基于OFDM星载交换的星地上行链路跨层设计算法

党军宏，晏坚，曹志刚

(1. 南京电讯技术研究所，江苏 南京 210007；2. 清华大学 电子工程系，北京 100084)

1 引言

同步卫星一般产生多个点波束覆盖地面不同区域，在点波束之间或点波束之内采用星载交换技术进行传输交换。目前OFDM技术已成为地面无线通信领域的核心技术，也将成为下一代卫星通信的核心技术之一[1～3]，卫星通信采用OFDM技术，不仅能提高卫星通信自身性能，还将有利于 WiFi，WiMAX，B3G等地面无线通信系统与卫星通信系统的融合，使得地面无线终端有可能接入卫星网络。OFDM 技术将整个传输频带划分成多个子载波，各个子载波相互正交、频谱利用率高，而且各个子载波可独立使用，所以可在点波束星地链路的各个传输业务和传输频带的各个子载波之间建立起对应关系，通过星载子载波交换实现星载业务交换，根据这个基本设想，本文作者已提出了一种全新的星载交换技术—基于OFDM星载交换[4]。基于OFDM星载交换与现有的FDM子频带交换，TDM时隙交换相比，具有更小、更灵活的交换“粒度”,更高的频谱利用率；与现有的星载ATM/IP交换相比，又对传输业务的帧结构，信道编解码方式不敏感，具有更广的适用范围，并且基于OFDM的星载交换能够支持不同类型业务的QoS要求，实现对点波束星地链路资源的统计复用。

要把基于 OFDM 的星载交换应用于多点波束同步卫星，首先每个点波束必须建立起该点波束各个星地上行链路传输业务与该点波束星地上行链路子载波的对应关系，所以本文对基于OFDM星载交换的点波束星地上行链路相关问题进行了研究。

2 基于OFDM星载交换的星地上行链路需要解决的主要问题

设每个点波束覆盖区域内有多个地面设备与卫星同时进行星地上下行链路业务传输，如图1所示。

图1 基于OFDM星载交换应用示意图

每个地面设备处于固定位置或采用“游牧式”工作方式，即每个地面设备在与卫星通信过程中处于静止状态，此时关于各个地面设备的点波束星地上下行链路信道可认为是慢变平坦衰落信道（高斯信道）或慢变频率选择性衰落信道（莱斯信道）。为了提高星地链路的频谱利用率，点波束星地上下行链路均采用OFDMA实现多址接入，基于OFDM星载交换的点波束星地上行链路面临2个主要问题。

1) 采用 OFDMA实现点波束星地上行链路多址接入的相关问题和相应解决方法。

因为点波束星地上行链路采用OFDMA实现多址接入，所以点波束星地上行链路面临着时间同步和频率同步问题。

①时间同步问题：设某个点波束覆盖区域内的每个地面设备锁定卫星传送的点波束星地上行链路发送同步信号，由于不同地面设备与卫星之间的距离差异，可能导致各个地面设备的星地上行链路OFDM信号到达卫星的时间不一致。

对于时间同步问题，本文提出的解决方法如下：在第 u(1 ≤ u≤U)个点波束覆盖区域内设置一个参考位置，此位置是第u个点波束覆盖区域内星地下行链路信号最早到达的地球表面位置，其经度、纬度、高度 ( l o nu,b, l a tu,b, altu,b)固定，此位置与卫星距离 du,b固定，此位置的星地上下行链路传输延时λu,b固定，如果某个地面设备处于此位置，当其锁定卫星传送的点波束星地上行链路信号发送同步信息时，延迟 τu,b=2(du,max/du,b- 1 )λu,b时刻后，再发射星地上行链路信号。du,max为第u个点波束覆盖区域内星地下行链路信号最晚到达的地球表面位置与卫星的距离。

设地面设备具备定位功能，可得到所处位置的(l o nu,latu,altu) ，根据(l o nu,latu,altu) 、( lo nu,b,latu,b,altu,b)和 du,b计算出自身与卫星距离 du，当其锁定上行链路发送同步信号时，延迟τu=τu,b+2(1 - du/du,b)λu,b时刻后，再发射星地上行链路信号，可确保各个地面设备发送的星地上行链路OFDM信号到达卫星的时间基本一致。对于因GEO卫星相对地球进行运动造成的针对不同地面设备的星地上行链路和星地下行链路距离的微小变化，可由每个OFDM符号的循环前缀进行弥补。

