直升機衛星通信的前向鏈路設計

張倨卿，高 凱，朱 江

(1.中國人民解放軍66061部隊，北京102300;

2.國防科學技術大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073)

0 引言

直升機衛星通信是指直升機通過機載衛星設備實現與衛星的直接通信，并通過衛星的轉接與地面站進行信息的傳輸和交換。直升機衛星通信系統的特點是直升機在通信中無需地面中繼站進行中繼轉發，不受地面起伏的影響，信號的傳輸損耗相對較小，因而能夠在更廣闊的區域內進行信息傳輸［1］。直升機衛星通信存在的主要問題是由于天線可安裝的位置受限，衛通鏈路會受到旋翼的遮擋，在一定程度上影響了通信的質量。

當前，國外較成熟的UHF直升機衛星通信系統利用UHF頻段在傳輸過程中的衍射特性，在一定程度上解決了旋翼遮擋的問題［2］。但UHF頻段的傳輸速率低、可利用的頻帶有限，因此能提供更大通信帶寬的Ku、Ka頻段的直升機衛星通信系統逐漸成為研究重點，旋翼遮擋也就不可避免地成為影響通信系統性能的關鍵因素。采用多次重傳機制的傳輸設計可以解決旋翼遮擋對接收的影響，重傳的次數越多，信息的可靠性就越高，但是會降低鏈路的傳輸效率［3］。相比較而言，二次重傳機制可以滿足需要，而且信道利用率更高。本文重點研究了采用二次重傳的鏈路傳輸模式，對同一組數據復制后捆綁發送，在接收端采用遮擋檢測和分集接收的方法降低遮擋帶來的影響。

1 傳輸鏈路設計

直升機衛星通信的前向鏈路是指地面基站經衛星到直升機之間的通信鏈路。對直升機衛星通信系統進行前向鏈路設計，要考慮到旋翼的周期性遮擋所帶來的信號中斷、數據丟失和信噪比降低等問題。對系統的各功能模塊要圍繞著解決這些關鍵性的問題進行設計，系統主要結構如圖1所示。

圖1 前向鏈路結構框圖

地面站將所要發送的數據經過TPC編碼，進入重組成幀模塊。重組成幀模塊會對將要發送的數據進行包括復制和重組在內的結構處理:模塊先將數據按照正常的順序進行幀排列，而后把已經組建好的源幀進行一次復制，最后把復制幀平均插入到每個數據幀當中，使得源幀和復制幀剛好各占半個幀的時隙，并按照模塊的設置程序建立幀結構。組幀后的數據在經過調制后發送至衛星，并經衛星信道的轉發送至直升機的接收機進行解調。解調后的數據分成2路:一路要進行旋翼遮擋參數的估計;另一路進行分集接收。參數估計模塊將旋翼遮擋的估計值反饋至接收機，接收機以此為依據對源幀和重傳幀進行分集接收，并利用相關器選擇不同的分集接收方式。最后送至譯碼器進行TPC譯碼。

2 關鍵技術設計與研究

2.1 幀結構設計

幀結構設計的重點是合理設置重傳幀的權重，在能夠解決旋翼遮擋影響的前提下盡量提高信道的利用率。本設計中，1個數據幀包括多個偶數子幀，后半部的子幀為重傳數據，其完全復制前半部子幀的結構和編碼信息。數據幀的時長T設定為等于旋翼的一次遮擋周期，具體數值通過解調反向鏈路所攜帶的遮擋周期參數的估計值來確定。前向鏈路的數據幀是動態幀，幀長Tf與所選擇的信息傳輸速率Rb和時長T相關，Tf=Rb×T。設每次遮擋時間為t，如果滿足T≥2t則可保證在受遮擋的情況下，源幀和復制幀可組合成為一個完整的數據幀，從而實現信息的有效接收，其結構如圖2所示。

子幀的結構固定，由幀頭、備用信息和編碼后的數據3部分組成。如果子幀的長度為B，則每個數據幀包含的子幀數目S=。子幀的幀頭信息采用相關性較強的PN序列，用于傳輸幀的同步碼和地址碼。備用信息含有標記位置的信息和用來傳輸控制反向鏈路的指令信息。

