《卫星通信与卫星网络》课件-第12章

第12章卫星通信新技术12.1新型星上通信载荷技术12.2新型物理层技术12.3先进天线技术12.4更高频段的卫星通信技术12.5本章小结

12.1新型星上通信载荷技术

一般来说,多波束天线的设计主要分为以下步骤:首先,设定需求,包括工作频段、极化方式、覆盖区域、天线增益、副瓣电平和交叉极化电平等;其次,确定在卫星轨道位置时天线坐标系的覆盖范围;再次,由要求的天线增益、副瓣电平、交叉极化电平和卫星结构确定天线口径、天线焦距和偏置距离;最后,根据确定的天线参数来确定所需馈源数量并综合天线覆盖区域的辐射特性。

天线反射面的直径取决于天线方向图的波束宽度、增益副瓣电平和相邻波束之间的距离。式(12-1)和式(12-2)给出了根据天线辐射方向图的半功率波束宽度、第一副瓣电平和相邻波束间距计算天线反射面直径尺度的近似公式:

其中,Dmax和Dmin分别为天线反射面口径的最大值和最小值,SL为相对于天线波束峰值的旁瓣电平值,θbmw为半功率波束宽度,θs为相邻波束间距,λ为工作波长。

基本型馈源如图12-1所示,它用每个馈源形成一个波束,即波束数与馈源数一一对应。这种设计所提供的波束峰值增益比用一个最佳尺寸的单馈源喇叭所提供的增益低2~3dB。它主要受天线的限制,为了提高天线增益,需要增大馈源口径以减小馈源漏射;而为了改善天线相邻波束间的交迭电平,需要减小馈源口径,即使相邻馈源间的间距较小。采用基本型馈源的优点是馈电网络简单,缺点是交迭电平、峰值副瓣电平及天线辐射效率之间存在矛盾。

图12-1基本型馈源

增强型馈源如图12-2所示。它是指采用一簇喇叭,而不是单个喇叭来产生一个波束。这种多波束天线的合波束可以在覆盖区内与各个子波束相对应的位置上同时产生。它通常由1个中心喇叭和6个喇叭构成喇叭阵列,这种馈源被认为是多波束天线的一种较好的选择,这是因为7个一组的馈源簇可以控制主瓣四周的副瓣电平。

图12-2增强型馈源

图12-3基本型馈源波束配置示意图(n=2)

辐射单元及其尺寸是多波束天线的关键参数之一,它直接影响多波束天线的射频性能。单元尺寸取决于天线的F/D和波束偏移因子(BDF,BeamDeviationFactor)。BDF与波束扫描角、馈源偏离天线焦点的物理尺寸以及天线的参数有关。BDF的计算公式如下:

对给定的天线参数、天线偏置角θoffset和波束间距θs,馈源间距为

馈源单元数取决于天线波束的覆盖区域和天线主反射面的直径,即

早期卫星通信系统通常采用多波束天线(MBA)载荷来增加通信容量。图12-4给出了模拟弯管式MBA载荷结构示意图。

图12-4模拟弯管式MBA载荷结构示意图

由图12-5可知,DC载荷位于MBA系统的中心,主要包括模/数转换器、数/模转换器、多波束信道去复用/复用器和数字信道化器。DC载荷可将输入波束的任何信道路由至输出波束的任何信道,同时可自动调整信道的绝对增益和相对增益。基于MBA的DC载荷技术与模拟弯管式MBA载荷技术的明显区别在于:前者的信号交换在数字域中实现,且交换频带可灵活变化;后者的信号交换在模拟域中实现,交换带宽通常为一个子频带带宽。

图12-5基于MBA的DC载荷示意图

图12-6给出了数字信道化波束成形(DCB,DigitalChannelizerBeamformer)载荷结构示意图。图12-6DCB载荷结构示意图

图12-7给出了全再生处理(FRP,FullyRegenerativeProcessor)载荷结构示意图。图12-7FRP载荷结构示意图

图12-8给出了SDP载荷处理流程和架构,图中GPP表示通用处理器,GPU表示图形处理单元。图12-8SDP载荷处理流程和架构

为了获取星上SDR的专业知识,2012-年美国宇航局(NASA)将航天通信与导航(SCaN)试验台发送到国际空间站。SCaN试验台是采用新一代SDR技术的先进综合通信实验设备,可以在空间进行先进的通信、组网和导航技术研究、试验和验证。SCaN试验台上装有3部SDR电台,这些电台能采用信号处理硬件(如FPGA和DSP)和通用处理器对波形进行重构。

