張 瑋

(國防科工局探月與航天工程中心，北京 100037)

0 引 言

隨著我國“一帶一路”和“建設(shè)海洋強國”的戰(zhàn)略不斷推進，基于衛(wèi)星的天基通信系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，利用其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，能夠在遠(yuǎn)離國土范圍的區(qū)域擴展信息互聯(lián)和保障的范圍。隨著數(shù)據(jù)量的指數(shù)級增長，能夠支持聲音、圖像、視頻、互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)級大規(guī)模數(shù)據(jù)流的天基寬帶通信載荷系統(tǒng)扮演著越來越重要的角色。本文首先介紹了美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展，并從工作頻段和波形體制兩個方面對可用的技術(shù)和工作體制進行分析和對比，在此基礎(chǔ)上對天基寬帶通信系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究。

1 美軍天基數(shù)據(jù)鏈發(fā)展簡述

2001年美軍首次提出天基通用數(shù)據(jù)鏈[1](CDL)概念。通用數(shù)據(jù)鏈作為美軍取得高度成功的數(shù)據(jù)鏈系列，原應(yīng)用于空基ISR平臺，用于實現(xiàn)空集平臺與陸地/海上指揮平臺和情報中心之間的大容量態(tài)勢共享，其功能和天基情報偵察監(jiān)視(ISR)平臺的需要非常相似，因此將通用數(shù)據(jù)鏈的概念、技術(shù)和應(yīng)用向天基拓展不僅可以節(jié)省重新研制天基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的成本和時間，還可以直接利用美軍現(xiàn)役的通用數(shù)據(jù)鏈空基/地面設(shè)備、軟件系統(tǒng)、接口標(biāo)準(zhǔn)等，有效配合空基情報偵察監(jiān)視平臺快速發(fā)揮作戰(zhàn)效能[2-4]。

2004年，美軍推薦使用天基CDL作為“作戰(zhàn)相應(yīng)空間”(ORS)計劃的標(biāo)準(zhǔn)通信結(jié)構(gòu)。ORS計劃首先通過戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星(TacSat)項目驗證天基CDL的可行性和應(yīng)用潛力；隨后再通過發(fā)射專用的ORS衛(wèi)星逐步實現(xiàn)天基CDL向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變[4]。TacSat項目于2003年發(fā)布，旨在通過一系列成本低廉的小型衛(wèi)星，驗證可實現(xiàn)戰(zhàn)場快速響應(yīng)的衛(wèi)星平臺和有效載荷技術(shù)[3]。作為首顆攜帶天基通用數(shù)據(jù)鏈載荷的技術(shù)驗證衛(wèi)星，TacSat-2在90分鐘內(nèi)成功完成了從接收戰(zhàn)場用戶成像要求并對目標(biāo)進行成像，再通過通用數(shù)據(jù)鏈下行鏈路將圖像下傳給戰(zhàn)場用戶的完整任務(wù)流程。2011年6月，ORS-1衛(wèi)星的發(fā)射標(biāo)志著美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈已成功完成前期技術(shù)驗證階段，并逐步進入實戰(zhàn)應(yīng)用階段[2]。

總的來看，不論是TacSat還是ORS項目使用的衛(wèi)星通信載荷技術(shù)還是基于通用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的，承載速率為數(shù)兆至數(shù)百兆比特每秒的業(yè)務(wù)信息。隨著戰(zhàn)場數(shù)據(jù)量呈指數(shù)型爆炸性增長，這一速率業(yè)已不能滿足需求，急需開展新型天基寬帶通信載荷技術(shù)的研究。

2 工作頻段

2.1 毫米波通信

毫米波一般指頻率在30～300 GHz頻段的電磁波,毫米波的波束很窄, 具有良好的指向性，因此具有較高的抗干擾和抗截獲性能。一方面, 由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響比較嚴(yán)重，因此除了在微波頻段所要考慮的路徑損耗，還要考慮大氣中氧氣、水等分子對毫米波造成的“大氣損耗”，在71～86 GHz這一常見的毫米波工作頻段內(nèi)典型的大氣損耗為0.35 dB/km，因此毫米波通信的覆蓋范圍常常受到限制；另一方面, 由于頻段高, 干擾源很少,可用帶寬資源豐富，71～86 GHz頻段內(nèi)可用的連續(xù)帶寬高達(dá)2個5 GHz的連續(xù)頻譜，可以大大提高毫米波通信的通信容量，如果再加上利用多輸入多天線技術(shù)、正交極化、軌道角動量等復(fù)用技術(shù), 則其支持的通信容量甚至可以達(dá)到100 Gbps量級。因此，毫米波通信特別適合于在良好的視距條件下傳輸超高速超寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息。

