天基宽带通信系统的思考和关键技术的探索

摘要: 随着信息共享范围和带宽的不断提高，空基宽带通信系统引起了科研界和业界的越来越多的关注. 本文首先介绍了美军基于太空的通用数据链路的发展，并从工作频带和波形系统中分析和比较了可用的技术和工作系统. 在此基础上，分析了天基宽带通信系统中的几种关键技术. 进行分析研究

关键字: 天基宽带通信系统；波形系统链接建模；自适应调制数字预失真

简介

随着中国“一带一路”战略和“海上力量建设”战略的不断发展，基于卫星的空基通信系统发挥着重要作用. 利用其独特的技术优势，它可以在远离该国的地区扩展信息. 互连和安全性的范围. 随着数据量的指数级增长，可支持语音，图像，视频，Internet和企业级数据流的基于空间的宽带通信有效载荷系统发挥着越来越重要的作用. 本文首先介绍了美军基于太空的通用数据链路的发展，并从工作频带和波形系统中分析和比较了可用的技术和工作系统. 在此基础上，分析了天基宽带通信系统中的几种关键技术. 进行分析和研究.

1美国军事天基数据链路发展简述

2001年，美国军方首次提出了天基公共数据链路（CDL）概念. 作为美国军方非常成功的数据链路系列，通用数据链路最初应用于天基ISR平台，以实现天基平台与海陆指挥平台和情报之间的大容量情况共享中央. 它的功能和天基情报侦察与监视（ISR）平台的要求非常相似. 因此，将通用数据链路的概念，技术和应用扩展到天基，不仅可以节省重新开发天基数据链路系统的成本和时间，而且可以直接利用美军的通用数据. 主动服务. 链接天基/地面设备，软件系统，接口标准等，有效地与天基情报侦察和监视平台配合，迅速发挥作战效能.

通常，无论是TacSat或ORS项目中使用的卫星通信有效载荷技术，还是基于通用数据链路技术的，每秒业务信息的传输速率都在几兆比特到几百兆比特之间. 随着战场数据的爆炸性增长，这种速率已无法满足需求，迫切需要对新的天基宽带通信有效载荷技术进行研究.

2个工作频段

2.1毫米波通信

毫米波通常是指频率在30GHz-300GHz频带内的电磁波. 毫米波光束非常窄并且具有良好的方向性，因此具有很高的抗干扰和抗干扰性能. 一方面，由于毫米波受大气吸收和降雨衰落的影响更为严重，因此除了要在微波频带中考虑的路径损耗常常受到限制；另一方面，由于频段高，干扰源少，可用带宽资源丰富. -86GHz频带中可用的连续带宽高达5GHz的两个连续频谱，这可以大大增加毫米波通信的通信容量. 如果添加诸如多输入多天线技术，正交极化，轨道角动量之类的复用技术，则其支持的通信容量甚至可以达到100Gbps的数量级. 因此，毫米波通信特别适合在良好视线条件下传输超高速和超宽带服务数据信息.

图1晴朗天气中大气衰减与电磁波辐射频率之间的关系

当前典型的高速毫米波无线通信系统可以根据调制和解调方法分为三类: 一种是通过电子/光学方法的仿真实现的开关键控/幅度键控调制和解调. 通过该方法实现的低阶相位键控调制解调. 最后一种是16QAM，64QAM以及通过数字方法实现的更高阶调制和解调. 为了进一步提高毫米波传输的频谱利用率，最后一种数字方法已成为未来发展的主流技术.

目前，民用科技公司Facebook和Google的巨头正在关注如何使用E波段（71-86GHz）毫米波通信为偏远地区提供低成本，可靠和有效的移动通信访问方法. Facebook于2014年建立了Facebook Connectivity Lab，以使用Aquila无人机解决非洲等偏远地区的移动通信网络布局问题. 2016年7月，使用60GHz-90GHz毫米波频段（E波段）在13km的传输距离上达到20Gbps的速率. Facebook的下一个目标是在30-50公里处实现30Gbps的传输速率. Google目前正在执行Project Skybender高空计划，以允许太阳能无人机带来5G网络连接. 该项目由Project Loon团队负责，主要依靠毫米波技术，该技术理论上可以达到Gbps速度，是普通4G LTE的40倍以上. 同时，Skybender项目还将为5G高海拔网络建立新的网络频谱. Google提供了相控阵天线，视距毫米波MIMO等技术解决方案来解决毫米波通信传输距离受限的问题.

