基于CDMA機載動中通衛星通信系統的應用

● 文|南京中網衛星通信股份有限公司 李瑋 張偉

基于CDMA機載動中通衛星通信系統的應用

● 文|南京中網衛星通信股份有限公司 李瑋 張偉

首先簡單介紹了動中通天線在機載衛星通信系統中的應用，重點說明了小型動中通天線使用的局限性，通過引入CDMA擴頻機制來有效降低小口徑天線存在的鄰星干擾，實現不同終端的頻率復用，最后對CDMA Modem在機載寬帶衛星通信系統中的實現進行了可行性分析。

CDMA 動中通衛星天線 衛星通信 鄰星干擾

一、引言

在社會需求和技術發展雙重推動下，我國衛星通信行業取得了較快進步并不斷向更高的水平創新與發展。由于VSAT衛星通信系統中小站設備的天線口徑小，站點安裝方便、接入靈活等特點，世界各個國家紛紛在籌建衛星地面站、車載站、船載站及機載站，根據應用場景不同廣泛服務于各個行業領域[1]。隨著在移動中實現衛星通信的應用領域日益擴大，各行業用戶日益增多，作為一種體積小、重量輕、安裝維護方便的小口徑終端——“動中通”，其技術的不斷成熟也從車載、船載逐漸應用于更高要求的機載衛星通信。

二、機載動中通市場應用前景

隨著現代通信技術的高速發展，覆蓋范圍廣、可靠性高的衛星通信正成為解決空地寬帶數據通信的首要手段。機載動中通衛星通信是一種有效的高空移動通信的接入方式，它具有通信距離遠、通信質量可靠、組網方便靈活，形成飛機在高速航行中通過衛星與地面站遠距離、不間斷業務通信，如圖1所示。在飛機上加裝衛星通信系統，可將飛行數據參數、視頻監控全程記錄并實時傳輸至地面，這不僅是提高飛機運行效率的要求，也是提升飛行實時監控安全水平的必要措施?？紤]到中小型飛機機體空間、載重和空氣動力方面的問題，總體上應選用重量輕、體積小的動中通設備；此外，為適應中小型飛機對艙外天線安裝的要求，應選用平面輻射單元的低輪廓天線[2]，其射頻性能應等效于直徑為0.3～0.6m之間的圓口徑拋物面天線的發射與接收性能。由于小口徑天線的波束寬度比較大，因此調整天線對衛星的指向相對比較容易；另外，對衛星的漂移也不太敏感。

圖1 機載動中通衛星通信系統組成框圖

機載動中通解決了飛機在高速飛行過程中精確跟蹤地球同步衛星，并建立寬帶衛星通信鏈路，實現視頻圖像、話音、數據等多媒體業務實時、不間斷傳輸，同時還可以和任何已有的應急通信系統配合使用，可應用于應急通信保障、移動指揮、實時新聞采集、災情監測等多個行業領域，在軍用和民用兩個領域都有廣闊的市場前景。

三、機載動中通主要問題

為了滿足市場化需求，小型化天線是實現機載動中通的必要條件，然而小口徑天線無可避免地帶來天線增益等技術特性的問題，從天線增益公式定義中可以得出，天線的增益與天線半徑的平方成正比， 即天線口徑越小，其增益就越低。此外，由于天線的收發波束具有一定的寬度，根據波束寬度公式，波束寬度和天線口徑、信號頻率成反比，即天線工作在某一頻段時，口徑越小，波束寬度越大，其方向性就越弱。隨著衛星通信技術的高速發展，同步軌道衛星越來越多，衛星間隔度數越來越小，因此鄰星干擾在我們工作中會逐步增多。如圖2所示，上行鄰星干擾：當鄰星終端用戶天線口徑小，上行功率電平過高，功率譜密度超出協調指標，那么鄰星終端天線偏向當前衛星或其旁瓣指向當前衛星。下行鄰星干擾：當相鄰衛星與當前衛星的工作頻段與覆蓋區有重疊，在此區域內，若終端天線口徑較小，那么當前衛星終端站在接收正常信號的同時，其旁瓣也會接收到鄰星上的信號。如果鄰星終端載波下行功率電平過高或接收終端天線未對準，追求小口徑天線的終端也會存在下行鄰星干擾。在實際飛行過程中，衛星通信中可能產生多普勒效應較明顯，造成接收信號的載頻發生頻移，小口徑天線更易產生鄰星干擾。

