王 勇，趙青松，王 迪，王 磊，

(1. 國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，安徽 合肥 230037；2. 電子制約技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037)

1 引言

目前衛(wèi)星通信的頻譜管理沿用固定信道授權(quán)分配模式，隨著業(yè)務(wù)量的提高和用戶數(shù)目的增多，衛(wèi)星通信受軌道和轉(zhuǎn)發(fā)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(wèi)星通信的頻譜中卻存在著大量的頻譜空洞。美國聯(lián)邦通信管理委員會在頻譜政策任務(wù)組撰寫的報告中指出[1]，在已授權(quán)分配的頻段中，絕大多數(shù)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(jìn)了傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)，它采用認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)現(xiàn)通信環(huán)境中的頻譜空洞，并且只在與頻譜空洞相對應(yīng)的非連續(xù)子載波上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這就實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶共享頻譜，且避免了認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶干擾[2，3]。但是目前NC-OFDM技術(shù)僅限于地面通信應(yīng)用，對NC-OFDM技術(shù)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(xiàn)提出將NC-OFDM技術(shù)用于衛(wèi)星通信。國內(nèi)外學(xué)者提出將OFDM技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域，建立基于OFDM的專用通信衛(wèi)星[7，8]，但由于OFDM頻譜連續(xù)覆蓋的特點(diǎn)，無法應(yīng)用到已授權(quán)的衛(wèi)星通信中，如果能夠?qū)C-OFDM引入到現(xiàn)有的衛(wèi)星通信中，提高衛(wèi)星通信的頻譜利用效率，顯然是更經(jīng)濟(jì)、可行性更強(qiáng)的手段。因此基于認(rèn)知無線電的NC-OFDM衛(wèi)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(hù)無線電頻譜已經(jīng)成為通信領(lǐng)域日益增長的要求。認(rèn)知無線電理論使NC-OFDM系統(tǒng)能夠與授權(quán)用戶共享頻譜，因而可以極大地提高頻譜利用率，如果能夠?qū)C-OFDM與衛(wèi)星通信結(jié)合，并由此設(shè)計出一種基于認(rèn)知無線電的NC-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)，將會給傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信理論帶來一次革命性的飛躍，一方面衛(wèi)星通信的頻譜利用效率將會大大提高，頻譜資源緊張的現(xiàn)狀得到緩解，另一方面也促進(jìn)了衛(wèi)星通信與地面通信的融合。

2 NC-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型

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

圖1 NC-OFDM系統(tǒng)發(fā)射和接收模型

如圖1所示，發(fā)射信源數(shù)據(jù)dt經(jīng)信道編碼和PSK/QAM調(diào)制星座映射后產(chǎn)生一組并行數(shù)據(jù)d0，d1，……dM-1，M代表信源數(shù)據(jù)產(chǎn)生時經(jīng)頻譜感知得到的衛(wèi)星信道中可用子載波數(shù)量，如同OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理一樣，NC-OFDM信號的調(diào)制同樣可以用離散逆傅里葉變換(IDFT)來等效實(shí)現(xiàn)，但是在NC-OFDM系統(tǒng)中，子載波的頻率不是等間隔連續(xù)分布的，子載波的頻率是由頻譜感知所得到的頻譜空洞數(shù)量和子載波分配算法得到的數(shù)值。

設(shè)衛(wèi)星信道內(nèi)所有待分配的子載波數(shù)量為N，則通過N點(diǎn)IFFT運(yùn)算即可得到NC-OFDM采樣信號

(1)

同樣，在接收端，可以對sk進(jìn)行反變換恢復(fù)原始數(shù)據(jù)di，即

(2)

3 NC-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)子載波分配方法

3.1 Ku頻段通信衛(wèi)星子載波劃分方案

目前Ku頻段商業(yè)通信衛(wèi)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(shù)據(jù)子載波100個，導(dǎo)頻子載波100個，保護(hù)子載波10個，如表1所示。

