胡 偉，陶孝鋒

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

星地WiFi關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

胡 偉，陶孝鋒

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星到地面之間的無(wú)線保真(Wireless Fidelity，WiFi)通信系統(tǒng)當(dāng)前已經(jīng)獲得了廣泛關(guān)注，針對(duì)LEO衛(wèi)星信道的高誤碼、長(zhǎng)時(shí)延等特點(diǎn)，文章總結(jié)并提出了采用幀的分片與聚合、選擇重傳與塊確認(rèn)、插入導(dǎo)頻等方法對(duì)802.11g進(jìn)行改進(jìn)，這些方法的研究總結(jié)對(duì)LEO星地WiFi的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

LEO衛(wèi)星；WiFi；衛(wèi)星通信系統(tǒng)；802.11

0 引言

2015年，OneWeb、SpaceX、Leosat等提出了通過(guò)借鑒地面的WiFi技術(shù)，打造由低軌小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的WiFi信號(hào)的接入[1-4]。LEO衛(wèi)星信道與WiFi所處的室內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)信道環(huán)境差別巨大，為使WiFi能夠適應(yīng)LEO衛(wèi)星到地面的信道環(huán)境，需要根據(jù)LEO衛(wèi)星信道的特點(diǎn)對(duì)WiFi進(jìn)行研究并改進(jìn)[3-6]。

1 衛(wèi)星WiFi的發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星WiFi有著巨大的優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。

1.1衛(wèi)星WiFi的類型

根據(jù)WiFi技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的使用位置，可將衛(wèi)星WiFi系統(tǒng)分為兩大類：WiFi衛(wèi)星，即利用空間段衛(wèi)星直接播發(fā)WiFi信號(hào)；衛(wèi)星WiFi，即以衛(wèi)星為遠(yuǎn)距離中繼傳輸?shù)氖侄位蛲ǖ繹4]。

1.2衛(wèi)星WiFi的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)WiFi在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外都做了一定研究。國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少，處于起步階段。西北工業(yè)大學(xué)的呂娜[2]、南京郵電大學(xué)的陳楊[3]、中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部[4]等對(duì)通過(guò)通信衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星WiFi的應(yīng)用做了一些研究工作。

國(guó)外對(duì)802.11在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用研究較多。英國(guó)普林斯頓大學(xué)的Kerri L. Kusza和Michael A.Paluszek[7]，美國(guó)Eric C Megla[8]，英國(guó)薩里大學(xué)空間中心的Tanya Vladimirova和Kawsu Sidibeh[9-10]，德國(guó)Berner&Mattner Systemtechnik的M Marszalek、M Rummelhagen、F Schramm[11]，意大利Paolo Chini、Giovanni Giambene[12-13]，NASA的Richard Alena、Yosuke Nakamura、Nicolas Faber等[14]對(duì)802.11、802.16、802.15在星間及星地之間的應(yīng)用做了大量研究。

2 衛(wèi)星WiFi存在的問(wèn)題

衛(wèi)星WiFi非常具有吸引力，但是仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)其存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。

(1)地面WiFi標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)初衷是適用短距離、相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的室內(nèi)高速無(wú)線通信。而LEO星地距離帶來(lái)的長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼率，在現(xiàn)有WiFi物理層都無(wú)法得到較好的支持。

根據(jù)多普勒頻移的fd原始公式定義[6]：

(1)

式(1)中，r為衛(wèi)星與移動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位置矢量，v為衛(wèi)星的速度矢量，vr為衛(wèi)星與接收平臺(tái)之間的徑向運(yùn)動(dòng)速度，f0為信號(hào)頻率，c為光速，φ為r與v之間的夾角。假設(shè)φ的值在61°～90°，f0=2.4 GHz，軌道高度為400 km，最大仰角29°，可得到最大多普勒頻偏約為29.7 kHz。載波頻率偏差將會(huì)破壞子載波間的正交性，導(dǎo)致子載波間的相互干擾，誤碼率急劇上升?？梢宰C明[3]，為保證信干比大于20 dB或更高，載波的偏差必須小于子載波間隔的4%，由312.5 kHz×0.04=12.5 kHz<29.7 kHz,可知在頻偏較大的情況下誤碼性能變差。