12.2新型物理层技术

12.2.1编码调制技术随着调制阶数的增加,维持相同误码率所需的载波功率也将增加,为了解决这一问题,可以采用信道编码。信道编码技术作为保证信息正确传输的有效手段被广泛应用于各种卫星通信系统,通过信道编码可以在有限带宽、低信噪比的条件下实现信息的低误码率传送,以达到节省发射机功率、提高频谱利用效率的目的。

卫星通信系统通过很远的距离传输数据,由于衰落、噪声和干扰等的影响,信号在传输过程中会产生严重的畸变,这就要求信号具有尽可能大的传输能量。但是由于受到卫星

体积和载重等方面因素的限制,卫星不可能给信号提供太大的能量,这就要求在功率受限的情况下采用具有强纠错能力的差错控制方法来保证信号误码率在允许的范围之内。信道

编码技术作为保证信息正确传输的有效手段被广泛应用于各种卫星通信系统,通过信道编码可以在有限带宽、低信噪比的条件下实现信息的低误码率传输,以达到节省发射机功率

的目的。

随着卫星系统对误码性能要求的提高以及卫星平台受到功率和重量的约束,需要一种具有低误码率、低复杂度的高效信道编码技术。Turbo码和低密度奇偶校验(LDPC)码都被证实是性能接近香农限的纠错编码,切实可以在实际中应用。

相对于Turbo码,LDPC码有以下优势:

(1)Turbo码的不足之处是在极低误码率的情况下性能开始下降,提高功率对改善误码率几乎没有帮助,这是由于低重量码字会引起错误平层(ErrorFloor),Turbo码的错误平层一般在10-6数量级,如果应用于类似场合中,需要和外码级联才能达到要求;而LDPC码具有更低的错误平层,可以应用于卫星通信、深空通信等对误码率要求更加苛刻的场合。

(2)LDPC码的码率可以任意构造,有更大的灵活性;而Turbo码只能通过打孔来达到高码率,这样打孔图案的选择就需要十分慎重,否则会造成性能上较大的损失。

(3)LDPC码的译码算法是一种基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法,运算量要低于Turbo码译码算法,并且由于结构并行的特点,在硬件实现上比较容易。因此在大容量通信应用中,LDPC码更具有优势。

(4)不可检测错误少。由于LDPC码的码距较大,使得它在译码过程中出现不可检测错误的概率很小。

(5)由于校验矩阵的存在,使得在LDPC码的译码过程中能够确定码字是否正确,这样不仅可以省掉CRC(CyclicRedundancyCheck)编码,而且可以采用动态终止算法来减少迭代次数。

基于上述优点,LDPC码是一种能够实现卫星高速通信中极低误码率(误码率小于10-8)和较低复杂度的高效信道编码。

12.2.2网络编码

网络编码作为一种在近年来才兴起的新兴技术,在卫星通信中得到了很大的应用,在经过不断的发展后,其在信息传输效率的优化与网络吞吐量的提高等方面产生了巨大的影响。传统的通信网络传送数据的方式是存储转发,即除了数据的发送节点和接收节点以外的节点只负责路由,而不对数据内容做任何处理,中间节点扮演着转发器的角色。长期以来,人们普遍认为在中间节点上对传输的数据进行加工不会产生任何收益,然而网络编码理论彻底推翻了这种传统观点。

网络编码主要用于多播网络中,在节点上进行编码以提高信息传输速率。按传统方案,节点一般是使用“存储转发”机制的路由器,由于传统观点认为“在中间节点上对数据进行加工不会带来收益”,因此路由器不对信息本身进行处理。网络编码则在节点上对数据进行处理,从而提高了信息的传输率。

