(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

衛(wèi)星通信由于具有大容量、適于多種業(yè)務(wù)、覆蓋面積廣、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)際和國(guó)內(nèi)通信的重要手段。正交頻分復(fù)用(OFDM)[1]技術(shù)具有很高的頻譜效率和良好的抗多徑衰落能力、靈活性高，在地面4G移動(dòng)通信系統(tǒng)[2]中得到成功應(yīng)用，其在頻帶日益緊張、信道特性復(fù)雜的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中可以提高系統(tǒng)容量，具有廣闊的應(yīng)用前景。地面通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)牽引并推動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，衛(wèi)星通信與地面通信的融合得到廣泛關(guān)注， 第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)組織研究5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的同時(shí)，成立包括泰雷茲(Thales)、休斯(HUGHES)等國(guó)外一流衛(wèi)星公司組成3GPP衛(wèi)星組織，研究星地融合通信的技術(shù)途徑。OFDM是地面4G、5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而OFDM技術(shù)具有高峰值平均功率比(峰均比，PAPR)的特點(diǎn)，其通過(guò)星上高功率放大器時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性失真，系統(tǒng)性能會(huì)降低，影響衛(wèi)星通信質(zhì)量。因此，若要將OFDM應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，首先要解決其高峰均比的問(wèn)題。

本文旨于研究OFDM技術(shù)的衛(wèi)星應(yīng)用，基于星地通信信道及星上放大器歸一化模型[3]，建立OFDM星地通信系統(tǒng)，基于此，研究OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，能與地面通信系統(tǒng)兼容。傳統(tǒng)的降低峰均比方法[4]如限幅法、選擇性映射方法僅僅以降低峰均比為目標(biāo)，并沒(méi)有與限制OFDM衛(wèi)星應(yīng)用的關(guān)鍵因素——高功率放大器(HPA)相結(jié)合，本文研究的改進(jìn)的應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的降低OFDM峰均比的方法，使用一種新的衡量指標(biāo)，將星載高功率放大器和OFDM信號(hào)的PAPR結(jié)合在一起，代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，將該方法用于選擇性映射方法(SLM)中，在1×10-4誤比特率時(shí)要比PAPR準(zhǔn)則好2 dB。本文提出在信道條件好時(shí)，采用4G系統(tǒng)上行鏈路使用的單載波頻分多址接入(SC-FDMA)技術(shù)，在信道條件差時(shí)采用OFDM技術(shù)，接收端采用均方誤差(MSE)準(zhǔn)則的SLM方法進(jìn)行解調(diào)。這樣衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)可以采用相同技術(shù)，為星地融合通信提供了可能性。

1 OFDM系統(tǒng)降低峰均比的傳統(tǒng)方法

現(xiàn)有的減少OFDM系統(tǒng)PAPR的方法[5]有很多種。其中一種是信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，對(duì)信號(hào)首先進(jìn)行非線性處理，包括限幅加窗[6]、壓擴(kuò)法等方法。這類方法在信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器之前，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性畸變，其優(yōu)點(diǎn)在于直觀、簡(jiǎn)單，但信號(hào)畸變對(duì)系統(tǒng)性能造成的損害是不可避免的；另一類是依據(jù)于概率類技術(shù)，通過(guò)對(duì)一個(gè)OFDM符號(hào)加不同的加擾序列來(lái)選擇具有最小PAPR的OFDM信號(hào)進(jìn)行傳輸，如SLM[7]、部分傳輸序列(PTS)[8]。

1.1 限幅法

限幅法原理是信號(hào)先進(jìn)行限幅，然后進(jìn)入非線性放大器件，限幅法給OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶來(lái)相關(guān)的問(wèn)題是OFDM信號(hào)幅度產(chǎn)生了畸變，產(chǎn)生干擾，會(huì)降低誤比特率(BER)性能，同時(shí)會(huì)增加帶外輻射功率。