(2)衛(wèi)星與地面終端的功率限制：假設(shè)已改進(jìn)WiFi物理層，但是要想在低軌衛(wèi)星與普通手機(jī)終端之間直接通信，受限于手機(jī)接收靈敏度和立方體衛(wèi)星的體積功耗，無(wú)法滿足WiFi所支持的最低通信速率要求[14]。

自由空間電磁信號(hào)的路徑損耗公式[6]為：

(2)

其中，d的單位為km，f的單位為GHz。則軌道高度為400 km時(shí)，路徑損耗為：92.44+52.04+7.604=152.08 dB，假設(shè)LEO衛(wèi)星距地面400 km，發(fā)射功率30 W(14.77 dB)，工作頻段2.4 GHz，而普通手機(jī)的WiFi接收電平靈敏度約為-82 dBm，即-112 dB。因此有14.77-152.08=-137.31 dB，無(wú)法滿足接收機(jī)的靈敏度要求。

(3)大范圍覆蓋導(dǎo)致的隱藏終端問(wèn)題加?。杭僭O(shè)功率也不受限，接收端也滿足靈敏度要求，可以實(shí)現(xiàn)星地雙向通信。電磁波在地面?zhèn)鬏數(shù)木嚯x有限，而衛(wèi)星覆蓋范圍又比較廣，軌道高度為400 km的LEO衛(wèi)星，最大仰角為29°時(shí)，覆蓋面積約為160 000(km)2，因此WiFi的隱藏終端問(wèn)題在衛(wèi)星WiFi中將會(huì)變得更為突出。

(4)較長(zhǎng)的傳播時(shí)間延遲導(dǎo)致無(wú)效重傳：LEO衛(wèi)星軌道高度為400 km，端到端傳播時(shí)延約3.2 ms，在地面終端可見時(shí)間段內(nèi)，時(shí)延變化范圍約為1 ms，相比較于WLAN幾個(gè)μs的傳播時(shí)延，星地WiFi的傳播時(shí)延變大。較長(zhǎng)的傳播時(shí)延以及較大的時(shí)延變化范圍，會(huì)使MAC協(xié)議的發(fā)送窗口滑動(dòng)緩慢、檢錯(cuò)以及恢復(fù)的時(shí)間較長(zhǎng)[5]。

可見，直接采用地面WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)WiFi衛(wèi)星不具有可行性，需要根據(jù)LEO衛(wèi)星信道環(huán)境對(duì)一些關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行研究。

3 衛(wèi)星WiFi可采用的關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星與WiFi技術(shù)的結(jié)合從目前來(lái)看，只能采用衛(wèi)星WiFi寬帶通信系統(tǒng)[4]，根據(jù)LEO衛(wèi)星信道環(huán)境，可采用下面方法對(duì)WiFi進(jìn)行改進(jìn)。

3.1重新設(shè)定相關(guān)參數(shù)值

為了提供一定優(yōu)先級(jí)服務(wù)給特定類型的幀，802.11定義了幾種時(shí)間間隔[5,14]：

Tslot為單位時(shí)隙值：

Tslot=Tcca+TTxRx+Tprop+Tproc

(3)

其他幀間間隔的計(jì)算：

TSIFS=Trf_delay+Tproc+TTxRxTxRx

(4)

TPIFS=TSIFS+Tslot

(5)

TDIFS=TSIFS+2×Tslot

(6)

Ttimeout為判斷此次傳輸錯(cuò)誤所需的時(shí)間：

Ttimeout=TSIFS+Tslot+Trx_relay+2×Tprop

(7)

其中，Tcca為節(jié)點(diǎn)通過(guò)信道能量來(lái)決定信道狀態(tài)所需時(shí)間，TTxRx為將RF前端接收/發(fā)送模式轉(zhuǎn)換所需時(shí)間，Tprop為最大傳播時(shí)延，Tproc為發(fā)送前所需的處理時(shí)延，Trf_delay以及Trx_relay為本次傳輸?shù)谝粋€(gè)bit到完成最后一個(gè)bit所需要的時(shí)間。假設(shè)其他時(shí)間不變，只是傳播時(shí)延改變，則軌道高度為400 km時(shí)，最大傳播時(shí)間約為1.537 ms=1 537 μs，在802.11 g中，假設(shè)最大傳播距離為1 km，則傳播時(shí)延約為3.33 μs，因此在所有參數(shù)重新設(shè)定時(shí)，可以忽略地面WiFi傳播時(shí)延的影響。Tslot改為1.54 ms；為了保證信道的占用，TSIFS保持不改變，為16 μs；TPIFS改為1.556 ms;TDIFS修改為3.096 ms，此時(shí)TDIFS遠(yuǎn)大于TSIFS；Ttimeout修改為4.660 ms。