②频率同步问题：每个地面设备与卫星的频偏相互不一样。

OFDMA系统对载波频偏（CFO）很敏感，CFO不仅会导致本地面设备信号幅度的衰减，而且还会引起本地面设备的子载波间的自干扰，同时还存在由其他地面设备的频率偏移所引起的地面设备之间干扰。为了获得理想的性能，各个地面设备与卫星之间的载波必须保持同步，例如：在WiMAX系统的IEEE 802.16d/e协议就要求载波频率的偏差应小于子载波间隔的2%。

因为星地之间采用 FDD（频分双工），可以认为某个点波束覆盖区域内的各个地面设备与卫星之间的 CFO在星地上下行链路的特性表现一致，各个地面设备可利用点波束星地下行链路信号估计出自身与卫星之间的星地下行链路频偏信息，进而可估计出自身与卫星之间的星地上行链路频偏信息，由各个地面设备在本地对各自的星地上行链路信号进行频偏补偿。

2) 如何建立来自同一点波束覆盖区域内的不同地面设备的各个星地上行链路传输业务与该点波束星地上行链路各个子载波的对应关系，并且支持不同类型传输业务的QoS要求，实现对功率、频谱资源的统计复用。

对于此类问题，现有文献[5～9]都采用了跨层设计思想，但都是针对地面无线通信系统，在地面无线通信系统中，因为通过无线信道传输的下行链路业务量远大于上行链路业务量，所以一般把跨层设计只应用于下行链路，对上行链路的跨层设计几乎没有涉及。而卫星通信的所有星地上下行链路业务都是通过无线信道传输，而且卫星通信中的地面设备一般具有更大的规模和处理能力，一个地面设备可能要同时传输多个各种类型业务，具体可分为CBR（恒定速率）业务、rtVBR（实时可变速率）业务、nrtVBR（非实时可变速率）业务、UBR（未指定速率）业务等。本文以传输时延作为不同类型业务QoS要求的主要指标，其中CBR业务的传输时延要求最严格、传输优先级也最高，rtVBR业务的传输时延要求和传输优先级次之，依次类推，同一类型业务的传输优先级相同。

本文中某个点波束星地上行链路跨层设计的基本思想为：根据该点波束覆盖区域内的每个地面设备的星地上行链路发射功率上限、关于每个地面设备的星地上行链路信道状态、星上子载波分离检测后的误比特率要求（物理层信息）；每个上行链路传输业务的业务类型（应用层信息）；每个上行链路传输业务的实时传输速率要求（MAC层信息），自适应配置子载波的调制制式以及给各个上行链路传输业务自适应分配子载波，建立各个星地上行链路传输业务与该点波束星地上行链路各个子载波的对应关系，实现对功率、频谱资源的统计复用。

点波束星地上行链路跨层设计与地面无线通信系统的下行链路跨层设计相比，是多个发送方对应一个接收方，且各个发送方的信道状态、发射功率上限可能不同，每个发送方同时传输多个各种类型业务。所以点波束星地上行链路跨层设计应该在星上执行，但星上很难得到每个上行链路传输业务的实时传输速率要求信息，只能通过星载业务呼叫接纳控制子系统得到每个上行链路传输业务的平均传输速率信息，所以只在星上进行跨层设计并不完备，还需要各个地面设备的参与。

3 点波束星地上行链路跨层设计算法

3.1 点波束星地上行链路跨层设计工作流程

基于点波束星地上下行链路信道的慢变性，本文设计的某个点波束星地上行链路的工作流程如图2所示。点波束星地上行链路的跨层设计分为2个步骤，步骤1)由星上完成，步骤2)由各个地面设备完成，具体过程如下。

图2 某个点波束星地上行链路跨层设计工作流程

1) 星上根据点波束星地上行链路接收信号对关于各个地面设备的星地上行链路信道状态进行估计，星上根据关于各个地面设备星地上行链路信道状态、每个地面设备的星地上行链路发射功率上限和同一类型业务的总传输速率要求信息（由星载业务接纳控制系统提供）给各个地面设备分配子载波块并确定每个子载波的调制制式，形成点波束星地下行链路控制信道传输帧，通过点波束星地下行链路控制信道采用广播方式发送给各个地面设备。

2) 各个地面设备根据分配给自己的子载波子集以及子载波子集中每个子载波的调制制式、属于自己的各个星地上行链路业务的业务类型、实时传输速率要求给各个业务分配子载波。按照子载波分配信息和每个子载波的调制制式对各个业务比特流进行排队、调制，形成点波束星地上行链路业务传输帧，对星地上行链路频偏进行本地补偿后，通过点波束星地上行链路业务信道传输给卫星。

