通信轉發器級聯傳輸特性分析與混合轉發靈活應用*

石 榮，陳俊豪，馬 達

（電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036）

0 引言

在衛星通信與微波接力通信等遠距離傳輸應用中廣泛使用各種轉發器[1-4]，按照不同的分類標準轉發器可劃分為不同的類別[5]。根據轉發過程中是否采用數字信號處理器件，可分為模擬轉發器與數字轉發器；按照是否對轉發的信號進行解調解碼與再編碼調制，又可劃分為透明轉發器與再生轉發器，其中，再生轉發器也稱為處理轉發器。目前工程應用中既有模擬的透明轉發器，也有數字的透明轉發器，其一般通過上下變頻器和各種形式的中頻交換矩陣來完成信號的頻段搬移，不對信號做其他方面的處理，所以當信號調制編碼方式等物理層參數改變時對透明轉發器沒有影響，具有一定的靈活性，但由于缺乏進一步的碼流比特級的操作，透明轉發器在業務交換控制、轉發傳輸性能等方面受到一定的限制。再生轉發器一般為數字轉發器，先將信號下變頻至基帶，進行解調譯碼和其他處理，再將基帶數字碼流實施編碼調制與上變頻，經功率放大之后通過天線發射。再生轉發器與透明轉發器相比，其最大區別就是信號經過了解調譯碼與再次編碼調制，這不僅為鏈路層與網絡層的操作創造了條件，而且也消除了轉發器接收端所引入的噪聲，進一步提升了系統的傳輸性能。雖然再生轉發器具有這些優點，但同時也意味著其與信號調制編碼方式緊密關聯耦合，難以適應通信標準與通信協議的發展更新，所以在使用的靈活性方面又不如透明轉發器[6]。

盡管部分文獻對透明轉發器與再生轉發器的上述特點進行過歸納總結[7-9]，但是對二者在級聯通信傳輸中的特性對比分析并不深入。針對這一情況，本文從信息論的視角出發，先概述多條鏈路的不同級聯傳輸方式，然后分別對通過透明轉發與再生轉發級聯多條鏈路的信道容量進行對比分析，并利用分析結果提出在透明轉發級聯鏈路中采用分段再生轉發的全新方式來改善級聯轉發通信的性能。此外，在此基礎上利用數字信道化技術設計具有透明轉發與再生轉發相結合的混合轉發通信系統架構，并提出在高通量通信衛星中對信令信號進行再生轉發、對業務信號進行透明轉發的全新混合轉發模式，較好地實現了衛星通信傳輸性能與工程實現復雜度之間的平衡，同時也為下一代衛星通信傳輸系統的設計與應用提供了新的參考。

1 多條鏈路級聯轉發的主要方式

在傳統的通信傳輸網絡中多條鏈路級聯轉發的方式主要有透明轉發級聯與再生轉發級聯兩種。本文以典型的衛星通信網絡為例。在透明轉發級聯中通過M-1 個透明轉發器將M條鏈路級聯起來的應用場景如圖1 所示，其中首尾兩條鏈路為星地鏈路，即第1 條是從地面終端A 至通信衛星的上行鏈路，第M條是從通信衛星到地面終端B 的下行鏈路，而第2 條至第M-1 條是各顆通信衛星之間的星間鏈路。

圖1 通過M-1 個透明轉發器級聯的M 條衛通鏈路

如果將圖1 中的M-1 個透明轉發器更換為再生轉發器，則通過再生轉發級聯的M條鏈路進行信息傳輸的場景如圖2 所示。

圖2 通過M-1 個再生轉發器級聯的M 條衛通鏈路

在上述M條鏈路中，記第i條鏈路發射端的發射機輸出功率為PT,i，天線增益為GT,i，接收端的天線有效接收面積為AR,i，收發兩端之間的距離為dTR,i，i=1,2,…,M。于是接收端天線輸出的信號功率為：

由式（1）可知：當第i條鏈路中PT,i、GT,i、AR,i和dTR,i確定之后，接收端的SP,i也是一個定值，于是第i條鏈路的信道容量CS,i由香農公式表示為：

式中：NP,i為接收端處帶寬WΔ內的噪聲功率。由此可見：在WΔ取值一定的情況下，決定第i條衛星通信鏈路信道容量CS,i大小的關鍵因素在于接收端天線輸出口處的信噪比SP,i/NP,i[10]。