3.2多普勒頻偏估計(jì)與補(bǔ)償

在802.11 g中，設(shè)短訓(xùn)練序列的取樣時(shí)間為50 ns，延時(shí)D=16，可以估算的最大頻率誤差為：

(8)

對(duì)于長(zhǎng)訓(xùn)練序列符號(hào)，D=64，則：

(9)

通過(guò)短序列進(jìn)行頻率粗同步和長(zhǎng)序列的頻率細(xì)同步，可以保證載波頻率的同步?？梢?，在WiFi原有的設(shè)計(jì)中，可以保證在較大的多普勒頻展條件下實(shí)現(xiàn)頻率的同步。同時(shí)為了保證子載波之間的正交性，還需要根據(jù)導(dǎo)頻信息對(duì)采樣頻率進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，以達(dá)到采樣頻率的同步。筆者也在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)衛(wèi)星信道模擬器實(shí)際檢測(cè)了不同多普勒條件下的數(shù)據(jù)包接收情況。

實(shí)驗(yàn)條件：采用802.11g物理層，速率6 Mb/s，發(fā)射功率-10 dBm，包長(zhǎng)度1 510 B，發(fā)包軟件xcap每隔10 ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，共發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，根據(jù)抓包軟件wireshark在接收端抓收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，對(duì)收包率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 頻偏與收包率關(guān)系

當(dāng)用較小312 B的數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)試時(shí)，當(dāng)頻偏為20 kHz時(shí)，收包率可以達(dá)到100%，當(dāng)采用24 Mb/s以及54 Mb/s速率時(shí)，收包率會(huì)有約1%的小幅度降低。在較大多普勒條件下，802.11g物理層也能支持?jǐn)?shù)據(jù)的傳送。

3.3特定位置插入導(dǎo)頻

相對(duì)于WLAN的準(zhǔn)靜態(tài)信道，LEO衛(wèi)星信道具有高動(dòng)態(tài)特性，信道環(huán)境更加復(fù)雜。在物理幀的某些位置插入更多的導(dǎo)頻，如在原來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的地方插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)，然后緊接著再傳送數(shù)據(jù)符號(hào)，從而可以更好地對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。當(dāng)信道環(huán)境惡劣時(shí)，可以采用圖1所示的插入導(dǎo)頻方案。

圖1 導(dǎo)頻插入方案

3.4選擇重發(fā)的ARQ協(xié)議

選擇重發(fā)式的ARQ協(xié)議：在發(fā)送端只重發(fā)出錯(cuò)的幀。實(shí)現(xiàn)選擇重發(fā)，需要接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有對(duì)分組進(jìn)行排序的功能，除了應(yīng)答出錯(cuò)幀的序號(hào)RN，還有已經(jīng)正確接收的大于RN的信息。接收節(jié)點(diǎn)可以利用RN+k個(gè)比特來(lái)進(jìn)行應(yīng)答[5]。

(10)

選擇重發(fā)ARQ會(huì)帶來(lái)鏈路利用率的提高，但其平均時(shí)延較大，選擇重傳式相對(duì)于停等式ARQ協(xié)議，可以提供更高的協(xié)議效率；業(yè)務(wù)量較大時(shí)，平均傳輸時(shí)延較低。事實(shí)上，對(duì)于傳播時(shí)延較大、誤碼率較高的LEO衛(wèi)星信道，還需要結(jié)合幀的分片與聚合方式對(duì)現(xiàn)有的選擇重傳ARQ協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)在進(jìn)行了選擇重傳的過(guò)程中，由于采用了幀聚合方式對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行應(yīng)答，就此可以根據(jù)應(yīng)答幀的形式判斷當(dāng)前幀是出現(xiàn)錯(cuò)誤還是發(fā)生了碰撞，在一定程度上會(huì)提升協(xié)議的效率[5-6]。

