倪 娟,佟 阳,黄国策,叶向阳

(1.空军工程大学 信息与导航学院,西安 710077;2.空军装备研究院,北京 100085)

1 引 言

美军卫星通信分为3类,即窄带卫星通信、受保护带卫星通信和宽带卫星通信[1],对应的频段分别为UHF、EHF和SHF。UHF频段作为窄带卫星通信使用频段,凭借信号穿透力强、终端实用性强、可实现全球波束覆盖和广播联网、接入得到保证[2]等优点,大量应用于美军无人机通信、战术数据链、巡航导弹指挥控制、广播以及后勤保障等军事行动中。

窄带卫星通信系统主要提供低数据速率的战术级卫星通信,美军现役的窄带卫星通信系统为UFO(UHF Follow-On)。随着美军无人机数量激增,UHF频段通信需求不断增长,而UFO使用寿命即将结束,能提供的通信容量已不足峰值容量的70%,目前UFO用户数量已经超过了定额的150%,并且由于干扰和误操作,信道利用率通常低于50%[3],且UFO终端庞大,携带使用不方便。因此,美军自1999年开始研制移动用户目标系统(Mobile User Objective System,MUOS),用于接替UFO,成为美军下一代窄带卫星通信系统。基于此,本文对MUOS系统构成进行全面介绍,着重分析和研究了MUOS系统关键技术,以期引起广大研究者的关注,促进我国卫星移动通信的发展。

2 系统介绍

MUOS借鉴陆地蜂窝第三代宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA)技术体制[4],采用新的波形和算法,并与GEO卫星相结合,运用星地一体化设计,为用户提供全球覆盖、具有联合互操作性的超视距通信,支持话音、数据、多媒体等业务的传输,不仅能满足容量需求,也可保证通信的有效性和可靠性。

2.1 系统构架

MUOS系统由空间段、地面段和用户段组成。空间段包括4颗GEO卫星和一颗在轨备份卫星,每颗卫星除搭载一个MUOS系统有效载荷之外,还搭载一个UFO卫星有效载荷。

地面段包括无线电接入设备(Radio Access Facility,RAF)、交换设备、网络管理设备和卫星控制设备,主要用于卫星的控制、用户语音和数据业务的管理与传输以及通信资源的管理与控制,各设备间通过高速光纤互联构成地面网络,地面网络是基于通用移动通信系统包交换域的全IP网络[5],用户可通过地面网络远程接口与国防信息系统网络(Defense Information System Network,DISN)、公共电话交换网、全球信息栅格以及其他卫星通信网络相连。

用户段包括各种机载、舰载、人工背负式、手持式移动和固定终端。MUOS兼容原有的UHF终端[6],新开发的MUOS终端与联合战术无线电系统(the Joint Tactical Radio System,JTRS)体系结构保持一致[7],通常只需在原终端中嵌入MUOS波形即可作为MUOS终端通信。

2.2 信息流

MUOS上行UHF链路频率为300～320 MHz,下行UHF链路频率为360～380 MHz。每颗卫星在地面形成16个蜂窝,系统将20MHz带宽划分成4个5 MHz的卫星波束载波(Satellite Beam Carrier,SBC)分配到每个蜂窝,不同的蜂窝间可进行频率复用,同一SBC的所有用户在同一时刻使用相同频率通信。WCDMA采用正交可变扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor,OVSF)码进行扩频调制,不同的扩频码代表不同的波形,不同的波形区分不同的信道;采用PN码进行扰码调制,每个终端被分配一个独有的扰码,RAF根据该扰码区别不同的终端[8]。

MUOS信息流程如图1所示,包括6个阶段:

(1)MUOS终端通过UHF上行链路向卫星发送信号;

(2)卫星接收信号并将其数字化后,通过Ka频段下行馈电链路传送到RAF;

(3)RAF将信号解调、译码后,传送到最近的交换设备;

(4)交换设备将信号路由到DISN(与其他网络通信时)或者与目标用户处于同一卫星覆盖区的RAF;

