小口径TDMA卫星通信地球站应用研究

刘丽宏

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

小口径TDMA卫星通信地球站应用研究

刘丽宏

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

小口径天线邻星干扰、TDMA帧效率等问题影响了小口径TDMA卫星通信地球站推广应用，其中突发结构设计是提高TDMA帧效率关键，在对DVB-RCS标准进行研究的基础上，分析了几个DVB-RCS商用系统，在分析TDMA突发结构基础上综合考虑帧长、载波速率、时隙数，不同载波速率下适当的突发结构设计是提高MF-TDMA帧效率的方法。针对小口径天线邻星干扰问题，提出扩频的解决方法，经过计算或仿真验证了方法的有效性。

卫星通信；MF-TDMA；小口径

0 引言

近些年卫星通信无论在民用或军用领域都得到了极大的发展，应用领域越来越广泛，随着卫星功率的提高、集成电路技术、射频器件技术以及编码和调制等数字信号处理技术的成熟，甚小口径数据终端(Very Small Data Terminal，VSAT)应运而生，使得小口径卫星通信地球站得到广泛应用。现在VSAT设备普遍采用DVB-RCS标准，DVB-RCS系统一般采用星状网或星网混合拓扑结构[1]，前向采用TDM载波，反向多条载波回传，多址方式采用TDMA[2]。

卫星通信系统网络拓扑分为星状、网状和星网混合等多种形式，系统组成包含中心站和远端站。卫星通信特性适合于广播[3]，因此星状网是卫星通信最常用的网络拓扑结构，星形卫星通信系统适用于业务传输主要发生在中心站和远端站之间。

星型网非常适合于当前互联网应用，可支持同时在线的地球站数量多，前向下载数据量大，反向回传数据量小，且MF-TDMA在载波带宽不变的情况下，可以灵活调整用户业务带宽，适应在线用户数变化大、每个用户业务带宽经常变化。因此小口径TDMA地球站非常适合于偏远地区，解决用户上网和通话的需求。

MF-TDMA星型网也适合于应急通信，在大家需要了解灾区情况，反向需要载波带宽变大时由于MF-TDMA星型网可按要求增加用户反向带宽为用户提供更好通信保障。MF-TDMA星型网应用，是后续重点推广和关注的方向。

1 DVB-RCS系统简介

DVB-RCS[4-5]反向信道采用MF-TDMA体制[6]，为多用户提供高利用率带宽。使用按需分配的模式，优化不同种类的业务传输方式使得话音、视频、文件传输和web浏览需求能够得到有效处理，DVB-RCS使用多种方法使得系统效率更高，因此比传统按需分配卫星通信系统更有效，这些使用模式结合了灵活的传输机制，包括信道编码优化、突发帧结构优化、IP封装优化等，使得系统可以更好地利用卫星资源的功率和带宽。图1表示一个卫星通信网络有1个中心站和3个远端站，远端站共同利用3条返向载波时隙向中心站回传业务，系统按时隙分配载波资源，高效利用卫星频率资源。

图1 DVB-RCS反向MF-TDMA信道载波时隙分配示意图

2 2个商用DVB-RCS系统特性分析

HUGHES、Gilat、iDirect的DVB-RCS系统在全球商用DVB-RCS市场份额中占据前3位，下面介绍其中2家公司相关的产品。

2.1 Idirect卫星系统

① 中心站前向出站载波采用TDM方式；

② 远端站使用一个共享的上行载波即采用D-TDMA访问体制；

③ 可构建星状网、星状/网状混合网，系统支持快速跳频(MF-TDMA)和迅速带宽分配；

④ 支持TCP加速、动静态路由以及QoS等功能。

图2为Idirect卫星系统1个主站和2个远端站星网混合组网示意图。

图2 Idirect卫星系统示意图

2.2 Gilat公司SkyEdge II IP

① 总体指标

网络结构:星状；天线尺寸:0.55 m to 1.2 m (Ku),1.8 m (C) ；频率：Ku,C,Ex.C 。

② 出境信道

符号率:FEC:256 ksps-45 Msps；访问机制:DVB-S，DVB-S2 CCM 和 ACM；调制方式:QPSK， 8PSK，16APSK，32APSK (DVB-S2 only)。

③ 入境信道

符号率:128～2 560 ksps；调制和编码:QPSK，8PSK Turbo编码。

④ 访问机制:基于DVB-RCS的MF-TDMA。

上述2家公司的设备指标可以看出，采用MF-TDMA星状网体制符合目前国际商用领域小型地球站技术体制发展路径。从上述设备使用可总结DVB-RCS系统星型网使用特点如下：

