地面空中接口在衛星移動通信的適用性研究

張曼倩，劉 健，李昌華

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

衛星移動通信系統對地面通信系統有著補充的作用，使地理覆蓋范圍更廣泛。在災害、戰爭等緊急情況下，衛星移動通信系統被視為完全獨立的地面基礎設施。衛星移動通信系統在過去的十年與地面移動通信系統共同發展，已有顯著的進步。因此，分析地面3G、4G空中接口在衛星通信系統的適用性對未來衛星通信系統標準的制定起到指導性的作用，而WCDMA和LTE標準分別是地面3G、4G空中接口的典型代表。

3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）的LTE（Long Term Evolution，長期演進）標準是4G移動通信的主要技術方案之一。文獻[1-2]針對星上功率放大器引起的非線性失真、大時延特性和時間分集對LTE空中接口進行改進。文獻[3]通過分析衛星信道物理特性，并將信道物理特性作為依據對LTE的空中接口進行改進，增強了衛星信道傳輸的可靠性。上述文獻都提出了LTE空中接口適應衛星通信系統可能會遇到的典型問題，并給出了主流的改進策略，但并沒有在理論上詳細探究LTE空中接口在衛星系統上的可行性，并且沒有將WCDMA與OFDMA兩種空中接口在衛星信道下對比分析。

文中首先系統性的闡述了以WCDMA和OFDMA為典型代表的地面3G、4G移動通信空中接口，研究了衛星移動通信系統的架構和特點，然后從信噪比門限、誤碼率、功放非線性影響這3個方面對比了WCDMA和OFDMA作為衛星系統空中接口的可行性，最后總結了現有文獻基于LTE在衛星系統中使用的改進方案，為未來衛星移動通信系統空中接口的制定起到了一定的指導作用。

1 地面空中接口概述

WCDMA和OFDMA分別是地面3G、4G標準的空中接口，本節分別對兩種空中接口的特點、信道、調制編碼方式等方面進行了概述。

1.1 WCDMA空中接口

WCDMA是通用移動通信系統 （Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）的空中接口標準，而UMTS是國際標準化組織3GPP制定的全球3G標準之一。WCDMA基于直擴序列碼分多址（DS-CDMA）技術，采用QPSK調制，載波帶寬為5 MHz，工作模式是FDD雙工，并且支持不同數據速率的業務傳輸，最高可達2 Mbps。在UMTS標準的后續版本引入新的鏈路層技術，支持更高的數據速率服務，具有更好的功率/帶寬效率，如增強版本是高速分組接入（High Speed Packet Access，HSPA），HSPA 包括高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA）。

HSDPA引入高速下行鏈路共享信道 （High Speed Downlink Shared Channel，HS-DSCH），支持突發性、非對稱和高速率的分組數據業務。它支持QPSK/16QAM的調制方式，使用基本速率為1/3的并行級聯卷積Turbo碼（Parallel Concatenated Convolutional Code，PCCC），速率匹配通過打孔或重傳實現。HSUPA引入增強型專用信道（Enhanced Dedicated Channel，E-DCH），支持更高的上行數據傳輸速率。該信道使用BPSK調制和正交可變擴頻因子（Orthogonal Variable Spreading Factor，OVSF）碼。

1.2 OFDMA空中接口

4G移動通信比較成熟的標準有3GPP LTE標準和IEEE移動WiMAX標準，兩者均為基于正交頻分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access， OFDMA）技術的空中接口，具有抗頻率衰落和靈活分配子載波的特點。

