形和TDMA波形，比如按需分配多址(DAMA)和集成波形(Integrated Waveform)。資料表明，窄帶通信服務一直持續到2025年。

WCDMA載荷使用一副口徑為14 m的多波束天線(MBA)收發UHF頻段信號,比UFO系統中使用的全球波束天線增益更大。MBA天線在地球表面可視區域形成16個波束，每個波束承載上下行各4個WCDMA載波，每個載波帶寬為5 MHz。每個用戶在給定的WCDMA載波中分配一個擴頻碼，實現業務通信。

2.2 雙跳通信流程

MUOS的通信鏈路包括用戶鏈路和饋電鏈路：用戶鏈路指MUOS終端和衛星之間的通信鏈路，上行頻段為300～320 MHz，下行頻段為360～380 MHz；饋電鏈路指MUOS地面站和衛星之間的通信鏈路，上行頻段為30～31 GHz，下行頻段為20.2～21.2 GHz。

MUOS終端之間的典型通信過程為雙跳通信[10]，通信流程如圖2所示。

圖2 MUOS通信流程

MUOS終端的業務數據通過U2B鏈路[11](包括UHF上行鏈路①和Ka下行鏈路②)，經過MUOS衛星的轉發實現終端到地面站的通信。在地面站完成路由交換后，業務數據通過B2U鏈路(包括Ka上行鏈路③和UHF下行鏈路④)，經過MUOS衛星轉發到終端B，實現雙跳通信流程。兩次轉發可以在同一顆衛星、也可以在不同衛星間轉發。若在不同衛星間轉發，則需要地面站通過地面網絡完成中繼。

在U2B鏈路中，衛星采用處理轉發方式對可視區域內的2個地面站實現數據轉發[5]。衛星上的MBA天線接收UHF頻段16個點波束的64個上行WCDMA載波信號，分為2組，每組32個WCDMA載波，對每組信號完成二次調制后，實現UHF-Ka的轉發。2組Ka頻段信號轉發到MUOS衛星可視區域的2個地面站。

二次調制過程包括AD變換、信道化、去相關、Hadmard變換、量化、Turbo編碼與8PSK調制等過程。8PSK的符號速率為384 Msps，3個載波信號采用極化復用方式承載在1 GHz頻帶內[12]。8PSK信號的頻率規劃[13]如圖3所示。

圖3 衛星到關口站的頻率計劃

在B2U鏈路中，衛星采用透明轉發的方式實現Ka頻段UHF頻段不同波束的WCDMA載波的轉發。地面站的2幅Ka頻段天線分別指向2顆MUOS衛星，2條Ka上行鏈路分別承載32個WCDMA載波。32個WCDMA載波采用FDM的方式承載在Ka上行頻段上。

2.3 綜合采用多種復用技術

MUOS綜合采用碼分、時分、頻分和空分等多種復用技術，一方面發揮了WCDMA通信體制業務承載靈活的優勢，另一方面大大提高了通信容量。

碼分復用是WCDMA空中接口的一大特點，主要表現在B2U UHF頻段下行鏈路上，多個用戶的業務內容分別承載在不同的擴頻碼道上，調制到同一個載波并發送給不同的終端用戶。

時分復用主要體現在WCDMA空中接口的公共物理信道上，如PRACH信道就是劃分了不同的接入時隙，多個用戶接入信息可以復用到一條碼道上。

頻分復用主要體現在B2U饋電鏈路，地面站把32個WCDMA載波分別調制到Ka上行頻段的不同的頻點上發送到MUOS衛星。

空分復用，MUOS衛星采用16個UHF頻段點波束覆蓋，每個點波束可以使用相同的頻點、擴頻碼，通信容量提高了16倍。

2.4 多址接入方式

MUOS衛星數字載荷采用CDMA接入方式，比UFO衛星的TDMA/DAMA體制信道利用率更高。

在UFO衛星中，為了實現按需分配，每個頻率信道劃分為多個時隙，每個用戶占用不同的時隙。為了有效的分配、回收時隙資源，需要專門配置網控時隙傳輸信令，網控時隙就會占用時隙資源；另外，UFO系統通常為專用網絡預留一個轉發器或者按需分配多址時隙，這就嚴重限制了可服務的用戶數量。因此，系統中的網絡大多以非常低的占空比運行，浪費了大部分容量。

在U2B UHF頻段上行鏈路，終端采用不同的擾碼發射上行信號，多個用戶共享同一頻點。而在B2U UHF頻段下行鏈路，不同點波束使用不同的下行擾碼，16個點波束共享4個頻點。而加擾只需對發射機的擴頻后碼片級數據進行異或運算；解擾處理只需對接收機同步后的碼片級數據進行異或運算即可。信道的時間、頻率利用率可以達到100%。

