● 文|南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司 李瑋 張偉

基于CDMA機載動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應用

● 文|南京中網(wǎng)衛(wèi)星通信股份有限公司 李瑋 張偉

首先簡單介紹了動中通天線在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應用，重點說明了小型動中通天線使用的局限性，通過引入CDMA擴頻機制來有效降低小口徑天線存在的鄰星干擾，實現(xiàn)不同終端的頻率復用，最后對CDMA Modem在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的實現(xiàn)進行了可行性分析。

CDMA 動中通衛(wèi)星天線 衛(wèi)星通信 鄰星干擾

一、引言

在社會需求和技術發(fā)展雙重推動下，我國衛(wèi)星通信行業(yè)取得了較快進步并不斷向更高的水平創(chuàng)新與發(fā)展。由于VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中小站設備的天線口徑小，站點安裝方便、接入靈活等特點，世界各個國家紛紛在籌建衛(wèi)星地面站、車載站、船載站及機載站，根據(jù)應用場景不同廣泛服務于各個行業(yè)領域[1]。隨著在移動中實現(xiàn)衛(wèi)星通信的應用領域日益擴大，各行業(yè)用戶日益增多，作為一種體積小、重量輕、安裝維護方便的小口徑終端——“動中通”，其技術的不斷成熟也從車載、船載逐漸應用于更高要求的機載衛(wèi)星通信。

二、機載動中通市場應用前景

隨著現(xiàn)代通信技術的高速發(fā)展，覆蓋范圍廣、可靠性高的衛(wèi)星通信正成為解決空地寬帶數(shù)據(jù)通信的首要手段。機載動中通衛(wèi)星通信是一種有效的高空移動通信的接入方式，它具有通信距離遠、通信質量可靠、組網(wǎng)方便靈活，形成飛機在高速航行中通過衛(wèi)星與地面站遠距離、不間斷業(yè)務通信，如圖1所示。在飛機上加裝衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可將飛行數(shù)據(jù)參數(shù)、視頻監(jiān)控全程記錄并實時傳輸至地面，這不僅是提高飛機運行效率的要求，也是提升飛行實時監(jiān)控安全水平的必要措施?？紤]到中小型飛機機體空間、載重和空氣動力方面的問題，總體上應選用重量輕、體積小的動中通設備；此外，為適應中小型飛機對艙外天線安裝的要求，應選用平面輻射單元的低輪廓天線[2]，其射頻性能應等效于直徑為0.3～0.6m之間的圓口徑拋物面天線的發(fā)射與接收性能。由于小口徑天線的波束寬度比較大，因此調整天線對衛(wèi)星的指向相對比較容易；另外，對衛(wèi)星的漂移也不太敏感。

圖1 機載動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成框圖

機載動中通解決了飛機在高速飛行過程中精確跟蹤地球同步衛(wèi)星，并建立寬帶衛(wèi)星通信鏈路，實現(xiàn)視頻圖像、話音、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務實時、不間斷傳輸，同時還可以和任何已有的應急通信系統(tǒng)配合使用，可應用于應急通信保障、移動指揮、實時新聞采集、災情監(jiān)測等多個行業(yè)領域，在軍用和民用兩個領域都有廣闊的市場前景。

三、機載動中通主要問題

為了滿足市場化需求，小型化天線是實現(xiàn)機載動中通的必要條件，然而小口徑天線無可避免地帶來天線增益等技術特性的問題，從天線增益公式定義中可以得出，天線的增益與天線半徑的平方成正比， 即天線口徑越小，其增益就越低。此外，由于天線的收發(fā)波束具有一定的寬度，根據(jù)波束寬度公式，波束寬度和天線口徑、信號頻率成反比，即天線工作在某一頻段時，口徑越小，波束寬度越大，其方向性就越弱。隨著衛(wèi)星通信技術的高速發(fā)展，同步軌道衛(wèi)星越來越多，衛(wèi)星間隔度數(shù)越來越小，因此鄰星干擾在我們工作中會逐步增多。如圖2所示，上行鄰星干擾：當鄰星終端用戶天線口徑小，上行功率電平過高，功率譜密度超出協(xié)調指標，那么鄰星終端天線偏向當前衛(wèi)星或其旁瓣指向當前衛(wèi)星。下行鄰星干擾：當相鄰衛(wèi)星與當前衛(wèi)星的工作頻段與覆蓋區(qū)有重疊，在此區(qū)域內(nèi)，若終端天線口徑較小，那么當前衛(wèi)星終端站在接收正常信號的同時，其旁瓣也會接收到鄰星上的信號。如果鄰星終端載波下行功率電平過高或接收終端天線未對準，追求小口徑天線的終端也會存在下行鄰星干擾。在實際飛行過程中，衛(wèi)星通信中可能產(chǎn)生多普勒效應較明顯，造成接收信號的載頻發(fā)生頻移，小口徑天線更易產(chǎn)生鄰星干擾。