LTE和移動WiMAX的每個用戶需要進行時間-頻率子載波分配，支持可擴展的帶寬，FDD/TDD雙工，提供高數據傳輸速率和高頻譜利用率的業務。

LTE和WiMAX標準之間存在差異。LTE標準與HSPA標準類似，使用了基本速率為1/3、可進行速率匹配的并行級聯卷積Turbo碼 （PCCC），而移動WiMAX標準規定了各種FEC碼，如雙二進制卷積Turbo碼。另外，它們具有不同的幀結構、系統參數和子載波復用方式。LTE的上行鏈路采用了DFT擴頻OFDMA，而WiMAX的上行鏈路和下行鏈路直接采用OFDMA。圖1描述了HSPA、LTE和移動WiMAX這3個地面移動通信標準的演進過程。

圖1 HSPA，LTE和移動WiMAX標準演進圖Fig.1 Evolution of HSPA,LTE and mobile WiMAX

2 衛星移動通信系統架構及特點

從上世紀90年代開始，衛星移動通信系統已經取得了的長足的發展。衛星移動通信系統與地面移動通信系統的關鍵優勢是其大的覆蓋面積，而固有的大衰落、長時延、高成本又給衛星移動通信系統帶來了挑戰。

衛星移動通信系統可以支持單個或多個衛星，且每一顆衛星可以提供單點波束或多點波束的覆蓋。用戶終端通過衛星連接到網絡，無線信號被指向發往或來自某個網關，系統根據運營商的要求制定一個集中分布或分散分布的網關。衛星環境下，信號由于傳輸途中受到建筑物或地勢遮擋而衰弱。為了確保覆蓋的連續性，利用地面補充部分（Complementary Ground Components，CGC）進行信號重傳。 衛星移動通信系統架構如圖2所示，用戶終端可以直接與衛星之間收發信號，也可以通過CGC進行信號重傳。

圖2 衛星移動通信系統架構Fig.2 Architecture ofsatellite mobilecommunication systems

由于衛星信道與地面移動信道在物理特性有較大差異，在對衛星移動通信系統的設計過程需要關注傳輸特性的改進，需要充分考慮衛星信道的影響，衛星信道主要有以下幾個特點：

1)大衰落

隨著收發端之間環境的變化，信號在長的傳播途中緩慢變化，除了自由空間傳播損耗外，雨衰的影響也很大。除了考慮來自衛星的直射信號之外，還需要考慮多徑衰落的影響，多徑衰落能使接收信號在短距離或短時間內的快速變化。

2)長時延

大傳輸時延是衛星通信的固有缺陷，主要是由于星地距離較大造成的，這對時間同步造成一定的挑戰。另外，由于OFDM系統對頻偏非常敏感，而衛星鏈路還會產生較大的頻率偏差，這都將對系統產生嚴重影響。

3)多普勒頻移

由于多普勒頻移的存在會降低信號傳輸的可靠度，對衛星系統性能造成較大影響，因此在編碼、調制、信道估計等多個環節都需要檢測估計出多普勒頻移信息，對其進行補償。

3 可行性對比

在針對WCDMA和OFDMA兩種空中接口可行性研究的基礎上，本章從信噪比門限、誤碼率性能、功放非線性容限三個方面對上述接口進行了分析和對比，研究結果發現OFDMA空中接口在衛星系統中具有更好的鏈路性能。

WCDMA作為衛星空中接口的可行性研究主要包括：1）MSS系統采用WCDMA可擴充 UMTS容量。2)允許與地面UMTS網絡技術上的協同性。3)啟用所有波束和衛星的全頻率復用。4)支持大區域廣播/組播服務。5)對由于商業原因未部署網絡覆蓋的地區、需擴展網絡容量的地區、由于自然災害造成地面網絡被損壞的地區提供了網絡服務[4]。

OFDM作為衛星空中接口的可行性研究主要包括：1)盡管具有大的峰均功率比（PAPR），OFDM信號還是能夠在非線性衛星鏈路上有效傳輸。2)預失真設計和前向糾錯編碼是互補的。3)衛星視距（LOS）傳播條件下可以實現正確接收；衛星非視距（NLOS）傳播條件下，由于存在負的鏈路余量，手持終端無法實現正確的業務接收[5]。