圖1 電磁波輻射在晴朗天氣所受大氣衰減與頻率的關(guān)系[5]

目前典型的高速毫米波無線通信系統(tǒng)按調(diào)制解調(diào)方式主要可分為3 類：一類是電子學(xué)/光學(xué)方式模擬實現(xiàn)的開關(guān)鍵控/幅度鍵控調(diào)制解調(diào)；一類是模擬方式實現(xiàn)的低階相位鍵控調(diào)制解調(diào)；最后一類是數(shù)字方式實現(xiàn)的16QAM、64QAM甚至更高階的調(diào)制解調(diào)[6]。為了進一步提高毫米波傳輸?shù)念l譜利用率，最后一類數(shù)字方式已經(jīng)成為未來發(fā)展的主流技術(shù)。

目前，民用科技公司巨頭Facebook和Google都在聚焦如何利用E波段(71～86 GHz)毫米波通信為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供低成本、可靠有效的移動通信接入手段。Facebook在2014年成立了Facebook Connectivity Lab，通過Aquila無人機來解決非洲等偏遠(yuǎn)地區(qū)移動通信網(wǎng)絡(luò)布局的問題。2016年7月，利用60～90 GHz的毫米波頻帶(E-band)在13km的傳輸距離下速率達(dá)到20Gbps，F(xiàn)acebook的下一個目標(biāo)為在30～50 km實現(xiàn)30Gbps的傳輸速率[7]。谷歌日前正在開展Project Skybender高空計劃，以期讓太陽能無人機帶來5G網(wǎng)絡(luò)連接。該項目由Project Loon團隊負(fù)責(zé)，主要依托毫米波技術(shù)，后者速度理論上可達(dá)Gbps，是普通4G LTE的40多倍[8]。與此同時，Project Skybender也將為5G高空聯(lián)網(wǎng)搭建起新的網(wǎng)絡(luò)光譜。谷歌給出了諸如相位陣列天線、視距毫米波MIMO等技術(shù)方案以解決毫米波通信傳輸距離有限的問題。

美國國防先進研究計劃局(DARPA)的無線數(shù)據(jù)通信專家們正在想業(yè)界發(fā)出開發(fā)一種基于無線電頻率通道、每秒傳輸數(shù)據(jù)達(dá)100 Gbit的軍用數(shù)據(jù)鏈的請求[9]。該系統(tǒng)將用于作用距離為125英里(200 km)、每秒100 Gbit傳輸速率的空空數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用，和飛行高度約60000英尺(18288 m)的飛機上作用距離為62英里(100 km)的空地數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用。日前，DARPA和諾格公司聯(lián)合發(fā)布報道，雙方聯(lián)合開展的項目已經(jīng)于2018年1月份在洛杉磯的城市環(huán)境中進行了20 km視距范圍內(nèi)傳輸速率高達(dá)100 bps，并可以在9Gbps-101Gbps的速率范圍進行自適應(yīng)傳輸?shù)脑囼?。此項試驗同樣是在E波段利用連續(xù)的5GHz頻段，采用高效率調(diào)制技術(shù)和空間/極化復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)如此高速度的信息共享。

圖2 DARPA 100G項目示意圖[9]

2.2 激光通信

激光通信系統(tǒng)是指以激光頻段作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)，具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點，又不需要提前鋪設(shè)光纖，兼?zhèn)淞藷o線電通信和光纖通信技術(shù)的優(yōu)點。

2013年我國進行了飛機搭載無線光通信試驗，通信速率2.5 Gbps，通信距離達(dá)百余公里。 2014年這一通信距離進一步擴展到400 km，驗證了空地?zé)o線光通信的通信性能及捕獲跟蹤性能。此外，我國最近還完成實踐十三號衛(wèi)星到地面站間40000 km的激光通信驗證。

