基于CDMA机载动中通卫星通信系统的应用

● 文|南京中网卫星通信股份有限公司 李玮 张伟

基于CDMA机载动中通卫星通信系统的应用

● 文|南京中网卫星通信股份有限公司 李玮 张伟

首先简单介绍了动中通天线在机载卫星通信系统中的应用，重点说明了小型动中通天线使用的局限性，通过引入CDMA扩频机制来有效降低小口径天线存在的邻星干扰，实现不同终端的频率复用，最后对CDMA Modem在机载宽带卫星通信系统中的实现进行了可行性分析。

CDMA 动中通卫星天线 卫星通信 邻星干扰

一、引言

在社会需求和技术发展双重推动下，我国卫星通信行业取得了较快进步并不断向更高的水平创新与发展。由于VSAT卫星通信系统中小站设备的天线口径小，站点安装方便、接入灵活等特点，世界各个国家纷纷在筹建卫星地面站、车载站、船载站及机载站，根据应用场景不同广泛服务于各个行业领域[1]。随着在移动中实现卫星通信的应用领域日益扩大，各行业用户日益增多，作为一种体积小、重量轻、安装维护方便的小口径终端——“动中通”，其技术的不断成熟也从车载、船载逐渐应用于更高要求的机载卫星通信。

二、机载动中通市场应用前景

随着现代通信技术的高速发展，覆盖范围广、可靠性高的卫星通信正成为解决空地宽带数据通信的首要手段。机载动中通卫星通信是一种有效的高空移动通信的接入方式，它具有通信距离远、通信质量可靠、组网方便灵活，形成飞机在高速航行中通过卫星与地面站远距离、不间断业务通信，如图1所示。在飞机上加装卫星通信系统，可将飞行数据参数、视频监控全程记录并实时传输至地面，这不仅是提高飞机运行效率的要求，也是提升飞行实时监控安全水平的必要措施。考虑到中小型飞机机体空间、载重和空气动力方面的问题，总体上应选用重量轻、体积小的动中通设备；此外，为适应中小型飞机对舱外天线安装的要求，应选用平面辐射单元的低轮廓天线[2]，其射频性能应等效于直径为0.3～0.6m之间的圆口径抛物面天线的发射与接收性能。由于小口径天线的波束宽度比较大，因此调整天线对卫星的指向相对比较容易；另外，对卫星的漂移也不太敏感。

图1 机载动中通卫星通信系统组成框图

机载动中通解决了飞机在高速飞行过程中精确跟踪地球同步卫星，并建立宽带卫星通信链路，实现视频图像、话音、数据等多媒体业务实时、不间断传输，同时还可以和任何已有的应急通信系统配合使用，可应用于应急通信保障、移动指挥、实时新闻采集、灾情监测等多个行业领域，在军用和民用两个领域都有广阔的市场前景。

三、机载动中通主要问题

为了满足市场化需求，小型化天线是实现机载动中通的必要条件，然而小口径天线无可避免地带来天线增益等技术特性的问题，从天线增益公式定义中可以得出，天线的增益与天线半径的平方成正比， 即天线口径越小，其增益就越低。此外，由于天线的收发波束具有一定的宽度，根据波束宽度公式，波束宽度和天线口径、信号频率成反比，即天线工作在某一频段时，口径越小，波束宽度越大，其方向性就越弱。随着卫星通信技术的高速发展，同步轨道卫星越来越多，卫星间隔度数越来越小，因此邻星干扰在我们工作中会逐步增多。如图2所示，上行邻星干扰：当邻星终端用户天线口径小，上行功率电平过高，功率谱密度超出协调指标，那么邻星终端天线偏向当前卫星或其旁瓣指向当前卫星。下行邻星干扰：当相邻卫星与当前卫星的工作频段与覆盖区有重叠，在此区域内，若终端天线口径较小，那么当前卫星终端站在接收正常信号的同时，其旁瓣也会接收到邻星上的信号。如果邻星终端载波下行功率电平过高或接收终端天线未对准，追求小口径天线的终端也会存在下行邻星干扰。在实际飞行过程中，卫星通信中可能产生多普勒效应较明显，造成接收信号的载频发生频移，小口径天线更易产生邻星干扰。