圖2 前向鏈路幀結構示意圖

2.2 信號遮擋檢測與參數估計

信號遮擋檢測的數值用于指導前向鏈路進行分集接收及反向鏈路成幀模塊組幀和突發傳輸。采用非線性變換的FFT功率譜法對接收信號進行檢測，各組成模塊如圖3所示。

圖3 信號的檢測與葉片旋轉參數估計功能框圖

首先，對接收信號進行包絡平方運算(即非線性變換處理)，利用非線性變化去除信號相位調制的相關信息，以消除調制符號的影響:

其次，通過FFT變換來搜索頻譜峰值以確定信號能量大小，而后提取檢測信號譜線的峰值門限值進行判別，大于門限值則判斷為可正常接收信號，小于則認為信號被旋翼遮擋。比較完成后將判決輸出的信號進行濾波處理，最后送至周期估計模塊對遮擋周期和時長等參數進行估算。

2.3 分集接收

在本設計中，數據幀分為源幀與復制幀2個部分，在傳輸的時間和空間上具有相互的獨立性。相鄰子幀間的幀頭部分有充足的時隙間隔將有效數據隔開，因此可以采用分集的方式對信號進行接收，達到抗衰落的目的。分集接收的方法有很多，針對同一組源幀與復制幀受遮擋的不同情況，擬分別采用2種不同的接收方式以提高接收信號的信噪比:無遮擋時采用最大比率合并接收的方法，有遮擋時采用選擇性接收的方法。

最大比率合并接收是指將各支路信號進行加權疊加后合并接收［4］。進行合并接收是將未受遮擋的同組源幀與復制幀送入加權網絡進行線性合并。合并后輸出的信噪比等于源幀與復制幀信噪比之和。選擇性接收是在有多支路的接收信號中，選取信噪比最高的支路信號作為輸出信號［5］。根據前文設計，1組數據幀有且只受到1次遮擋，而源幀與復制幀的間隔時隙足夠長，因而可以在接收的過程中將受遮擋影響的子幀從整幀中“剔除”出去，選擇未受遮擋的子幀。

3 仿真分析

進行仿真的主要目的是對2種分集接收方法進行比較，通過分析得出在不同遮擋情況下最優的分集接收方式。仿真采用理想情況下的QPSK調制。以下是2種接收方法在相同信號噪聲條件下誤碼率的性能仿真圖，圖4為無遮擋條件下接收機的性能比較，圖5為有遮擋條件下接收機的性能比較。

圖4 無遮擋相同SNR條件下接收機性能比較

圖5 有遮擋相同SNR條件下接收機性能比較

以上仿真結果說明:在無遮擋條件下合并接收的誤碼率與理論值基本一致，優于選擇接收;而在有遮擋的情況下選擇接收比合并接收的性能更好。這是由于無遮擋時采用合并接收增加了判決時有用信號的電平值，通過提高信噪比降低了誤碼率。而在遮擋時刻接收到的主要是噪聲，合并后將降低接收信號的信噪比，增加了誤碼率。因此，根據數據幀受遮擋的情況，有針對性地設計不同的接收方法，可以優化系統的傳輸性能。

4 結束語

在實際的工程實現中，還要考慮到硬件設計的難易程度和設備所處工作環境等方面的因素，如直升機本身的操控特性對微波天線的尺寸和重量都有嚴格的限制和要求，要盡量選擇較高的工作頻段，盡可能縮小天線的尺寸;要結合傳輸距離的實際需求合理選擇功率放大器，不能一味追求高功放而無限制地增加重量。在我國，機載衛星通信技術還處于起步階段，相關算法和軟、硬件必將擁有更加廣闊的發展空間。

［1］張躍.新一代衛星通信研究［J］.數字技術與應用，2011(5):55－55.

［2］WILCOXSON D，SLEIGHT B，O＇NEILL J，et al.Helicopter Ku-band SATCOM On-the-Move［R］.U.S:［s.n.］，2003.

［3］SATOH M，LI Huan-bang，FUJINO Y，et al.Helicopter-Satellite Communication System Developed for Transmission of Disaster and Emergency Infomation［C］∥AIAA，21st International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit.U.S:CRL，2003:2319 －2327.

［4］RAPPAPORT T S.無線通信原理與應用(第 2版)［M］.北京:電子工業出版社，2006:266－277.

［5］王杰令，劉祖軍，楊宏，等.頻率選擇信道中的 RAKE合并接收方案［J］.電子科技大學學報，2010，39(5):662－665.

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［7］孫屹，李妍.Matlab通信仿真開發手冊［M］.北京:國防工業出版社，2005:203－208.

［8］徐明遠，邵玉斌.Matlab仿真在通信與電子工程中的應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2005:173－186.