式（2）描述了單條鏈路的信道容量計算方法，按照前述兩種轉發級聯方式，M條鏈路通過透明轉發級聯和通過再生轉發級聯的最終信道容量的計算過程與傳輸特性接下來繼續分析。

2 轉發級聯的信道容量與傳輸特性

2.1 透明轉發級聯的信道容量計算

在如圖1 所示的透明轉發級聯應用中，記M條鏈路總的信道容量為CTrans,M，則透明轉發級聯信道容量計算公式為：

式中：αi為第i條鏈路接收端信號帶內總功率SP,i+NP,i與信號功率SP,i的比值。αi的計算方法為：

為了證明式（3）成立，首先使用數學歸納法證明如下的引理。

引理：M條鏈路經過透明轉發級聯之后，在最后一個接收端B 處綜合形成的信號帶內總功率與真正的信號成分功率的比值等于每一條鏈路各自獨立功率比值的連乘積，即有式（5）成立。

式中：Stotal,M與Ntotal,M分別為信宿處地面終端B 接收天線后端真正的信號成分功率與綜合的噪聲成分功率。

證明：當M=2 時，圖1 簡化為2 條鏈路通過1個透明轉發器進行級聯接續傳輸，這是最典型也是最簡潔的衛星通信形式，如圖3 所示。

圖3 通過1 個透明轉發器級聯的兩條衛通鏈路

圖3 中鏈路2 發射端所發射的信號實際上是鏈路1 接收端所接收到的信號變頻放大的結果，這就意味著：鏈路1 接收端的噪聲成分同樣也會出現鏈路2 的發射信號之中。于是地面終端B 接收天線后端真正的信號成分功率為：

同樣，地面終端B 的接收天線后端綜合的噪聲成分功率為：

于是最終地面終端B 處接收天線后端的信號帶內總功率與真正的信號成分功率的比值為：

對比式（8）與式（5）可知：在M=2 時定理成立。

假設M=K-1，K≥3 時，式（5）成立，即：

那么在M=K時地面終端B 接收天線后端真正的信號成分功率為：

同樣，地面終端B 的接收天線后端綜合的噪聲成分功率為：

由式（12）可知在M=K時式（5）成立，于是由數學歸納法可知：式（5）在M≥2 的任何正整數時均成立，證畢。

由香農信道容量公式可知：M條鏈路通過M-1個透明轉發器級聯后的最終信道傳輸容量為：

對式（13）等號右端括號中的部分進行恒等 變換：

將式（15）代入式（13）即可證明式（3）成立。

2.2 再生轉發級聯的信道容量計算

相對于透明轉發級聯而言，如圖2 所示的再生轉發級聯應用的相關計算則要簡潔很多，記M條鏈路總的信道容量為CRegen,M，則再生轉發級聯信道容量的計算公式為：

由式（16）可知：再生轉發級聯信道容量等于各條鏈路各自信道容量的最小值。這主要是因為再生轉發器沒有噪聲積累效應，在每一條鏈路的接收端都進行了解調解碼，及時消除了各條鏈路上的噪聲累積，使得純粹的信號能得到提煉保留，從而可以在下一次轉發中將發射機的所有功率全部分配給信號，這也是再生轉發優于透明轉發的重要原因。2.3節將敘述關于二者在傳輸特性上的差異定量分析。

2.3 透明與再生轉發級聯的傳輸特性對比

由前述分析可知：透明轉發級聯的最終信道容量由式（3）表達，再生轉發級聯的最終信道容量由式（16）表達，為了對二者進行對比，假設M條鏈路中具有最小接收信噪比的是第L條鏈路，即有式（17）成立。

式（21）表明：M條鏈路通過圖1 所示的透明轉發器進行級聯的最終信道容量CTrans,M一定小于圖2 所示的再生轉發器進行級聯的最終信道容量CRegen,M。而且由式（18）可知：在最小接收信噪比鏈路確定之后，隨著鏈路級聯數目的遞增，雖然SP,L/NP,L保持不變，但是Stotal,M/Ntotal,M與SP,L/NP,L之間的差值會進一步加大，這也就意味著CTrans,M比CRegen,M小得更多。實際上從工程應用的角度講，透明轉發過程中不僅將前一級鏈路中的信號成分進行了轉發，而且對其中的噪聲成分也同樣進行了轉發，隨著轉發過程中噪聲成分的逐級積累，會使得最終信噪比不斷降低，從而導致透明轉發級聯的信道容量驟降。