影響限幅性能的參數(shù)是限幅率Cr，Cr越大，限幅門限則越高，限幅效果越差；Cr越小，限幅門限越低，限幅效果越好。

圖1為星上使用HPA的OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用限幅法后性能。從圖中可以看出，由于限幅法是非線性算法，一味追求低的PAPR值，必然會(huì)帶來(lái)性能的惡化。雖然調(diào)整Cr值，可以一定程度改變性能，但由于限幅法對(duì)信號(hào)進(jìn)行了非線性畸變，使得其通過(guò)星載HPA后，性能反而不如不采取限幅法的性能。

因此，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，若HPA工作于非線性段，建議不采用限幅法。

圖1 OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用限幅法性能Fig.1 Performance of OFDM satellite communication system using clipping amplitude method

1.2 選擇性映射方法

選擇性映射(SLM)方法的基本思想是用多個(gè)隨機(jī)相位向量與輸入序列進(jìn)行向量點(diǎn)乘，則可以得到多個(gè)不同的輸出序列[7]，然后對(duì)多個(gè)輸出序列進(jìn)行快速傅立葉逆變換(IFFT)計(jì)算，得到時(shí)域OFDM符號(hào)，從多個(gè)OFDM時(shí)域信號(hào)序列內(nèi)選擇PAPR最小的進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。SLM大大減少峰值信號(hào)出現(xiàn)的概率。其缺點(diǎn)為計(jì)算量大，接收端還需要知道所用的相位序列。

由于SLM方法是概率類的降低方法，在接收端可對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，因此，該方法不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的畸變，在沒(méi)有其他非線性影響時(shí)不會(huì)導(dǎo)致誤比特率性能的惡化。

圖2為衛(wèi)星信道中采用SLM方法后的OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)(含星上HPA)的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，由于SLM方法未對(duì)信號(hào)產(chǎn)生畸變，通過(guò)序列優(yōu)化選擇PAPR低的進(jìn)行傳輸，減小經(jīng)過(guò)HPA產(chǎn)生的非線性畸變，故其性能要比未采取降低PAPR措施時(shí)改善。因此，SLM算法可以應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行降低PAPR，但需要考慮其計(jì)算復(fù)雜度。

圖2 在衛(wèi)星信道未采取SLM方法和采取SLM方法的性能Fig.2 Performances of OFDM satellite system using and not using SLM method

2 單載波頻分多址接入技術(shù)

地面4G系統(tǒng)上行采用了單載波頻分多址接入(SC-FDMA)[9]，具有較低的PAPR，能夠相應(yīng)的提高功放的效率和增加小區(qū)覆蓋面積，因此作為4G系統(tǒng)上行多址技術(shù)，替代OFDM技術(shù)。本節(jié)借鑒地面4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，研究SC-FDMA在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，研究何種情況下可以代替OFDM技術(shù)，何種情況下要采用OFDM技術(shù)。

2.1 單徑信道下SC-FDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

圖3為衛(wèi)星單徑信道下，衛(wèi)星鏈路分別采用OFDM與SC-FDMA時(shí)的誤比特率性能仿真曲線。仿真條件：OFDM子載波數(shù)為128，正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制。從圖中可以看出，在衛(wèi)星單徑信道未加入HPA時(shí)，采用OFDM調(diào)制與采用SC-FDMA調(diào)制性能是一致的。加入星載HPA后，采用OFDM調(diào)制與采用SC-FDMA調(diào)制系統(tǒng)性能均有惡化，在1×10-2誤比特率時(shí)，HPA的加入對(duì)SC-FDMA系統(tǒng)僅帶來(lái)了約0.4 dB的性能惡化，對(duì)OFDM系統(tǒng)卻惡化了約0.8 dB?？梢?jiàn)，在信道條件較好的情況下，SC-FDMA相對(duì)較低的PAPR使得其通過(guò)放大器后的非線性畸變較小，帶來(lái)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

