NC-OFDM衛星通信方法及系統仿真

王 勇，趙青松，王 迪，王 磊，

(1. 國防科技大學電子對抗學院，安徽 合肥 230037；2. 電子制約技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230037)

1 引言

目前衛星通信的頻譜管理沿用固定信道授權分配模式，隨著業務量的提高和用戶數目的增多，衛星通信受軌道和轉發器頻帶限制，頻段越來越擁擠、頻譜資源日益匱乏。但是在頻譜資源緊缺的同時，衛星通信的頻譜中卻存在著大量的頻譜空洞。美國聯邦通信管理委員會在頻譜政策任務組撰寫的報告中指出[1]，在已授權分配的頻段中，絕大多數的頻譜利用率僅為15%—85%。這份報告指出了頻譜管理的突出矛盾：頻譜資源緊缺，而頻譜利用率卻很低。

NC-OFDM改進了傳統的OFDM技術，它采用認知無線電技術發現通信環境中的頻譜空洞，并且只在與頻譜空洞相對應的非連續子載波上進行數據傳輸，這就實現了認知用戶與授權用戶共享頻譜，且避免了認知用戶對授權用戶干擾[2，3]。但是目前NC-OFDM技術僅限于地面通信應用，對NC-OFDM技術的研究主要面向帶外功率抑制、同步、信道估計、峰均比抑制等問題[4-6]，尚未有文獻提出將NC-OFDM技術用于衛星通信。國內外學者提出將OFDM技術應用于衛星通信領域，建立基于OFDM的專用通信衛星[7，8]，但由于OFDM頻譜連續覆蓋的特點，無法應用到已授權的衛星通信中，如果能夠將NC-OFDM引入到現有的衛星通信中，提高衛星通信的頻譜利用效率，顯然是更經濟、可行性更強的手段。因此基于認知無線電的NC-OFDM衛星通信方法具有重要的研究價值。

無線通信中最寶貴的就是頻譜資源,合理的利用、共享和保護無線電頻譜已經成為通信領域日益增長的要求。認知無線電理論使NC-OFDM系統能夠與授權用戶共享頻譜，因而可以極大地提高頻譜利用率，如果能夠將NC-OFDM與衛星通信結合，并由此設計出一種基于認知無線電的NC-OFDM衛星通信系統，將會給傳統的衛星通信理論帶來一次革命性的飛躍，一方面衛星通信的頻譜利用效率將會大大提高，頻譜資源緊張的現狀得到緩解，另一方面也促進了衛星通信與地面通信的融合。

2 NC-OFDM衛星通信系統模型

NC-OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，系統發射和接收基本模型如圖1所示。

圖1 NC-OFDM系統發射和接收模型

如圖1所示，發射信源數據dt經信道編碼和PSK/QAM調制星座映射后產生一組并行數據d0，d1，……dM-1，M代表信源數據產生時經頻譜感知得到的衛星信道中可用子載波數量，如同OFDM系統的實現原理一樣，NC-OFDM信號的調制同樣可以用離散逆傅里葉變換(IDFT)來等效實現，但是在NC-OFDM系統中，子載波的頻率不是等間隔連續分布的，子載波的頻率是由頻譜感知所得到的頻譜空洞數量和子載波分配算法得到的數值。

設衛星信道內所有待分配的子載波數量為N，則通過N點IFFT運算即可得到NC-OFDM采樣信號

(1)

同樣，在接收端，可以對sk進行反變換恢復原始數據di，即

(2)

3 NC-OFDM衛星通信系統子載波分配方法

3.1 Ku頻段通信衛星子載波劃分方案

目前Ku頻段商業通信衛星的頻帶范圍在500MHz左右，將500MHz帶寬分配給122個子載波使用，子載波頻率間隔為4.125MHz，其中數據子載波100個，導頻子載波100個，保護子載波10個，如表1所示。

表1 NC-OFDM衛星通信系統子載波劃分

3.2 基于頻譜感知的子載波分配

目前用于認知無線電的頻譜感知方法有經典的能量檢測法[9]、循環譜估計[10]等，近年來相關文獻[11]提出基于壓縮感知的信道估計方法。隨著采樣存儲技術的進步，目前基于軟件無線電平臺已經能夠實現500MHz帶寬的實時全頻帶采集和頻譜監測，頻譜監測結果即可直接用于頻譜空洞提取。利用衛星地面站和頻譜監測設備對某Ku頻段商業衛星通信信號進行頻譜監測，得到通信衛星500MHz頻帶范圍的實星信號頻譜(如圖2所示)，從信號頻譜中提取了授權用戶未使用的頻譜空洞共計15個。依據每個頻譜空洞的帶寬和單個子載波4.125MHz的帶寬，得到每一個頻譜空洞中能夠分配的子載波數量，15個頻譜空洞共分配33個子載波(如表2所示)，其中數據子載波20個，導頻子載波6個，保護子載波7個。根據每一個頻譜洞的底部噪聲電平，換算得到相應子載波的信道增益，作為子載波功率分配的約束條件。