3.2 点波束星地下行链路控制信道传输帧的具体构成和跨层设计步骤1)算法

基于点波束星地上行链路信道特点，为了减小星地下行链路控制信道的数据传输量，本文对各个地面设备采用块交织方式分配子载波，如图3所示。

图3 某个点波束给各个地面设备分配子载波示意图

块交织分配方式与完全交织分配方式和连续块分配方式相比，能够兼顾不同地面设备的频率分集特性和便于分离属于不同地面设备的子载波2个方面的要求。同一子载波块中的子载波采用相同的调制制式。把子载波块分配方式和子载波调制制式构成点波束星地下行链路控制信道传输帧，具体如图4所示。

图4 点波束星地下行链路控制信道传输帧构成

图4中帧头为PN序列，作为点波束的标识符，可用于每个传输帧的时间同步估计、频偏估计和信道估计，图4中OFDM符号包含的子载波个数与业务信道OFDM符号包含的子载波个数相同，每个传输帧容纳2个OFDM符号，为了保证各个地面设备对此传输帧的接收准确性，此传输帧OFDM符号的子载波都采用BPSK调制。每个OFDM符号承载的内容如图5所示。

图5 图4中OFDM符号承载内容

设 Nu为第u个点波束星地上行链路业务信道的子载波总数，把 Nu个子载波分成2 Mu个子载波块，每个子载波块包含的子载波个数第m个子载波块用数组{m, yu( m), bu( m)} 表示，m为子载波块编号， yu(m)为占有该子载波块的地面设备编号， bu( m)为每个子载波承载比特个数，确定{m , yu( m), bu( m)} 模型如图6所示。

图6 点波束星地上行链路星上跨层设计模型

假设第u个点波束星地上行链路有uT个地面设备，点波束星地上行链路星上跨层设计模块的输入信息包括：

Tu个地面设备发射功率上限 Pu,t( 1 ≤ t≤Tu)；

CBRu( t)、 r tVBRu( t)、 n rtVBRu( t)、 U BRu( t)(1 ≤ t≤ Tu)分别表示属于第u个点波束的第t个地面设备的当前所有上行CBR业务传输速率总和、所有上行 rtVBR业务平均传输速率总和、所有上行nrtVBR业务平均传输速率总和、所有上行UBR业务平均传输速率总和；关于 Tu个地面设备的点波束星地上行链路信道状态（ hu,t( n ) (0 ≤ n ≤ Nu-1且1≤t≤ Tu)为关于第t个地面设备的第n个子载波信道增益系数）和第u个点波束星地上行链路接收噪声功率。

确定{m, tu(m), bu( m )} (1 ≤m≤2Mu)算法如下。

1) 确定每个子载波块的所有可能调制制式。

首先确定出当每个子载波块分配给不同的地面设备时，可能采用的所有调制制式。设给每个子载波分配相同的发射功率 pu，则第t个地面设备最多可以占有个子载波块。设把第m个子载波块分配给第t个地面设备时每个子载波能够承载 bu,t(m) 个信息比特（备选调制制式为M-QAM），确定 bu,t(m) 算法如下：

式(1)、式(2)中 B ERreq为星上对星地上行链路子载波信号分离检测后的误比特率要求。

如果满足： max(bu,t,m) =min(bu,t,m)，

则 bu,t(m)=max(bu,t,m)，

否则设 bu,t(m)=m ax(bu,t,m)，

如果满足： BERu,t,m≥BERreq，

则 bu,t(m)=bu,t(m)-1，

返回式(3)继续执行；

否则执行完毕。

2) 对所有子载波块进行初始分配。

以使第u个点波束星地上行链路的总传输容量最大为原则，对所有子载波块进行初始分配。设Au,t( 1 ≤ t≤Tu)表示已分配给第t个地面设备的子载波块集合，Nu,t为已分配给第t个地面设备的子载波块个数， bu(m) ( 1 ≤m≤2Mu)为已分配子载波块的调制制式，分配算法如下：

初始化：

执行过程：

m= m+1 ,返 回式(4) ,直到m= 2Mu。

3) 依据 Cu,t对初始子载波块分配进行调整。

根据 Cu,t( 1 ≤ t≤Tu)对初始子载波块分配方案进行调整，保证 Nu,t≤ Cu,t( 1 ≤t≤ Tu)，同时保证因调整子载波块分配而导致的星地上行链路的总传输容量的减少量最小。设 Wu为需要重新分配的子载波块集合，t的初始值为1。具体算法如下。