但是，自由空間光通信(FSO)還存在著許多問題，主要有：大氣分子衰減、瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤困難、大氣閃爍效應(yīng)(信噪比起伏變化常常高達(dá)15-20B)、復(fù)雜度高、可靠性有限、造價高等。

2.3 太赫茲通信

由于太赫茲波的頻段在1011～1013Hz 之間，可用頻譜資源更為豐富，其潛在的傳輸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前的包括毫米波在內(nèi)的各種寬帶傳輸技術(shù)，在軍/民用通信等方面將會發(fā)揮巨大的作用[6]。但是，目前太赫茲通信領(lǐng)域還面臨著高效大功率太赫茲信號產(chǎn)生、太赫茲信號功率放大、高效太赫茲信號檢測等一系列挑戰(zhàn)。近年來，太赫茲頻段通信也取得了一些初步的成果，比較典型的是日本NTT 公司在340 GHz 等頻段實現(xiàn)了一系列太赫茲超高速短距離無線傳輸系統(tǒng)，但如何在中遠(yuǎn)距離實現(xiàn)太赫茲高速通信仍然是一個非常重要的開放問題。

3 波形體制

3.1 單載波波形體制

考慮每個符號的周期為T，數(shù)據(jù)速率為R=1/T的單載波傳輸系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)率和工作帶寬的增大，接收機中為了補償非理想信道帶來的非線性、時變等影響的均衡器設(shè)計復(fù)雜度勢必大幅增加[10]。通常在實際設(shè)計中會采用設(shè)計多路并行的接收機均衡器，首先利用快速傅里葉變換，將接收機收到的時域采樣信號先變換到頻域，再進行后續(xù)的計算和濾波，然而這一過程十分復(fù)雜，對計算和存儲資源消耗巨大，實現(xiàn)代價比較大。常見的Gbps級別的寬帶單載波傳輸需要8-32路并行的均衡器設(shè)計。

3.2 多載波波形體制

正交頻分復(fù)用(OFDM)傳輸方案是多信道系統(tǒng)的一個形式。OFDM為了帶寬效率，子載波間相互正交，這與傳統(tǒng)多頻分復(fù)用(FDMA)信道傳輸方案將寬帶分為N個互不重疊的，且之間留有保護帶的窄帶子信道不同。1960年代，由于其發(fā)射機和接收機的復(fù)雜性，OFDM被發(fā)明后僅僅用于軍用短波通信等有限的領(lǐng)域中。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)利用離散傅里葉變換(DFT)和離散傅里葉逆變換(IDFT)可以高效的完成正交頻分復(fù)用信號的調(diào)制和解調(diào)。通過快速傅里葉(FFT)和快速傅里葉逆變換(IFFT)，進一步提高DFT和IDFT計算的效率。在OFDM傳輸系統(tǒng)中，對發(fā)射符號采用N1點的IFFT，可以生成N2個子載波信號之和的過采樣(N1≥N2)。在接收機，對接收信號采用N1點的FFT，可以得到包含噪聲的發(fā)射信號的采樣。

圖3 基于IDFT/DFT的OFDM調(diào)制解調(diào)體制框圖

圖4 OFDM頻譜幅度(線性)

3.3 對比分析

單載波傳輸方案為了處理多徑衰落信道(或頻率選擇性衰落信道)中的符號間串?dāng)_問題，需要實現(xiàn)一個復(fù)雜度很高的均衡器，在現(xiàn)有的可編程門陣列(FPGA)的工作頻率的限制下，必須使用多路并行的均衡器設(shè)計模式，實現(xiàn)非常復(fù)雜，并且對資源的消耗很大，因此單載波方案實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)率的無線傳輸必須要考慮這一個重要的問題。多載波方案適用于高速的無線傳輸，由于循環(huán)前綴的設(shè)計，將復(fù)雜的時域均衡轉(zhuǎn)換為簡單的頻域均衡，因而不需要復(fù)雜的信道均衡技術(shù)。然而，多載波傳輸方案在應(yīng)用于天基寬帶通信系統(tǒng)中面臨著一個必須解決的問題，即其高峰均比(Peak to average ratio)特性對天基通信系統(tǒng)中的功率放大模塊的工作效率帶來了極大的挑戰(zhàn)，典型的OFDM信號的峰均比可達(dá)11 dB，在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，經(jīng)過發(fā)射機削峰處理后的信號峰均比為7 dB左右，需要針對這一特性，對功率放大器進行線性化設(shè)計，如采用Doherty結(jié)構(gòu)放大器。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 寬帶星地傳輸鏈路建模