2.2 多徑信道下SC-FDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

圖4為在衛(wèi)星多徑信道時(shí)，衛(wèi)星鏈路分別采用OFDM與SC-FDMA誤比特率性能仿真曲線。仿真條件：OFDM子載波數(shù)為128，QPSK調(diào)制。從仿真結(jié)果可以看出，在衛(wèi)星多徑信道未加入HPA時(shí)，OFDM系統(tǒng)性能比SC-FDMA系統(tǒng)性能好約5 dB，在下行鏈路中加入HPA后，OFDM系統(tǒng)性能惡化約0.3 dB，而SC-FDMA系統(tǒng)基本沒(méi)有惡化，但是加入HPA的OFDM系統(tǒng)的性能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SC-FDMA系統(tǒng)，此時(shí)就顯示了OFDM的抗多徑效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

圖4 衛(wèi)星多徑信道下性能對(duì)比Fig.4 Performances of multi-path satellite channel using OFDM and SC-FDMA

因此，當(dāng)信道條件好時(shí)，SC-FDMA調(diào)制的低峰均比優(yōu)勢(shì)凸顯，系統(tǒng)采用SC-FDMA調(diào)制會(huì)具有較好的性能；當(dāng)信道條件較差時(shí)，OFDM抗多徑的優(yōu)勢(shì)會(huì)凸顯，系統(tǒng)采用OFDM調(diào)制會(huì)具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

3 改進(jìn)的針對(duì)OFDM信號(hào)PAPR問(wèn)題的衡量指標(biāo)

第1節(jié)中各種解決PAPR的方法都是盡量使OFDM信號(hào)的PAPR值最小，將PAPR最低作為評(píng)判準(zhǔn)則。若衛(wèi)星系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，則不需要解決PAPR問(wèn)題，需要解決PAPR問(wèn)題是由星上放大器的非線性造成的。文獻(xiàn)[10]提出了一種新的衡量準(zhǔn)則，用MSE準(zhǔn)則代替PAPR作為衡量。

OFDM信號(hào)存在最大值，也有次峰值等。在通過(guò)星載HPA后，不僅最大值會(huì)帶來(lái)非線性畸變，其他幅度與其接近的次峰值等也有可能引起信號(hào)畸變。現(xiàn)有PAPR技術(shù)僅將最大值限制至最小，卻沒(méi)有考慮幅度接近次峰值等。所以現(xiàn)有的PAPR最小準(zhǔn)則在應(yīng)用于星上時(shí)并不是最優(yōu)的。

而本節(jié)中，將HPA的特性引入到PAPR，不再獨(dú)立處理PAPR問(wèn)題；而以非線性畸變的程度作為優(yōu)化準(zhǔn)則。用通過(guò)HPA之前、后的OFDM信號(hào)的均方誤差(Mean Square Error，MSE)來(lái)表征，即將文獻(xiàn)[10]的準(zhǔn)則應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的新的優(yōu)化準(zhǔn)則。

(1)

式中：x(n)為非線性放大器的輸入；z(n)為非線性放大器的輸出；N為OFDM信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)；E為OFDM信號(hào)通過(guò)放大器前后的均方誤差。

傳統(tǒng)的降低峰均比的方法都能采用MSE作為評(píng)判指標(biāo)，OFDM信號(hào)經(jīng)過(guò)HPA后的畸變度減小，從而可以提高BER性能。為了驗(yàn)證MSE準(zhǔn)則的性能，本文將這種指標(biāo)應(yīng)用于SLM技術(shù)中。同一個(gè)待傳輸序列X共有M個(gè)可被選序列，在以最小MSE為準(zhǔn)則的SLM方法下，選擇MSE值最小的序列進(jìn)行傳輸。

新的SLM的目的并不在于最小化PAPR，所以本文采用在衛(wèi)星信道下的誤比特率性能進(jìn)行比較。圖5給出了M=6時(shí)采用PAPR準(zhǔn)則、MSE準(zhǔn)則時(shí)SLM方法的誤比特率性能。仿真中調(diào)制方式為QPSK，載波數(shù)為128，星上采用HPA進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，HPA為飽和輸入狀態(tài)，即此時(shí)非線性最惡劣。