圖2 鄰星干擾

在衛(wèi)星通信技術的不斷進步的今天，軌道環(huán)上的衛(wèi)星越來越密集，而衛(wèi)星功率越來越大，衛(wèi)星地球站的天線口徑則越來越小型化，鄰星干擾問題也越來越嚴重化。如何使高速航行的飛機保證實時寬帶業(yè)務傳輸實現(xiàn)的同時，又能對鄰星的干擾盡可能小，是我們首先需要考慮的問題。因此，在衛(wèi)星鏈路中采用CDMA擴頻體制，可有效地降低信號的功率譜密度，從而降低鄰星干擾[3]，這是解決該問題的根本措施。

四、CDMA擴頻系統(tǒng)優(yōu)勢與特性

（1）克服鄰星干擾，抗干擾能力強

實際應用中，由于機載動中通選用的天線口徑受限，無法具備更窄的波束和較低的旁瓣，易受到鄰星的干擾和對鄰星造成干擾。在天線旁瓣特性和發(fā)射功率一定的情況下，通過減小單位帶寬上的功率，即降低信號的功率譜密度，可有效地克服鄰星干擾。

根據(jù)香農(nóng)（C.E.Shannon）在信息論研究中總結出的信道容量公式[3]，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬和信噪比可以實現(xiàn)互換，即增加信號帶寬可以降低對信噪比門限的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒于噪聲之中也是可能的。對于擴頻通信來說，就是用擴頻碼擴展基帶信號的頻譜，使單位比特率bps的信號能量Eb與單位帶寬Hz的噪聲功率之比相應降低，如圖3所示。根據(jù)香農(nóng)理論，只要相應增加信道帶寬B，就可以對信噪比降低后的擴頻信號實現(xiàn)可靠傳輸。

圖3 信號功率譜圖

利用寬帶傳輸技術（擴展頻譜），接收端既能在極低的信號功率譜密度條件下，通過相關解擴解調恢復出有用信號，又能降低解調門限，從而克服了鄰星干擾的同時降低了系統(tǒng)的誤碼性能，改善了通信質量。由于信號頻帶展寬可以換取信噪比的好處，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。而擴頻增益Gp就是用來衡量克服干擾的程度，可表示為Gp=B2/B1。其中，B1是擴頻前數(shù)字基帶信號帶寬，B2是擴頻信號帶寬，也稱為擴頻因子或擴頻比。根據(jù)柯捷爾尼可夫提出的信息傳輸差錯概率公式[3]，提高擴頻因子就是提高信噪比，提高系統(tǒng)增益，同時降低了功率譜密度，有效地減少終端小口徑天線端對鄰星造成的干擾。

（2）通信隱蔽、保密性好

通過對比擴頻前后信號的頻譜可知，經(jīng)過擴頻后信號的頻譜發(fā)生了變化，即信號在很寬的頻帶上被擴展，從而單位帶寬上的功率變得很小，信號功率譜密度很低，信號可以淹沒于噪聲之中，達到了擴頻通信對信號隱藏保密的目的；由于擴頻碼的不確定，很難拾取其中的有用信號，而極低的功率譜密度也很少對于其他電子通信設備造成干擾。

（3）碼分實現(xiàn)終端區(qū)分、頻率復用

雖然用擴頻碼擴頻的結果使得信噪比降低，需要增加信道帶寬，但是，以擴頻技術為基礎的多址技術CDMA，在其它方面獲得的好處是巨大的。擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，也提高了頻帶的利用率。正是由于擴頻通信要用擴頻碼進行擴頻調制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴頻碼作相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻碼之間的相關特性，給不同終端分配不同的擴頻碼，就可以區(qū)別不同的終端信號，多個終端只要合理配對使用自己的擴頻碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現(xiàn)了頻率復用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)端可用不同的擴頻碼，分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收端用不同的擴頻碼，就可以收到不同的發(fā)端傳送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多址通信。