图2 邻星干扰

在卫星通信技术的不断进步的今天，轨道环上的卫星越来越密集，而卫星功率越来越大，卫星地球站的天线口径则越来越小型化，邻星干扰问题也越来越严重化。如何使高速航行的飞机保证实时宽带业务传输实现的同时，又能对邻星的干扰尽可能小，是我们首先需要考虑的问题。因此，在卫星链路中采用CDMA扩频体制，可有效地降低信号的功率谱密度，从而降低邻星干扰[3]，这是解决该问题的根本措施。

四、CDMA扩频系统优势与特性

（1）克服邻星干扰，抗干扰能力强

实际应用中，由于机载动中通选用的天线口径受限，无法具备更窄的波束和较低的旁瓣，易受到邻星的干扰和对邻星造成干扰。在天线旁瓣特性和发射功率一定的情况下，通过减小单位带宽上的功率，即降低信号的功率谱密度，可有效地克服邻星干扰。

根据香农（C.E.Shannon）在信息论研究中总结出的信道容量公式[3]，当信号的传输速率C一定时，信号带宽和信噪比可以实现互换，即增加信号带宽可以降低对信噪比门限的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没于噪声之中也是可能的。对于扩频通信来说，就是用扩频码扩展基带信号的频谱，使单位比特率bps的信号能量Eb与单位带宽Hz的噪声功率之比相应降低，如图3所示。根据香农理论，只要相应增加信道带宽B，就可以对信噪比降低后的扩频信号实现可靠传输。

图3 信号功率谱图

利用宽带传输技术（扩展频谱），接收端既能在极低的信号功率谱密度条件下，通过相关解扩解调恢复出有用信号，又能降低解调门限，从而克服了邻星干扰的同时降低了系统的误码性能，改善了通信质量。由于信号频带展宽可以换取信噪比的好处，提高了系统的抗干扰能力。而扩频增益Gp就是用来衡量克服干扰的程度，可表示为Gp=B2/B1。其中，B1是扩频前数字基带信号带宽，B2是扩频信号带宽，也称为扩频因子或扩频比。根据柯捷尔尼可夫提出的信息传输差错概率公式[3]，提高扩频因子就是提高信噪比，提高系统增益，同时降低了功率谱密度，有效地减少终端小口径天线端对邻星造成的干扰。

（2）通信隐蔽、保密性好

通过对比扩频前后信号的频谱可知，经过扩频后信号的频谱发生了变化，即信号在很宽的频带上被扩展，从而单位带宽上的功率变得很小，信号功率谱密度很低，信号可以淹没于噪声之中，达到了扩频通信对信号隐藏保密的目的；由于扩频码的不确定，很难拾取其中的有用信号，而极低的功率谱密度也很少对于其他电子通信设备造成干扰。

（3）码分实现终端区分、频率复用

虽然用扩频码扩频的结果使得信噪比降低，需要增加信道带宽，但是，以扩频技术为基础的多址技术CDMA，在其它方面获得的好处是巨大的。扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，也提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频码之间的相关特性，给不同终端分配不同的扩频码，就可以区别不同的终端信号，多个终端只要合理配对使用自己的扩频码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发端可用不同的扩频码，分别向不同的接收端发送数据；同样，接收端用不同的扩频码，就可以收到不同的发端传送的数据，实现了多址通信。

