秦長(zhǎng)路 馮少棟 項(xiàng)海濤

引 言

作為衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向,寬帶衛(wèi)星通信日益受到人們的重視,2004年起,歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織ETSI相繼出臺(tái)了一系列寬帶衛(wèi)星通信的標(biāo)準(zhǔn),為寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與參考。其中基于星上再生處理的網(wǎng)狀衛(wèi)星系統(tǒng)(Regenerative Satellite Mesh RSM-A)采用星上再生式處理轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)用戶終端之間的單跳通信,目前已在休斯公司研制的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)Spaceway3上成功應(yīng)用。

上行鏈路設(shè)計(jì)

1. 上行鏈路載波模式設(shè)計(jì)

RSM-A系統(tǒng)工作在Ka頻段,其中上行鏈路為29.50GHz到30.00GHz,下行鏈路為19.70GHz到20.20GHz。500MHz的上行帶寬基于兩種極化方式劃分為16個(gè)子帶,每一子帶帶寬為62.5MHz。如圖 1所示。每個(gè)子帶寬根據(jù)不同的載波模式可采用不同的配置方式:

● 128 kbps可靠模式及 512 kbps載波模式:在這種模式下,可將一個(gè)子帶劃分為96個(gè)帶寬為 Hz的載波。96個(gè)載波按照頻率由低到高依次標(biāo)記為0,1,2…95。

● 2Mbps載波模式:在這種模式下,可將一個(gè)子帶劃分為24個(gè)帶寬為 Hz的載波,24個(gè)載波按照頻率由低到高依次標(biāo)記為0,4,8…92。

● 16Mbps載波模式:在這種模式下,可將一個(gè)子帶劃分為3個(gè)帶寬為 Hz的載波,3個(gè)載波按照頻率由低到高依次標(biāo)記為0,32,64。

用戶終端應(yīng)能夠在所支持的載波模式的任意中心頻率進(jìn)行發(fā)送。

載波中心頻率相對(duì)子帶起始頻率的偏移=

N=96,24,3表示載波數(shù)目。

P=載波標(biāo)號(hào)=0-95(512Kbps模式);0,4,8…92(2Mbps模式);0,32,64(16Mbps模式)

發(fā)端用戶終端載波(在運(yùn)行波段范圍內(nèi))切換完成時(shí)間通常少于3ms,可以使誤差達(dá)到30Hz以內(nèi)。

2. 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上行鏈路有四種速率的載波模式(128 kbps, 512 kbps, 2 Mbps 及16 Mbps),幀長(zhǎng)均為96ms,如圖 2所示,每一載波幀分為空載時(shí)間及固定數(shù)目用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙,根據(jù)載波模式不同相對(duì)應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)有兩種:

(1)第一種載波幀由32個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙(SS—Standard Slot),適用于16 Mbps, 2 Mbps 及 512 kbps速率的載波

(2)第二種載波幀由8個(gè)長(zhǎng)時(shí)隙(LS—Long Slot)構(gòu)成,適用于128kbps速率的載波模式。用戶終端在空載時(shí)間內(nèi)不發(fā)送任何數(shù)據(jù),主要用于上行幀的同步,其長(zhǎng)度配置如下:

3.時(shí)隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如前所述,當(dāng)載波速率為16Mbps/2Mbps/512kbps時(shí),上行鏈路幀由32個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙組成,當(dāng)載波速率為128kbps時(shí),上行鏈路幀由8個(gè)長(zhǎng)時(shí)隙組成。從圖 3中可以看出,不同模式的載波幀,時(shí)隙中填充的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)不同。

在RSM-A系統(tǒng)中,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙和長(zhǎng)時(shí)隙不能在一個(gè)上行鏈路幀中混合使用,所有在一個(gè)上行鏈路幀當(dāng)中的時(shí)隙都應(yīng)采用相同的配置。

第Nslot個(gè)時(shí)隙起始時(shí)間與該幀起始時(shí)間的相對(duì)值遵循如下關(guān)系:

Slot(Nslot)start=Tdead time +tslot×Nslot

其中Tdead time是空載時(shí)間的時(shí)長(zhǎng),tslot 是時(shí)隙長(zhǎng)度,Nslot是時(shí)隙號(hào)碼,在RSM-A系統(tǒng)中時(shí)隙號(hào)碼為0-31(標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙)或0-7(長(zhǎng)時(shí)隙)。

4. 突發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

突發(fā)成形過(guò)程如圖 4所示,每一個(gè)上行鏈路MAC數(shù)據(jù)包都是由兩個(gè)從MAC層接收的RSM-A分組加一個(gè)接入控制域組成。RSM-A分組的信息部分被加擾,接著進(jìn)行兩次FEC編碼(內(nèi)碼及外碼),若干碼塊(碼塊的個(gè)數(shù)取決于載波的速率)封裝成一個(gè)TDMA突發(fā)。

5. 加擾與封裝

一個(gè)RSM-A分組有108個(gè)字節(jié),其中包括8字節(jié)的分組頭及100字節(jié)的信息位。除了送往星上處理器的分組之外,其它分組的信息部分在傳輸之前需要經(jīng)過(guò)加擾。分組頭不需要進(jìn)行加擾。加擾基于每個(gè)分組完成,如圖 5所示,兩個(gè)RSM-A分組加上4個(gè)字節(jié)的接入控制域(ACF)構(gòu)成一個(gè)未編碼的上行MAC數(shù)據(jù)包。

6. 編碼

上行MAC數(shù)據(jù)包的編碼采用級(jí)聯(lián)碼方式,分為外部編碼和內(nèi)部編碼兩個(gè)步驟,其中:

● 外碼采用RS(244,220)編碼

● 內(nèi)碼采用(12,8)漢明碼

編碼后數(shù)據(jù)塊的大小為366字節(jié)。

7.突發(fā)成形

基于MF-TDMA體制之下中,系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)小區(qū)的業(yè)務(wù)需求配置FDMA-TDMA載波,可以使得用戶數(shù)據(jù)信息傳輸速率在128 kbps 、512kbps、2Mbps、16 Mbps之間進(jìn)行靈活選擇。對(duì)于每一個(gè)FDMA載波,可基于TDMA以時(shí)隙方式進(jìn)一步進(jìn)行分配,這些時(shí)隙可以以隨機(jī)爭(zhēng)用的方式(即所有終端都可以自由接入),也可以以預(yù)約方式(即分配給指定用戶終端,其它終端不能占用)進(jìn)行分配。

一個(gè)時(shí)隙中通常包含一個(gè)TDMA突發(fā),突發(fā)前后均有一個(gè)保護(hù)時(shí)間及功率漸變時(shí)間,如圖 6所示,突發(fā)的最后還有一段時(shí)隙對(duì)齊時(shí)間。保護(hù)時(shí)間是用來(lái)防止相鄰時(shí)隙之間產(chǎn)生的干擾。功率漸變時(shí)間用于上行載波的開啟與關(guān)閉。時(shí)隙對(duì)齊時(shí)間用于保證不同載波速率下(512kbps,2Mbps,16Mbps)的時(shí)隙有相等的長(zhǎng)度,且128kbps速率載波的長(zhǎng)時(shí)隙四倍于其他的時(shí)隙,時(shí)隙對(duì)齊時(shí)間內(nèi)不傳送任何數(shù)據(jù)。

不同載波模式下,突發(fā)保護(hù)時(shí)間、功率漸變時(shí)間、時(shí)隙對(duì)齊時(shí)間配置如下:

TDMA突發(fā)包含一個(gè)用于同步的獨(dú)特字(見(jiàn)圖 6),其后是數(shù)據(jù)凈荷。用戶終端根據(jù)所處的上行鏈路小區(qū)在TDMA突發(fā)起始發(fā)送獨(dú)特字用于同步。用戶終端應(yīng)有能夠使用30種不同的獨(dú)特字。根據(jù)載波速率不同,獨(dú)特字長(zhǎng)度配置如下:

為了避免不同上行小區(qū)之間的干擾,終端在不同的小區(qū)采用不同的獨(dú)特字,由于RSM-A系統(tǒng)采用7色復(fù)用,因此有7組獨(dú)特字可供選擇。另外,載波速率不同,獨(dú)特字長(zhǎng)度也不同,具體定義見(jiàn)表 7。

獨(dú)特字后面為承載數(shù)據(jù)凈荷的數(shù)據(jù)包,載波速率不同,一個(gè)時(shí)隙所包含的數(shù)據(jù)包數(shù)目也不同。在RSM-A系統(tǒng)中128kbps,512kbps,2Mbps,16Mbps四種載波所包含的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)分別為1,1,4,32。不同速率載波數(shù)據(jù)包配置見(jiàn)表 8。

8. 調(diào)制

上行鏈路采用OQPSK調(diào)制(偏移四相移頻鍵控調(diào)制),調(diào)制速率由載波模式?jīng)Q定。

9. 上行鏈路功率控制

上行鏈路功率控制(UPLC)的目的:

● 晴朗天空條件下,減小信噪比較理想的鏈路信號(hào)對(duì)信噪比較弱的鏈路信號(hào)的干擾

● 在干擾及大氣影響下,確保留有足夠的余量,將上行鏈路分組丟失率和功率控制誤差控制在一定范圍內(nèi)。

● 補(bǔ)償由于終端射頻不理想而導(dǎo)致的功率與頻率相對(duì)關(guān)系的變化。

上行鏈路功率控制是以雙控制環(huán)的方式由衛(wèi)星與終端共同來(lái)完成,一方面終端根據(jù)本地下行鏈路導(dǎo)頻功率檢測(cè),另一方面通過(guò)來(lái)自衛(wèi)星的反饋信息,通過(guò)這兩方面來(lái)綜合進(jìn)行發(fā)射功率的調(diào)整。

結(jié)束語(yǔ)

RSM-A系統(tǒng)上行鏈路采用MF-TDMA體制,有四種速率可選,不同速率的突發(fā)結(jié)構(gòu)各不相同,通過(guò)不同的突發(fā)結(jié)構(gòu),使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到良好的同步性能。

參考文獻(xiàn)

[1] ETSI TR 101 984: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Broadband Satellite Multimedia; Services and Architectures".

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[3] ETSI TS 102 188-3: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

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[5] ETSI TS 102 188-5: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

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[6] ETSI TS 102 188-6: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

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[7] ETSI TS 102 188-7: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface Physical Layer specification;

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[8] ETSI TS 102 189-1: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Regenerative Satellite Mesh - A (RSM-A) air interface; MAC/SLC layer specification; Part 1: General description".

[9] ETSI TS 102 189-2: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Regenerative Satellite Mesh - A (RSM-A) air interface; MAC/SLC layer specification; Part 2: MAC layer".

[10] ETSI EN 301 459 (V1.2.1): "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Harmonized EN for Satellite Interactive Terminals (SIT) and Satellite User Terminals (SUT) transmitting towards satellites in geostationary orbit in the 29,5 to 30,0 GHz frequency bands covering essential requirements under article 3.2 of the R&TTE; Directive".