星地WiFi关键技术研究综述

胡 伟，陶孝锋

(西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100)

星地WiFi关键技术研究综述

胡 伟，陶孝锋

(西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100)

低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星到地面之间的无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)通信系统当前已经获得了广泛关注，针对LEO卫星信道的高误码、长时延等特点，文章总结并提出了采用帧的分片与聚合、选择重传与块确认、插入导频等方法对802.11g进行改进，这些方法的研究总结对LEO星地WiFi的实现具有重要意义。

LEO卫星；WiFi；卫星通信系统；802.11

0 引言

2015年，OneWeb、SpaceX、Leosat等提出了通过借鉴地面的WiFi技术，打造由低轨小卫星组成的卫星星座，实现覆盖全球的WiFi信号的接入[1-4]。LEO卫星信道与WiFi所处的室内准静态信道环境差别巨大，为使WiFi能够适应LEO卫星到地面的信道环境，需要根据LEO卫星信道的特点对WiFi进行研究并改进[3-6]。

1 卫星WiFi的发展现状

卫星WiFi有着巨大的优势，获得了广泛的关注，国内外学者对其进行了深入研究。

1.1卫星WiFi的类型

根据WiFi技术在卫星通信系统中的使用位置，可将卫星WiFi系统分为两大类：WiFi卫星，即利用空间段卫星直接播发WiFi信号；卫星WiFi，即以卫星为远距离中继传输的手段或通道[4]。

1.2卫星WiFi的国内外研究现状

对WiFi在卫星通信中的应用，国内外都做了一定研究。国内研究相对较少，处于起步阶段。西北工业大学的吕娜[2]、南京邮电大学的陈杨[3]、中国空间技术研究院通信卫星事业部[4]等对通过通信卫星来实现的卫星WiFi的应用做了一些研究工作。

国外对802.11在卫星通信中的应用研究较多。英国普林斯顿大学的Kerri L. Kusza和Michael A.Paluszek[7]，美国Eric C Megla[8]，英国萨里大学空间中心的Tanya Vladimirova和Kawsu Sidibeh[9-10]，德国Berner&Mattner Systemtechnik的M Marszalek、M Rummelhagen、F Schramm[11]，意大利Paolo Chini、Giovanni Giambene[12-13]，NASA的Richard Alena、Yosuke Nakamura、Nicolas Faber等[14]对802.11、802.16、802.15在星间及星地之间的应用做了大量研究。

2 卫星WiFi存在的问题

卫星WiFi非常具有吸引力，但是仔细分析后发现其存在诸多技术难点。

(1)地面WiFi标准设计初衷是适用短距离、相对静止状态下的室内高速无线通信。而LEO星地距离带来的长时延、高误码率，在现有WiFi物理层都无法得到较好的支持。

根据多普勒频移的fd原始公式定义[6]：

(1)

式(1)中，r为卫星与移动台之间的相对位置矢量，v为卫星的速度矢量，vr为卫星与接收平台之间的径向运动速度，f0为信号频率，c为光速，φ为r与v之间的夹角。假设φ的值在61°～90°，f0=2.4 GHz，轨道高度为400 km，最大仰角29°，可得到最大多普勒频偏约为29.7 kHz。载波频率偏差将会破坏子载波间的正交性，导致子载波间的相互干扰，误码率急剧上升。可以证明[3]，为保证信干比大于20 dB或更高，载波的偏差必须小于子载波间隔的4%，由312.5 kHz×0.04=12.5 kHz<29.7 kHz,可知在频偏较大的情况下误码性能变差。

(2)卫星与地面终端的功率限制：假设已改进WiFi物理层，但是要想在低轨卫星与普通手机终端之间直接通信，受限于手机接收灵敏度和立方体卫星的体积功耗，无法满足WiFi所支持的最低通信速率要求[14]。

自由空间电磁信号的路径损耗公式[6]为：

(2)

其中，d的单位为km，f的单位为GHz。则轨道高度为400 km时，路径损耗为：92.44+52.04+7.604=152.08 dB，假设LEO卫星距地面400 km，发射功率30 W(14.77 dB)，工作频段2.4 GHz，而普通手机的WiFi接收电平灵敏度约为-82 dBm，即-112 dB。因此有14.77-152.08=-137.31 dB，无法满足接收机的灵敏度要求。

(3)大范围覆盖导致的隐藏终端问题加剧：假设功率也不受限，接收端也满足灵敏度要求，可以实现星地双向通信。电磁波在地面传输的距离有限，而卫星覆盖范围又比较广，轨道高度为400 km的LEO卫星，最大仰角为29°时，覆盖面积约为160 000(km)2，因此WiFi的隐藏终端问题在卫星WiFi中将会变得更为突出。

(4)较长的传播时间延迟导致无效重传：LEO卫星轨道高度为400 km，端到端传播时延约3.2 ms，在地面终端可见时间段内，时延变化范围约为1 ms，相比较于WLAN几个μs的传播时延，星地WiFi的传播时延变大。较长的传播时延以及较大的时延变化范围，会使MAC协议的发送窗口滑动缓慢、检错以及恢复的时间较长[5]。

可见，直接采用地面WiFi技术实现WiFi卫星不具有可行性，需要根据LEO卫星信道环境对一些关键性问题进行研究。

3 卫星WiFi可采用的关键技术

卫星与WiFi技术的结合从目前来看，只能采用卫星WiFi宽带通信系统[4]，根据LEO卫星信道环境，可采用下面方法对WiFi进行改进。

3.1重新设定相关参数值

为了提供一定优先级服务给特定类型的帧，802.11定义了几种时间间隔[5,14]：

Tslot为单位时隙值：

Tslot=Tcca+TTxRx+Tprop+Tproc

(3)