五、CDMA Modem在機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可行性分析

圖4 寬帶CDMA機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)原理框圖

如圖3所示，在寬帶CDMA機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星CDMA Modem主要完成L波段中頻信號的IQ調制解調及基帶對IQ信號的數(shù)據(jù)調制和解調，通過信道編譯碼產(chǎn)生信息比特流供與用戶接口單元之間實時交互[4]。BUC為上變頻高功放，完成L頻段信號功放級放大上變頻至Ku頻段需要的發(fā)射功率；LNB為低噪聲下變頻，完成Ku頻段信號放大下變頻至L頻段。天線控制器的主要功能是放大跟蹤接收機分系統(tǒng)和指向分系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差信號，驅動并始終控制天線對準衛(wèi)星，保持衛(wèi)星通信的穩(wěn)定順暢。

北京國家體育場高分二號衛(wèi)星融合影像

該圖（成像時間2014年9月27日）為北京國家體育場區(qū)域高分二號衛(wèi)星真彩色影像（0.8m分辨率）。北京國家體育場（圖像正中央）位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克公園，是2008年北京奧運會的主場館，由于其獨特造型又俗稱“鳥巢”。

中國資源衛(wèi)星應用中心 供圖

1）衛(wèi)星CDMA Modem前向糾錯機制（FEC）支持高性能LDPC編譯碼[5]，能獲得更高的編碼增益或占用更少的帶寬；在達到相同誤比特率下，可有效降低Eb/N0接收門限。

2）系統(tǒng)采用非對稱CDMA寬帶衛(wèi)星通信，能夠滿足小型天線高空作業(yè)時寬帶業(yè)務傳輸至地面的需求，并由地面站進行實時監(jiān)控。

3）系統(tǒng)考慮綜合傳輸速率和誤碼率，采用QPSK調制。

4）本系統(tǒng)選用的衛(wèi)星Modem在空地數(shù)據(jù)通信寬帶業(yè)務傳輸時Eb/N0門限為4.1dB，可達到1×10-7的誤比特率要求，能夠保證實時業(yè)務傳輸質量。

表1 鏈路計算關鍵參數(shù)設置

根據(jù)表1中的參數(shù)設置，通過衛(wèi)星鏈路計算，對于上行鏈路：在所需相同功放發(fā)射功率的條件下，擴頻后的占星帶寬約為未擴頻時的8倍，信號功率譜密度可降低9dB/Hz，此時載干比C/I大幅降低；但接收端所需載噪比C/N門限卻可以為負值，表明載波信號在淹沒于噪聲之中也能被接收端成功解調；而下行鏈路中，占星帶寬是未擴頻時的4倍，載噪比C/N接收門限降低5dB，在達到1×10-7的誤比特率要求下，接收端也能正常解調成功。

六、結束語

根據(jù)香農(nóng)公式的定義可判定信噪比與帶寬互換，在此理論基礎上，將有用的信號擴展到很寬的頻帶上，有效降低信號的功率譜密度；在解擴過程中，干擾信號進入與有用信號同頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，從而增加了輸出信號/干擾比，達到降低系統(tǒng)Eb/N0接收門限，具有較強的抗干擾能力。載波功率譜密度低，降低了對鄰星造成的干擾，特別適用于小型口徑（0.6m以下）的VSAT系統(tǒng)。采用雙向非對稱寬帶CDMA傳輸調制方式，機載站與地面站的發(fā)射載波共用同一轉發(fā)器頻段，通過不同的擴頻碼的正交性實現(xiàn)頻域重疊，實現(xiàn)不同終端區(qū)分，提高載噪比，提高頻帶利用率，從而增強系統(tǒng)的可用性。因此，小型化天線在機載動中通衛(wèi)星系統(tǒng)中的成功部署，可通過CDMA擴頻體制滿足衛(wèi)星公司對小口徑天線的入網(wǎng)測試要求，實現(xiàn)小口徑動中通天線在機載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的市場應用。

[1]袁博. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)在民航中的應用[J]. 信息通信, 2014.

[2]牛傳峰, 杜彪, 韓國棟, 等. 低輪廓動中通天線[J]. 中國電子科學研究院學報, 2013(02).

[3]Na Gu, Sheng Wu, Linling Kuang,et al, Jianhua Lu. Belief propagation-based joint iterative algorithm for detection and decoding in asynchronous CDMA satellite systems[J]. EURASlP Journal on Wireless Communications and Networking, 2013.

[4]Stephen Z. Pinter, Xavier N. Fernando. Equalization of Multiuser Wireless CDMA Downlink Considering Transmitter Nonlinearity Using Walsh Codes[J]. EURASlP Journal on Wireless Communications and Networking, 2007.

[5]尹爽爽, 王中訓. 一種DVB-S2中低復雜度的LDPC編譯碼研究[J]. 重慶郵電大學學報(自然科學版), 2012(04).