基于卫星通信网络的特性,网络编码技术适用于卫星通信网络领域。如果一个节点对相邻节点的不同数据分组产生兴趣,则可以通过编码这些不同的数据包,使得它和相邻的所有节点都能够接收它们中的数据分组的信息,从而有效地节约了卫星通信资源。

与网络编码技术相结合,可以得知未来卫星通信应用的编码技术有两个发展方向,分别是:

一是基于卫星通信的特点,采用某种方法实现网络编码设计,在多路径上存在着多种不同的速率,而不同的速率对应于不同的网络编码方法,因此,有必要研究最低成本的网络编码;

二是网络编码技术在多媒体中的应用。

12.2.3多载波技术

考虑到卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络的融合趋势,如果新一代卫星移动通信系统的发展过程中也采用OFDM技术,即采用与地面下一代移动通信系统相兼容的传输体制和空中接口,将非常有利于卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络的融合。

OFDM传输技术存在以下优点:

(1)OFDM通过划分子信道,使得子载波上的信息持续时间增加,有效抑制了符号间干扰,并且巧妙地引入了循环前缀,消除了频率选择性信道引入的载波间干扰。

(2)OFDM具有很强的抗衰落能力,其本身能提供频率分集,结合子载波的联合编码,可以增强深衰落信道下子载波所携带的信息恢复能力。

(3)OFDM具有很强的抗干扰能力,其本身将宽带信道分割成窄带信道,窄带干扰只会影响到系统的某些子载波传输信号,OFDM可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。

(4)OFDM采用在频域上正交的子载波进行信息传输,与常规的频分复用系统相比,OFDM系统可以较大限度地获得频带利用率。

(5)OFDM采用离散傅里叶逆变换(IDFT,InverseDiscreteFourierTransform)和傅里叶变换(DFT)方法来实现信息的载波调制与解调。

(6)OFDM可以通过子载波的分配来满足上行链路与下行链路的不同业务的速率需求,提高系统资源分配的灵活性。

自小波包多载波传输方式提出以来,它已被DVBH(DigitalVideoBroadcastingHandheld)和DVBT标准选为技术方案。同时,美军空军实验室已于2003年研制出小波包多址通信测试平台,正式对小波包调制系统在实际中的应用进行了测试。此外,日本名古屋大学和加拿大国家通信研究中心都提出将小波包多载波传输方式应用于卫星通信系统。

12.2.4多天线技术

一般来说,多输入多输出(MIMO,MultipleInputMultipleOutput)技术在不增加使用带宽的情况下,能够获得空间上的分集增益和编码增益,提高频谱利用率并降低干扰,因此在地面移动通信系统中获得了广泛认可,并成为了IEEE802.11n的核心技术。因此有学者将MIMO技术引入卫星通信、卫星广播、多波束卫星系统的研究中。

将MIMO技术与宽带卫星平台结合起来,能够缓解星地传输中带宽需求压力并提高频谱效率。卫星系统采用MIMO技术不但有利于发挥卫星覆盖范围大、受地理条件限制小、频段高、频带宽的优点,而且契合当前高速、高质量、大容量的卫星数据传输需求,采用MIMO技术能够提高卫星频谱利用率,增加系统容量。

双极化(DP,DualPolarization)模式的卫星和地面站(单星+单地面站)均安装两幅不同极化方向的天线———左旋圆极化和右旋圆极化天线。

信道独立性最好的方式为多星多天线(MSMA,MultipleSatellitesandMultipleAntennas)模式。该系统由多颗卫星(每颗卫星一个天线,可以采用卫星星座或卫星编队)和多个海上天线构成,卫星之间的轨道位置相距0.5°或者波长的1.5×105倍以上。研究表明,卫星端天线距离远有利于减小地面接收天线之间的距离,多颗分布式卫星或多颗GEO

卫星和海上天线阵列构成的“多星多天线MIMO系统”架构(见图12-9)更适合我国卫星与南海海面舰船、油气平台、海岛或岛礁之间的信息传输。

图12-9MIMO卫星系统架构(以双极化,地面站数量、卫星数量和天线数量均等于2为例)