美国国防部高级研究计划局（DARPA）的无线数据通信专家正在要求业界根据射频信道开发军事数据链路的请求，该射频信道可以每秒传输100Gbit的数据. 该系统将用于空对空数据链路应用，其飞行高度为125英里（200公里），传输速率为100Gbit /秒，飞行距离为62英里（100公里）. 约60,000英尺（18,288米）. 空对地数据链路的应用. 几天前，DARPA和诺斯罗普·格鲁曼公司共同发布了一份报告，称由双方共同实施的该项目已于2018年1月在洛杉矶的城市环境中进行，传输速率最高可达100bps. 视距范围为20公里，速率范围为9Gbps-101Gbps. 尝试自适应传输. 该实验还使用E波段中连续的5 GHz频段，并使用高效调制技术和空间/极化复用技术来实现这种高速信息共享.

图2 DARPA 100G项目

2.2激光通讯

激光通信系统是指以激光频带为载波，以大气为传输介质的光通信系统. 它具有通信容量大，传输速度快的优点，无需事先铺设光纤，具有无线通信和光纤通信技术的优点.

2013年，我国进行了车载无线光通信测试，通信速率为2.5Gbps，通信距离超过100公里. 2014年，该通信距离进一步扩展到了400公里，验证了空对地无线光通信的通信性能以及捕获和跟踪性能. 此外，我国最近完成了从第13颗卫星到地面站40,000公里的激光通信验证.

但是，自由空间光通信（FSO）仍然存在许多问题，包括: 大气分子衰减，瞄准，捕获和跟踪困难，大气闪烁（信噪比波动通常高达15 -20B），复杂度高，可靠性有限，成本高.

2.3太赫兹通信

由于太赫兹波的频带在1011Hz-1013Hz之间，可用频谱资源更加丰富，其潜在的传输能力远远大于军事/民用通信等目前的各种毫米波宽带传输技术. 将会发挥巨大作用. 但是，当前的太赫兹通信领域仍然面临一系列挑战，例如高效和大功率太赫兹信号的产生，太赫兹信号功率的放大以及高效太赫兹信号的检测. 近年来，太赫兹频率通信也取得了一些初步成果. 一个典型的例子是日本的NTT公司已经在340GHz和其他频带上实现了一系列太赫兹超高速短距离无线传输系统，但是如何实现中长距离太赫兹高速通信仍然是一个难题. 非常重要的未解决问题.

3波系统

3.1单载波波形系统

考虑一个单载波传输系统，其中每个符号的周期为T，数据速率为R = 1 / T. 随着数据速率和工作带宽的增加，中均衡器的设计复杂度将不可避免地增加，以补偿非理想通道的影响，例如非线性和时间变化. 通常在实际设计中，使用多通道并行均衡器. 首先，使用快速傅立叶变换将接收机接收的时域采样信号变换到频域，然后进行后续的计算和滤波. 该过程非常复杂，消耗大量的计算和存储资源，并且实现起来相对昂贵. 常见的Gbps级宽带单载波传输需要8-32并行均衡器设计.

3.2多载波波形系统

正交频分复用（OFDM）传输方案是一种多通道系统. 为了提高带宽效率，OFDM子载波彼此正交. 这不同于传统的多频分复用（FDMA）信道传输方案，该方案将宽带划分为N个不重叠的窄带子信道，并在它们之间设有保护带. 在1960年代，由于其和的复杂性，发明了OFDM后仅在军事短波通信等有限领域中使用. 随着技术的发展，人们发现使用离散傅里叶变换（DFT）和逆离散傅里叶变换（IDFT）可以有效地完成正交频分复用信号的调制和解调. 通过快速傅里叶（FFT）和快速傅里叶逆变换（IFFT），DFT和IDFT计算的效率进一步提高. 在OFDM传输系统中，N1点IFFT用于所传输的符号，这可以生成N2个子载波信号之和（N1≥N2）的过采样. 在上，对接收到的信号使用N1点FFT来获取包含噪声的发送信号的样本.