表1 NC-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)子載波劃分

3.2 基于頻譜感知的子載波分配

目前用于認(rèn)知無線電的頻譜感知方法有經(jīng)典的能量檢測法[9]、循環(huán)譜估計[10]等，近年來相關(guān)文獻(xiàn)[11]提出基于壓縮感知的信道估計方法。隨著采樣存儲技術(shù)的進(jìn)步，目前基于軟件無線電平臺已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)500MHz帶寬的實(shí)時全頻帶采集和頻譜監(jiān)測，頻譜監(jiān)測結(jié)果即可直接用于頻譜空洞提取。利用衛(wèi)星地面站和頻譜監(jiān)測設(shè)備對某Ku頻段商業(yè)衛(wèi)星通信信號進(jìn)行頻譜監(jiān)測，得到通信衛(wèi)星500MHz頻帶范圍的實(shí)星信號頻譜(如圖2所示)，從信號頻譜中提取了授權(quán)用戶未使用的頻譜空洞共計15個。依據(jù)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(shù)量，15個頻譜空洞共分配33個子載波(如表2所示)，其中數(shù)據(jù)子載波20個，導(dǎo)頻子載波6個，保護(hù)子載波7個。根據(jù)每一個頻譜洞的底部噪聲電平，換算得到相應(yīng)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(wèi)星頻譜感知結(jié)果

4 NC-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真

4.1 系統(tǒng)誤比特率性能分析

4.1.1 數(shù)據(jù)子載波信噪比

依據(jù)圖1構(gòu)建NC-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型，依據(jù)表2分配33個可用子載波，其中數(shù)據(jù)子載波20個(序號8-96)。信道編碼采用(2，1，6)卷積碼，信號調(diào)制采用BPSK調(diào)制方式，各數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)子載波信噪比

4.1.2 子載波頻域?yàn)V波

為了避免子載波的邊帶對鄰近頻率的授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾，發(fā)射前對每個子載波信號進(jìn)行了頻域?yàn)V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?yàn)V波后子載波邊帶衰減增加了10dB以上。20個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)子載波的信號傳輸進(jìn)行仿真，得到誤碼率曲線如圖4所示。

圖4 NC-OFDM數(shù)據(jù)子載波誤碼率

目前衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸誤碼率未達(dá)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(shù)據(jù)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(hù)子載波來解決。由此可以看出，基于頻譜感知的NC-OFDM系統(tǒng)能夠充分利用衛(wèi)星通信的頻譜空洞進(jìn)行通信，17個有效數(shù)據(jù)子載波實(shí)現(xiàn)了70.125Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，大大提升了衛(wèi)星通信的頻譜利用率。

4.2 NC-OFDM信號對授權(quán)信號干擾分析

NC-OFDM信號對授權(quán)信號的干擾是NC-OFDM能否在衛(wèi)星通信領(lǐng)域推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題。干擾產(chǎn)生的原因一是NC-OFDM子載波與相鄰信道的授權(quán)信號頻率距離過近，產(chǎn)生了鄰道干擾，二是頻譜感知滯后，在新的授權(quán)信號接入衛(wèi)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(quán)信號與NC-OFDM信號頻譜重疊的頻率范圍與授權(quán)信號頻帶寬度之比。以衛(wèi)星通信授權(quán)信號中最常見的MPSK信號為例，設(shè)授權(quán)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(shè)授權(quán)信號為QPSK調(diào)制，采用(2，1，6)卷積編碼，調(diào)制速率為2MBD，與NC-OFDM衛(wèi)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(quán)信號和NC-OFDM相鄰子載波頻譜

4.2.2 授權(quán)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(quán)信號載波功率譜密度大致相當(dāng)?shù)那闆r，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(jié)果如圖6所示。

圖6 NC-OFDM子載波對授權(quán)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(diào)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(diào)門限提高了2.5dB，當(dāng)ΔF≥50%時，QPSK信號無法正常解調(diào)。

5 結(jié)論

NC-OFDM通信具有子載波靈活可控的優(yōu)點(diǎn)，對提高衛(wèi)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(yīng)用的關(guān)鍵問題是與授權(quán)衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的兼容性。

本文依據(jù)真實(shí)衛(wèi)星信道頻譜感知對衛(wèi)星頻譜空洞的有效利用，實(shí)現(xiàn)了超過70Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，這對于500MHz頻帶寬度的商業(yè)通信衛(wèi)星是非?？捎^的。定義了頻譜重疊率的概念，用于描述NC-OFDM與授權(quán)系統(tǒng)之間的互擾狀態(tài)，并研究了干擾條件下的授權(quán)系統(tǒng)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(yīng)分配是解決兼容性的有效途徑，NC-OFDM衛(wèi)星通信方法能夠顯著提高衛(wèi)星通信的頻譜利用率。