先进宽带卫星系统体制研究与关键技术仿真

+

吕强 李峰 王敏 刘亘玮 闫键峰

中国空间技术研究院通信卫星事业部

先进宽带卫星系统体制研究与关键技术仿真

+

吕强 李峰 王敏 刘亘玮 闫键峰

中国空间技术研究院通信卫星事业部

面对我国民用宽带卫星市场的巨大发展潜力以及国际商用宽带卫星市场的迫切需求，发展我国自主研发的大容量宽带卫星通信系统变得尤为重要。本文主要研究美国卫讯公司先进的SurfBeam2通信系统体制的技术特点，对该体制涉及到的关键技术进行梳理，重点针对物理层关键技术进行了研究仿真，同时，提出改进的载波频偏估计方法。仿真结果表明，该方法能够有效抑制传统频偏估计后的残留频偏的波动，提高估计精度，在同等信噪比环境下能取得更好的误码性能。本文研究成果可以为我国大容量宽带卫星通信系统设计和体制制定提供参考。

宽带 卫星 体制 仿真

1 前言

随着地面网络的高速建设，人们越来越感受到高速宽带通信对生活、工作所带来的方便快捷。但是受到地理条件限制和在某些场合下，地面网络无法到达，使得卫星通信成为一种必不可少的通信手段。宽带通信卫星系统为多媒体和高数据速率Internet应用提供一种无所不在的接入方式。为适应用户对于高质量宽带接入和各种互动式多媒体服务等宽带卫星通信的迫切需求，世界各国都将宽带卫星通信系统建设作为通信基础设施的重点发展方向，致力于建设一个天地一体化的宽带通信网络体系。尤其是美国卫讯公司推出的新一代宽带卫星通信系统——SurfBeam2，代表了国际宽带卫星通信体制的先进水平，具有易扩展、大容量、支持网络层和应用层等优势。因此，对SurfBeam2系统的研究与应用对于提升宽带卫星通信系统容量、扩展服务网络规模以及降低系统运营成本具有重要意义，可为我国大容量宽带卫星通信系统设计和体制制定提供参考。

2 宽带卫星系统通信体制研究

通信体制技术研究是宽带卫星系统总体设计的核心问题。在确定了系统的体系结构后，必须明确系统采取的通信体制，确定系统内各部分之间、各部分内部所采用的信号和信息形式，确定系统信道接入策略、资源分配方案及使用的传输协议。针对这些问题，要求从信号传输技术方案、无线链路层技术方案、传输协议、网管通信机制、同步技术方案等方面对系统的通信体制进行详细的研究。世界各国厂家制定的宽带卫星系统体制及其应用情况不尽相同，具体如下表所示：

由上表可以看出，主要可归纳为OFDM-TDM/MF-TDMA系统，DVB-S2 /DVB -RCS系统，IPoS系统，SurfBeam2系统，IP over ATM系统等，其中，SurfBeam2体制是为世界上总容量最大的三颗卫星（ViaSat卫星、Ka-Sat卫星和Yahsat-1B卫星）设计的系统体制，目前SurfBeam系统已经有数以十万计的用户数。本文重点对该体制进行研究。

表1 各厂家VSAT卫星通信系统应用情况

2.1 SurfBeam2体制研究

SurfBeam2融合了下一代4G无线系统的技术。这里有包含鉴权、授权及计费功能的用户管理标准和MAC层的WIMAX技术。使用公开标准的好处是可采用已有产品来发挥操作支持系统（OSS）和业务支持系统（BSS）的作用。系统整合的OSS/BSS提供无缝覆盖、业务管理、用户管理、网络管理和故障标签和记账等功能。即SurfBeam2系统可以提供从物理层到应用层的全部定义。如下图所示：

图 1 SurfBeam2体制协议示意

图 2 SurfBeam2系统框图

SurfBeam2的地面系统包括用户终端（UT： User Terminal）、信关站和网络运营中心（NOC：Network Operation Center）。

（1）用户终端

用户终端包括室外单元和室内单元。其中，室外单元与DTH(卫星直播到户)的电视接收天线类似，只是增加了信号发射功能，主要包括天线反射面，馈源，发射和接收部件，以及用于固定在家庭、办公室或公司的底座套件。通常家庭用室外天线尺寸为75cm，商业用天线尺寸为98cm或更大；室内单元如下图所示，尺寸约为23 X23 X3.8 cm，其功能和大小都与普通的ADSL或有线电视的调制解调器差不多，它为计算机或局域网提供了标准以太网接口，室内单元可以竖直或水平放置在用户的办公桌上。室内单元与室外单元之间通过两根中频电缆相连。