2.5 通信容量

MUOS每個波束內的每個WCDMA載波有512個碼道，除去導頻、廣播信道等占用18個碼字，有494個碼字可供用戶使用，理論上可支持494個用戶同時通信。實際上，WCDMA系統是自干擾系統，原因在于信道化碼和擾碼并非完全正交，每增加一個用戶就會對系統中其他同頻用戶造成干擾。若所有信道化碼都使用時，則由于自干擾，會導致所有用戶無法通信。另外，衛星載荷功率是有限的，若所有信道化碼都使用，則衛星載荷由于功率耗盡而癱瘓。

根據PMW-146報告，MUOS的WCDMA載荷可同時支持4 083路2.4 kbps話音，其傳統載荷可同時支持106路2.4 kbps的話音業務。因此，單顆衛星可同時支持4 189路2.4 kbps話音，即總帶寬容量為10.05 Mbps[14]。

在MUOS衛星的同一覆蓋區，存在2顆UFO衛星，每顆UFO衛星配置了21個5 kHz信道(可支持1路2.4 kbps話音)17個25 kHz信道[13-14](可同時支持5路2.4 kbps話音)。則2顆UFO衛星的的帶寬容量為支持0.51 Mbps。因此，單顆MUOS衛星的通信容量是UFO衛星的近20倍。整個MUOS系統容量為40.2 Mbps，是UFO系統容量的16倍[15]。

另外，MUOS還通過波束重疊覆蓋和備用星進一步提高通信容量。在南北緯65°之間超過70%的地區都有2顆衛星覆蓋[16]，在波束重疊區域，通信容量加倍，且可以調整業務量實現承載業務量均衡。MUOS系統還配置了備用衛星，根據通信業務需求可以漂移到預定軌位，增加熱點地區的通信容量。

3 MUOS發展現狀

最為最新一代的衛星移動通信系統，MUOS在系統建設、試驗和應用各個方面經歷了許多困難。

系統建設方面，衛星發射和地面站建設經過了多次推遲，于2016年完成用戶交付，使得整個系統聯試時間推遲。首顆衛星的傳統載荷于2012年投入使用，到2018年2月，所有MUOS衛星的傳統載荷都已投入使用。2016年7月，WCDMA載荷進入了早期作戰使用階段，經過多種業務測試和評估后于2018年7月進入了非作戰任務應用階段。

試驗方面，美海軍利用MUOS衛星開展了多次通信試驗，驗證了MUOS波形的通信能力[17]。2013年，使用PRC-155終端采用WCDMA波形經過MUOS-1衛星轉發，首次實現了MUOS衛星話音與數據通信[18]。2014年，多次在阿拉斯加地區開展試驗，通信時長突破了8 800分鐘，最遠點到達了89.5°N，突破了MUOS衛星僅能覆蓋南北緯65°的設計能力，進一步驗證了MUOS衛星為北極地區的提供通信業務的能力[19]。

在試驗與應用過程中也發現了諸多問題。一是，終端與波形的集成問題，WCDMA波形做了適應性改變后應用于衛星信道，MUOS波形標準到2014年12月才被批準使用，波形集成需要一個成熟過程；二是地面站聯網測試問題，在地面站測試中，發現在態勢感知，網絡管理、容量、抗賽博攻擊方面等問題存在問題，需要進一步完善。

預計到2020年，MUOS進入標準的全球作戰應用階段，具備全系統運行能力。

4 結束語

衛星移動通信是衛星通信中的一個重要分支，近年來在系統建設、業務容量方面增長非常快。我國也在努力發展自己的衛星移動通信系統。總結MUOS的系統特點及發展中的問題，可以為我國發展衛星移動通信系統有益的參考。

在技術方面，要積極引進地面移動通信的成熟技術及MUOS衛星的相關技術。雖然目前MUOS存在一些應用方面的問題，但不可否認地面WCDMA技術引入到衛星通信的成功。MUOS中的多波束天線、星上處理技術等都是我們需要關注的地方。

在系統應用方面，要有前瞻性，考慮重點區域和全球覆蓋。隨著“一帶一路”經濟帶的發展，沿線地區移動通信業務需求會急劇上升，因此急需建設覆蓋沿線地區甚至全球的衛星移動通信系統提供通信保障[20]。

星地網絡建設方面要同步，發揮最大效益。MUOS系統明顯反映出了衛星發射相對超前、地面建設滯后的特點，這就導致了很長時間內衛星資源的閑置與浪費。在整個系統建設方面，必須保持衛星與終端、地面站的同步發展，才能使系統效能最大化。