3 新的應用方式：透明與再生混合轉發

由前述理論分析可知，在相同的接收信號信噪比條件下衛星通信傳輸采用再生轉發器級聯比采用透明轉發器級聯的信道容量要大。但是，一方面，星載再生轉發器也面臨復雜度高、功耗大、成本高、使用靈活性與可靠性不如透明轉發器等問題；另一方面，星載解調解碼器的容量與速率是無論如何都趕不上地面用戶的解調解碼器的，所以這也是，截至目前全部采用再生轉發的高通量通信衛星極少，衛星通信的工程應用仍然以透明轉發為主的重要原因。隨著技術不斷進步與電子器件集成度的提高，再生轉發器的數量在未來的通信衛星上會進一步增加，但鑒于透明轉發與再生轉發各有各的優點，所以未來的發展趨勢一定是透明轉發與再生轉發混合使用的局面，這兩種轉發方式隨著不同應用其混合的方式也各不相同，比較典型的設計如下文所述。

3.1 在透明轉發級聯中采用分段再生轉發

在由多條鏈路組成的透明轉發級聯傳輸中分段間隔將透明轉發器替換為再生轉發器，以此來消除透明轉發所引起的噪聲積累效應，這一改進之后的混合轉發應用方式如圖4 所示。

圖4 在透明轉發級聯鏈路中采用分段再生轉發

假設圖4 中插入的γ個再生轉發器將M-1-γ個透明轉發器分成了γ+1 段，在每一段中為純粹的透明轉發級聯子鏈路，而各個分段之間通過再生轉發進行連接。按照前述分析，總共γ+1 段透明轉發級聯子鏈路的信道容量可參照式（3）進行計算，分別記為CTrans,j，j=1,2,…γ+1，再由式（16）可知，圖4 所示的M條鏈路級聯中最終的信道容量為：

由此可見，在轉發器總數量保持不變的情況下，通過在多條鏈路組成的透明轉發級聯鏈路中分段間隔將透明轉發器替換為再生轉發器的方法，能夠在一定程度上提升最終的信道容量，改善傳輸性能。當然提升的量級由替換的再生轉發器的數量與具體位置決定，可通過式（22）計算并評估各種替換方案的傳輸性能，從而優化選取其中的最佳替換方案進行實際應用。

3.2 基于數字信道化技術的全新混合轉發器

目前已有的數字信道化透明轉發器首先將信號下變頻至中頻，采用高速寬帶模數轉換器（Analogto-Digital Converter，ADC）對中頻信號進行數字采樣后，通過數字信道化濾波處理實現信號的交換與頻段搬移，從而形成新的數字中頻信號；然后通過高速寬帶數模轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）將數字中頻信號轉換成模擬中頻信號，再上變頻至射頻，經功率放大之后對外發射。顯然這一數字信道化透明轉發器能夠隨時在數字域調整信號的交換關系，完全替代了傳統的模擬透明轉發器。如果在此基礎上將數字中頻信號搬移至基帶，插接基帶解調譯碼數字模塊、其它功能的數字碼流處理模塊、以及編碼調制數字模塊，然后將處理后的基帶信號數字上變頻至數字中頻。這樣一來，就相當于在數字透明轉發的過程中插入了再生轉發的功能，采用如此設計的數字信道化轉發器既可以用于透明轉發，也可以用于再生轉發，其使用的靈活性與傳輸的高效性將得到極大地提升。這種兼顧了透明轉發與再生轉發的數字信道化混合轉發器功能模塊組成框圖如圖5 所示。