（2）信关站

信关站由射频子系统、中频子系统、基带子系统和信关站管理系统组成。射频天线的典型尺寸为7.3m，接收机尽量靠近天线馈源，以减少差损；馈源采用了波纹圆锥喇叭，可提供较好的天线增益和旁瓣性能。

图 3 SurfBeam用户终端室内单元和室外单元

图 4 SMTS-1200信关站

中频子系统主要完成信号的调制解调，中频处理设备SMTS-1200（Satellite Modem Termination System）如下图所示，基于成熟的有线电视网络调制解调传输系统(CMTS)，采用电信运营级标准进行生产制造，每个SMTS每秒可以路由高达42亿个数据包并为每个卫星接口单元管理1.6万个并发连接。

基带处理设备主要完成调度、协议处理，QoS保障，TCP/HTTP加速、网络路由等功能。为了在信关站和网络运营中心NOC之间的连接被破坏时，仍能向用户提供无间断的服务，每个信关站都有自己的网络管理系统，负责本地的设备配置、服务保障、IP地址分配、故障诊断、维护和存储系统运行记录，并周期性发送给NOC的主数据存储器进行信息更新。

（3）网络运营中心

在地理位置上，网络运营中心NOC可以与信关站同址，也可以与信关站分开。网络运营中心包括用户数据库、网络管理系统（NMS：Network Management System）、单元管理系统（EMS：Element Management System）、运营支撑系统（OSS：Operations Support System）和业务支撑系统（BSS：Business Support System），如下图所示。

图 5 SurfBeam2分层管理系统架构

网络管理系统（NMS）可为运营商提供完善的“交钥匙”服务，运营商可以通过网络管理系统集中控制和监视系统运行的各个方面，通过与前/后台管理系统，可实现差错管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理等多种管理功能。运营及商务支撑系统（OSS/BSS）可通过一系列有效的工具开展高效的客户服务和管理，这些工具包括分销商、客户入口，客户服务管理，计费，各种报表生成，计费及客户数据库等，将运营商、分销商和客户等不同层次分开，实现分层管理。运营及商务支撑系统（OSS/BSS）可采用第三方的产品。

2.2 SurfBeam2关键技术

以下是基于Surfbeam2技术体制梳理出的系统级关键技术，通过对这些关键技术进行深入研究、方案比较和算法仿真验证，最终形成适合于我国宽带通信系统的先进通信体制标准，为我国卫星宽带接入产业长远发展奠定基础。

1)卫星链路自适应调整技术

Ka频段由降雨引起的电波衰减非常大，特别是大雨、暴雨引起的雨衰将严重影响通信质量。传统的固定速率系统中，系统通过留余量的形式来保证链路状况最差的终端能够接收到信号。而卫星链路自适应调整技术可以根据卫星链路状况实时调整信号参数，可有效提高信道的可靠性和提升系统抗雨衰性能。该技术主要包括卫星链路前向自适应编码调制技术、卫星链路反向功率自动控制和动态信道分配技术。

2)运营支持管理实现技术

图 6 前向链路ACM体制示意图

图 7反向链路灵活的信号传输能力以适应广泛的业务需求

基于已有的卫星通信网络管理系统，以WiMAX、3G等地面通信系统的网络管理方式为参考，融合AAA（认证、授权及计费）等开放的网络管理工业标准，在网络管理系统内实现OSS和BSS的集成，从而突破大容量卫星通信系统集成管理和支持技术，为Ka频段宽带卫星通信系统的管理和运营提供有效的手段。

3）超大规模网元管理技术

Ka频段宽带卫星通信系统中根据波束覆盖情况需要设置多个地面信关站，按照每个信关站管理十万多个终端站的规模计算，系统内被管网元的数量达到数百十万个，属于超大规模网络。如何对如此大规模的网元进行管理控制和状态监视，并且保证针对各个网元管理信息上报的实时性，是系统网络管理需要重点解决的问题。针对此问题需要研究一套超大规模网络的网络管理策略。