① 如果 Nu,t＞Cu,t成立，进入②；否则t=t+1且满足 t ＜Tu，继续执行①。

② Wu=Au,t，任取 m ∈Au,t

通过式(5)、式(6)计算得到 Nu,t个 eu,t(m)，按eu,t(m)从小到大规则对 Au,t中子载波块进行排序，把前 Nu,t- Cu,t个子载波块从集合 Au,t中拿出，放入相应子载波块集合 Au,t*中，如果第m个子载波块被拿出，则 bu( m) =bu,t*(m)，Nu,t*= Nu,t*+1，直至拿出的子载波块重新分配完毕，返回①。

4) 根据 C BRu( t)对子载波块分配进行再调整。

根据 C BRu( t)(1 ≤ t≤Tu)对子载波块分配进行再调整的目的是首先尽可能满足每个地面设备的CBR业务的传输速率要求，具体过程如下。

设 Ru,d(t)为已分配给第t个地面设备的所有子载波块能够达到的传输速率，其初始值为

设 Ru,r(t)为属于第t个地面设备的业务传输速率要求，其初始值为

调整规则如下。

① 假设第m个子载波块已分配给第t个地面设备，bu( m )=bu,t(m)，如果因把第m个子载波块分给其他地面设备而导致 Ru,d(t)- subu,t(m)＜Ru,r(t )，则第m个子载波块不能重新分配给其他地面设备；否则有可能重新分配给其他地面设备。

② 每次子载波块重新调整分配导致总传输速率的减少量最小，子载波块重新分配的调整次数应越少越好。

规则①保证满足业务传输速率要求的地面设备越来越多，规则②由代价函数 eu,t(m) 表示：

Wu为可能重新分配子载波块集合，其建立方法为Wu= { Au,t1∪ Au,t2…}且 (Ru,d(t1)＞ Ru,r(t1)… )，令t= 1 ：

① 如果 Ru,d(t)≥ Ru,r(t)，则t = t + 1且t≤Tu，继续执行①；否则，进入②。

② 建立当前的Wu，如果Wu≠φ，任取m∈Wu，计算 eu,t(m) ，进入③；否则步骤4)调整分配结束。

③ 如果Wu≠φ，则进入④；否则 t= t + 1且t≤ Tu，返回①。

否则子载波块集合 Au,t不接受第 m*个子载波块，Wu= Wu-{ m*}，返回③。

经过以上处理后，对 Ru,r( t)(1 ≤ t≤Tu)进行更新，如果满足 Ru,d(t)≥ Ru,r(t)，则Ru,r(t)=Ru,r(t)+rtVBRu(t)；否则 Ru,r( t)=Ru,d(t)+r tVBRu( t )。

5) 采用步骤 4)方法依次根据 r tVBRu( t)、nrtVBRu( t)、 U BRu( t)对子载波块分配进行调整。

6) 根据 Au,t( 1 ≤ t≤Tu)和bu( m )( 1≤ m ≤ 2Mu)生成第u个点波束星地下行链路控制信道传输帧，发送给各个地面设备。

3.3 点波束星地上行链路业务传输帧的具体构成和跨层设计步骤2）算法

本文提出的点波束星地上行链路业务传输帧结构如图7所示。

图7 点波束星地上行链路业务传输帧构成

可认为在一个传输帧持续时间内关于各个地面设备的点波束星地上行链路信道状态和频偏特性保持不变，帧头采用PN序列构成，作为各个地面设备的标示符，用于每个传输帧的时间同步估计、信道估计。来自不同地面设备的星地上行链路业务传输帧根据点波束星地下行链路控制信道广播信息占有相应子载波块，OFDM_1_1和OFDM_1_2符号构成控制子帧，承载关于某个地面设备的各个业务的子载波分配方式信息，如图8所示。

图8 图7中OFDM_1_1和OFDM_1_2符号内容

对属于第t个地面设备的各个业务采用连续分配方式分配子载波，如图9所示。

针对第k个业务的子载波分配信息用集合{Gu,t( k),Nu,t(k ) }表示， Gu,t(k)为该业务编号，Nu,t(k)为该业务终止子载波位置，该业务起始子载波位置为属于同一个地面设备的前一个业务的终止子载波位置+1。第t个地面设备的传输帧可容纳个业务，控制子帧OFDM符号的每个子载波采用BPSK调制。图8中后续L个OFDM符号构成传输帧的业务子帧，根据子载波调制制式和子载波分配方式承载各个传输业务。