由圖5 可見，通過數字信道化混合轉發器的設計能夠很好地將透明轉發功能與再生轉發功能有機地結合在一起，從而形成一個集二者優勢于一體的多功能混合轉發器。在將接收信號數字化之后，對一部分信號進行透明轉發，對另一部分信號進行再生轉發，不僅能夠根據星載設備的資源與負荷量進行靈活分配與調度，而且轉發交換的關系與路由選擇等操作都由其中的轉發交換策略控制器進行綜合選擇控制。此外，上述架構也為信號帶內隨路信令的傳輸與處理提供了極大的方便，只要將其中的再生轉發通道切換至對應的帶有隨路信令的信道之后，就可以實時提取隨路控制信令，為轉發交換策略控制器提供額外的控制功能指示。例如，跳波束切換、轉發信號的功率控制、路由選擇等，從而為DVB-S2X 與DVB-RCS2 等新一代衛星通信協議標準的實現奠定了基礎[11-12]。

圖5 兼具透明與再生轉發的數字信道化混合轉發器

3.3 混合轉發器在高通量衛星中的應用

目前進入實際應用的同步軌道高通量衛星大多采用多點波束方式來提升星地鏈路的等效全向輻射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP），從而為頻譜的空間復用與大容量傳輸創造了條件[13]。另一方面，在最新版本的衛星通信DVB-S2X 協議標準中也引入了各種格式的超幀來實現高通量衛星的點波束跳變通信傳輸[14]。為了提高頻譜效率，高通量衛星的業務數據通常采用高階調制，以DVB-S2X 為例，其在原有DVB-S2 標準的基礎上增加了64 振幅相移鍵控（64 Amplitude Phase Shift Keying，64 APSK）、128APSK、256APSK等3 種高階調制[15]，使得最大頻譜效率接近于8 bit/Hz。在相同信噪比條件下，采用高階調制時單個透明轉發器與單個再生轉發器相比，其頻譜利用率如圖6 所示，圖中所繪曲線假設轉發器級聯的兩條鏈路具相同的信噪比應用條件，其中實線為單個再生轉發器的頻譜利用率，從理論上講其可以無限逼近香農限，虛線為單個透明轉發器的頻譜利用率。

圖6 單個再生轉發器與透明轉發器的頻譜利用率

將圖6 中的二者的頻譜利用率以再生轉發器為參照做歸一化處理后進行對比如圖7 所示。

圖7 二者頻譜利用率的歸一化對比

由圖6 和圖7 可知，隨著調制階數的增加，所要求的信噪比也隨之提高，透明轉發器的頻譜利用率與再生轉發器的頻譜利用率之間的差距也越來越小，這也說明在高階調制傳輸應用中，透明轉發器相對于再生轉發器來講其性能損失也會減小，如此一來，針對不同信號進行差異化轉發的混合轉發器應用優勢也就比較明顯了。

如前文所述，DVB-S2X 協議標準中超幀的引入為隨路信令的傳輸與點波束快速切換提供了條件，兼具透明與再生轉發的混合轉發器在這樣的通信系統中將具有更加靈活的應用方式。由上述分析可知：混合轉發器中的隨路信令數據量小，一般采用低階調制和低碼率編碼，適合于星載解調解碼和再生轉發，同時解調解碼之后的隨路信令也為星載路由交換提供了控制來源；而業務信號數據量大，通常采用高階調制與高碼率編碼，適合于星載透明轉發。混合轉發器降低了星載電子設備的工程實現復雜度，在確保一定的轉發性能要求的情況下，轉發器的靈活性與隨通信協議不斷升級換代的持續性也得到了保證；同時這也為基于混合轉發器的多級鏈路級聯提供了更加靈活的選擇。

4 結語

本文從信息論的視角出發，在理論上推導了透明轉發級聯傳輸與再生轉發級聯傳輸的信道容量計算方法，給出了透明轉發級聯中的噪聲累積效應與傳輸容量惡化之間的定量關系，展示了再生轉發級聯所具有的優良傳輸性能。盡管如此，但由于透明轉發器與再生轉發器都具有各自難以替代的優點，也同時具有自身的不足，所以將二者有機組合在一起的混合轉發便成為工程應用的新方向。針對這一發展趨勢，本文又給出了在透明轉發器級聯中采用分段再生轉發，以及基于數字信道化技術的分路混合轉發兩種具有代表性的混合轉發方式。并展示了混合轉發在高通量衛星中的多種應用方式，從而為新一代衛星通信系統的設計提供了重要參考。實際上，混合轉發不僅能夠在衛星通信網絡中應用，也可以在地面與空中微波接力通信中應用，并能做到傳輸性能、調度靈活性與實現復雜度等多方面的平衡，將成為后續工程應用的新方向。