(5)RAF通过Ka频段上行馈电链路将该信号发送到覆盖此RAF的卫星;

(6)卫星将接收到的信号放大,下变频到UHF频段,通过UHF下行链路将信号发送至目标用户[3,9]。

图1 MUOS信息流Fig.1MUOS data flow

UHF上行链路、卫星和Ka频段下行链路共同构成用户到基站(User-to-Base,U2B)链路,Ka频段上行链路、卫星和UHF下行链路共同构成基站到用户(Base-to-User,B2U)链路。为了增强系统的稳健性,MUOS设计时,每颗卫星覆盖两个RAF,且一个RAF被两颗卫星覆盖。在系统工作量的约束下,为了提高容量,RAF应尽量将工作量均匀分散到每个卫星波束,同时卫星也应将工作量均匀分散到每个RAF[9]。

2.3 MUOS与地面蜂窝WCDMA系统区别比较

MUOS与地面蜂窝WCDMA系统的区别主要体现在信道特性和端对端传输时延上,将其总结如表1所示。

表1 MUOS与地面蜂窝WCDMA系统传输比较Table 1 Transmission comparison between MUOS and the terrestrial cellular WCDMA system

MUOS将3G WCDMA作为其波形定义的基础[10,12],并大量运用第三代移动通信关键技术。实际操作过程中,需根据MUOS卫星信道特点和实际需求,对3G WCDMA波形和相关技术进行适当的修改和创新。这些技术包括空中接口技术、RAKE接收技术、波束成形技术和功率控制技术等。

3 系统关键技术

3.1 空中接口技术

公共空中接口(Common Air Interface,CAI)是为了标准化卫星与终端之间通信波形而定义的[11]。信道的相干时间越大,对支持物理层信令传输和接收机跟踪算法的专用物理控制信道(Dedicated Physical Control Channel,DPCCH)功率要求越低。MUOS UHF信道相干时间约为陆地蜂窝系统的6倍,因此可以降低控制信道的功率开销,提高数据信道的承载容量。与典型的陆地蜂窝WCDMA系统相比,MUOS波形设计时,降低了DPCCH和公共导频信道(Common Pilot Channel,CPICH)功率。在U2B方向,DPCCH功率降低了7 dB;B2U方向,CPICH功率降低了10 dB[12]。

MUOS信道相干时间大于100 ms,而WCDMA物理层最大传输时间间隔(Transmission Time Interval,TTI)为80 ms,因此要在U2B链路利用时间分集技术必须增大传输时延。MUOS在WCDMA调制子层和编码合成传输信道之间插入了楔形交织(Dovetail Interleaving,DTI),将8个TTI进行帧交织[9,12],传输时间间隔增大到640 ms,实现了长相干时间UHF信道的时间分集技术。

MUOS作为军事系统,其严格的数据速率要求决定了B2U链路速率匹配算法与陆地WCDMA系统中使用的算法存在差异。MUOS B2U速率匹配算法要考虑误块率、信息重传和周期性的优先控制等因素,因此要求传输格式组合(Transport Format Combination,TFC)中的数据速率高于额定速率。MUOS修改了3G WCDMA B2U链路速率匹配算法,将TFC分为额定值和扩展值。额定TFC发送额定数据速率,在未满载的TFC中插入不连续发射比特,类似于陆地蜂窝WCDMA下行链路速率匹配算法;扩展TFC则完全利用所有可用的专用物理数据信道(Dedicated Physical Data Channel,DPDCH)比特进行速率设定。仿真实验证明运用该改进的速率匹配算法,能有效地克服性能下降[12]。

3.2 RAKE接收技术

RAKE接收机通过相干合并每个信道接收到的能量来对抗多径衰落。MUOS系统中,RAF和用户终端都使用了RAKE接收技术,仿真实验和硬件测试均表明RAKE接收技术在大量可变的UHF卫星通信信道中能发挥很好的性能。

