天地一体化信息网络中信令技术的研究

姚艳军，王　烁

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)



天地一体化信息网络中信令技术的研究

姚艳军，王烁

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

摘要为了解决天地一体化信息网络中信令相关技术难点以及信令信道的建设，提出了在天基骨干节点搭载S频段相控阵载荷的解决方法。对几个关键技术进行了重点分析：在物理层，提出了基于开环的信令数据时频快速同步技术、基于非相干的分组数据解调技术；在链路层，采用扩频ALOHA方式解决广域用户随机接入问题。仿真结果表明，基于多符号联合检测的分组数据解调技术比理想相干解调仅损失0.5dB，扩频ALOHA多址随着扩频增益增大，容量也相应增加。

关键词天地一体化信息网络；信令信道；骨干网；S频段；相控阵载荷

0引言

天地一体化信息网络由互联网、移动通信网和天基信息网三网组成，不但在地面可以利用商用的网络资源，还可以利用天基信息网络完成信息的传输与分发，其目的是利用统一的技术体制和规范，建设天地一张网，实现业务应用无缝融合和资源统筹调度。

天基信息网面向全球范围陆海空天“立体空间”里的用户，具有“高、远、广”的优势，能有效解决地面网络覆盖的有限性和容灾脆弱性，在天地一体化信息网络中发挥着关键作用，其逻辑划分由接入网和骨干网组成。接入网服务用户，主要解决如何为局部区域的多用户同时提供信息服务。骨干网服务节点，主要解决跨区域骨干数据传输问题。一些信息获取类卫星或者地表重要用户，对数据传输带宽要求比较大，也可以直接接入到骨干网。

文献[1]对美国的天基信息系统发展现状与趋势进行了概述，文献[2-3]论述了天基信息网络的概述、应用前景及系统分类，文献[4-6]从军事一体化联合作战的角度提出了建设我国天基信息网络的思考。目前的文献大多停留在定性描述阶段，较少能够提出具备实际可操作的网络建设、关键技术以及相关仿真论证的手段。本文着眼于实际可操作层面，结合具体场景详细阐述了整个通信过程中的信令流程，创新性地提出了一种信令网的建设方法，即在骨干接点搭载S频段相控阵载荷，解决信令传输问题。

1信令信道的需求

骨干网一般为毫米波或激光链路，其特点有：① 能量集中，波束窄，覆盖范围小；② 服务对象高速运动，需要动态建链和目标跟踪，如信息获取类卫星；③ 骨干链路资源有限，不能同时为所有用户提供服务，这需要信令信道为骨干网提供相关的信令控制功能，以保证骨干网的组网智能化、资源弹性化、随遇接入和按需服务功能。如在通信前，用户利用信令信道提出申请，报告自身及对方的信息，网络解析信令后调度骨干链路的波束服务用户，从而完成链路的建立；在通信时，由于某些用户具有高动态特性，还需要利用信令信道动态的更新拓扑和路由，维持通信链路。

2个用户完成宽带数据交换为例，具体分析信令在其中的作用，如图1所示。A、B、C、D和E为静止轨道的天基骨干节点，彼此用激光完成互联。同时，各自又具有能全球覆盖的波束，用来完成信令的接入。用户1和用户2为高动态用户，用户1有宽带数据要发往用户2。

图1　信令信道的作用场景

整个通信建立的过程分为4个阶段，如图2所示。

图2　信令过程的4个阶段

第1阶段：“随机请求”，用户1通过全球广域无缝覆盖的波束发送信令a，基本内容为“我是1，我要传宽带数据给2”；第2阶段：“全网寻呼”，网络解析信令a，发送信令b，基本内容为“用户2，用户1有宽带数据要传给你”；第3阶段：“寻呼应答”，用户2收到信令b后，发送信令c，基本内容为“好的，知道了，我是用户2，我目前位置在xxx”；第4阶段：“链路建立”，网络根据以上信令，建立路由和链路，调度窄波束服务用户1和用户2，开始宽带数传。值得指出的是，为了解释信令的作用，以上阶段做了简化，实际中的信令或更为复杂。