兩種空中接口均有其應用優勢，但在多徑信道下，OFDM的頻譜利用率較WCDMA更高；而WCDMA接收機的載噪比高于OFDM[5]。為了完善兩種空中接口可行性研究，下面從信噪比門限、誤碼率性能、功放非線性容限三個角度比較了兩者在衛星信道下的鏈路性能[6]。

1)信噪比門限

衛星寬帶衰落信道存在穩定的傳播時延，HSPA與LTE/WiMAX的Eb/N0門限值是可比的。然而，HSDPA采用了地面中繼，對微弱衛星信號進行增強，因此比LTE/WiMAX需要的Eb/N0門限低。

2)誤碼率

衛星信道的大時延會造成碼正交性的顯著降低，成為HSDPA高速數據傳輸的嚴重制約因素。當HSDPA傳輸速率為2.4 Mbps時，誤碼率在Eb/N0為4～5 dB時達到最低，卻仍達不到 10－3。

3)功放非線性影響

功放非線性會使鏈路性能受到一定程度的降級。其中，HSDPA在單碼傳輸時功放非線性對鏈路性能影響非常小，而多碼傳輸則會使PAPR增加，性能降低；LTE的上行鏈路使用SC－FDMA，這種調制方式對功放非線性的敏感性較小；WiMAX的上行鏈路則直接使用OFDMA，對功放非線性的敏感性較大。另外，文獻[7]證明了回退和數字預失真結合的方法可以減小放大器非線性的影響。

綜上，可以得出以下結論：

①衛星寬帶衰落信道環境下，HSDPA與LTE/WiMAX的Eb/N0門限是可比的。

②大傳播時延的衛星信道環境下，HSDPA比LTE/WiMAX的Eb/N0門限低。

③大傳播時延的衛星信道環境下，碼正交性的損失構成了HSDPA高速數據傳輸正確性的嚴重限制因素。

④所有空中接口的鏈路性能都會因為放大器的非線性受到一定程度的降低。其中：

－HSPA：在多碼傳輸時PAPR增加。

－LTE/WiMAX：OFDM的IFFT處理導致PAPR增加。其中，LTE上行鏈路使用SC－FDMA，受影響小；而WiMAX上行鏈路直接使用OFDMA，受影響大。

因此，LTE和WiMAX空中接口在衛星信道下表現的鏈路性能比HSPA更可靠。然而，不論是WCDMA或是OFDMA空中接口都缺少TTI的有效時間分集，從而缺少了時間交織增益，使性能至少損失了5 dB。同時，由于衛星系統的功率受限和大時延的存在會使短TTI失去優勢。

4 基于LTE的改進方案

前文已對衛星移動通信系統特點以及兩種地面空中接口在衛星系統下的可行性對比進行了研究，得出LTE空中接口在衛星信道下表現出更好的鏈路性能的結論。

由于LTE標準中所規定的傳輸時間間隔(TTI)較小，因此在大時延的衛星鏈路下無法得到好的時間分集。另外，衛星鏈路產生的大頻偏和衰落，對OFDM產生嚴重的影響，而傳統OFDM技術的峰均比(PAPR)較大，會導致嚴重失真。因此，要想將LTE空中接口應用到衛星系統，則需要針對衛星信道環境的大時延、大衰落特性帶來的約束，對LTE空中接口進行改進。

針對這些問題，需要調整接口以補償衛星系統的大往返時延和大衰落，目前已有幾種主流的改進方法，如頻率復用技術、衛星鏈路同步技術、PAPR降低技術和自適應編碼調制與交織技術。

4.1 頻率復用技術

由于頻譜資源有限，在衛星系統中需要提高衛地信道的頻譜利用率，頻率復用是一種較好的解決方案，可以很好的促進地面網與衛星網的融合。

對于采用WCDMA的多點波束衛星系統，可通過給相鄰波束分配不同的擴展碼來實現頻率復用。而對于OFDMA，則一般采用小數倍頻率復用 （fractional frequency reuse，FFR），采用該技術可以改善基于OFDMA的多點波束衛星系統的頻譜利用率，有效復用衛星頻率。