鏈路狀態(tài)信息是實現(xiàn)天基大容量自適應(yīng)寬帶傳輸?shù)幕A(chǔ)，準(zhǔn)確的鏈路狀態(tài)信息獲取是主要技術(shù)難點之一，其主要問題是傳輸速率快，傳輸鏈路影響因素多，建模復(fù)雜。同時精確的信道狀態(tài)信息估計需要更佳的算法。

鏈路狀態(tài)信息要受到天氣條件、大氣波動、地面多徑、傳輸通道的非理想特性以及環(huán)境的干擾因素等等的影響，因此，首先需要對星地傳輸鏈路進行建模。

星地傳輸鏈路主要由星載發(fā)射機、星地傳輸信道和地面接收機等三部分組成。在進入解調(diào)器前的接收信號簡單的表示為：

Y=Hx+n

其中，H表示傳輸鏈路對發(fā)射信號的衰落、衰減等作用，n表示干擾和噪聲的影響?？紤]到星地傳輸鏈路的各部分設(shè)備與傳輸信道，可以將H和n分解為以下因素：

Y=(HS×HC×HR)x+(nS+nC+nR)

其中，Hs表示發(fā)射機導(dǎo)致的信號衰減和畸變作用因子，Hc表示大氣、云雨和地面反射等導(dǎo)致的信道衰減和衰落作用因子，HR表示接收濾波器非理想特性，如群延時特性等。nS表示發(fā)射機產(chǎn)生的噪聲，nC表示信道產(chǎn)生的干擾和噪聲，nR表示接收機產(chǎn)生的電子熱噪聲。

根據(jù)上述影響因素分解，可以針對傳輸鏈路中不同的因素進行不同的建模。如下表所示。

表1 星地傳輸鏈路狀態(tài)信息建模

通過不同的建模方法，可以對星地傳輸鏈路的狀態(tài)信息變化進行建模，以便設(shè)計最佳的天基通信自適應(yīng)傳輸控制系統(tǒng)。

4.2 自適應(yīng)寬帶調(diào)制技術(shù)

大容量天基通信傳輸可以為有效傳輸數(shù)據(jù)載荷(payload)提供多種調(diào)制方式：QPSK，8PSK，16APSK、32APSK和64APSK等。

QPSK和8PSK是衛(wèi)星廣播通信中傳統(tǒng)的調(diào)制方式，它們近似恒包絡(luò)調(diào)制，對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的線性程度要求很低，可以工作在接近飽和的狀態(tài)，功率利用率非常高，這點對衛(wèi)星上的通信設(shè)備有效載荷非常關(guān)鍵。它們的星座圖如下。

圖5 QPSK和8PSK星座圖

16APSK、32APSK和64APSK調(diào)制方式主要用于專業(yè)用途，能夠提供寬帶通信，當(dāng)然在廣播通信中也可以使用，但它們要求很高的信噪比，并且需要采預(yù)失真技術(shù)以對抗鏈路中存在的非線性影響。它們的星座圖見下圖。

圖6 16APSK和32APSK星座圖

圖7 64APSK星座圖

對于不同的編碼碼率，上述星座圖的半徑應(yīng)有所不同，參考DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)，可以確定在不同的的編碼碼率下星座圖的半徑，它們的值有微小差別。

4.3 自適應(yīng)高速編譯碼技術(shù)

鑒于LDPC碼的如下所示優(yōu)越性能，LDPC碼已被寬帶接入、電視廣播、移動通信、CCSDS等采用并列為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而，天基寬帶通信系統(tǒng)在不同信道條件下需要實現(xiàn)自適應(yīng)傳輸，因此可變碼長和可變碼率給信道編譯碼帶來了更大的挑戰(zhàn)。針對LDPC這一編碼體制，則需要設(shè)計全新的編碼體系和高效的譯碼并行機制。