目前,国内外的研究者发起了对MIMO卫星系统的研究,国内的研究工组者相继开展了相关的理论研究工作,研究情况见表12-1。

欧空局团队致力在移动广播卫星系统中采用MIMO技术,对于DP模式下的信道模型进行了研究,分析了误码特性,研究了MSMA模式下的容量。美国、日本、瑞典、印度、

澳大利亚、匈牙利等国家学者的研究工作也集中于信道模型、系统容量和BER性能三个方面。

12.2.5链路自适应技术

对于传统卫星通信系统,为了保证系统的可用性及可靠性,一般采用固定的传输模式进行信息传输。传输模式的选定是依据最差的信道状况来决定的。通常情况下,传统的卫

星通信系统发射端会采用较高的发射功率,传输模式选择纠错性能较好的编码方式以及低阶调制方式来保证链路的可行性,抵抗雨天时最坏情况下的降雨衰减以及最大的传输链路衰减。这样晴天时传统的传输模式会造成信道资源的大量浪费。

链路自适应(LA,LinkAdaption)技术是指系统根据卫星无线信道在时间、频率和空间等维度上的变化,动态地调整发射机和接收机的传输参数,从而使系统在维持不同业务传输质量的前提下,进一步提高系统的平均频带利用率,使无线信道资源得到最大限度的利用。链路自适应技术中,功率控制技术是应用较早的自适应技术。除此以外,自适应编码技术、自适应调制技术、自适应编码调制技术以及混合自动重传(HARQ,HybridARQ)技术也相继出现并得到了应用。

根据HARQ过程中重传内容的不同,HARQ主要分为TypeⅠHARQ、TypeⅡHARQ和TypeⅢHARQ三种类型。

(1)TypeⅠHARQ。

TypeⅠHARQ是一种简单的ARQ和FEC的结合。

(2)TypeⅡHARQ。

TypeⅡHARQ方案属于增量冗余(IR,IncrementalRedundancy)的HARQ方案,被称为FIR(FullIRHARQ)。

(3)TypeⅢHARQ。

TypeⅢHARQ方案也属于增量冗余(IR)方案,与TypeⅡHARQ相似,接收错误的数据包不会被丢弃,接收机将其存储起来与后续的重传数据合并后进行解码。

目前在数据通信中定义了三种基本的ARQ的重传机制,分别是停等式(SAW,Stop_x0002_And-Wait)、后退N步式(GBN,Go-Back-N)和选择重传式(SR,SelectRepeat)。

(1)停等式。

(2)后退N步式。

(3)选择重发式。

的研究特征:如何有效地针对物理层、链路层以及应用层的不同特点,并参考不同的服务质量需求,合理设计有效的跨层方案和自适应体系;联合多载波技术、多天线技术、先

进信道编码技术等进行联合自适应方案设计;考虑链路自适应的资源分配策略;等等

12.3先进天线技术

12.3.1小型化、宽频带天线随着大规模集成电路与空间技术的发展,各种电子设备都朝着小型化与微型化方向研制,这使得天线往往成为系统中最笨重的部位而显露出来,因此要求研制出能与小型化设备相适应的小型天线。天线小型化主要从加载技术、使用特殊材料基片、采用特殊形式、优化天线外形结构和利用宽带匹配网络等方面来实现。

宽频带天线技术可通过两种方式来实现:一是对传统天线进行改进设计,二是研究新的天线形式。例如,对于偶极子或单极子天线,可采用附加宽带匹配网络、振子变形设计和周期性设计等方法实现宽频带性能;对于微带天线,展宽带宽可采取降低等效谐振电路的Q值、增加厚度、降低介电常数等手段。此外,分形天线、TEM喇叭天线和Vivaldi天线是近年来研究较多的新形式天线。具体地,分形天线具有自相似性,可实现多频段性能;TEM喇叭天线和Vivaldi天线具有渐变结构,可实现宽频带性能。