五、CDMA Modem在机载卫星通信系统的可行性分析

图4 宽带CDMA机载卫星通信系统原理框图

如图3所示，在宽带CDMA机载卫星通信系统中，卫星CDMA Modem主要完成L波段中频信号的IQ调制解调及基带对IQ信号的数据调制和解调，通过信道编译码产生信息比特流供与用户接口单元之间实时交互[4]。BUC为上变频高功放，完成L频段信号功放级放大上变频至Ku频段需要的发射功率；LNB为低噪声下变频，完成Ku频段信号放大下变频至L频段。天线控制器的主要功能是放大跟踪接收机分系统和指向分系统产生的误差信号，驱动并始终控制天线对准卫星，保持卫星通信的稳定顺畅。

北京国家体育场高分二号卫星融合影像

该图（成像时间2014年9月27日）为北京国家体育场区域高分二号卫星真彩色影像（0.8m分辨率）。北京国家体育场（图像正中央）位于北京市朝阳区奥林匹克公园，是2008年北京奥运会的主场馆，由于其独特造型又俗称“鸟巢”。

中国资源卫星应用中心 供图

1）卫星CDMA Modem前向纠错机制（FEC）支持高性能LDPC编译码[5]，能获得更高的编码增益或占用更少的带宽；在达到相同误比特率下，可有效降低Eb/N0接收门限。

2）系统采用非对称CDMA宽带卫星通信，能够满足小型天线高空作业时宽带业务传输至地面的需求，并由地面站进行实时监控。

3）系统考虑综合传输速率和误码率，采用QPSK调制。

4）本系统选用的卫星Modem在空地数据通信宽带业务传输时Eb/N0门限为4.1dB，可达到1×10-7的误比特率要求，能够保证实时业务传输质量。

表1 链路计算关键参数设置

根据表1中的参数设置，通过卫星链路计算，对于上行链路：在所需相同功放发射功率的条件下，扩频后的占星带宽约为未扩频时的8倍，信号功率谱密度可降低9dB/Hz，此时载干比C/I大幅降低；但接收端所需载噪比C/N门限却可以为负值，表明载波信号在淹没于噪声之中也能被接收端成功解调；而下行链路中，占星带宽是未扩频时的4倍，载噪比C/N接收门限降低5dB，在达到1×10-7的误比特率要求下，接收端也能正常解调成功。

六、结束语

根据香农公式的定义可判定信噪比与带宽互换，在此理论基础上，将有用的信号扩展到很宽的频带上，有效降低信号的功率谱密度；在解扩过程中，干扰信号进入与有用信号同频带内的干扰功率大大降低，从而增加了输出信号/干扰比，达到降低系统Eb/N0接收门限，具有较强的抗干扰能力。载波功率谱密度低，降低了对邻星造成的干扰，特别适用于小型口径（0.6m以下）的VSAT系统。采用双向非对称宽带CDMA传输调制方式，机载站与地面站的发射载波共用同一转发器频段，通过不同的扩频码的正交性实现频域重叠，实现不同终端区分，提高载噪比，提高频带利用率，从而增强系统的可用性。因此，小型化天线在机载动中通卫星系统中的成功部署，可通过CDMA扩频体制满足卫星公司对小口径天线的入网测试要求，实现小口径动中通天线在机载宽带卫星通信系统的市场应用。

[1]袁博. 卫星通信系统在民航中的应用[J]. 信息通信, 2014.

[2]牛传峰, 杜彪, 韩国栋, 等. 低轮廓动中通天线[J]. 中国电子科学研究院学报, 2013(02).

[3]Na Gu, Sheng Wu, Linling Kuang,et al, Jianhua Lu. Belief propagation-based joint iterative algorithm for detection and decoding in asynchronous CDMA satellite systems[J]. EURASlP Journal on Wireless Communications and Networking, 2013.

[4]Stephen Z. Pinter, Xavier N. Fernando. Equalization of Multiuser Wireless CDMA Downlink Considering Transmitter Nonlinearity Using Walsh Codes[J]. EURASlP Journal on Wireless Communications and Networking, 2007.

[5]尹爽爽, 王中训. 一种DVB-S2中低复杂度的LDPC编译码研究[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2012(04).