由空中接口技术可知,为最大限度地提高容量,将DPCCH功率电平设置比地面WCDMA系统中的典型值低7 dB。专用导频符号是DPCCH的一部分,主要用于信道估计,相当于“训练序列”,RAKE信号处理也是针对专用导频符号进行的,处理后一方面对信道进行估计,控制查找器时延,另一方面计算出组合权向量,将不同DPDCH数据流组合成单一数据流[13-14],如图2所示。专用导频符号功率过低,通过信道后信干比过低将影响RAKE信号处理的性能。为解决这一问题,需要增大信道跟踪时间常数,由此增加的信道跟踪处理增益能减轻专用导频符号信干比的降低。实际中,信道跟踪时间常数受到信道相干时间和频率跟踪性能的限制,MUOS信道相干时间长,因此MUOS RAKE接收机的信道跟踪时间常数只受到频率跟踪性能的限制。为了提高频率跟踪性能,MUOS RAKE接收机使用了最大似然算法的频率估计技术、在频率估计前增加预检测数据积分以及延长频率跟踪环时间常数等方法[14]。

图2 RAKE信号处理框图Fig.2 Schematic diagram of RAKE signal processing

相对于理想的RAKE接收机,MUOS系统RAKE接收机设置的性能余量非常小,在最佳信道上允许有0.75 dB的余量,而在恶劣的信道上允许有2.0 dB的余量。比较起来,对高速移动体而言,地面WCDMA系统理想RAKE接收机余量设置通常大于3.0 dB。

RAKE接收机中有多个查找器,如图2,每个查找器都通过时延编码或推进数据调谐到一个多径时延,并对I/Q多路传输的DPDCH和DPCCH进行解扰、解扩,产生 DPDCH和 DPCCH数据流。A.J.Viterbi介绍了一种常规的RAKE接收机,该接收机采用一种“放置后跟踪”查找器管理范例。该查找器工作时时延跟踪时间常数必须大于信道跟踪时间常数[15],但MUOS系统即使在最坏的情况下,时延跟踪时间常数也很难靠近信道跟踪时间常数,因此,MUOS RAKE接收机采用一种非常规的查找器管理方案——“静态查找器范例”,这种查找器不会动态跟踪时延,并与多径响应峰值不存在直接关系,它消除了时间跟踪和信道跟踪之间的交互作用,不需要过多查找器覆盖脉冲响应,满足MUOS信道非常严格的时延扩展要求。但“静态查找器范例”不能使用简单的信道跟踪来对信道进行估计,因为MUOS导频功率非常弱,查找器噪声成为信号处理过程中噪声产生的主要来源,为了抑制查找器噪声,MUOS引入信道识别算法和交叉查找器滤波的概念。新算法的引入会导致计算量增大,但MUOS信道长相干时间可以接受系统信号处理速率的下降。

3.3 抗干扰技术

限制MUOS容量的两个最重要因素是UHF带宽和干扰。干扰分为内部干扰和外部干扰,内部干扰指WCDMA体制下的多路接入干扰(Multiple Access Interface,MAI),外部干扰指严重拥塞在MUOS使用的UHF频段的一系列信号,包括视距通信信号、雷达信号、无线电导航信号和商用电视信号[9]。MUOS B2U链路干扰包括多径干扰、B2U频段内的外部干扰和MAI[16]。信道中UHF信号多径传输产生了频率选择性衰落,接收端对多径信号的抗干扰处理会降低信号间的正交性,产生MAI。U2B链路干扰包括U2B频段内外部干扰和MAI[17]。为了降低MAI,系统采用功率控制和无线电资源管理[9,18]两种技术。对于外部干扰,功率控制技术和WCDMA体制的运用使得MUOS用户能与许多其他用户共享信道,且共享后对两者都没有严重的性能影响。

