直升机卫星通信的前向链路设计

张倨卿，高 凯，朱 江

(1.中国人民解放军66061部队，北京102300;

2.国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073)

0 引言

直升机卫星通信是指直升机通过机载卫星设备实现与卫星的直接通信，并通过卫星的转接与地面站进行信息的传输和交换。直升机卫星通信系统的特点是直升机在通信中无需地面中继站进行中继转发，不受地面起伏的影响，信号的传输损耗相对较小，因而能够在更广阔的区域内进行信息传输［1］。直升机卫星通信存在的主要问题是由于天线可安装的位置受限，卫通链路会受到旋翼的遮挡，在一定程度上影响了通信的质量。

当前，国外较成熟的UHF直升机卫星通信系统利用UHF频段在传输过程中的衍射特性，在一定程度上解决了旋翼遮挡的问题［2］。但UHF频段的传输速率低、可利用的频带有限，因此能提供更大通信带宽的Ku、Ka频段的直升机卫星通信系统逐渐成为研究重点，旋翼遮挡也就不可避免地成为影响通信系统性能的关键因素。采用多次重传机制的传输设计可以解决旋翼遮挡对接收的影响，重传的次数越多，信息的可靠性就越高，但是会降低链路的传输效率［3］。相比较而言，二次重传机制可以满足需要，而且信道利用率更高。本文重点研究了采用二次重传的链路传输模式，对同一组数据复制后捆绑发送，在接收端采用遮挡检测和分集接收的方法降低遮挡带来的影响。

1 传输链路设计

直升机卫星通信的前向链路是指地面基站经卫星到直升机之间的通信链路。对直升机卫星通信系统进行前向链路设计，要考虑到旋翼的周期性遮挡所带来的信号中断、数据丢失和信噪比降低等问题。对系统的各功能模块要围绕着解决这些关键性的问题进行设计，系统主要结构如图1所示。

图1 前向链路结构框图

地面站将所要发送的数据经过TPC编码，进入重组成帧模块。重组成帧模块会对将要发送的数据进行包括复制和重组在内的结构处理:模块先将数据按照正常的顺序进行帧排列，而后把已经组建好的源帧进行一次复制，最后把复制帧平均插入到每个数据帧当中，使得源帧和复制帧刚好各占半个帧的时隙，并按照模块的设置程序建立帧结构。组帧后的数据在经过调制后发送至卫星，并经卫星信道的转发送至直升机的接收机进行解调。解调后的数据分成2路:一路要进行旋翼遮挡参数的估计;另一路进行分集接收。参数估计模块将旋翼遮挡的估计值反馈至接收机，接收机以此为依据对源帧和重传帧进行分集接收，并利用相关器选择不同的分集接收方式。最后送至译码器进行TPC译码。

2 关键技术设计与研究

2.1 帧结构设计

帧结构设计的重点是合理设置重传帧的权重，在能够解决旋翼遮挡影响的前提下尽量提高信道的利用率。本设计中，1个数据帧包括多个偶数子帧，后半部的子帧为重传数据，其完全复制前半部子帧的结构和编码信息。数据帧的时长T设定为等于旋翼的一次遮挡周期，具体数值通过解调反向链路所携带的遮挡周期参数的估计值来确定。前向链路的数据帧是动态帧，帧长Tf与所选择的信息传输速率Rb和时长T相关，Tf=Rb×T。设每次遮挡时间为t，如果满足T≥2t则可保证在受遮挡的情况下，源帧和复制帧可组合成为一个完整的数据帧，从而实现信息的有效接收，其结构如图2所示。

子帧的结构固定，由帧头、备用信息和编码后的数据3部分组成。如果子帧的长度为B，则每个数据帧包含的子帧数目S=。子帧的帧头信息采用相关性较强的PN序列，用于传输帧的同步码和地址码。备用信息含有标记位置的信息和用来传输控制反向链路的指令信息。

图2 前向链路帧结构示意图

2.2 信号遮挡检测与参数估计

信号遮挡检测的数值用于指导前向链路进行分集接收及反向链路成帧模块组帧和突发传输。采用非线性变换的FFT功率谱法对接收信号进行检测，各组成模块如图3所示。

图3 信号的检测与叶片旋转参数估计功能框图

首先，对接收信号进行包络平方运算(即非线性变换处理)，利用非线性变化去除信号相位调制的相关信息，以消除调制符号的影响:

其次，通过FFT变换来搜索频谱峰值以确定信号能量大小，而后提取检测信号谱线的峰值门限值进行判别，大于门限值则判断为可正常接收信号，小于则认为信号被旋翼遮挡。比较完成后将判决输出的信号进行滤波处理，最后送至周期估计模块对遮挡周期和时长等参数进行估算。

2.3 分集接收

在本设计中，数据帧分为源帧与复制帧2个部分，在传输的时间和空间上具有相互的独立性。相邻子帧间的帧头部分有充足的时隙间隔将有效数据隔开，因此可以采用分集的方式对信号进行接收，达到抗衰落的目的。分集接收的方法有很多，针对同一组源帧与复制帧受遮挡的不同情况，拟分别采用2种不同的接收方式以提高接收信号的信噪比:无遮挡时采用最大比率合并接收的方法，有遮挡时采用选择性接收的方法。

最大比率合并接收是指将各支路信号进行加权叠加后合并接收［4］。进行合并接收是将未受遮挡的同组源帧与复制帧送入加权网络进行线性合并。合并后输出的信噪比等于源帧与复制帧信噪比之和。选择性接收是在有多支路的接收信号中，选取信噪比最高的支路信号作为输出信号［5］。根据前文设计，1组数据帧有且只受到1次遮挡，而源帧与复制帧的间隔时隙足够长，因而可以在接收的过程中将受遮挡影响的子帧从整帧中“剔除”出去，选择未受遮挡的子帧。

3 仿真分析

进行仿真的主要目的是对2种分集接收方法进行比较，通过分析得出在不同遮挡情况下最优的分集接收方式。仿真采用理想情况下的QPSK调制。以下是2种接收方法在相同信号噪声条件下误码率的性能仿真图，图4为无遮挡条件下接收机的性能比较，图5为有遮挡条件下接收机的性能比较。

图4 无遮挡相同SNR条件下接收机性能比较

图5 有遮挡相同SNR条件下接收机性能比较

以上仿真结果说明:在无遮挡条件下合并接收的误码率与理论值基本一致，优于选择接收;而在有遮挡的情况下选择接收比合并接收的性能更好。这是由于无遮挡时采用合并接收增加了判决时有用信号的电平值，通过提高信噪比降低了误码率。而在遮挡时刻接收到的主要是噪声，合并后将降低接收信号的信噪比，增加了误码率。因此，根据数据帧受遮挡的情况，有针对性地设计不同的接收方法，可以优化系统的传输性能。

4 结束语

在实际的工程实现中，还要考虑到硬件设计的难易程度和设备所处工作环境等方面的因素，如直升机本身的操控特性对微波天线的尺寸和重量都有严格的限制和要求，要尽量选择较高的工作频段，尽可能缩小天线的尺寸;要结合传输距离的实际需求合理选择功率放大器，不能一味追求高功放而无限制地增加重量。在我国，机载卫星通信技术还处于起步阶段，相关算法和软、硬件必将拥有更加广阔的发展空间。

［1］张跃.新一代卫星通信研究［J］.数字技术与应用，2011(5):55－55.

［2］WILCOXSON D，SLEIGHT B，O＇NEILL J，et al.Helicopter Ku-band SATCOM On-the-Move［R］.U.S:［s.n.］，2003.

［3］SATOH M，LI Huan-bang，FUJINO Y，et al.Helicopter-Satellite Communication System Developed for Transmission of Disaster and Emergency Infomation［C］∥AIAA，21st International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit.U.S:CRL，2003:2319 －2327.

［4］RAPPAPORT T S.无线通信原理与应用(第 2版)［M］.北京:电子工业出版社，2006:266－277.

［5］王杰令，刘祖军，杨宏，等.频率选择信道中的 RAKE合并接收方案［J］.电子科技大学学报，2010，39(5):662－665.

［6］王功浩，张庆字.无线信道中的分集接收技术研究［J］.科技信息，2011(11):203 －208.

［7］孙屹，李妍.Matlab通信仿真开发手册［M］.北京:国防工业出版社，2005:203－208.

［8］徐明远，邵玉斌.Matlab仿真在通信与电子工程中的应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2005:173－186.