石 榮,陳俊豪,馬 達
(電子信息控制重點實驗室,四川 成都 610036)
在衛(wèi)星通信與微波接力通信等遠距離傳輸應(yīng)用中廣泛使用各種轉(zhuǎn)發(fā)器[1-4],按照不同的分類標準轉(zhuǎn)發(fā)器可劃分為不同的類別[5]。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中是否采用數(shù)字信號處理器件,可分為模擬轉(zhuǎn)發(fā)器與數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)器;按照是否對轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)解碼與再編碼調(diào)制,又可劃分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器與再生轉(zhuǎn)發(fā)器,其中,再生轉(zhuǎn)發(fā)器也稱為處理轉(zhuǎn)發(fā)器。目前工程應(yīng)用中既有模擬的透明轉(zhuǎn)發(fā)器,也有數(shù)字的透明轉(zhuǎn)發(fā)器,其一般通過上下變頻器和各種形式的中頻交換矩陣來完成信號的頻段搬移,不對信號做其他方面的處理,所以當(dāng)信號調(diào)制編碼方式等物理層參數(shù)改變時對透明轉(zhuǎn)發(fā)器沒有影響,具有一定的靈活性,但由于缺乏進一步的碼流比特級的操作,透明轉(zhuǎn)發(fā)器在業(yè)務(wù)交換控制、轉(zhuǎn)發(fā)傳輸性能等方面受到一定的限制。再生轉(zhuǎn)發(fā)器一般為數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)器,先將信號下變頻至基帶,進行解調(diào)譯碼和其他處理,再將基帶數(shù)字碼流實施編碼調(diào)制與上變頻,經(jīng)功率放大之后通過天線發(fā)射。再生轉(zhuǎn)發(fā)器與透明轉(zhuǎn)發(fā)器相比,其最大區(qū)別就是信號經(jīng)過了解調(diào)譯碼與再次編碼調(diào)制,這不僅為鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的操作創(chuàng)造了條件,而且也消除了轉(zhuǎn)發(fā)器接收端所引入的噪聲,進一步提升了系統(tǒng)的傳輸性能。雖然再生轉(zhuǎn)發(fā)器具有這些優(yōu)點,但同時也意味著其與信號調(diào)制編碼方式緊密關(guān)聯(lián)耦合,難以適應(yīng)通信標準與通信協(xié)議的發(fā)展更新,所以在使用的靈活性方面又不如透明轉(zhuǎn)發(fā)器[6]。
盡管部分文獻對透明轉(zhuǎn)發(fā)器與再生轉(zhuǎn)發(fā)器的上述特點進行過歸納總結(jié)[7-9],但是對二者在級聯(lián)通信傳輸中的特性對比分析并不深入。針對這一情況,本文從信息論的視角出發(fā),先概述多條鏈路的不同級聯(lián)傳輸方式,然后分別對通過透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)多條鏈路的信道容量進行對比分析,并利用分析結(jié)果提出在透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)鏈路中采用分段再生轉(zhuǎn)發(fā)的全新方式來改善級聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)通信的性能。此外,在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字信道化技術(shù)設(shè)計具有透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的混合轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)架構(gòu),并提出在高通量通信衛(wèi)星中對信令信號進行再生轉(zhuǎn)發(fā)、對業(yè)務(wù)信號進行透明轉(zhuǎn)發(fā)的全新混合轉(zhuǎn)發(fā)模式,較好地實現(xiàn)了衛(wèi)星通信傳輸性能與工程實現(xiàn)復(fù)雜度之間的平衡,同時也為下一代衛(wèi)星通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用提供了新的參考。
在傳統(tǒng)的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中多條鏈路級聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)的方式主要有透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)與再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)兩種。本文以典型的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為例。在透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)中通過M-1 個透明轉(zhuǎn)發(fā)器將M條鏈路級聯(lián)起來的應(yīng)用場景如圖1 所示,其中首尾兩條鏈路為星地鏈路,即第1 條是從地面終端A 至通信衛(wèi)星的上行鏈路,第M條是從通信衛(wèi)星到地面終端B 的下行鏈路,而第2 條至第M-1 條是各顆通信衛(wèi)星之間的星間鏈路。

