星载转发器体制研究

[摘 要]空天信息网络的接入网络相比地面接入网络一个显著区别，在于接入性能受卫星有效载荷能力制约较大，合理分配卫星转发器带宽资源及功率资源，是实现接入容量最大化的重要因素。本文就卫星转发器类型及各自具有的特点进行粗略介绍。

[关键词]转发器

随着通信技术不断发展和终端类型的日益增多，宽带卫星通信系统卫星通信系统打破了传统的格局，单址、单频、单星窄带的现象逐渐被多址、多频和多星宽带的网络模式所替代，其中对以高容量、高灵活性的数学信道化卫星通信系统的研究最为突出，而数字信道化卫星通信系统的形成，卫星转发器的不断改进起着不可磨灭的作用，所以下面具体介绍卫星转发器类型及各自具有的特点，并确定未来发展方向。

一、转发器分类

1.透明转发器

透明转发的信号交换过程是在模拟滤波器和中频交换矩阵中实现的，如果信号的载波频率不发生大的改变，那么信号调制和解调的类型以及编码译码的准则变化对透明转发器影响甚微，这些特性造就了透明转发器性能灵活，适应上下行链路通信协议的能力较强，因此，透明转发器依旧是目前大多数卫星通信系统的首要选择方式，然而它也存在不可忽略的缺陷，比如星上信号交换矩阵全部属于硬连接范畴，且网络路由是固定选择模式，使得系统不能随着业务量的变化而变化，信号交换带宽一般情况下都需要占用转发器的全部带宽，甚至以波束为单位进行信号的交链，无法进行较为细致的交换行为，此外，由于高功率放大器存在的非线性的问题，通常需要在多载波的情况下还必须采取一定的功率回退措施，导致系统容量、频率资源利用率的部分降低。

2.再生式转发器

转发整个过程包括对信号的解调、译码、编码和调制等一系列处理单元，所以相比较透明转发器而言，再生式转发器可以有效地提高通信系统的容量和频率资源利用率，尤其是利用自适应编码技术使得系统的性能进一步达到了提升。显而易见，此种模式的星载处理器相比较透明转发器来说，其物理层中信号处理单元是体现其优越性能的核心技术，但是这种依赖物理层的星载处理器也存在很大的风险，如卫星在其服役的整个生涯过程中，一旦上下行链路的通信协议进行了升级更新，则可能导致卫星通信系统无法有效地收发数据，完全处于瘫痪状态。从这方面来看，其适应性相比较透明转发器来说差很多，目前，仅有少数的卫星搭载此类转发器。

3.数字信道化转发器

透明转发器和再生式转发器既有突出的优点又有不可忽略的缺陷，那么存不存在一种可以将这两种方式结合在一起的办法呢？伴随软件无线电知识的不断更新，此问题有了最佳答案，即软件定义有效载荷（Software Define payload，SDP）方式，即将透明转发器灵活性强但无法适应业务量变化的特点和再生式转发器纯依赖物理层提升系统容量的特点结合在一起，做到扬长避短，互相兼容，从理论上提升转发器处理信号的效率，但是这种理想转发器方式在经过人们长时间研究和实践操作之后，始终在设备体积、重量、功耗等难题上无法跨越，与SDP所描述的思想存在很大的差距，所幸的是近年来数字信号处理技术的不断完善，并伴随着芯片制造工艺的日益精良，人们结合这两种技术设计了数字信道化转发器模型，并且通过它实现了部分SDP的功能。

数字信道化转发器信号处理具体过程为：卫星接收天线接收到卫星上行信号之后，送入低噪声放大器中进行放大，放大的信号被传送给下变频单元变为合适的中频信号送给模数转换器，转换器将模拟信号转换为数字信号并传入数字域中进行处理，送进来的数字信号经过信道解复用、数字信道交换、信道复用三个单元处理之后再变换为模拟信号，经过上变频和高功放，之后由卫星发射天线送出，从而完成了整个星载信号交换过程。

相比较透明转发器而言（信号交换时占据整个信道的带宽），此种转发器中信号交换带宽要节省得多。而且利用数字信道化技术能够使得上行信道在卫星转发器中被分为若干个子信道，其信道带宽窄，便于系统根据实际情况进行合理地选择配置，按需分配；系统还可以复制单个子信道用来进行广播、组播和抑制备用信道等等，以上数字信号化器的特点使得系统在数字域中对链路损耗进行一定的补偿，降低高功率放大器的非线性效应，提高通信灵活性和可靠性，达到卫星信号与频率资源之间的灵活互换。

二、转发器体制选择

从各种转发器技术体制的特点分析，数字信道化转发器的特点更加适应未来卫星通信系统多频、多址、多星和多波束的特点，应该将它作为天基宽带接入卫星系统转发器采用的模式。目前，采用此有转发器系统的卫星有：亚洲蜂窝卫星（Aces）系统的Garuda-1，Thuraya卫星系统，国际海事卫星 Inmarsat-4、美国移动通信卫星系统SkyTerra以及移动用户目标系统（MUOS）、宽帶全球卫星通信系统（WGS）等。而上述卫星中除了WGS之外，其他数字信道化卫星通信系统全部属于窄带卫星通信系统范畴，并且要求各个用户终端子信道带宽全部相同。与WGS通信系统相比，它们在通信过程中灵活性稍差，通信容量和频带利用率方面稍显逊色。而WGS作为美军未来军事卫星体系中新一代宽带卫星系统，为美军获取各种信息情报提供了迅速且精确地通信服务保障，满足了各种空中通信任务额外的转换需求，提供了其他卫星所不能提供的重要特征。所以，未来空天信息网络宽带接入卫星的转发器体制可以借鉴WGS的转发器技术体制进行设计。

作者简介：曹强（1967-），男，浙江嘉兴人，武警士官学校教授，研究方向：船舶轮机、船舶通信技术。