星載轉發器體制研究

[摘 要]空天信息網絡的接入網絡相比地面接入網絡一個顯著區別，在于接入性能受衛星有效載荷能力制約較大，合理分配衛星轉發器帶寬資源及功率資源，是實現接入容量最大化的重要因素。本文就衛星轉發器類型及各自具有的特點進行粗略介紹。

[關鍵詞]轉發器

隨著通信技術不斷發展和終端類型的日益增多，寬帶衛星通信系統衛星通信系統打破了傳統的格局，單址、單頻、單星窄帶的現象逐漸被多址、多頻和多星寬帶的網絡模式所替代，其中對以高容量、高靈活性的數學信道化衛星通信系統的研究最為突出，而數字信道化衛星通信系統的形成，衛星轉發器的不斷改進起著不可磨滅的作用，所以下面具體介紹衛星轉發器類型及各自具有的特點，并確定未來發展方向。

一、轉發器分類

1.透明轉發器

透明轉發的信號交換過程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實現的，如果信號的載波頻率不發生大的改變，那么信號調制和解調的類型以及編碼譯碼的準則變化對透明轉發器影響甚微，這些特性造就了透明轉發器性能靈活，適應上下行鏈路通信協議的能力較強，因此，透明轉發器依舊是目前大多數衛星通信系統的首要選擇方式，然而它也存在不可忽略的缺陷，比如星上信號交換矩陣全部屬于硬連接范疇，且網絡路由是固定選擇模式，使得系統不能隨著業務量的變化而變化，信號交換帶寬一般情況下都需要占用轉發器的全部帶寬，甚至以波束為單位進行信號的交鏈，無法進行較為細致的交換行為，此外，由于高功率放大器存在的非線性的問題，通常需要在多載波的情況下還必須采取一定的功率回退措施，導致系統容量、頻率資源利用率的部分降低。

2.再生式轉發器

轉發整個過程包括對信號的解調、譯碼、編碼和調制等一系列處理單元，所以相比較透明轉發器而言，再生式轉發器可以有效地提高通信系統的容量和頻率資源利用率，尤其是利用自適應編碼技術使得系統的性能進一步達到了提升。顯而易見，此種模式的星載處理器相比較透明轉發器來說，其物理層中信號處理單元是體現其優越性能的核心技術，但是這種依賴物理層的星載處理器也存在很大的風險，如衛星在其服役的整個生涯過程中，一旦上下行鏈路的通信協議進行了升級更新，則可能導致衛星通信系統無法有效地收發數據，完全處于癱瘓狀態。從這方面來看，其適應性相比較透明轉發器來說差很多，目前，僅有少數的衛星搭載此類轉發器。

3.數字信道化轉發器

透明轉發器和再生式轉發器既有突出的優點又有不可忽略的缺陷，那么存不存在一種可以將這兩種方式結合在一起的辦法呢？伴隨軟件無線電知識的不斷更新，此問題有了最佳答案，即軟件定義有效載荷（Software Define payload，SDP）方式，即將透明轉發器靈活性強但無法適應業務量變化的特點和再生式轉發器純依賴物理層提升系統容量的特點結合在一起，做到揚長避短，互相兼容，從理論上提升轉發器處理信號的效率，但是這種理想轉發器方式在經過人們長時間研究和實踐操作之后，始終在設備體積、重量、功耗等難題上無法跨越，與SDP所描述的思想存在很大的差距，所幸的是近年來數字信號處理技術的不斷完善，并伴隨著芯片制造工藝的日益精良，人們結合這兩種技術設計了數字信道化轉發器模型，并且通過它實現了部分SDP的功能。

數字信道化轉發器信號處理具體過程為：衛星接收天線接收到衛星上行信號之后，送入低噪聲放大器中進行放大，放大的信號被傳送給下變頻單元變為合適的中頻信號送給模數轉換器，轉換器將模擬信號轉換為數字信號并傳入數字域中進行處理，送進來的數字信號經過信道解復用、數字信道交換、信道復用三個單元處理之后再變換為模擬信號，經過上變頻和高功放，之后由衛星發射天線送出，從而完成了整個星載信號交換過程。

相比較透明轉發器而言（信號交換時占據整個信道的帶寬），此種轉發器中信號交換帶寬要節省得多。而且利用數字信道化技術能夠使得上行信道在衛星轉發器中被分為若干個子信道，其信道帶寬窄，便于系統根據實際情況進行合理地選擇配置，按需分配；系統還可以復制單個子信道用來進行廣播、組播和抑制備用信道等等，以上數字信號化器的特點使得系統在數字域中對鏈路損耗進行一定的補償，降低高功率放大器的非線性效應，提高通信靈活性和可靠性，達到衛星信號與頻率資源之間的靈活互換。

二、轉發器體制選擇

從各種轉發器技術體制的特點分析，數字信道化轉發器的特點更加適應未來衛星通信系統多頻、多址、多星和多波束的特點，應該將它作為天基寬帶接入衛星系統轉發器采用的模式。目前，采用此有轉發器系統的衛星有：亞洲蜂窩衛星（Aces）系統的Garuda-1，Thuraya衛星系統，國際海事衛星 Inmarsat-4、美國移動通信衛星系統SkyTerra以及移動用戶目標系統（MUOS）、寬帶全球衛星通信系統（WGS）等。而上述衛星中除了WGS之外，其他數字信道化衛星通信系統全部屬于窄帶衛星通信系統范疇，并且要求各個用戶終端子信道帶寬全部相同。與WGS通信系統相比，它們在通信過程中靈活性稍差，通信容量和頻帶利用率方面稍顯遜色。而WGS作為美軍未來軍事衛星體系中新一代寬帶衛星系統，為美軍獲取各種信息情報提供了迅速且精確地通信服務保障，滿足了各種空中通信任務額外的轉換需求，提供了其他衛星所不能提供的重要特征。所以，未來空天信息網絡寬帶接入衛星的轉發器體制可以借鑒WGS的轉發器技術體制進行設計。

作者簡介：曹強（1967-），男，浙江嘉興人，武警士官學校教授，研究方向：船舶輪機、船舶通信技術。