低轨卫星通信系统下行链路设计*

苏 曼1，肖 跃2,刘垚圻,4,李 民，孙加伟，陈 宇

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094;2.南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014;3.中科南京移动通信与计算创新研究院，南京 211135;4.中国科学院计算技术研究所,北京 100190)

0 引 言

近年来，以实现全球无缝覆盖的高速连接为目标的天地一体化网络成为信息行业的焦点，作为天地一体化网络中的重要组成部分，卫星通信在海上通信、空中通信、超视距传输、抗灾等方面有着得天独厚的优势[1]。随着航天技术、电子器件、天线理论与设备等发展以及各国在太空探索方面活动的开展，建设大规模低卫星星座成为可能[2]。低轨卫星通信系统具有较低时延、全球覆盖等特点[3-6],但与中高轨卫星通信系统相比，相对地面的高速运动这一特点尤为突出。为保证可靠的通信，在通信体制的设计上必须充分考虑该问题，获取卫星在可视范围内对地的多普勒频偏及变化规律，并给出相应的补偿方法。

通信体制对卫星通信的应用起着决定性作用。当前卫星通信体制标准主要是由卫星运营商或产品生产商制定的企业标准或行业标准，此外还有一些国家的标准。20 世纪末以来，各标准化组织加大了宽带卫星通信系统相关的标准化研究工作，有关组织已提出了几种体制标准，并已经被应用。例如由中国广播科学研究院研究开发完成的先进卫星广播系统(Advanced Broadcasting System-Satellite，ABS-S)、空间数据系统咨询委员会借鉴开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model，OSI)提出的一套空间通信协议族[7]，以及主要用于同步轨道卫星的一些标准——欧洲电信标准委员会(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)的数字卫星电视广播(Digital Video Broadcasting，DVB)协议标准、美国电信工业协会(Telecom Industry Association，TIA)的星上网络协议(IP over Satellite，IPoS)标准、美国有线电视实验室的卫星有线电缆数据服务接口规范(Data Over Cable Service Interface Specification for Satellite，DOCSIS-S)标准、ETSI的基于星上再生处理的网状卫星系统(Regenerative Satellite Mesh，RSM-A)标准。其中DVB协议族是当前世界上应用最广泛的数字卫星电视广播标准之一，代表了国际卫星通信广播领域的技术发展水平，具有灵活的输入匹配接口和较高的频谱效率，涵盖了更大的载噪比范围，同时支持自适应调制编码以及多种频谱滚降系数，满足音频、视频和数据等不同业务的需求。

本文结合了灵活的DVB协议，对卫星通信下行链路进行协议总体设计以及链路模型、帧结构、算法的设计与仿真，为DVB协议的应用提供了工程性借鉴。

1 下行协议设计

本文主要针对再生式处理的卫星网络进行设计，其前向链路采用单载波时分多址接入(Time division multiple access,TDMA)方式承载用户业务数据、控制信令和网管数据，反向链路采用多频时分多址接入(Multiple Frequency- Time Division Multiple Access，MF-TDMA)/时分多址(TDMA)方式承载用户业务数据、控制信令和网管数据。

系统协议分为物理层(L1)、链路层(L2)、网络层及以上(L3+)三层。从纵向看，协议又分为用户面、控制面和管理面，如图1(a)所示。其中，控制面包括天线控制、路由控制、动态链路控制、寻址方案、服务质量(Quality of Service，QoS)控制和性能增强代理(Performance Enhancing Proxy,PEP)控制等功能模块；用户面包括性能增强、路由等功能模块；管理面包括安全管理、性能管理、服务等级(Service-Level Agreement，SLA)管理、计费管理、配置管理、故障管理等功能模块。系统的协议栈采用分层架构，包括物理层、数据链路层、中间层、应用层，其协议栈架构如图1(b)所示。

图1 下行协议设计

空中接口遵循低层协议规范，包括物理层和数据链路层。其中物理层定义了空口的传输参数和帧结构，数据链路层定义了逻辑链路控制和媒体接入控制协议。

此外，在低层协议中还包含了管理面和控制面的功能，这些功能主要通过低层协议栈的低层信令(Low Layer Signalling，L2S)实现。在具体实现上，网络控制中心(Network Control Center，NCC)在关口站终止L2S管理面和L2S控制面功能，而反向链路卫星终端(Return Channel Satellite Terminal，RCST)在远端终止L2S管理面和L2S控制面功能。用户面通过关口站的IP网络基础设施(如地基路由器等)实现与外部网络(如因特网)的连接。

图1(c)描述了RCST前向链路的接口，它由用户业务的层2接口来配置。一个RCST可以允许多个用户业务的层2接口对其进行配置，每个配置接口都对应一个卫星虚拟网络(Satellite Virtual Network，SVN)或SVN运营商。空间基站通过层2地址映射的方式将不同虚拟网域的业务分开。

L2S对层1和层2的接口进行管理，并通过初始化互联网通信协议第四版(Internet Protocol version 4，IPv4)的监视和控制(Monitoring & Control，M&C)接口，使RCST、卫星网络运营商和SVN运营商之间可以通过IPv4进行交互。

