[摘 要]空天信息網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)絡(luò)相比地面接入網(wǎng)絡(luò)一個(gè)顯著區(qū)別，在于接入性能受衛(wèi)星有效載荷能力制約較大，合理分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源及功率資源，是實(shí)現(xiàn)接入容量最大化的重要因素。本文就衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器類型及各自具有的特點(diǎn)進(jìn)行粗略介紹。

[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)發(fā)器

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展和終端類型的日益增多，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的格局，單址、單頻、單星窄帶的現(xiàn)象逐漸被多址、多頻和多星寬帶的網(wǎng)絡(luò)模式所替代，其中對(duì)以高容量、高靈活性的數(shù)學(xué)信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究最為突出，而數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的形成，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的不斷改進(jìn)起著不可磨滅的作用，所以下面具體介紹衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器類型及各自具有的特點(diǎn)，并確定未來(lái)發(fā)展方向。

一、轉(zhuǎn)發(fā)器分類

1.透明轉(zhuǎn)發(fā)器

透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)交換過(guò)程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實(shí)現(xiàn)的，如果信號(hào)的載波頻率不發(fā)生大的改變，那么信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的類型以及編碼譯碼的準(zhǔn)則變化對(duì)透明轉(zhuǎn)發(fā)器影響甚微，這些特性造就了透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能靈活，適應(yīng)上下行鏈路通信協(xié)議的能力較強(qiáng)，因此，透明轉(zhuǎn)發(fā)器依舊是目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(hào)交換矩陣全部屬于硬連接范疇，且網(wǎng)絡(luò)路由是固定選擇模式，使得系統(tǒng)不能隨著業(yè)務(wù)量的變化而變化，信號(hào)交換帶寬一般情況下都需要占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部帶寬，甚至以波束為單位進(jìn)行信號(hào)的交鏈，無(wú)法進(jìn)行較為細(xì)致的交換行為，此外，由于高功率放大器存在的非線性的問(wèn)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(dǎo)致系統(tǒng)容量、頻率資源利用率的部分降低。

2.再生式轉(zhuǎn)發(fā)器

轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)過(guò)程包括對(duì)信號(hào)的解調(diào)、譯碼、編碼和調(diào)制等一系列處理單元，所以相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和頻率資源利用率，尤其是利用自適應(yīng)編碼技術(shù)使得系統(tǒng)的性能進(jìn)一步達(dá)到了提升。顯而易見(jiàn)，此種模式的星載處理器相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)說(shuō)，其物理層中信號(hào)處理單元是體現(xiàn)其優(yōu)越性能的核心技術(shù)，但是這種依賴物理層的星載處理器也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，如衛(wèi)星在其服役的整個(gè)生涯過(guò)程中，一旦上下行鏈路的通信協(xié)議進(jìn)行了升級(jí)更新，則可能導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)無(wú)法有效地收發(fā)數(shù)據(jù)，完全處于癱瘓狀態(tài)。從這方面來(lái)看，其適應(yīng)性相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)說(shuō)差很多，目前，僅有少數(shù)的衛(wèi)星搭載此類轉(zhuǎn)發(fā)器。

3.數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器

透明轉(zhuǎn)發(fā)器和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器既有突出的優(yōu)點(diǎn)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(jié)合在一起的辦法呢？伴隨軟件無(wú)線電知識(shí)的不斷更新，此問(wèn)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(zhuǎn)發(fā)器靈活性強(qiáng)但無(wú)法適應(yīng)業(yè)務(wù)量變化的特點(diǎn)和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器純依賴物理層提升系統(tǒng)容量的特點(diǎn)結(jié)合在一起，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相兼容，從理論上提升轉(zhuǎn)發(fā)器處理信號(hào)的效率，但是這種理想轉(zhuǎn)發(fā)器方式在經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)時(shí)間研究和實(shí)踐操作之后，始終在設(shè)備體積、重量、功耗等難題上無(wú)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(lái)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷完善，并伴隨著芯片制造工藝的日益精良，人們結(jié)合這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器模型，并且通過(guò)它實(shí)現(xiàn)了部分SDP的功能。

數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)處理具體過(guò)程為：衛(wèi)星接收天線接收到衛(wèi)星上行信號(hào)之后，送入低噪聲放大器中進(jìn)行放大，放大的信號(hào)被傳送給下變頻單元變?yōu)楹线m的中頻信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳入數(shù)字域中進(jìn)行處理，送進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信道解復(fù)用、數(shù)字信道交換、信道復(fù)用三個(gè)單元處理之后再變換為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻和高功放，之后由衛(wèi)星發(fā)射天線送出，從而完成了整個(gè)星載信號(hào)交換過(guò)程。

相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言（信號(hào)交換時(shí)占據(jù)整個(gè)信道的帶寬），此種轉(zhuǎn)發(fā)器中信號(hào)交換帶寬要節(jié)省得多。而且利用數(shù)字信道化技術(shù)能夠使得上行信道在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中被分為若干個(gè)子信道，其信道帶寬窄，便于系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理地選擇配置，按需分配；系統(tǒng)還可以復(fù)制單個(gè)子信道用來(lái)進(jìn)行廣播、組播和抑制備用信道等等，以上數(shù)字信號(hào)化器的特點(diǎn)使得系統(tǒng)在數(shù)字域中對(duì)鏈路損耗進(jìn)行一定的補(bǔ)償，降低高功率放大器的非線性效應(yīng)，提高通信靈活性和可靠性，達(dá)到衛(wèi)星信號(hào)與頻率資源之間的靈活互換。

二、轉(zhuǎn)發(fā)器體制選擇

從各種轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)體制的特點(diǎn)分析，數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器的特點(diǎn)更加適應(yīng)未來(lái)衛(wèi)星通信系統(tǒng)多頻、多址、多星和多波束的特點(diǎn)，應(yīng)該將它作為天基寬帶接入衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器采用的模式。目前，采用此有轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的衛(wèi)星有：亞洲蜂窩衛(wèi)星（Aces）系統(tǒng)的Garuda-1，Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)，國(guó)際海事衛(wèi)星 Inmarsat-4、美國(guó)移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)SkyTerra以及移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）、寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS）等。而上述衛(wèi)星中除了WGS之外，其他數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)全部屬于窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)范疇，并且要求各個(gè)用戶終端子信道帶寬全部相同。與WGS通信系統(tǒng)相比，它們?cè)谕ㄐ胚^(guò)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(lái)軍事衛(wèi)星體系中新一代寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，為美軍獲取各種信息情報(bào)提供了迅速且精確地通信服務(wù)保障，滿足了各種空中通信任務(wù)額外的轉(zhuǎn)換需求，提供了其他衛(wèi)星所不能提供的重要特征。所以，未來(lái)空天信息網(wǎng)絡(luò)寬帶接入衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器體制可以借鑒WGS的轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)體制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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