表2 頻譜空洞提取和子載波分配

圖2 Ku頻段通信衛星頻譜感知結果

4 NC-OFDM衛星通信系統仿真

4.1 系統誤比特率性能分析

4.1.1 數據子載波信噪比

依據圖1構建NC-OFDM衛星通信系統模型，依據表2分配33個可用子載波，其中數據子載波20個(序號8-96)。信道編碼采用(2，1，6)卷積碼，信號調制采用BPSK調制方式，各數據子載波的信噪比由頻譜感知得到的底部噪聲溫度計算得到，如表4所示，子載波信噪比最高為18dB，最低為5dB。

表3 數據子載波信噪比

4.1.2 子載波頻域濾波

為了避免子載波的邊帶對鄰近頻率的授權用戶產生干擾，發射前對每個子載波信號進行了頻域濾波，濾波前后單個子載波的頻譜對比如圖6所示，可以看出，頻域濾波后子載波邊帶衰減增加了10dB以上。20個數據子載波的中頻信號頻譜如圖3所示。

圖3 濾波前后單個子載波的頻譜對比

4.1.3 誤碼率仿真

對各數據子載波的信號傳輸進行仿真，得到誤碼率曲線如圖4所示。

圖4 NC-OFDM數據子載波誤碼率

目前衛星數據通信的信道糾錯后誤碼率要求通常在10-3-10-4，對照表3可以看出，有3個子載波數據傳輸誤碼率未達到要求。第27號子載波的原因是信噪比過低，第11和102號子載波的原因是子載波頻率在整個數據子載波頻率的上下邊界，這個問題可以通過在頻率低端和高端相鄰信道安排速率和樣式一致的保護子載波來解決。由此可以看出，基于頻譜感知的NC-OFDM系統能夠充分利用衛星通信的頻譜空洞進行通信，17個有效數據子載波實現了70.125Mbps的數據傳輸速率，大大提升了衛星通信的頻譜利用率。

4.2 NC-OFDM信號對授權信號干擾分析

NC-OFDM信號對授權信號的干擾是NC-OFDM能否在衛星通信領域推廣應用的關鍵問題。干擾產生的原因一是NC-OFDM子載波與相鄰信道的授權信號頻率距離過近，產生了鄰道干擾，二是頻譜感知滯后，在新的授權信號接入衛星信道之后，NC-OFDM子載波未能及時退出，造成頻譜部分或全部重疊。

4.2.1 頻譜重疊率定義

定義頻譜重疊率(Spectrum Overlap Rate,SOR)ΔF為授權信號與NC-OFDM信號頻譜重疊的頻率范圍與授權信號頻帶寬度之比。以衛星通信授權信號中最常見的MPSK信號為例，設授權信號的載波頻率為fc1，碼速率為fd1，與之相鄰的NC-OFDM子載波載波頻率為fc2，碼速率為fd2，則有：

(3)

假設授權信號為QPSK調制，采用(2，1，6)卷積編碼，調制速率為2MBD，與NC-OFDM衛星通信相鄰子載波頻率重疊率分別為0和50%時的頻譜如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 授權信號和NC-OFDM相鄰子載波頻譜

4.2.2 授權信號誤碼率仿真

考慮NC-OFDM充分利用子信道增益，子載波與授權信號載波功率譜密度大致相當的情況，分別在無NC-OFDM信號干擾和ΔF分別為0，25%，37.5%，50%和1的條件下，得到QPSK信號接收誤碼率仿真結果如圖6所示。

圖6 NC-OFDM子載波對授權信號干擾仿真

從圖6可以看出，對比無NC-OFDM干擾的誤碼率，在ΔF≤25%的情況下,NC-OFDM子載波對QPSK信號接收誤碼率有輕微的影響，10-4解調門限提高了0.5-1dB。ΔF上升到37.5%時，NC-OFDM子載波對QPSK信號的干擾急劇惡化，10-4解調門限提高了2.5dB，當ΔF≥50%時，QPSK信號無法正常解調。

5 結論

NC-OFDM通信具有子載波靈活可控的優點，對提高衛星通信頻譜利用效率具有重要的研究價值，NC-OFDM能否推廣應用的關鍵問題是與授權衛星通信系統之間的兼容性。

本文依據真實衛星信道頻譜感知對衛星頻譜空洞的有效利用，實現了超過70Mbps的數據傳輸，這對于500MHz頻帶寬度的商業通信衛星是非常可觀的。定義了頻譜重疊率的概念，用于描述NC-OFDM與授權系統之間的互擾狀態，并研究了干擾條件下的授權系統的誤碼率性能。研究表明，快速有效的頻譜感知和靈活高效的子載波功率自適應分配是解決兼容性的有效途徑，NC-OFDM衛星通信方法能夠顯著提高衛星通信的頻譜利用率。