图3基于IDFT / DFT的OFDM调制和解调系统的框图

图4 OFDM频谱幅度（线性）

3.3比较分析

为了解决多径衰落信道（或频率选择性衰落信道）中的符号间串扰问题，单载波传输方案需要在现有的可编程门阵列（FPGA）中实现高度复杂的均衡器在工作频率的限制下，有必要采用多通道并行均衡器设计模式，实现起来非常复杂，而且消耗大量资源. 因此，单载波方案必须考虑这一重要问题，以实现超高速数据速率无线传输. . 多载波方案适用于高速无线传输. 由于循环前缀的设计，将复杂的时域均衡转换为简单的频域均衡，因此不需要复杂的信道均衡技术. 然而，多载波传输方案在应用于空基宽带通信系统时面临必须解决的问题，即其峰均比（Peakto average ratio）特性带来了功率放大器的工作效率. 天基通信系统中的模块. 巨大的挑战. 典型的OFDM信号的峰均比可以达到11dB. 在LTE标准中，发射机进行峰值削波后，信号的峰均比约为7dB. 为此特性，有必要使功率放大器线性化. 设计，例如Doherty结构放大器.

4种关键技术

4.1宽带卫星对地面传输链路建模

链路状态信息是实现空基大容量自适应宽带传输的基础. 准确的链路状态信息获取是主要的技术难题之一. 主要问题是传输速度快，影响传输链路的因素很多. 该模型很复杂. 同时，准确的信道状态信息估计需要更好的算法.

链路状态信息受天气条件，大气波动，地面多径，传输通道的非理想特性以及环境干扰因素的影响. 因此，有必要首先对卫星到地面的传输链路进行建模.

卫星到地面的传输链路主要由三部分组成: 卫星发射器，卫星到地面的传输通道和地面. 进入解调器之前的接收信号简单表示为:

其中，H代表传输链路对传输信号的衰减和衰减，n代表干扰和噪声的影响. 考虑到卫星到地面传输链路的各种设备和传输通道，H和n可以分解为以下因素:

其中，Hs表示发射机造成的信号衰减和失真因子，Hc表示由大气，云雾和雨水以及地面反射引起的信道衰减和衰落因子，HR表示发射机的非理想特性. 接收滤波器，例如群时延特性. 等待. nS代表发射机产生的噪声，nC代表信道产生的干扰和噪声，nR代表接收机产生的电子热噪声.

根据上述影响因素的分解，可以对传输链路中的不同因素进行不同的建模. 如下表所示.

表1卫星对地面传输链路状态信息建模

通过不同的建模方法，可以对星地传输链路的状态信息变化进行建模，以设计最佳的空基通信自适应传输控制系统.

4.2自适应宽带调制技术

大容量的空基通信传输可以提供多种调制方法来有效传输数据有效载荷（有效载荷）: QPSK，8PSK，16APSK，32APSK和64APSK等.

QPSK和8PSK是卫星广播通信中的传统调制方法. 它们类似于恒定包络调制，后者需要卫星转发器的线性度非常低，并且可以在接近饱和的状态下以很高的功率利用率工作. 这对卫星上通信设备的有效载荷至关重要. 它们的星座图如下.

图5QPSK和8PSK星座图

16APSK，32APSK和64APSK调制方法主要用于用途，可以提供宽带通信. 当然，它们也可以用于广播通信，但是它们需要很高的信噪比，并且需要预失真技术来抵消存在的非线性效应. 它们的星座图如下所示.

图616APSK和32APSK星座图

图764APSK星座图

对于不同的编码率，以上星座图的半径应该不同. 参考DVB-S2标准确定不同编码率下星座图的半径，其值略有不同.