星型网特点：

① 点对多点发布，中心站在TDM载波发送信息，全网的远端站都可同时接收，实现了中心站向多个远端站信息发布；

② 多点到1点接收，中心站具有多载波解调能力，可同时解调多条载波，远端站可分多组同时通过多条载波向中心站发送信息；

③ 数据和话音可同时在线，地球站的数据和话音业务可通过接入设备复接在一起，通过卫星信道传输；

④ 多用户多业务同时在线，一条载波TDMA时隙可分给多个用户，每个用户可传输数据、话音和视频多种业务，一条TDMA载波可实现多用户多业务同时在线；

⑤ 远端站可同时接收多中心信息，远端站可具有一个以上的解调器，同时接收多中心发布的业务。

3 小口径TDMA地球站应用关键要素

小口径TDMA地球站[7]适用于应急通信，例如地震等自然灾害造成的原有通信设施损毁，需要机载、车载或便携式等运输、开通方便，能够迅速搭建并投入使用通信设备，也适用于偏远人口稀少的地区，可以用低成本通信设施，满足人们基本通信和上网需求。

小口径TDMA地球站作为星形卫星通信系统的远端站主要取决于2个方面：小口径天线邻星干扰问题，TDMA体制小站如何更好适应星状网。

3.1 小口径天线邻星干扰问题

由于同步轨道上的通信卫星使用相同的通信频段，因此当卫星排列较密，而地球站天线口径较小、波束较宽时，将会出现较为严重的邻星干扰[8]，系统设计和系统应用时必须要考虑这一问题。

按ITU—S.728-1 -1995《Maximum permissible level of off-axis e.i.r.p. density from very small aperture terminals (VSATs)》的要求，对于使用14 GHz频段、3°轨道间隔的卫星，地球站偏轴辐射到空间的EIRP谱密度最大允许值要求如下：

33-25lgΦdB (W/40 kHz) 2°≤Φ≤7°；

12 dB (W/40 kHz) 7°<Φ≤9.2°；

36-25lgΦdB (W/40 kHz) 9.2°<Φ≤48°；

-6 dB (W/40 kHz) 48°<Φ≤180°。

对于2°轨道间隔的卫星，需在3°轨道间隔的基础上离轴EIRP 值再降低8 dB；对静止轨道卫星3°以外的任何方向上，EIRP 值可在3°轨道间隔要求基础上放宽3 dB。

假设中心站天线口径为13 m，远端站口径为0.3 m，调制方式为QPSK，转发器带宽为36 MHz；上行为Ku频段，取中心频率14.25 GHz，接收G/T=8 dB/K；这里按2°轨道间隔的卫星要求计算地球站偏轴辐射的最大允许值。依据ITU对地球站偏轴辐射的最大允许值限制，绘制图3和图4。其中包络线为ITU限制值，方向图为0.3 m远端站采用LDPC 1/2编码时发射的EIRP值。

图3可以看出0.3 m站采用LDPC编码，在不扩频的情况下EIRP谱密度在天线的主瓣、旁瓣都超出包络，超过偏轴辐射的最大允许值，不满足ITU标准要求。因此会产生邻星干扰造成相邻通信卫星通信障碍，干扰邻近卫星的正常工作。

图4显示若地球站采取扩频体制，LDPC码率为0.5时采用8倍扩频偏轴EIRP谱密度降低，主瓣、旁瓣EIRP谱密度都在包络线以下符合ITU标准要求。为保险起见0.3 m天线采用10倍扩频可以保证0.3 m地球站正常通信不会产生邻星干扰影响其他卫星的工作。因此小口径地球站采用扩频可以有效地抑制邻星干扰。

图3 0.3 m站采用未扩频时的对照图

图4 0.3 m站采用8倍扩频时的对照图

3.2 MF-TDMA星型网特性分析

系统容量：反映卫星网络传输数据的能力，由网络容量和网络吞吐量2个指标决定。此外卫星通信系统的容量还受限于整个系统的频带资源以及卫星瞬时所能提供的最大功率。

网络容量：主要指网络所能容纳的用户节点数量，对不同级别的卫星网络有不同的要求。

网络吞吐量：是指全网在单位时间内成功传输的平均比特数目，与载波效率、频带资源分配等相关。

3.2.1 DVB-RCS星状网特点

① 前向采用TDM载波；

② 反向MF-TDMA，远端站灵活扩展，由于每条TDMA体制载波可有多个站共用，因此在系统带宽一定情况下，远端站用户数量扩展能力优于其他体制；

③ 中心站具有多载波解调能力，反向载波数增加，不需要增加设备；

④ 远端站可同时收多中心信息；

⑤ 远端站发送频率可变，可以通过跳频发送信息到多中心；

⑥ 远端站单终端支持多路、多种业务在线。

3.2.2 TDMA体制远端站特性分析

① 多远端站共用载波，链路余量计算

假定一个星形网包括1个中心站和24个远端站，远端站配置天线口径等效0.6 m，中心站配置天线口径等效2.4 m。2.4 m站发送上下行大气雨衰损耗取1 dB，0.6 m站发送上下行雨衰取1 dB，链路余量都为1 dB进行链路计算。表1说明2种体制的远端站业务速率9.6 kbps、64 kbps所需的载波速率、共用载波远端站数、全网需配置的反向载波数，以及由载波速率决定的功放功率，由此该远端站应选择的功放大小。

表1 星型网载波配置、功放选择和链路计算

站型业务速率/kbps载波速率/kbps共用载波远端站数全网共需反向载波数每载波功放功率/W功放选择/WFDMA远端站9.610.61240.22TDMA远端站9.664461.034FDMA远端站64721241.54TDMA远端站64256384.110