圖2 鄰星干擾

在衛星通信技術的不斷進步的今天，軌道環上的衛星越來越密集，而衛星功率越來越大，衛星地球站的天線口徑則越來越小型化，鄰星干擾問題也越來越嚴重化。如何使高速航行的飛機保證實時寬帶業務傳輸實現的同時，又能對鄰星的干擾盡可能小，是我們首先需要考慮的問題。因此，在衛星鏈路中采用CDMA擴頻體制，可有效地降低信號的功率譜密度，從而降低鄰星干擾[3]，這是解決該問題的根本措施。

四、CDMA擴頻系統優勢與特性

（1）克服鄰星干擾，抗干擾能力強

實際應用中，由于機載動中通選用的天線口徑受限，無法具備更窄的波束和較低的旁瓣，易受到鄰星的干擾和對鄰星造成干擾。在天線旁瓣特性和發射功率一定的情況下，通過減小單位帶寬上的功率，即降低信號的功率譜密度，可有效地克服鄰星干擾。

根據香農（C.E.Shannon）在信息論研究中總結出的信道容量公式[3]，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬和信噪比可以實現互換，即增加信號帶寬可以降低對信噪比門限的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒于噪聲之中也是可能的。對于擴頻通信來說，就是用擴頻碼擴展基帶信號的頻譜，使單位比特率bps的信號能量Eb與單位帶寬Hz的噪聲功率之比相應降低，如圖3所示。根據香農理論，只要相應增加信道帶寬B，就可以對信噪比降低后的擴頻信號實現可靠傳輸。

圖3 信號功率譜圖

利用寬帶傳輸技術（擴展頻譜），接收端既能在極低的信號功率譜密度條件下，通過相關解擴解調恢復出有用信號，又能降低解調門限，從而克服了鄰星干擾的同時降低了系統的誤碼性能，改善了通信質量。由于信號頻帶展寬可以換取信噪比的好處，提高了系統的抗干擾能力。而擴頻增益Gp就是用來衡量克服干擾的程度，可表示為Gp=B2/B1。其中，B1是擴頻前數字基帶信號帶寬，B2是擴頻信號帶寬，也稱為擴頻因子或擴頻比。根據柯捷爾尼可夫提出的信息傳輸差錯概率公式[3]，提高擴頻因子就是提高信噪比，提高系統增益，同時降低了功率譜密度，有效地減少終端小口徑天線端對鄰星造成的干擾。

（2）通信隱蔽、保密性好

通過對比擴頻前后信號的頻譜可知，經過擴頻后信號的頻譜發生了變化，即信號在很寬的頻帶上被擴展，從而單位帶寬上的功率變得很小，信號功率譜密度很低，信號可以淹沒于噪聲之中，達到了擴頻通信對信號隱藏保密的目的；由于擴頻碼的不確定，很難拾取其中的有用信號，而極低的功率譜密度也很少對于其他電子通信設備造成干擾。

（3）碼分實現終端區分、頻率復用

雖然用擴頻碼擴頻的結果使得信噪比降低，需要增加信道帶寬，但是，以擴頻技術為基礎的多址技術CDMA，在其它方面獲得的好處是巨大的。擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，也提高了頻帶的利用率。正是由于擴頻通信要用擴頻碼進行擴頻調制發送，而信號接收需要用相同的擴頻碼作相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻碼之間的相關特性，給不同終端分配不同的擴頻碼，就可以區別不同的終端信號，多個終端只要合理配對使用自己的擴頻碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現了頻率復用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發端可用不同的擴頻碼，分別向不同的接收端發送數據；同樣，接收端用不同的擴頻碼，就可以收到不同的發端傳送的數據，實現了多址通信。