2信令信道的建设

信令信道传输网络的控制数据，如申请、寻呼及应答等控制信令，速率一般在kbps级别，具有短时、低速等特点，完成整个网络的控制与管理。为了保证信令随时畅通，必须具有全球覆盖的波束基础。地面蜂窝网络利用密集分布的基站完成地表用户的无缝覆盖，使得用户具有随机接入功能。类似地，为了保证全球的波束覆盖，提出以下2种建设思路：

① 高频段(Ka)宽波束覆盖。在天基骨干节点上搭载单个高频段天线阵元，形成一个宽波束覆盖全球，这种方式的优点是方式简单，但抗雨衰能力不够，在雨衰严重时可能会造成链路中断。

② 低频段(S)多波束密集覆盖。在天基骨干节点上搭载S频段多波束相控阵载荷，以点波束交叠覆盖的形式，形成蜂窝式的组合全景波束，如图3所示，可以实现对全球陆海空天各类用户的无缝覆盖。

图3　S频段合全景波束无缝覆盖三维示意

基于S频段组合全景波束建设信令信道有以下几个优点：

① 以点波束交叠的形式覆盖全球，能保证一定的增益，减小对用户端的要求，从而使得手持式小用户成为可能；

② 用户使用全向天线就能保证链路预算要求，不需要定向天线复杂的对星操作；

③ 工作于S频段，具有良好的抗雨衰性能。

以天基骨干节点搭载口径为1.7 m的S频段相控阵载荷为例，按照一定的交叠电平，覆盖1 000 km的航天器总共约需要37个波束。在信令信息速率为1 kbps的条件下，终端的EIRP约需要6.5dBW。

有了全球覆盖的波束基础后，需要考虑的是通信体制设计问题。由于信令一般为低速数据，可基于CDMA通信体制，既能满足信令的QoS要求，也能满足一定的抗干扰性能。下面分别提出基于CDMA体制的信令信道物理层、链路层的若干关键技术及解决途径。

3物理层关键技术

3.1时频快速同步技术

在CDMA通信体制条件下，在接收端需要通过载波同步、码同步实现收发两端的时频对齐。载波频率和相位、码相位既可通过环路实现，也可采用开环估计的方式实现[7]。使用环路实现同步需要一定数量的比特用于环路锁定。由于信令信息具有低速突发特点，对同步时间要求较高，本方案采用开环同步方法，包括以下几个步骤：① 捕获[8]；② 载波多普勒估计；③ 码偏估计。

捕获实现时频粗同步，并将粗同步的信息输入到后继的多普勒估计、码偏估计模块，载波和码偏估计采用基于数据辅助的估计方法[9]。

3.2低损的分组数据解调技术

解调的主要任务之一是在接收信号载波与本地载波存在一定频差和初始相差的条件下，采取一定的措施，从调制载波中恢复出基带调制信号的过程。卫星通信中常用的解调方式主要有差分解调和相干解调2种。差分解调可以不需要恢复相干载波，通过一种简易的方法可对信号进行解调。而相干解调的原理是通过一定方法，从接收到的调制信号中提取载波频率和相位信息，在接收端恢复出与调制载波同频同相的载波信号并调制的过程[10]。

由于信令数据内容较短，为低速突发的分组业务，对同步时间要求较高，恢复相干载波比较困难，本方案采用非相干解调的方式，不需要恢复相干载波信息，可以承受一定的信道估计误差，处理的复杂度较低，实现起来较为简单。常用的非相干解调方式即为差分解调，其基本原理是将前一个信号间隔内的载波相位作为相位参考。相干解调的性能要由于差分解调的性能，调制阶数越高，性能差异越大。

为了提高非相干解调的性能，采用多符号联合检测的方式。多符号联合差分检测方法与现有的差分检测的区别在于：现有的差分检测是通过比较某一符号区间的接收信号与前一符号的相位实现的，多符号差分检测(MSD)是通过比较N(N>2)个符号之间的相位，同时对N-1个符号做出判决[11]。

(1)

在白噪声条件下，给定s、θ时，接收信号的似然函数为：

(2)

式中，

(3)

在差分编码方式下，判决规则可表示为：

(4)