圖3顯示了基于OFDMA的多波束衛星系統的頻率復用模式。每一波束分為中心和邊緣區域，每一幀分為兩個時段T1和T2。時段T1被分配給波束半徑為R1的點波束中心的終端，該時間段能被多有子載波利用。時段T2被分配給波束邊緣的終端，該時間段只能被單個子載波利用。然而，為防止相鄰點波束之間的干擾，兩個區域的用戶信號不能同時傳輸。頻譜利用率與點波束中心區域大小有關，如果設置點波束中心區域的半徑比點波束半徑的一半還要大時，即R1＞R2/2，則可以獲得比傳統方案更高的頻譜利用率。

4.2 衛星鏈路同步接收技術

圖3 頻率復用示意圖Fig.3 Schematic diagram of frequency reusing

從物理層角度出發，衛星鏈路中存在大時延會造成嚴重的載波間干擾(ICI)和符號間干擾(ISI)，其中以頻偏影響更為嚴重。一些傳統的同步算法可以應用到衛星系統，但效率不高。目前相關研究組提出了一種基于萊斯信道模型的頻偏估計算法，該算法利用時域恒包絡零自相關(CAZAC)序列進行符號同步和整數頻偏估計，相對現有算法更加快速可靠。

在地面OFDMA系統，上行鏈路幀同步可由隨機接入過程獲得。由于小區內的用戶之間的延遲差比子幀長短，子幀長相當于LTE系統的傳輸時間間隔（TTI）。在這種情形下，用戶傳輸一個前導告知基站自己的位置，然后基站在一個TTI內給用戶分配資源。然而，衛星系統一個波束內用戶之間的時延差比1個TTI長，這需要修改LTE系統的上行鏈路定時同步或資源分配方案，使適用于衛星環境。

如果考慮只修改LTE系統中的上行鏈路定時同步方案，資源分配方案不變，這表示上行鏈路信號應在衛星端同時接收。因此，同一波束內的所有用戶都將利用一定的延遲，在同一時刻到達衛星。該方案會造成有效時間資源的浪費，達到了數十毫秒，并直接影響系統吞吐量和延遲敏感業務的QoS。為了解決該問題，需要將上行鏈路定時同步與修改的資源分配方案相結合，上行鏈路定時同步方案與傳統LTE一致，以保留與LTE系統物理層的最大兼容性[8]。例如，UE1和UE2分別代表了位于點波束邊緣和點波束中心的終端，即UE1和UE2分別具有最大和最小的往返時延 （RTD）。設定UE1延遲時間為參照，即UE1一旦接收到下行鏈路的資源分配信息，就會立即傳輸上行鏈路信號，等待時間D1=0。那么其余UEj的Dj可以通過修改的資源分配方案計算。實際上，衛星事先通過隨機接入方案可以得到每一個UE的位置信息，并根據位置信息分配資源。該方案中，可以保證最大的時延Dj不超過一個子幀時間，從而增強了整個系統的吞吐量，降低了時延。

4.3 PAPR降低技術

OFDM因具有較高的頻譜利用率和較好的抗多徑衰落能力而被廣泛應用于衛星通信系統中，但其較大的PAPR使得信號非線性容抗較差，要求系統內的部件具有很大的線性動態范圍，否則出現非線性產生多載波互調噪聲干擾，所以，降低PAPR是提高衛星系統傳輸性能的一個重要研究方向。目前已經有很多降低PAPR的方法，如限幅濾波、編碼、有效星座擴展（ACE）、多信號表示法等，其中較為常用的有：LTE上行鏈路采用SC-FDMA調制，通過增加DFT和IDFT提高傳輸的準確性，降低傳輸時延；部分格狀成形技術不僅能有效降低OFDM信號的PAPR，而且在保持較高信息率的情況下靈活地與糾錯編碼相結合，大大改善OFDM衛星通信系統的誤碼率性能[3]；分數階傅里葉變換（FRFT）代替傳統OFDM系統中的FFT，在改善OFDM系統誤碼率性能的同時有效降低了PAPR[3]。