图9 给第t个地面设备的各个业务分配子载波示意图

第u个点波束的第t个地面设备确定参数{Gu,t( k),Nu,t( k)}(0 ≤ k≤Ku,t)和生成星地上行链路业务传输帧模型如图10所示，图10中跨层设计模块的输入信息有3种，具体如下。

第t个地面设备的每个星地上行链路传输业务的业务类型。

当前时刻存储第 j (1 ≤ j≤Ju,t)个业务比特流的缓存占用长度信息（用 fu,t(j)表示，体现了业务的实时传输速率要求），为便于子载波分配，当满足时，才认为该业务当前时刻有数据要传输，否则认为某业务当前时刻无传输数据，假设当前时刻满足此条件的业务个数为，个业务形成的业务集合用表示。

来自点波束星地下行链路控制信道的关于第t个地面设备的最新子载波块分配信息和子载波调制制式信息。

图10 第t个地面设备的星地上行链路跨层设计模型

第t个地面设备给业务分配子载波算法如下。

则

则

需要说明的是：如果 e ( j/) ( j/∈χ)中有多个相同最小值，则 j/*为其中最小的 j/值。

3) 根据子载波分配信息生成图 7的OFDM_1_1和OFDM_1_2符号。

4) 根据子载波分配信息和子载波调制制式信息对传输业务比特流进行排队、符号映射、生成各个子载波信号，用IFFT把所有子载波信号调制成L个完整OFDM符号，插入相应CP，插入帧头，对星地上行链路频偏进行本地补偿后，通过点波束星地上行链路业务信道传输给卫星。

4 仿真

对3.2节算法的仿真分2部分，具体如下。

1) 执行完3.2节算法的步骤1)、2)、3)得到点波束星地上行链路能够达到的总传输速率 Br以及此时每个地面设备星地上行链路的总传输速率Br,t，把 Br、 Br,t与该点波束星地上行链路的最大可能总传输速率（即子载波块包含的子载波个数为 1时，该点波束星地上行链路能够达到的总传输速率）Bd以及此时每个地面设备星地上行链路的总传输速率 Bd,t进行比较，仿真参数如表1所示。

表1 3.2节算法仿真参数—1

显然，当针对该点波束的各个地面设备的星地上行链路信道模型都是高斯信道时，Br与Bd基本一致，所以在仿真中只考虑莱斯信道时的情况，仿真结果如表2所示。

从表2的仿真结果可以看出，在不同的接收信噪比条件下，Br与Bd基本保持一致，两者的传输速率差别几乎可忽略不记，这也就验证了对各个地面设备采用块状方式分配子载波，且同一子载波块中的子载波调制制式相同这一设想的可行性。

表2 3.2节算法仿真结果—1

2) 把执行完3.2节算法的步骤4)、步骤5)后的某个点波束星地上行链路能够达到的总传输速率以及与 Br以及 Br,t进行比较，仿真参数如表3所示。

表3 3.2节算法仿真参数—2（S/N=15dB）

仿真结果如表4所示。

表4 3.2节算法仿真结果—2

从表4的仿真结果可以看出，3.2节算法的步骤4)、步骤5)能够在一定程度上满足各个地面设备的业务传输速率要求，并且使因重新调整子载波块分配而导致总传输速率的减少量最小。

在3.2节算法仿真基础上，对3.3节算法性能进行仿真，对4个地面设备分别注入5个传输业务，第1个业务为CBR业务，第2个业务为rtVBR业务、第3个业务为nrtVBR业务、第4、5个业务为UBR业务。对这20个传输业务从源地面设备传输到卫星过程进行仿真，仿真中不考虑差错重传，仿真时间设为10s，检验每个业务的平均星地上行链路传输延时。每个业务的传输延时不包括星地上行链路的传输延时（130ms）。具体仿真结果如表5所示。

表5 各个业务的平均传输延时

仿真表明：子载波分配算法有效地支持了各种业务类型，CBR业务的传输延时小于其他业务，依次类推。

5 结束语

本文以基于 OFDM 的星载交换方案为研究背景，提出了此星载交换方案的星地上行链路工作流程和相关跨层设计算法，实时生成每个传输业务与子载波的对应关系，充分利用链路资源并尽可能满足传输业务的QoS要求，此上行链路工作流程和相关跨层设计算法也可应用于无线通信系统。

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