2 链路模型设计

前向链路为卫星基站到用户终端的下行通信，采用TDMA方式，前向纠错码(Forward Error Correction，FEC)采用 BCH码和低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，LDPC)级联的方式实现，每个帧数据域的帧长采用16 200 b短帧。物理层前向链路收发过程遵循图2[8]。

图2 前向链路物理层链路模型

如图3所示，下行点波束的物理帧由帧头(Physical Layer Header，PLHEADER)、导频块、负载段、填充段(PL-Padding)构成，其中，PLHEADER长度为90个符号，由同步起始标志字(Start of Frame,SOF)和物理层信令编码(Physical layer signaling code，PLSC)构成，SOF长度为26个符号，是一个已知序列，用于同步辅助，值为18D2E82；PLSC长度64个符号，用于指示宽波束的调制编码方案；负载段采用前向纠错技术和自适应调制编码方案，支持多种调制编码方式的组合，共由S个Slot构成；导频段由周期性导频块构成，每个导频块由36个符号构成，导频块的插入周期是16个Slot，导频块数量是n[8]；PL-Padding为无效字段，用于帧长对齐。

图3 帧结构示意图

同步模块主要包含时间同步、信噪比估计、频偏估计与相位估计，这里主要介绍对低轨卫星通信系统中挑战最大的频偏估计。高动态场景下，不仅会因为相对运动产生较大的多普勒频偏，还会因为接收机与发射机的晶振不同等其他原因产生频偏[9-10]。而对于低轨卫星而言，其移动速度非常快，相对运动速度可达7 km/s，在Ka频段，仅低轨卫星本身造成的多普勒频移约为500 kHz[1,11-12]。如图4所示，合理利用先验知识，如星历表，通过其辅助完成频偏估计。

图4 基于预估计的同步算法示意

首先终端根据星历表预估频偏，并对大频偏进行预矫正，其次再针对残留频偏进行估计与补偿。同样，可以根据下行的频偏估计情况对上行信号进行频率预矫正。同步完成后，用户可通过下行广播信道获取并更新卫星星历，结合自身运动参数计算更加精确的多普勒频偏。

3 仿真与分析

本节基于上述协议和链路模型搭建仿真平台，研究在不同仿真参数配置下分别加入不同的频偏后前向链路的性能表现。这里，前向链路的性能表现使用卫星终端接收数据的误比特率描述。

仿真平台依据DVB-S2协议，帧长为16 200 b，帧头为90符号，导频为36·S符号(S根据调制方式的不同有所变化)。表1描述了要在平台上进行仿真的四种前向链路仿真参数配置情况，其中，前三种配置情况均对四种频偏(符号速率的5%、10%、15%、20%)进行仿真，第四种配置情况只对频偏为符号速率的5%进行仿真。LDPC编码迭代15次，链路仿真10 000次。仿真得到四种参数配置下分别加入四种频偏后误比特率(Bit Error Rate，BER)随信噪比的变化曲线，如图5所示。

表1 前向链路仿真参数配置

(a)0.059 544 Mb/s

由图5可以发现，四种参数配置情况，无论加入频偏多少，误比特率均随着给定信噪比的增大而减小。信噪比越大，信道环境中的相对噪声功率越小，信息出错的可能性越小，误比特率自然也就越低。还可以发现，对于每种参数配置情况，加入的频偏越小，误比特率越低。频偏越小，就意味着卫星终端解调出的星座点与发送端真实的星座点之间的幅角越小，判决错误的可能性就越低，误比特率自然也就越低。

另外，对于四种仿真参数配置情况，如果要达到10-4的误比特率性能，频偏分别取符号速率的5%、10%、15%和20%时的信噪比门限为：配置1对应-2.6 dB、-1.75 dB、-1.6 dB、-1.4 dB；配置2对应2.25 dB、3 dB、4 dB、4.2 dB；配置3对应6.8 dB、7.5 dB、8.5 dB、9.3 dB；配置4对应19 dB。在误比特率达到10-4时，可以进行语音业务和游戏视频业务，链路性能良好。

4 结束语

如何合理利用卫星资源，在有限的带宽和功率下，尽可能地实现信号高质量的传输，仍然是卫星通信领域的研究目标。本文基于灵活的DVB协议，对下行链路进行了协议设计和物理层链路模型设计。其中，频偏预估计实现了在进行精细的频偏估计和补偿之前对大频偏的估计和补偿，这一操作降低了对后面频偏估计模块估计范围的要求，从而提高了整个链路频偏估计和补偿的性能。仿真测试表明本文设计的协议和链路模型性能良好，可用于工程实践。本文的工作对于DVB协议的灵活设计和应用具有借鉴意义。

值得注意的是，本文在进行链路模型设计和仿真验证时，对于信道模型仅考虑了频偏，但在实际的信道环境中影响信号传输的因素要复杂得多，包括时延、各种干扰以及各种衰落等。另外，本文在对频偏预估计中的多普勒频移进行研究的时候，假定卫星终端相对地面静止，仅考虑卫星的运动，但是实际中的卫星终端并不一定是相对地面静止的，例如航船、飞机等等。下一步的工作是针对更加复杂的信道模型和多普勒频移模型，改进系统设计，以进一步提高链路性能，从而适用于通信环境更加恶劣的场景。