五、CDMA Modem在機載衛星通信系統的可行性分析

圖4 寬帶CDMA機載衛星通信系統原理框圖

如圖3所示，在寬帶CDMA機載衛星通信系統中，衛星CDMA Modem主要完成L波段中頻信號的IQ調制解調及基帶對IQ信號的數據調制和解調，通過信道編譯碼產生信息比特流供與用戶接口單元之間實時交互[4]。BUC為上變頻高功放，完成L頻段信號功放級放大上變頻至Ku頻段需要的發射功率；LNB為低噪聲下變頻，完成Ku頻段信號放大下變頻至L頻段。天線控制器的主要功能是放大跟蹤接收機分系統和指向分系統產生的誤差信號，驅動并始終控制天線對準衛星，保持衛星通信的穩定順暢。

北京國家體育場高分二號衛星融合影像

該圖（成像時間2014年9月27日）為北京國家體育場區域高分二號衛星真彩色影像（0.8m分辨率）。北京國家體育場（圖像正中央）位于北京市朝陽區奧林匹克公園，是2008年北京奧運會的主場館，由于其獨特造型又俗稱“鳥巢”。

中國資源衛星應用中心 供圖

1）衛星CDMA Modem前向糾錯機制（FEC）支持高性能LDPC編譯碼[5]，能獲得更高的編碼增益或占用更少的帶寬；在達到相同誤比特率下，可有效降低Eb/N0接收門限。

2）系統采用非對稱CDMA寬帶衛星通信，能夠滿足小型天線高空作業時寬帶業務傳輸至地面的需求，并由地面站進行實時監控。

3）系統考慮綜合傳輸速率和誤碼率，采用QPSK調制。

4）本系統選用的衛星Modem在空地數據通信寬帶業務傳輸時Eb/N0門限為4.1dB，可達到1×10-7的誤比特率要求，能夠保證實時業務傳輸質量。

表1 鏈路計算關鍵參數設置

根據表1中的參數設置，通過衛星鏈路計算，對于上行鏈路：在所需相同功放發射功率的條件下，擴頻后的占星帶寬約為未擴頻時的8倍，信號功率譜密度可降低9dB/Hz，此時載干比C/I大幅降低；但接收端所需載噪比C/N門限卻可以為負值，表明載波信號在淹沒于噪聲之中也能被接收端成功解調；而下行鏈路中，占星帶寬是未擴頻時的4倍，載噪比C/N接收門限降低5dB，在達到1×10-7的誤比特率要求下，接收端也能正常解調成功。

六、結束語

根據香農公式的定義可判定信噪比與帶寬互換，在此理論基礎上，將有用的信號擴展到很寬的頻帶上，有效降低信號的功率譜密度；在解擴過程中，干擾信號進入與有用信號同頻帶內的干擾功率大大降低，從而增加了輸出信號/干擾比，達到降低系統Eb/N0接收門限，具有較強的抗干擾能力。載波功率譜密度低，降低了對鄰星造成的干擾，特別適用于小型口徑（0.6m以下）的VSAT系統。采用雙向非對稱寬帶CDMA傳輸調制方式，機載站與地面站的發射載波共用同一轉發器頻段，通過不同的擴頻碼的正交性實現頻域重疊，實現不同終端區分，提高載噪比，提高頻帶利用率，從而增強系統的可用性。因此，小型化天線在機載動中通衛星系統中的成功部署，可通過CDMA擴頻體制滿足衛星公司對小口徑天線的入網測試要求，實現小口徑動中通天線在機載寬帶衛星通信系統的市場應用。

[1]袁博. 衛星通信系統在民航中的應用[J]. 信息通信, 2014.

[2]牛傳峰, 杜彪, 韓國棟, 等. 低輪廓動中通天線[J]. 中國電子科學研究院學報, 2013(02).

[3]Na Gu, Sheng Wu, Linling Kuang,et al, Jianhua Lu. Belief propagation-based joint iterative algorithm for detection and decoding in asynchronous CDMA satellite systems[J]. EURASlP Journal on Wireless Communications and Networking, 2013.

[4]Stephen Z. Pinter, Xavier N. Fernando. Equalization of Multiuser Wireless CDMA Downlink Considering Transmitter Nonlinearity Using Walsh Codes[J]. EURASlP Journal on Wireless Communications and Networking, 2007.

[5]尹爽爽, 王中訓. 一種DVB-S2中低復雜度的LDPC編譯碼研究[J]. 重慶郵電大學學報(自然科學版), 2012(04).