前向TDM载波为8 Mbps载波，每载波功放功率为75.19 W。

星形网反向载波采用FDMA体制，则全网同时在线，需要使用的卫星资源是1个8 Mbps大载波，24个9.6 kbps小载波，网络通信会造成前反向功率不平衡，容易带来非线性效应，不利于充分发挥转发器的功率效率。

由此可见采用TDMA远端站虽然在用户业务速率、链路余量相同时选择的功放会大于FDMA站，但采用稍大的载波在目前网络前向普遍采用几Mbps到几十Mbps的大载波时更有利于网络前反向功率的均衡。

② 突发结构效率

业务数据进入TDMA卫星终端设备后，首先进行分割并添加分组头后生成分组包，然后多个分组包形成一个链路层数据包，链路层数据包添加物理层的导频头后生成一个可在信道传输的数据突发包[9-10]，数据突发包的生成过程如图5所示。

图5 数据突发包的生成过程示意图

由图 5导出帧效率的计算公式如下：

(1)

式中，数据时隙开销= 保护时间+ 独特字开销 + 突发头开销+N×分组头开销；M为数据时隙个数；N为数据突发内的分组包数目。

表 2给出了典型帧长度为106 ms的星状TDMA反向帧效率计算结果。

表2 典型帧设计下的载波配置建议与帧效率

典型载波速率/kbps典型数据时隙长度/ms数据时隙个数星状TDMA反向帧效率/%81921.06969740961.06969520482.125489510244.2524952564.2524851288.512856417685

按表2设计帧长、时隙长度和数据时隙个数，TDMA帧效率可达到85%以上。

FDMA帧效率分析：业务信道约90%；但是其需要独立的TDM控制信道和ALOHA信道，在考虑业务和信令的综合开销时，效率无法达到90%。因此，星状TDMA反向帧效率与FDMA相当。

3.3 小口径TDMA地球站星状网应用

国内星状网远端站最初主要采用小口径TDMA地球站，随着TDMA技术的发展，以前小口径TDMA地球站使用中的问题大部分得到了解决。以下几个方面是用户在使用小口径TDMA地球站中需要考虑的要素：

① 可靠性:为满足链路高可靠性的要求，选择合适设备配置，例如用户载波速率64 ksps，配置0.6 m天线、10 W功放可以使得链路余量6 dB以上，保证了小口径TDMA地球站链路的可靠性。

② 载波效率：现在的TDMA技术缩小了帧之间的保护时隙，以及时隙与时隙间隔，并调整帧长使得帧效率提高，TDMA帧效率和FDMA大致相当。

③ 多业务同时传输：提高了小口径TDMA地球站信道终端接入技术，支持接入多业务同时传输。不需要多载波发送，减小功率回退的影响。

④ 操作使用：小口径TDMA地球站信道终端设备使用得到了简化，只需配置载波频率和速率等几个参数，入网后由中心站下发网络参数，操作和使用越来越方便。

小口径TDMA地球站具有带宽利用率高、组网灵活、开通迅速等优势，随着卫星通信技术的发展，小口径TDMA地球站可靠性、载波效率以及业务传输能力都得到很大提高

4 结束语

在小口径TDMA地球站使用中，扩频是解决小口径天线卫星通信邻星干扰问题的有效手段，突发结构高效设计是提高TDMA载波效率的关键，链路余量设计是链路可靠性的保证。通过仿真给出了天线口径与扩频比的关系；计算得出了典型帧设计的载波配置建议与帧效率，有助于设计高效的突发结构；通过链路计算给出了远端站不同业务速率对应载波速率和功放功率，本文对上述几个方面进行了探讨，提出了突发结构设计、链路余量、邻星干扰等方面设计思路与解决方法，对于设计小口径TDMA地球站具有较高的指导意义。

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Research on Small Aperture TDMA Earth Station Application

LIU Li-hong

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Small aperture antenna is limited by some disadvantages such as adjacent sallite inteference and TDMA frame efficiency,which affects the extension and application of the small aperture satellite communication earth station. The burst structure design is the key to improve TDMA frame efficiency. Several DVB-RCS commercial systems are analyzed on basis of the reaserch on DVB-RCS standards. A method is proposed which integratedly consides frame length,carrier rate,time slot number and proper burst structure design at various carrier rates on basis of the analysis of TDMA burst structure. This method can improve MF-TDMD frame efficiency. The spread spectrum solution is proposed for adjacent satellite inteference of small aperture antenna,and its effectiveness is verified through calculation and simulation.

satellite communication;MF-TDMA;small aperture

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.23

刘丽宏. 小口径TDMA卫星通信地球站应用研究[J].无线电通信技术,2017,43(4):96-100.

[LIU Lihong. Research on Small Aperture TDMA Earth Station Application [J].Radio Communications Technology,2017,43(4):96-100.]

2017-03-16

刘丽宏(1967—)，女，高级工程师，主要研究方向：卫星通信总体技术。

TP927

A

1003-3114(2017)04-96-5