圖1 通過M-1 個透明轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)的M 條衛(wèi)通鏈路
如果將圖1 中的M-1 個透明轉(zhuǎn)發(fā)器更換為再生轉(zhuǎn)發(fā)器,則通過再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)的M條鏈路進行信息傳輸?shù)膱鼍叭鐖D2 所示。

圖2 通過M-1 個再生轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)的M 條衛(wèi)通鏈路
在上述M條鏈路中,記第i條鏈路發(fā)射端的發(fā)射機輸出功率為PT,i,天線增益為GT,i,接收端的天線有效接收面積為AR,i,收發(fā)兩端之間的距離為dTR,i,i=1,2,…,M。于是接收端天線輸出的信號功率為:

由式(1)可知:當(dāng)?shù)趇條鏈路中PT,i、GT,i、AR,i和dTR,i確定之后,接收端的SP,i也是一個定值,于是第i條鏈路的信道容量CS,i由香農(nóng)公式表示為:

式中:NP,i為接收端處帶寬WΔ內(nèi)的噪聲功率。由此可見:在WΔ取值一定的情況下,決定第i條衛(wèi)星通信鏈路信道容量CS,i大小的關(guān)鍵因素在于接收端天線輸出口處的信噪比SP,i/NP,i[10]。
式(2)描述了單條鏈路的信道容量計算方法,按照前述兩種轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)方式,M條鏈路通過透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)和通過再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)的最終信道容量的計算過程與傳輸特性接下來繼續(xù)分析。
在如圖1 所示的透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)應(yīng)用中,記M條鏈路總的信道容量為CTrans,M,則透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)信道容量計算公式為:

式中:αi為第i條鏈路接收端信號帶內(nèi)總功率SP,i+NP,i與信號功率SP,i的比值。αi的計算方法為:

為了證明式(3)成立,首先使用數(shù)學(xué)歸納法證明如下的引理。
引理:M條鏈路經(jīng)過透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)之后,在最后一個接收端B 處綜合形成的信號帶內(nèi)總功率與真正的信號成分功率的比值等于每一條鏈路各自獨立功率比值的連乘積,即有式(5)成立。

式中:Stotal,M與Ntotal,M分別為信宿處地面終端B 接收天線后端真正的信號成分功率與綜合的噪聲成分功率。
證明:當(dāng)M=2 時,圖1 簡化為2 條鏈路通過1個透明轉(zhuǎn)發(fā)器進行級聯(lián)接續(xù)傳輸,這是最典型也是最簡潔的衛(wèi)星通信形式,如圖3 所示。

圖3 通過1 個透明轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)的兩條衛(wèi)通鏈路
圖3 中鏈路2 發(fā)射端所發(fā)射的信號實際上是鏈路1 接收端所接收到的信號變頻放大的結(jié)果,這就意味著:鏈路1 接收端的噪聲成分同樣也會出現(xiàn)鏈路2 的發(fā)射信號之中。于是地面終端B 接收天線后端真正的信號成分功率為:

同樣,地面終端B 的接收天線后端綜合的噪聲成分功率為:

于是最終地面終端B 處接收天線后端的信號帶內(nèi)總功率與真正的信號成分功率的比值為:

對比式(8)與式(5)可知:在M=2 時定理成立。
假設(shè)M=K-1,K≥3 時,式(5)成立,即:

那么在M=K時地面終端B 接收天線后端真正的信號成分功率為:

同樣,地面終端B 的接收天線后端綜合的噪聲成分功率為:

由式(12)可知在M=K時式(5)成立,于是由數(shù)學(xué)歸納法可知:式(5)在M≥2 的任何正整數(shù)時均成立,證畢。
由香農(nóng)信道容量公式可知:M條鏈路通過M-1個透明轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)后的最終信道傳輸容量為:

對式(13)等號右端括號中的部分進行恒等 變換:

將式(15)代入式(13)即可證明式(3)成立。
相對于透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)而言,如圖2 所示的再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)應(yīng)用的相關(guān)計算則要簡潔很多,記M條鏈路總的信道容量為CRegen,M,則再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)信道容量的計算公式為:

由式(16)可知:再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)信道容量等于各條鏈路各自信道容量的最小值。這主要是因為再生轉(zhuǎn)發(fā)器沒有噪聲積累效應(yīng),在每一條鏈路的接收端都進行了解調(diào)解碼,及時消除了各條鏈路上的噪聲累積,使得純粹的信號能得到提煉保留,從而可以在下一次轉(zhuǎn)發(fā)中將發(fā)射機的所有功率全部分配給信號,這也是再生轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)于透明轉(zhuǎn)發(fā)的重要原因。2.3節(jié)將敘述關(guān)于二者在傳輸特性上的差異定量分析。
由前述分析可知:透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)的最終信道容量由式(3)表達,再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)的最終信道容量由式(16)表達,為了對二者進行對比,假設(shè)M條鏈路中具有最小接收信噪比的是第L條鏈路,即有式(17)成立。

式(21)表明:M條鏈路通過圖1 所示的透明轉(zhuǎn)發(fā)器進行級聯(lián)的最終信道容量CTrans,M一定小于圖2 所示的再生轉(zhuǎn)發(fā)器進行級聯(lián)的最終信道容量CRegen,M。而且由式(18)可知:在最小接收信噪比鏈路確定之后,隨著鏈路級聯(lián)數(shù)目的遞增,雖然SP,L/NP,L保持不變,但是Stotal,M/Ntotal,M與SP,L/NP,L之間的差值會進一步加大,這也就意味著CTrans,M比CRegen,M小得更多。實際上從工程應(yīng)用的角度講,透明轉(zhuǎn)發(fā)過程中不僅將前一級鏈路中的信號成分進行了轉(zhuǎn)發(fā),而且對其中的噪聲成分也同樣進行了轉(zhuǎn)發(fā),隨著轉(zhuǎn)發(fā)過程中噪聲成分的逐級積累,會使得最終信噪比不斷降低,從而導(dǎo)致透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)的信道容量驟降。
由前述理論分析可知,在相同的接收信號信噪比條件下衛(wèi)星通信傳輸采用再生轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)比采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)的信道容量要大。但是,一方面,星載再生轉(zhuǎn)發(fā)器也面臨復(fù)雜度高、功耗大、成本高、使用靈活性與可靠性不如透明轉(zhuǎn)發(fā)器等問題;另一方面,星載解調(diào)解碼器的容量與速率是無論如何都趕不上地面用戶的解調(diào)解碼器的,所以這也是,截至目前全部采用再生轉(zhuǎn)發(fā)的高通量通信衛(wèi)星極少,衛(wèi)星通信的工程應(yīng)用仍然以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主的重要原因。隨著技術(shù)不斷進步與電子器件集成度的提高,再生轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量在未來的通信衛(wèi)星上會進一步增加,但鑒于透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生轉(zhuǎn)發(fā)各有各的優(yōu)點,所以未來的發(fā)展趨勢一定是透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生轉(zhuǎn)發(fā)混合使用的局面,這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式隨著不同應(yīng)用其混合的方式也各不相同,比較典型的設(shè)計如下文所述。
在由多條鏈路組成的透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)傳輸中分段間隔將透明轉(zhuǎn)發(fā)器替換為再生轉(zhuǎn)發(fā)器,以此來消除透明轉(zhuǎn)發(fā)所引起的噪聲積累效應(yīng),這一改進之后的混合轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用方式如圖4 所示。

圖4 在透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)鏈路中采用分段再生轉(zhuǎn)發(fā)
假設(shè)圖4 中插入的γ個再生轉(zhuǎn)發(fā)器將M-1-γ個透明轉(zhuǎn)發(fā)器分成了γ+1 段,在每一段中為純粹的透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)子鏈路,而各個分段之間通過再生轉(zhuǎn)發(fā)進行連接。按照前述分析,總共γ+1 段透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)子鏈路的信道容量可參照式(3)進行計算,分別記為CTrans,j,j=1,2,…γ+1,再由式(16)可知,圖4 所示的M條鏈路級聯(lián)中最終的信道容量為:

由此可見,在轉(zhuǎn)發(fā)器總數(shù)量保持不變的情況下,通過在多條鏈路組成的透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)鏈路中分段間隔將透明轉(zhuǎn)發(fā)器替換為再生轉(zhuǎn)發(fā)器的方法,能夠在一定程度上提升最終的信道容量,改善傳輸性能。當(dāng)然提升的量級由替換的再生轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量與具體位置決定,可通過式(22)計算并評估各種替換方案的傳輸性能,從而優(yōu)化選取其中的最佳替換方案進行實際應(yīng)用。
目前已有的數(shù)字信道化透明轉(zhuǎn)發(fā)器首先將信號下變頻至中頻,采用高速寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analogto-Digital Converter,ADC)對中頻信號進行數(shù)字采樣后,通過數(shù)字信道化濾波處理實現(xiàn)信號的交換與頻段搬移,從而形成新的數(shù)字中頻信號;然后通過高速寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)將數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換成模擬中頻信號,再上變頻至射頻,經(jīng)功率放大之后對外發(fā)射。顯然這一數(shù)字信道化透明轉(zhuǎn)發(fā)器能夠隨時在數(shù)字域調(diào)整信號的交換關(guān)系,完全替代了傳統(tǒng)的模擬透明轉(zhuǎn)發(fā)器。如果在此基礎(chǔ)上將數(shù)字中頻信號搬移至基帶,插接基帶解調(diào)譯碼數(shù)字模塊、其它功能的數(shù)字碼流處理模塊、以及編碼調(diào)制數(shù)字模塊,然后將處理后的基帶信號數(shù)字上變頻至數(shù)字中頻。這樣一來,就相當(dāng)于在數(shù)字透明轉(zhuǎn)發(fā)的過程中插入了再生轉(zhuǎn)發(fā)的功能,采用如此設(shè)計的數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器既可以用于透明轉(zhuǎn)發(fā),也可以用于再生轉(zhuǎn)發(fā),其使用的靈活性與傳輸?shù)母咝詫⒌玫綐O大地提升。這種兼顧了透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字信道化混合轉(zhuǎn)發(fā)器功能模塊組成框圖如圖5 所示。
由圖5 可見,通過數(shù)字信道化混合轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計能夠很好地將透明轉(zhuǎn)發(fā)功能與再生轉(zhuǎn)發(fā)功能有機地結(jié)合在一起,從而形成一個集二者優(yōu)勢于一體的多功能混合轉(zhuǎn)發(fā)器。在將接收信號數(shù)字化之后,對一部分信號進行透明轉(zhuǎn)發(fā),對另一部分信號進行再生轉(zhuǎn)發(fā),不僅能夠根據(jù)星載設(shè)備的資源與負荷量進行靈活分配與調(diào)度,而且轉(zhuǎn)發(fā)交換的關(guān)系與路由選擇等操作都由其中的轉(zhuǎn)發(fā)交換策略控制器進行綜合選擇控制。此外,上述架構(gòu)也為信號帶內(nèi)隨路信令的傳輸與處理提供了極大的方便,只要將其中的再生轉(zhuǎn)發(fā)通道切換至對應(yīng)的帶有隨路信令的信道之后,就可以實時提取隨路控制信令,為轉(zhuǎn)發(fā)交換策略控制器提供額外的控制功能指示。例如,跳波束切換、轉(zhuǎn)發(fā)信號的功率控制、路由選擇等,從而為DVB-S2X 與DVB-RCS2 等新一代衛(wèi)星通信協(xié)議標準的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[11-12]。

圖5 兼具透明與再生轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字信道化混合轉(zhuǎn)發(fā)器
目前進入實際應(yīng)用的同步軌道高通量衛(wèi)星大多采用多點波束方式來提升星地鏈路的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power,EIRP),從而為頻譜的空間復(fù)用與大容量傳輸創(chuàng)造了條件[13]。另一方面,在最新版本的衛(wèi)星通信DVB-S2X 協(xié)議標準中也引入了各種格式的超幀來實現(xiàn)高通量衛(wèi)星的點波束跳變通信傳輸[14]。為了提高頻譜效率,高通量衛(wèi)星的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通常采用高階調(diào)制,以DVB-S2X 為例,其在原有DVB-S2 標準的基礎(chǔ)上增加了64 振幅相移鍵控(64 Amplitude Phase Shift Keying,64 APSK)、128APSK、256APSK等3 種高階調(diào)制[15],使得最大頻譜效率接近于8 bit/Hz。在相同信噪比條件下,采用高階調(diào)制時單個透明轉(zhuǎn)發(fā)器與單個再生轉(zhuǎn)發(fā)器相比,其頻譜利用率如圖6 所示,圖中所繪曲線假設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)的兩條鏈路具相同的信噪比應(yīng)用條件,其中實線為單個再生轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜利用率,從理論上講其可以無限逼近香農(nóng)限,虛線為單個透明轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜利用率。