4.4 自適應編碼調制與TTI交織技術

自適應編碼調制技術（AMC）是一種對抗信道衰減的技術，其使用受限是由于衛星系統的大往返時延造成的。文獻[8]提到了一種有效的功率控制和符號卷積結合的AMC方案，適用于基于LTE的衛星移動通信系統，該方案相對傳統AMC方案有高達10.2%的頻譜效率增益和高達8 dB的功率增益。

當終端移動速度降低到一定程度時，信道編碼抵抗衰落效果將會不明顯。衛星鏈路具有大的環路延遲和緩慢的長衰落[9]，LTE標準中的TTI機制無法產生較好的時間分集效果。利用現有混合自動重傳請求(HARQ)的靈活性降低信道的相關性，把LTE發射機同一環路緩存中的數據映射到不同TTI中，達到時間分集的目的。

5 結束語

衛星通信是地面移動通信技術的一種延伸，將先進的移動通信技術應用于衛星通信中，并結合衛星通信系統本身的特點進行融合和改進，是實現星地一體化的重要發展方向。兩者的結合重點在于空中接口的兼容和適應，而衛星環境本身的特殊性會給地面空中接口在衛星上的應用帶來挑戰。本文調研了已有文獻對于適用性的評估與改進思路，研究比較了WCDMA和OFDM空中接口在衛星信道下的鏈路性能，使各地面空口適用到星上的改進方向更具針對性，并為未來衛星移動通信標準的研制提供了很好的借鑒與參考。

[1]The Integral Satcom Initiative(ISI).ISI strategic research agenda [EB/OL].FP7 Technology Platform,v1.1.January 2006,http://www.isi-initiative.eu.org/isijoomla.

[2]ETSI,TR 102 443.Satellite earth stations and systems(SES);evaluation of the OFDM as a satellite radio interface[S].vl.l.l.2008.

[3]陳長猛，曾維軍．LTE空中接口在衛星通信中的適用性[J]．無線通信技術，2011(4)：20-23．CHEN Chang-meng,ZENG Wei-jun.The adaption of LTE interface in satellite communication[J].Wireless Communication Technology,2011(4):20-23.

[4]ETSI,TR 102 058.Satellite Earth Stations and Systems(SES);Satellite Component of UMTS/IMT-2000;Evaluation of the W-CDMA UTRA FDD as a Satellite Radio Interface[S].vl.l.l.2008.

[5]ETSI,TR 102 442.Satellite Earth Stations and Systems(SES);Satellite Component of UMTS/IMT-2000;Evaluation of the OFDM as a Satellite Radio Interface[S].vl.l.l.2005.

[6]ETSI,TR 101 542.Satellite Earth Stations and Systems(SES);Comparison of candidate radio interfaces performances in MSS context[S].v1.2.1,2012.

[7]Sesia S,Toufik I,Baker M.LTE-The UMTS Long Term Evolution:from Theory to Practice[M].Hoboken:John Wiley and Sons Ltd,2009.

[8]Tae C H,Sungmoon Y,Sooyoung K,et al.Adaptive modulation and coding for long term evolution-based mobile satellite communication system[J].Satellite Communication Network,2012:221-234.

[9]柳長安，張蒙正.彈道變軌對沖壓動力反艦導彈的影響[J].火箭推進，2012（2）：20-26.LIU Chang-an,ZHANG Meng-zheng.Effects of variable trajectory on ramjet powered anti-ship missile[J].Journal of Rocket Propulsion,2012（2）：20-26.