MUOS U2B、B2U链路抗干扰均采用自适应信号处理技术,RAF信号处理降低UHF上行链路外部干扰,终端自适应滤波器降低UHF下行链路外部干扰。为遵守主办国家协议,避免与附近的其他通信系统干扰,MUOS终端能在发送信号中采用陷波(Spectral Notching)技术,5 MHz信道中,大约几百千赫的频段能在预测到严重性能下降之前被陷波[19]。接收机使用频谱白化(Spectral Whitening)技术,在解调器中降低干扰功率,以很低的有用信号功率损失为代价实现抗干扰[17]。功率控制环路能自动调整发送信号功率,以补偿发生的任何信号衰落[9]。

3.4 功率控制技术

在保证服务质量的前提下,功率控制技术通过尽可能降低不断变化信道中的上下行链路功率,达到降低MAI、提高系统容量的要求。WCDMA功率控制分为内环和外环,其中内环主要跟踪信道增益变化以获得目标信噪比,外环主要监控通信性能并调整目标信噪比。MUOS U2B和B2U链路均采用闭环功率控制,终端只需发送完成UHF上行链路所需功率,卫星也只需发送完成UHF下行链路所需功率。MUOS与3G WCDMA陆地蜂窝系统应用类似的功率控制环,不同的是,MUOS端对端通信有约540 ms的环路传输时延,因此功率控制更加复杂,如图3所示。为了解决延时的问题,MUOS使用陆地蜂窝中没有的两个重要技术:第一,基于目前和过去的衰落值,内环使用简单自由度线性预测器预测未来540 ms的信道衰落状态,获得预测的目标信干比(Signal Interference Ratio,SIR);第二,MUOS外环在每个10 ms帧上获得一系列SIR测量值估计瞬时误块率(Block Error Rate,BLER)[20],调整目标SIR。

图3 MUOS功率控制结构Fig.3 Structure of MUOS power control

3.5 无线电资源管理技术

在任何CDMA系统中,有效的无线电资源管理(Radio Resource Management,RRM)技术都能为用户分配信元、波束、载波和编码,从而降低MAI,增加系统容量[18]。RRM是将用户分配到具有最佳传输环境(更高的天线增益或者更低的MAI)的卫星波束载波中,从而降低整个链路所需功率,达到降低MAI的目的。

MUOS系统中信元覆盖区域广、卫星下行链路功率有限、上下行链路波形不同以及群通信的要求,RRM更加复杂。系统提供了两种无线电资源管理算法,预先计划无线电资源管理(Pre-Plan Radio Resource Management,PPRRM)和动态无线电资源管理(Dynamic Radio Resource Management,DRRM)。其中,PPRRM用于群网络通信,DRRM用于点对点通信。

MUOS B2U和U2B链路设计不同,RRM优化策略不同,两个方向的优化有时会引起冲突,因此,无线电资源优化时应当兼顾两条链路,并且留出适当的余量,才能使系统整体容量达到最大。B2U下行链路采用OVSF编码设计,影响该链路容量的干扰有三部分:一个卫星波束载波内的干扰IOR、一颗卫星相邻波束使用同一载波频率引起的干扰 IOB和覆盖相同区域不同卫星的波束使用相同载波频率引起的干扰 IOS。IOR因多径引起信号正交性减弱而产生,相对于另两种干扰来说通常很小;处于波束边界的用户受到的 IOB影响比较严重,波束中心周围的用户几乎不受 IOB影响;IOS干扰比 IOB严重,采用定向天线可以降低IOS干扰。U2B上行链路使用非正交编码,分配同一载波频率的所有用户之间相互干扰,即产生MAI。当MAI比噪声干扰高6 dB以上时,终端将会因为没有足够功率克服MAI而关闭该链路。

PPRRM使用预报公式预测U2B MAI和B2U功率消耗,模拟MUOS通信计划流程,并根据该流程预先为群用户完成最终的卫星波束载波分配。PPRRM使用“填充和溢出”与“循环复用”两种方法分配卫星波束载波[21],群通信时所有用户必须被分配到一个波束的相同载波中,否则会造成功率浪费。DRRM要求用户采用最小的发射功率,将每个用户分配到有足够OVSF编码的传输环境最佳的卫星波束载波上。