圖5 衛(wèi)星信道的不同準(zhǔn)則SLM方法的誤比特率性能Fig.5 Performances of SLM method using different criterions in one-path satellite channel

由圖5可見(jiàn)，采用MSE作為性能指標(biāo)的SLM方法的誤比特率性能比采用PAPR作為性能指標(biāo)的SLM方法的誤比特率性能要好。從圖5中看出，對(duì)于MSE準(zhǔn)則的SLM方法，其在1×10-4誤比特率時(shí)， 性能要比與PAPR準(zhǔn)則的SLM方法好約2 dB，比未采取降低PAPR方法系統(tǒng)性能好約3 dB。這顯示了用非線性畸變產(chǎn)生的MSE作為性能指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于采用MSE作為性能指標(biāo)的SLM選擇的OFDM序列產(chǎn)生的非線性畸變量最小，故其經(jīng)過(guò)非線性放大器后的帶外干擾也應(yīng)該較小。

圖6為衛(wèi)星兩徑信道時(shí)兩種準(zhǔn)則下的SLM方法應(yīng)用于OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。從圖中可以看出，在多徑信道時(shí)，MSE準(zhǔn)則仍然比PAPR準(zhǔn)則好約1.5 dB。但改善效果不如單徑信道明顯，這是因?yàn)椋谛诺罈l件惡劣時(shí)，高功率放大器的非線性帶來(lái)的影響遠(yuǎn)不如信道條件的影響大。

圖6 衛(wèi)星多徑信道的不同準(zhǔn)則SLM方法的BER性能Fig.6 Performances of SLM method using different criterions in multi-path satellite channel

因此，OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以采用MSE準(zhǔn)則的SLM方法，相比于PAPR準(zhǔn)則優(yōu)化的SLM方法，性能得到提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了能夠加快衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面系統(tǒng)融合，本文研究4G系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——OFDM技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用。星上HPA回退到線性段時(shí)可以直接使用OFDM技術(shù)，而實(shí)際使用中為了提高發(fā)射功率，星上HPA處于非線性段，OFDM能否應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵制約因素為如何減小星上HPA的非線性對(duì)OFDM信號(hào)的畸變程度。本文給出以下使用策略：

(1)SC-FDMA相對(duì)較低的PAPR使得其通過(guò)放大器后的非線性畸變較小，單徑信道1×10-2誤比特率時(shí),其性能優(yōu)于OFDM系統(tǒng)0.4 dB，因此，信道條件好時(shí)，采用地面4G系統(tǒng)的上行多址方式SC-FDMA。

(2)多徑信道中，由于OFDM具有抗多徑衰落的優(yōu)勢(shì)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SC-FDMA系統(tǒng)。因此，信道條件惡劣時(shí)采用OFDM技術(shù)。而采用OFDM技術(shù)時(shí)，建議不再考慮單純降低PAPR，而且采用新的MSE衡量指標(biāo)，該準(zhǔn)則在1×10-2誤比特率時(shí)的性能改善約2 dB。

OFDM信號(hào)對(duì)多徑信道和HPA畸變的適應(yīng)能力，使得OFDM技術(shù)能夠應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，且衛(wèi)星系統(tǒng)和地面4G、5G系統(tǒng)采用相同的多址方式，為星地融合通信提供技術(shù)途徑。

若通過(guò)本文所論述的方法，能使OFDM應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一方面，當(dāng)衛(wèi)星應(yīng)用于移動(dòng)終端時(shí)可以提升系統(tǒng)抗多徑能力，另一方面，對(duì)于星上透明轉(zhuǎn)發(fā)的載荷來(lái)說(shuō)，星上可以繼續(xù)采用原有設(shè)計(jì)，不用改變，只需要改變地面終端的通信體制即可，且具備與地面通信系統(tǒng)融合的條件，地面終端可以實(shí)現(xiàn)一卡雙用(地面通信、衛(wèi)星通信)。