其他帧间间隔的计算：

TSIFS=Trf_delay+Tproc+TTxRxTxRx

(4)

TPIFS=TSIFS+Tslot

(5)

TDIFS=TSIFS+2×Tslot

(6)

Ttimeout为判断此次传输错误所需的时间：

Ttimeout=TSIFS+Tslot+Trx_relay+2×Tprop

(7)

其中，Tcca为节点通过信道能量来决定信道状态所需时间，TTxRx为将RF前端接收/发送模式转换所需时间，Tprop为最大传播时延，Tproc为发送前所需的处理时延，Trf_delay以及Trx_relay为本次传输第一个bit到完成最后一个bit所需要的时间。假设其他时间不变，只是传播时延改变，则轨道高度为400 km时，最大传播时间约为1.537 ms=1 537 μs，在802.11 g中，假设最大传播距离为1 km，则传播时延约为3.33 μs，因此在所有参数重新设定时，可以忽略地面WiFi传播时延的影响。Tslot改为1.54 ms；为了保证信道的占用，TSIFS保持不改变，为16 μs；TPIFS改为1.556 ms;TDIFS修改为3.096 ms，此时TDIFS远大于TSIFS；Ttimeout修改为4.660 ms。

3.2多普勒频偏估计与补偿

在802.11 g中，设短训练序列的取样时间为50 ns，延时D=16，可以估算的最大频率误差为：

(8)

对于长训练序列符号，D=64，则：

(9)

通过短序列进行频率粗同步和长序列的频率细同步，可以保证载波频率的同步。可见，在WiFi原有的设计中，可以保证在较大的多普勒频展条件下实现频率的同步。同时为了保证子载波之间的正交性，还需要根据导频信息对采样频率进行估计和补偿，以达到采样频率的同步。笔者也在实验室中通过卫星信道模拟器实际检测了不同多普勒条件下的数据包接收情况。

实验条件：采用802.11g物理层，速率6 Mb/s，发射功率-10 dBm，包长度1 510 B，发包软件xcap每隔10 ms发送一个数据包，共发送1 000个数据包，根据抓包软件wireshark在接收端抓收到的数据包个数，对收包率进行了统计，结果如表1所示。

表1 频偏与收包率关系

当用较小312 B的数据包进行测试时，当频偏为20 kHz时，收包率可以达到100%，当采用24 Mb/s以及54 Mb/s速率时，收包率会有约1%的小幅度降低。在较大多普勒条件下，802.11g物理层也能支持数据的传送。

3.3特定位置插入导频

相对于WLAN的准静态信道，LEO卫星信道具有高动态特性，信道环境更加复杂。在物理帧的某些位置插入更多的导频，如在原来传输数据的地方插入一个导频符号，然后紧接着再传送数据符号，从而可以更好地对信道进行估计，保证数据传输的准确性。当信道环境恶劣时，可以采用图1所示的插入导频方案。

图1 导频插入方案

3.4选择重发的ARQ协议

选择重发式的ARQ协议：在发送端只重发出错的帧。实现选择重发，需要接收节点应具有对分组进行排序的功能，除了应答出错帧的序号RN，还有已经正确接收的大于RN的信息。接收节点可以利用RN+k个比特来进行应答[5]。

(10)

选择重发ARQ会带来链路利用率的提高，但其平均时延较大，选择重传式相对于停等式ARQ协议，可以提供更高的协议效率；业务量较大时，平均传输时延较低。事实上，对于传播时延较大、误码率较高的LEO卫星信道，还需要结合帧的分片与聚合方式对现有的选择重传ARQ协议进行改进。同时在进行了选择重传的过程中，由于采用了帧聚合方式对发送的数据帧进行应答，就此可以根据应答帧的形式判断当前帧是出现错误还是发生了碰撞，在一定程度上会提升协议的效率[5-6]。

3.5帧的分片与聚合

802.11g的MAC协议采用了单帧确认方式。相对WLAN，LEO星地WiFi网络差错率较大，采用单帧确认方式时链路利用率较低，因此在LEO星地WiFi中，可以采用有帧聚合以及块确认功能的选择性重传ARQ协议以提高协议效率[5-6]。采用块确认的选择重传ARQ协议实现起来相对比较复杂，需要收发两端具有排序能力，需要一定的缓存空间，对卫星端则需要有较好的星上处理能力。帧聚合的过程示意图如图2所示。

图2 聚合帧结构图

选择重传及块确认方案如图3所示。

图3 选择重传方案

4 结束语

文章对LEO星地WiFi的发展以及国内外研究现状进行了总结，同时对通过LEO小卫星星座实现星地WiFi的传播过程中可能遇到的问题进行了分析，并提出了一些切实可行的办法。笔者也将在今后工作中对所给出的方法进行深入研究，并给出相应的研究结果。

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Overview of research on satellite-to-ground WiFi key technologies

Hu Wei, Tao Xiaofeng

(Xi’an Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

WiFi communication system between satellite and ground has gained wide attention. Aiming at high error of LEO satellite channel, long delays and other characteristics, elective repeat ARQ protocol, fragmentation and aggregation of frame, inserting a pilot and other methods are introduced in this paper to improve the 802.11.The summarization of study methods has important significance to the achievement of WiFi network based on LEO satellite-to-ground.

LEO satellite; WiFi; satellite communication system; 802.11

TN927

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.003

胡伟，陶孝锋.星地WiFi关键技术研究综述[J].微型机与应用，2017,36(19)：9-11,15.

2017-04-05)

胡伟(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：网络MAC层协议。陶孝锋(1978-)，男，硕士，研究员，主要研究方向：卫星通信。