4 结论与展望

4.1 发展现状

从空间段来看,MUOS系统的第一颗卫星于2012年2月成功发射升空,第二颗卫星发射后,MUOS将形成初步通信能力。第二颗卫星发射成功后,美军方将按照每年发射一颗卫星的进度发射后续的3颗卫星。目前,第一颗卫星正在太平洋中部地区上空进行在轨测试,第二颗卫星正在空间模拟环境中测试性能,第三颗卫星准备进行环境测试,剩余两颗卫星还在制造过程中。

从地面段来看,位于夏威夷的RAF已经建成,目前在位于西西里的RAF进行软硬件安装和测试,整个MUOS地面IP网络预计将于2013年建成。

从用户段来看,MUOS终端的设计开发由JTRS负责。JTRS为MUOS研发了两种类型的终端,JTRS HMS和JTRS AMF。2012年 2月,美国通用动力 C4系统使用首个嵌入MUOS卫星通信波形的JTRS HMS型双通道网络电台AN/PRC-155,率先完成了话音和数据信息的安全发送。预计2012年底MUOS波形将装备到该电台中,届时该电台将成为首个开发成功为士兵所用的MUOS终端。按计划MUOS波形也将嵌入到JTRS AMF型终端中,以完成UHF窄带卫星通信,目前具体型号未定,该终端预计在2014年具备初始作战能力。虽然MUOS支持手持终端,但是目前尚未研发相关的手持终端。另外,RT-1939(C)和AN/PRC-171G等电台中也预备嵌入MUOS波形,实现UHF窄带卫星通信。

4.2 未来展望与发展建议

由于MUOS系统中所有的信号处理过程都在地面完成,因此在不改变目前卫星星座的前提下,通过引进先进技术提高系统的性能和容量的方法可行性很高,这也是未来几年美军优化MUOS系统的主要研究方向。相关新技术包括:时间同步WCDMA系统;通过多波束和多卫星处理消除强干扰;多用户检测;改进的编译码技术;使用4G商业蜂窝技术。MUOS U2B仿真工具能有效评估上述技术对MUOS性能的影响,政府可对每种方案进行效费比分析。另外,MUOS项目办公室还计划在MUOS现有频段基础上增加20 MHz的上下行链路带宽,用来支持第二个MUOS卫星星座[9]。

我国应重视卫星移动通信的建设研究。技术上,应重视将民用技术和体制应用到军事系统建设中,并加强基础性新技术的研究。应用上,应学习借鉴美军的建网模式和资源优化管理方式。

目前,商用通信系统逐步趋于完善,技术体制日益成熟,通信容量大大增加,性能更加优越,将民用技术应用到军事通信系统中,可降低研究成本,加快开发速度,也会大大提高效能。MUOS是美军首个借鉴3G WCDMA技术体制的军事卫星移动通信系统,对于我国卫星移动通信发展而言,应注重时分同步码分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,TD-SCDMA)及其演进系统在战术卫星通信中的应用研究。TD-SCDMA是我国拥有自主知识产权的第三代移动通信技术体制,其关键技术和核心专利为我国所有,将TD-SCDMA应用到卫星移动通信中将为我国开展未来卫星移动通信的自主研发创造很好的平台。同时,从卫星通信长远发展来看,星上信号处理、天线抗干扰、空间IP互联网和星间激光链路等新技术的应用将会对卫星通信的性能带来巨大的改善。因此,应不断地加强基础性新技术的研究工作。

美军将天基网络与陆基网络融合,形成天地一体化发展。同时,资源分配方式上使用动态资源管理,增加了系统容量。在信息化迅速发展的今天,我国在建设卫星移动通信系统时,也应加强各种网络平台的融合和资源的动态分配,更好地发挥联合作战的效果。深刻理解美军的卫星移动通信系统的建设和相关技术,能为我国未来的卫星移动通信发展提供重要的借鉴意义,同时也为对其实施干扰、打击和摧毁发挥重要作用。

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