宽带卫星通信系统RSM－A空中接口设计（二）

秦长路 冯少栋 项海涛

引 言

作为卫星通信的重要发展方向,宽带卫星通信日益受到人们的重视,2004年起,欧洲标准化组织ETSI相继出台了一系列宽带卫星通信的标准,为宽带卫星通信系统的设计提供指导与参考。其中基于星上再生处理的网状卫星系统(Regenerative Satellite Mesh RSM-A)采用星上再生式处理转发技术,可实现网内用户终端之间的单跳通信,目前已在休斯公司研制的宽带卫星通信系统Spaceway3上成功应用。

上行链路设计

1. 上行链路载波模式设计

RSM-A系统工作在Ka频段,其中上行链路为29.50GHz到30.00GHz,下行链路为19.70GHz到20.20GHz。500MHz的上行带宽基于两种极化方式划分为16个子带,每一子带带宽为62.5MHz。如图 1所示。每个子带宽根据不同的载波模式可采用不同的配置方式:

● 128 kbps可靠模式及 512 kbps载波模式:在这种模式下,可将一个子带划分为96个带宽为 Hz的载波。96个载波按照频率由低到高依次标记为0,1,2…95。

● 2Mbps载波模式:在这种模式下,可将一个子带划分为24个带宽为 Hz的载波,24个载波按照频率由低到高依次标记为0,4,8…92。

● 16Mbps载波模式:在这种模式下,可将一个子带划分为3个带宽为 Hz的载波,3个载波按照频率由低到高依次标记为0,32,64。

用户终端应能够在所支持的载波模式的任意中心频率进行发送。

载波中心频率相对子带起始频率的偏移=

N=96,24,3表示载波数目。

P=载波标号=0-95(512Kbps模式);0,4,8…92(2Mbps模式);0,32,64(16Mbps模式)

发端用户终端载波(在运行波段范围内)切换完成时间通常少于3ms,可以使误差达到30Hz以内。

2. 帧结构设计

上行链路有四种速率的载波模式(128 kbps, 512 kbps, 2 Mbps 及16 Mbps),帧长均为96ms,如图 2所示,每一载波帧分为空载时间及固定数目用于数据传输的时隙,根据载波模式不同相对应的帧结构有两种:

(1)第一种载波帧由32个标准时隙(SS—Standard Slot),适用于16 Mbps, 2 Mbps 及 512 kbps速率的载波

(2)第二种载波帧由8个长时隙(LS—Long Slot)构成,适用于128kbps速率的载波模式。用户终端在空载时间内不发送任何数据,主要用于上行帧的同步,其长度配置如下:

3.时隙结构设计

如前所述,当载波速率为16Mbps/2Mbps/512kbps时,上行链路帧由32个标准时隙组成,当载波速率为128kbps时,上行链路帧由8个长时隙组成。从图 3中可以看出,不同模式的载波帧,时隙中填充的数据包个数不同。

在RSM-A系统中,标准时隙和长时隙不能在一个上行链路帧中混合使用,所有在一个上行链路帧当中的时隙都应采用相同的配置。

第Nslot个时隙起始时间与该帧起始时间的相对值遵循如下关系:

Slot(Nslot)start=Tdead time +tslot×Nslot

其中Tdead time是空载时间的时长,tslot 是时隙长度,Nslot是时隙号码,在RSM-A系统中时隙号码为0-31(标准时隙)或0-7(长时隙)。

4. 突发结构设计

突发成形过程如图 4所示,每一个上行链路MAC数据包都是由两个从MAC层接收的RSM-A分组加一个接入控制域组成。RSM-A分组的信息部分被加扰,接着进行两次FEC编码(内码及外码),若干码块(码块的个数取决于载波的速率)封装成一个TDMA突发。

5. 加扰与封装

一个RSM-A分组有108个字节,其中包括8字节的分组头及100字节的信息位。除了送往星上处理器的分组之外,其它分组的信息部分在传输之前需要经过加扰。分组头不需要进行加扰。加扰基于每个分组完成,如图 5所示,两个RSM-A分组加上4个字节的接入控制域(ACF)构成一个未编码的上行MAC数据包。

6. 编码

上行MAC数据包的编码采用级联码方式,分为外部编码和内部编码两个步骤,其中:

● 外码采用RS(244,220)编码

● 内码采用(12,8)汉明码

编码后数据块的大小为366字节。

7.突发成形

基于MF-TDMA体制之下中,系统可以根据每个小区的业务需求配置FDMA-TDMA载波,可以使得用户数据信息传输速率在128 kbps 、512kbps、2Mbps、16 Mbps之间进行灵活选择。对于每一个FDMA载波,可基于TDMA以时隙方式进一步进行分配,这些时隙可以以随机争用的方式(即所有终端都可以自由接入),也可以以预约方式(即分配给指定用户终端,其它终端不能占用)进行分配。

一个时隙中通常包含一个TDMA突发,突发前后均有一个保护时间及功率渐变时间,如图 6所示,突发的最后还有一段时隙对齐时间。保护时间是用来防止相邻时隙之间产生的干扰。功率渐变时间用于上行载波的开启与关闭。时隙对齐时间用于保证不同载波速率下(512kbps,2Mbps,16Mbps)的时隙有相等的长度,且128kbps速率载波的长时隙四倍于其他的时隙,时隙对齐时间内不传送任何数据。

不同载波模式下,突发保护时间、功率渐变时间、时隙对齐时间配置如下:

TDMA突发包含一个用于同步的独特字(见图 6),其后是数据净荷。用户终端根据所处的上行链路小区在TDMA突发起始发送独特字用于同步。用户终端应有能够使用30种不同的独特字。根据载波速率不同,独特字长度配置如下:

为了避免不同上行小区之间的干扰,终端在不同的小区采用不同的独特字,由于RSM-A系统采用7色复用,因此有7组独特字可供选择。另外,载波速率不同,独特字长度也不同,具体定义见表 7。

独特字后面为承载数据净荷的数据包,载波速率不同,一个时隙所包含的数据包数目也不同。在RSM-A系统中128kbps,512kbps,2Mbps,16Mbps四种载波所包含的数据包个数分别为1,1,4,32。不同速率载波数据包配置见表 8。

8. 调制

上行链路采用OQPSK调制(偏移四相移频键控调制),调制速率由载波模式决定。

9. 上行链路功率控制

上行链路功率控制(UPLC)的目的:

● 晴朗天空条件下,减小信噪比较理想的链路信号对信噪比较弱的链路信号的干扰

● 在干扰及大气影响下,确保留有足够的余量,将上行链路分组丢失率和功率控制误差控制在一定范围内。

● 补偿由于终端射频不理想而导致的功率与频率相对关系的变化。

上行链路功率控制是以双控制环的方式由卫星与终端共同来完成,一方面终端根据本地下行链路导频功率检测,另一方面通过来自卫星的反馈信息,通过这两方面来综合进行发射功率的调整。

结束语

RSM-A系统上行链路采用MF-TDMA体制,有四种速率可选,不同速率的突发结构各不相同,通过不同的突发结构,使整个系统达到良好的同步性能。

参考文献

[1] ETSI TR 101 984: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Broadband Satellite Multimedia; Services and Architectures".

[2] ETSI TS 102 188-2: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

Part 2: Frame structure".

[3] ETSI TS 102 188-3: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

Part 3: Channel coding".

[4] ETSI TS 102 188-4: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

Part 4: Modulation".

[5] ETSI TS 102 188-5: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

Part 5: Radio transmission and reception".

[6] ETSI TS 102 188-6: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface; Physical Layer specification;

Part 6: Radio link control".

[7] ETSI TS 102 188-7: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); RSM-A Air Interface Physical Layer specification;

Part 7: Synchronization".

[8] ETSI TS 102 189-1: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Regenerative Satellite Mesh - A (RSM-A) air interface; MAC/SLC layer specification; Part 1: General description".

[9] ETSI TS 102 189-2: "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Regenerative Satellite Mesh - A (RSM-A) air interface; MAC/SLC layer specification; Part 2: MAC layer".

[10] ETSI EN 301 459 (V1.2.1): "Satellite Earth Stations and Systems (SES); Harmonized EN for Satellite Interactive Terminals (SIT) and Satellite User Terminals (SUT) transmitting towards satellites in geostationary orbit in the 29,5 to 30,0 GHz frequency bands covering essential requirements under article 3.2 of the R&TTE; Directive".