3.5幀的分片與聚合

802.11g的MAC協(xié)議采用了單幀確認(rèn)方式。相對(duì)WLAN，LEO星地WiFi網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)率較大，采用單幀確認(rèn)方式時(shí)鏈路利用率較低，因此在LEO星地WiFi中，可以采用有幀聚合以及塊確認(rèn)功能的選擇性重傳ARQ協(xié)議以提高協(xié)議效率[5-6]。采用塊確認(rèn)的選擇重傳ARQ協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)比較復(fù)雜，需要收發(fā)兩端具有排序能力，需要一定的緩存空間，對(duì)衛(wèi)星端則需要有較好的星上處理能力。幀聚合的過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 聚合幀結(jié)構(gòu)圖

選擇重傳及塊確認(rèn)方案如圖3所示。

圖3 選擇重傳方案

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)LEO星地WiFi的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)通過(guò)LEO小衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)星地WiFi的傳播過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了一些切實(shí)可行的辦法。筆者也將在今后工作中對(duì)所給出的方法進(jìn)行深入研究，并給出相應(yīng)的研究結(jié)果。

[1] 安君帥,張生玥,肖躍.國(guó)內(nèi)外小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[C].衛(wèi)星通信學(xué)術(shù)年會(huì), 2016:95-102.

[2] 呂娜,徐德民,王文藝,等.編隊(duì)協(xié)同中的AdHoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,10(1):56-59.

[3] 陳楊, 胡偉圣,馬陸.應(yīng)用于WiFi衛(wèi)星通信系統(tǒng)的驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[J]. 信息技術(shù), 2016(6):21-26.

[4] 呂強(qiáng), 周志成, 李峰,等.基于衛(wèi)星通信的WIFI應(yīng)用[J].國(guó)際太空, 2015(11):34-39.

[5] 李建東.通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2011.

[6] 王麗娜.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2014.

[7] KUSZA K L, PALUSZEK M A. Intersatellite links: lower layer protocols for autonomous constellations[EB/OL].http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.172.4439&rep=rep1&type=pdf.

[8] MEGLA E C, KONANGI V K, WALLETT T M, et al. Comparison of IEEE 802.11 and wireless 1394 for intersatellite links in formation flying[C]. Aerospace Conference Proceedings. IEEE, 2002(3):3-1077-3-1083.

[9] VLADIMIROVA T, BRIDGES C P, MAYNARD K, et al. Characterising wireless sensor motes for space applications[C]. Nasa/esa Conference on Adaptive Hardware and Systems. IEEE, 2007:43-50.

[10] VLADIMIROVA T, SIDIBEH K. WLAN for earth observation satellite formations in LEO[C]. Bio-inspired, Learning & Intelligent Systems for Security. IEEE, 2008:119-124.

[11] MARSZALEK M, RUMMELHAGEN M, SCHRAMM F. Potentials and limitations of IEEE 802.11 for satellite swarms[C]. IEEE Aerospace Conference, 2014:1-9.

[12] CHINI P, GIAMBENE G. Resource management in hybrid DVB-RCS and WiFi networks[C]. Global Telecommunications Confe-rence, 2008. IEEE GLOBECOM 2008. IEEE, 2008:2941-2945.

[13] CHINI P, GIAMBENE G. QoS in hybrid WiFi and DVB-RCS networks[C]. Wireless Communication Systems. 2008. ISWCS′08. IEEE International Symposium on. IEEE, 2008:718-722.

[14] ALENA R, NAKAMURA Y, FABER N, et al. Heterogeneous spacecraft networks: wireless network technology assessment[C].IEEE Aerospace Conference, 2014:1-13.

Overview of research on satellite-to-ground WiFi key technologies

Hu Wei, Tao Xiaofeng

(Xi’an Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

WiFi communication system between satellite and ground has gained wide attention. Aiming at high error of LEO satellite channel, long delays and other characteristics, elective repeat ARQ protocol, fragmentation and aggregation of frame, inserting a pilot and other methods are introduced in this paper to improve the 802.11.The summarization of study methods has important significance to the achievement of WiFi network based on LEO satellite-to-ground.

LEO satellite; WiFi; satellite communication system; 802.11

TN927

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.003

胡偉，陶孝鋒.星地WiFi關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：9-11,15.

2017-04-05)

胡偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議。陶孝鋒(1978-)，男，碩士，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星通信。