12.3.2相控阵天线

相控阵天线是由许多辐射单元组阵所构成的定向天线,各单元的幅度激励和相位关系可控。典型的相控阵天线利用数控移相器改变天线阵元的相位分布来实现波束的快速扫描,即电子扫描。用于移动卫星终端的相控阵天线有两种形式:采用一维相控阵体制的低轮廓相控阵天线;采用全相控阵体制的共形相控阵天线。低轮廓相控阵天线只在俯仰面利用相控阵扫描,而方位面采用传统的机械扫描;共形相位阵天线可安装在具有复杂表面的各种载体上,不影响载体的空气动力性能,并可充分利用其表面积,增加天线的有效孔径面积。

可通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向,以达到波束扫描的目的。在特殊情况下,也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状,例如获得余割平方形方向图以及对方向图进行自适应控制等。用机械方法旋转天线时,惯性大,速度慢,相控阵天线克服了这一缺点,波束的扫描速度高。馈电相位一般由计算机控制,相位变化速度快(毫秒量级),即天线方向图最大值指向或其他参数变化迅速,这是相控阵天线的最大特点。

星载相控阵天线按照波束功能的不同,可分别划分为区域覆盖相控阵天线、宽角扫描区域相控阵天线和有限区域扫描相控阵。星载相控阵天线的频段正在向高频段扩展,Ku

以下频段相对比较成熟,Ka频段是目前国内外正在快速发展的领域,而毫米波段、亚毫米波段乃至丝米波段是进一步发展的领域。

天线辐射单元的设计应使一定移相范围内(或波束扫描范围内)和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小,以保证发射机正常工作,防止由于射频信号多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点(盲点)现象。为此,可采用互耦小的单元或采取专门的去耦措施。

相控阵天线阵列的设计主要体现在:幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定,相位分布主要根据波束要求而定。由于单元

方向图和阻抗的限制,通常平面相控阵是最大扫描范围为60°的圆锥,加上一个球罩透镜后也可得到半球扫描。

为了简化馈电结构,有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点,可采用密度加权,即有源辐射单元在阵面上的分布是不均匀的,其分布密度按一定的规律变化。在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元,可以改善辐射单元的阻抗特性。

相控阵天线辐射单元的数量多,当失效单元数在5%以下时对天线阵性能的影响不大,因而可靠性较高。

12.3.3智能天线

智能天线技术通过调整天线阵列中各个天线单元上的可编程器件来改变各个天线单元的权值,从而产生定向的空间波束。产生的天线波束的主波束对准期望信号方向,旁瓣或

零陷对准干扰信号,有效接收期望信号,并消除干扰。智能天线相位控制和幅度控制在数字电路部分实现,而不采用类似于相控阵天线的射频移相器和衰减器。

智能天线技术是在软件无线电的基础上提出的有关天线设计的新概念,是数字多波束形成技术与软件无线电完美结合的产物。智能天线技术除具有相控阵天线跟踪速度快、精

度高的优点外,还可实现多波束、自适应抗干扰等功能,并可利用具体安装条件进行灵活布阵。

智能天线技术的前身是一种波束成形技术。波束成形技术是发送方在获取一定的当前时刻、当前位置发送方和接收方之间的信道信息后,调整信号发送的参数,使得射频能量向接收方所处位置集中,从而使得接收方接收到的信号质量较好,最终能保持较高的吞吐量。

智能天线可以自主确定无线电信号的发射方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达的方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向,达到充分、高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相

互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

智能天线系统的核心是智能算法。智能算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度,因此重要的是选择较好的算法来实现波束的智能控制。通过算法可自动调整加权值从

而得到所需空间,实现频率滤波器的作用。

智能天线技术有两个主要分支:波束切换技术(SwitchedBeamTechnology)和自适应空间数字处理技术(ASDP,AdaptiveSpatialDigitalProcessingTechnology),或简称波束切换天线和自适应阵列天线。

自适应阵列天线中,阵列天线由多个天线形成阵列,在工作时,通过不同天线的组合工作形成不同的天线波瓣,实现多种方向、角度、增益都不相同的“虚拟天线”,以适应不同工作环境、不同用户的位置,避免不必要的干扰。自适应阵列天线在工作时通过对工作环境的判断以及用户位置的感知,经过内