3 物理层关键技术仿真

物理层是衡量不同体制的通信系统性能的主要方面之一。终端与信关站间的单纯物理链路采用何种信号处理的结构，直接关系到整个系统的业务性能，并且对其他层协议的实现也有很大的影响。本章节主要根据SurfBeam2系统总体设计方案，针对物理层信号处理的关键技术，主要是编码调制技术和载波同步技术进行研究，同时将迭代的思想应用于载波同步算法中，并给出了仿真结果。

3.1 编码调制技术仿真

SurfBeam2系统的前向链路采用的是LDPC编码方式，本文针对LDPC码的编码调制技术展开研究。信源经过LDPC2/3码率编码后，进行8PSK调制Gray映射，通过AWGN信道传输后，再进行解调和译码，得到信源信息。下面分别从LDPC码的迭代次数、帧长等方面，研究其对系统性能的影响。

图 8迭代次数对系统性能的影响

图图 9帧长对系统性能的影响

图 10 本文频偏估计算法原理框图

仿真结果表明，系统BER性能随着迭代次数的增加而显著改善。但是当迭代译码达到一定次数之后，继续增加迭代，系统BER性能变化不大。由于LDPC码的低密度性和随机性，一个调制符号中的各个比特可以认为是经过理想交织的，因此，随着帧长的增加，交织的更加充分，比特之间更加独立，从而提高了系统BER性能。

3.2 频率同步算法改进

传统的频偏估计方法是与译码相独立的，即数据在译码前端进行频偏估计和补偿后就进入解调译码。由于传统频偏方法的频偏估计精度有限，波动过大的残留频偏会导致译码性能下降。本文在传统频偏估计方法的基础上，首先在解调前端进行初始频偏估计，然后利用译码信息对其残留频偏进行进一步估计和补偿，从而有效抑制传统频偏估计后的残留频偏的波动，提高系统性能。本文方法的系统原理框图如所示：

图 11 仿真系统原理框图

图12 13dB下传统方法估计误差

图13 13dB下本文方法估计误差

为了说明本文频偏估计算法的有效性，采用前文所述的仿真条件进行仿真，即基于LDPC编码、8PSK调制，AWGN信道，并与传统方法（未对残留频偏进行估计）性能进行比较。下图为仿真系统原理框图：

图12和图13分别为在信噪比为13dB，频偏为20Hz时，利用传统的Kay方法和本文方法进行频偏估计误差。可以看出，传统方法进行频偏估计后的残留频偏的波动很剧烈，而经过本文方法进行频偏估计后，有效地抑制了残留频偏的波动，将频偏波动控制在了很小的范围。图14为采用相同编码调制方式时，应用传统Kay方法和本文方法进行频率校正后的系统BER性能比较。可以看出，本文方法较传统方法都有较大提高。在BER为10-4时，较传统方法提高约2dB。

图14 本文方法与传统方法误比特率比较

4 结论和建议

本文研究了国外宽带卫星通信系统体制的发展现状，重点对SurfBeam2体制进行了系统研究。梳理了SurfBeam2系统的几项关键技术：卫星链路自适应调整技术、运营支持管理实现技术、超大规模网元管理技术等，并对物理层编码调制算法进行仿真，同时，针对现有载波频偏估计算法的不足提出了改进，仿真结果表明了改进算法的有效性，这些研究成果可为我国大容量宽带卫星通信系统设计和体制制定提供参考。宽带卫星系统体制标准的制定对我国宽带卫星系统网络后续规范化、产业化发展具有非常重要的意义，应尽早开展制定我国自主的宽带卫星系统标准。

[1]吕强等，宽带卫星通信产业与技术发展研究，第九届卫星电视国际研讨会，2011.10

[2]吕强等，国外宽带卫星通信系统发展分析，国际太空，2011.5 [3]ViaSat. SurfBeam2 System Description. Document 1108751.

[4]Mackay D J C. Good error-correcting codes based on very sparse matrices[J]. IEEE Trans. On Information Theory, 1999, 45(2):399-432.

[5]FITZ M P. Planar filtered techniques for burst mode carrier synchronization[C]//Proc. Conf. Rec. GLOBECOM91. Phoenix:[s.n.], 1991(12):2-5.

[6]LUISE M, REGGIANNINI R. Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions[J]. IEEE Transactions on Communications, 1995,43(2):1169-1178