在系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，需要重點關(guān)注并行處理和低損譯碼的問題。首先從理論上說，LDPC碼可以將所有的和與積節(jié)點進行并行計算，在經(jīng)過20～30次迭代可以得到很好的效果，通過ASIC設(shè)計，國外已實現(xiàn)了10Gbps吞吐量的LDPC芯片譯碼器，而采用FPGA實現(xiàn)了4G吞吐量的LDPC，這需要大容量的FPGA和高速的內(nèi)部RAM設(shè)計。因此，主要面臨的是合理的并行支路數(shù)、迭代次數(shù)設(shè)計和高速RAM設(shè)計。另一方面，譯碼過程中的和積運算非常容易“溢出”，導(dǎo)致截斷誤差，并且影響迭代譯碼的性能，該誤差也是誤差平底效應(yīng)產(chǎn)生的重要因素。因此要控制迭代譯碼過程中的軟信息“溢出”問題。

4.4 預(yù)失真及信道均衡技術(shù)

天基寬帶高速通信系統(tǒng)需要考慮發(fā)射機、寬帶傳輸信道和接收機的非理想因素，如幅頻特性不平坦、群時延波動等，針對這些問題研究包括調(diào)制信號預(yù)失真技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)在內(nèi)的有效的應(yīng)對措施等。

當(dāng)發(fā)送端功率放大器工作在飽和或近飽和狀態(tài)時，而調(diào)制信號的幅度攜帶信息(如QAM調(diào)制、OFDM調(diào)制等)時，會對其處理的信號造成較大的非線性失真，這種失真將直接影響到解調(diào)之后的信號質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至無法完成解調(diào)。一個簡單的方法是使功率放大器回退工作在線性區(qū)，然而這會極大的降低功率放大器的效率，造成能量的損失。為了減小這種失真，一種辦法是在接收端使用非線性均衡器來事后校正，另一種辦法是在發(fā)送端的調(diào)制器中加入預(yù)失真模塊，對數(shù)據(jù)實施與放大器非線性特性相反的操作，從源頭來減小放大器輸出信號的非線性失真。當(dāng)然，最好是在發(fā)送端和接收端都進行非線性失真的校正處理，這樣獲得的信號將更貼近原來發(fā)送的信號。數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖8 數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如果考慮到實現(xiàn)1 Gbps以上的比特速率，調(diào)制器需要處理的最高符號率將至少達(dá)到200 Msps，為了在FPGA中實現(xiàn)，預(yù)失真模塊必須采用并行算法；同時考慮到預(yù)失真模塊需要具備與放大器非線性特性相反的特性，其特性曲線也必然是非線性的，這種情況下，傳統(tǒng)的簡單FIR濾波器無法適用于預(yù)失真模塊，因此需要研究新的適用于預(yù)失真特性曲線的并行濾波算法和結(jié)構(gòu)。

受模擬器件技術(shù)的影響，高速數(shù)傳射頻鏈路的群時延特性很難實現(xiàn)理想控制，并且整個通道(從發(fā)送端—空間信道—接收端)的非線性和非理想特性將嚴(yán)重影響解調(diào)器的性能，導(dǎo)致嚴(yán)重的符號間串?dāng)_及非線性失真。并且這樣的非線性和非理想特性與所處的環(huán)境相關(guān)，需要采用高速的均衡技術(shù)進行補償。

考慮到傳統(tǒng)的均衡算法，如LTE、DFE等對非線性失真的校正能力很差，必須研究新的能夠?qū)狗蔷€性失真的均衡算法。同時考慮到信道的群時延特性變化較大，對于解調(diào)器并沒有先驗的群時延信息可供利用，而且整個信道的非線性特性也是變化的，應(yīng)將使用自適應(yīng)均衡技術(shù)，結(jié)合已知星座圖等信息，設(shè)計均衡算法中最優(yōu)的迭代步長和迭代更新策略。通過對收斂誤差、收斂速度、算法復(fù)雜度和硬件實現(xiàn)規(guī)模等多方面因素的綜合考慮，得到一個最優(yōu)的自適應(yīng)非線性均衡算法。

5 結(jié) 語

本文對美軍天基通用數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展進行了綜述，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)無線通信和信號處理技術(shù)的發(fā)展趨勢，對天基寬帶通信系統(tǒng)的可能工作頻段和波形體制的選擇進行了分析和對比，探討了若干關(guān)鍵技術(shù)問題，為天基寬帶通信系統(tǒng)的研究和建設(shè)提供了思路。