4.3自适应高速编解码技术

鉴于如下所示的LDPC码的优越性能，LDPC码已被宽带接入，电视广播，移动通信，CCSDS等采用并列为技术标准. 但是，空基宽带通信系统需要为了实现不同信道条件下的自适应传输，可变码长和可变码率给信道编解码带来了更大的挑战. 对于LDPC编码系统，有必要设计一种新的编码系统和有效的解码并行机制.

在系统的设计和实现中，必须专注于并行处理和低损耗解码. 首先，从理论上讲，LDPC代码可以并行计算所有求和节点和乘积节点，经过20到30次迭代可以获得良好的结果. 通过ASIC设计，国外已经实现了10Gbps吞吐量的LDPC芯片解码. FPGA用于实现4G吞吐量的LDPC，这需要大容量的FPGA和高速内部RAM设计. 因此，主要问题是合理的并行分支数量，迭代数量和高速RAM设计. 另一方面，解码过程中的求和运算非常容易“溢出”，从而导致截断错误并影响迭代解码的性能. 此错误也是错误平底效应的重要因素. 因此，有必要在迭代解码过程中控制软信息“溢出”问题.

4.4预失真和信道均衡技术

天基宽带高速通信系统需要考虑发射机，宽带传输信道和接收机的非理想因素，例如不均匀的幅频特性，群时延波动等. 对这些问题的研究包括调制信号预失真技术，自动有效的对策，包括自适应平衡技术.

当发送端的功率放大器工作在饱和或接近饱和状态时，并且调制信号的幅度携带信息（例如QAM调制，OFDM调制等）时，将导致较大的非线性失真. 它处理的信号. 这种失真将直接影响解调后的信号质量，严重时甚至无法完成解调. 一种简单的方法是使功率放大器性区域工作. 但是，这将大大降低功率放大器的效率并造成能量损失. 为了减少这种失真，一种方法是在接收端使用非线性均衡器进行后期校正，另一种方法是在发送端的调制器中添加预失真模块，以对与信号相反的数据进行运算. 放大器的非线性特性. ，以减少放大器从信号源输出信号的非线性失真. 当然，最好在发送端和接收端都进行非线性失真校正处理，以使获得的信号更接近原始发送信号. 数字预失真系统的结构如下图所示:

图8数字预失真系统结构框图

如果您认为比特率高于1Gbps，则调制器需要处理的最高符号率将至少达到200Msps. 为了在FPGA中实现，预失真模块必须使用并行算法. 同时，考虑到预失真模块需要配备放大器，非线性特性相反的特性曲线必须是非线性的. 在这种情况下，传统的简单FIR滤波器无法应用于预失真模块. 因此，有必要研究新的并行滤波算法和适用于预失真特性曲线的算法. 结构.

受模拟设备技术的影响，高速数据传输RF链路的群时延特性难以实现理想的控制，并且整个信道的非线性和非理想特性（从发射端开始）空间信道（接收端）将严重影响解调器的性能，从而导致严重的符号间串扰和非线性失真. 这种非线性和非理想特性与环境有关，需要采用高速均衡技术进行补偿.

考虑到传统的均衡算法（例如LTE，DFE等）校正非线性失真的能力较弱，必须研究能够抵抗非线性失真的新型均衡算法. 同时，考虑到信道的群延迟特性变化很大，没有先验的群延迟信息可用于解调器，并且整个信道的非线性特性也在变化. 自适应均衡技术应与了解星座图等信息结合使用，在均衡算法中设计最佳迭代步长和迭代更新策略. 综合考虑收敛误差，收敛速度，算法复杂度和硬件实现规模，获得了最优的自适应非线性均衡算法.

结论

本文总结了美国军事天基通用数据链路的发展，并在此基础上，根据无线通信和信号处理技术的发展趋势，选择了可能的工作频段和波形系统. 天基宽带通信系统分析比较，讨论了几个关键技术问题，为天基宽带通信系统的研究和建设提供了思路.

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