本文对不同的解调算法进行了仿真分析，不同算法性能仿真结果如图4所示。

图4　多符号联合检测与差分解调性能对比

由图4可知，差分解调比理想相干解调约损失1dB的信噪比，而采用7符号联合的差分解调只比理想相干解调约损失0.5dB。

4链路层关键技术

天基信息网络的用户遍布全球，链路层需要解决的一个关键问题是用户多址接入。目前常用的多址方式有固定多址方式，如FDMA、TDMA和CDMA，随机多址方式主要包括纯ALOHA、时隙ALOHA和预约ALOHA等。对于突发信令数据而言，如果仍然沿用电话业务中的固定多址预分配方式的话，信道利用率将会很低。即使采用按申请动态分配信道，也不会有太大改善，因为发送数据分组的时间可能远小于信道申请分配时间[10]，因此本方案采用随机多址方式。

本方案采用将非时隙ALOHA与CDMA扩频技术相结合，发送经过扩频调制的信令。所有用户共用1个(或数个)公共扩频码，2个或2个以上的数据包在时间轴上可能会有重叠的部分，即在信道中发生碰撞，但这些发生碰撞的数据包不一定全部被毁坏，只要它们到达地面站的时间差满足一定的条件，它们便可以被地面站成功接收，因此系统吞吐量会比传统的纯ALOHA高出很多[12]。

对吞吐性能进行仿真和数值计算，可以得到不同ALOHA接入机制吞吐量和用户数等变量之间的关系。选取的系统参数为：扩频冲突区间δ=2 chips，扩频码率3.069 Mcps，分组时间长度T=0.5s。在一定的用户平均到达率λk条件下，纯ALOHA、时隙ALOHA以及不同扩频处理增益N之下，扩频非时隙ALOHA系统吞吐量与用户数的关系曲线，如图5所示。

图5　不同接入方式下，吞吐量随用户数变化

从图5可以看出，纯ALOHA吞吐量最大只有0.184 分组/s；时隙ALOHA吞吐量最大也只有0.368 分组/s，且同样稳定性较差。扩频非时隙ALOHA系统吞吐量性能要远远优于纯ALOHA以及时隙ALOHA，在扩频增益为31的条件下，最大吞吐量为2 分组/s。而且可以看出随着扩频增益N的增大，系统最大吞吐量和稳定工作区域增大。

5结束语

本文对天地一体化信息网络的信令信道进行了深入研究，引入天基骨干网对信令信道的需求，并结合具体场景，对信令在天基骨干网中的作用进行了具体的阐述；提出了在天基骨干节点搭载S频段相控阵载荷建设信令信道的思路，并总结了若干特点；对物理层和链路层的若干关键技术进行了较为详细的分析，并得到了定量的分析结果。本文的研究成果对后期天地一体化网络的建设具有较强的指导意义。

参考文献

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.01

收稿日期：2016-03-24

中图分类号TN391.4

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0001-04

作者简介

姚艳军男，(1986—)，博士，高级工程师。主要研究方向：通信网络系统设计。

王烁男，(1981—)，博士，高级工程师。主要研究方向：卫星通信与网络技术。

A Research on Signaling Technique in the Global-integrated Network

YAO Yan-jun,WANG Shuo

(The38thResearchInstituteofCETC,HefeiAnhui230088,China)

AbstractThis paper aims to address the key technologies and construction of signaling channel in the Global-integrated Network.The paper proposes the way of developing signaling channel,based on the deployment of S-band phased array payload on the backbone nodes.Then,some key technologies are analyzed.Specifically,in physical layer,the paper proposes a way of fast synchronization based on the open loop method.Then,the demodulation of short message based on non-coherent way is also proposed.In the link layer,the method of spreading spectrum combined with ALOHA is used to solve the problem of random access where the users are scattered all around the word.Simulation results show that the solutions to the key technologies meet the actual requirements.Therefore,the paper can give a good direction in the construction of Global-integrated Network.

Key wordsGlobal-integrated Network;signaling channel;backbone network;S band;phased array payload

引用格式：姚艳军,王烁.天地一体化信息网络中信令技术的研究[J].无线电工程,2016,46(7):1-4.