圖6 單個再生轉(zhuǎn)發(fā)器與透明轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜利用率
將圖6 中的二者的頻譜利用率以再生轉(zhuǎn)發(fā)器為參照做歸一化處理后進行對比如圖7 所示。

圖7 二者頻譜利用率的歸一化對比
由圖6 和圖7 可知,隨著調(diào)制階數(shù)的增加,所要求的信噪比也隨之提高,透明轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜利用率與再生轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜利用率之間的差距也越來越小,這也說明在高階調(diào)制傳輸應(yīng)用中,透明轉(zhuǎn)發(fā)器相對于再生轉(zhuǎn)發(fā)器來講其性能損失也會減小,如此一來,針對不同信號進行差異化轉(zhuǎn)發(fā)的混合轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用優(yōu)勢也就比較明顯了。
如前文所述,DVB-S2X 協(xié)議標準中超幀的引入為隨路信令的傳輸與點波束快速切換提供了條件,兼具透明與再生轉(zhuǎn)發(fā)的混合轉(zhuǎn)發(fā)器在這樣的通信系統(tǒng)中將具有更加靈活的應(yīng)用方式。由上述分析可知:混合轉(zhuǎn)發(fā)器中的隨路信令數(shù)據(jù)量小,一般采用低階調(diào)制和低碼率編碼,適合于星載解調(diào)解碼和再生轉(zhuǎn)發(fā),同時解調(diào)解碼之后的隨路信令也為星載路由交換提供了控制來源;而業(yè)務(wù)信號數(shù)據(jù)量大,通常采用高階調(diào)制與高碼率編碼,適合于星載透明轉(zhuǎn)發(fā)。混合轉(zhuǎn)發(fā)器降低了星載電子設(shè)備的工程實現(xiàn)復(fù)雜度,在確保一定的轉(zhuǎn)發(fā)性能要求的情況下,轉(zhuǎn)發(fā)器的靈活性與隨通信協(xié)議不斷升級換代的持續(xù)性也得到了保證;同時這也為基于混合轉(zhuǎn)發(fā)器的多級鏈路級聯(lián)提供了更加靈活的選擇。
本文從信息論的視角出發(fā),在理論上推導(dǎo)了透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)傳輸與再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)傳輸?shù)男诺廊萘坑嬎惴椒ǎo出了透明轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)中的噪聲累積效應(yīng)與傳輸容量惡化之間的定量關(guān)系,展示了再生轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)所具有的優(yōu)良傳輸性能。盡管如此,但由于透明轉(zhuǎn)發(fā)器與再生轉(zhuǎn)發(fā)器都具有各自難以替代的優(yōu)點,也同時具有自身的不足,所以將二者有機組合在一起的混合轉(zhuǎn)發(fā)便成為工程應(yīng)用的新方向。針對這一發(fā)展趨勢,本文又給出了在透明轉(zhuǎn)發(fā)器級聯(lián)中采用分段再生轉(zhuǎn)發(fā),以及基于數(shù)字信道化技術(shù)的分路混合轉(zhuǎn)發(fā)兩種具有代表性的混合轉(zhuǎn)發(fā)方式。并展示了混合轉(zhuǎn)發(fā)在高通量衛(wèi)星中的多種應(yīng)用方式,從而為新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要參考。實際上,混合轉(zhuǎn)發(fā)不僅能夠在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,也可以在地面與空中微波接力通信中應(yīng)用,并能做到傳輸性能、調(diào)度靈活性與實現(xiàn)復(fù)雜度等多方面的平衡,將成為后續(xù)工程應(yīng)用的新方向。