移动用户目标系统网络架构及性能分析

2019-11-18张华冲薄保林

无线电工程 2019年12期

张华冲，陈强，张保，韩星，薄保林

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；(2.中国人民解放军73676部队，江苏江阴 214400)

0 引言

美国新一代军事通信卫星系统主要包括提供低速战术业务的窄带卫星通信系统、提供高速业务的宽带卫星通信系统和提供受保护业务的抗干扰卫星通信系统等三大部分，负责为美军提供多维信息链接和通信服务[1]。其中窄带卫星通信系统主要为用户提供话音、低速率数据和移动通信等服务。

窄带卫星通信系统采用UHF频段。由于UHF频段受气候和遮蔽等自然环境的影响较小，美军一直把该频段作为窄带卫星通信的主用频段。目前，美军卫星通信用户中，有超过60%的用户使用UHF频段进行通信，各军种部署的UHF频段卫星通信终端超过1.8万台，终端类型超过50种[2]。

自年1978年至今，窄带卫星通信系统经历了从舰队卫星通信系统(FLTSAT)、特高频后继星通信系统(UFO)到MUOS的发展历程[3]。

为了弥补UFO系统通信容量的不足以及战术通信使用便捷化等需求，美国海军的通信卫星项目管理办公室(PMW146)负责开发MUOS项目[4]，并于2004年与洛克马丁公司等签订合同开始研制。

MUOS采用地面第三代移动通信宽带码分多址(WCDMA)技术，利用UHF频段卫星信道在全球范围内提供类似于手机的服务，支持业务类型包括话音、数据和视频等。相比于UFO系统，极大满足了美军窄带数据通信需求。

MUOS系统是美军最新的窄带卫星通信系统，采用了大量先进技术，代表了窄带通信的发展方向。本文介绍了MUOS系统的网络架构，深入分析了其载荷配置、通信流程、复用及多址技术。通过与UFO对比，显示了MUOS在通信容量方面的巨大突破。总结了MUOS的发展现状，希望能对我国的军事卫星通信系统有所借鉴。

1 MUOS网络架构

MUOS由空间段、用户段和地面段三部分组成，MUOS系统网络架构[5-6]如图1所示。地面段除了完成卫星和网络控制外，还提供与国防信息系统网络(DISN)和公共电话交换网络(PSTN)的接口，支持GIG的接入能力。

图1 MUOS卫星网络架构

1.1 空间段

MUOS系统的空间段包括5颗MUOS卫星，位于地球同步轨道，其中4颗主用卫星和1颗备用卫星。MUOS卫星主要功能是完成地面段的网关站与用户终端之间的信号转发。MUOS卫星的UHF频段波束覆盖地球表面的南北纬65°的全球区域。MUOS卫星的发射时间与轨位如表1所示。

表1 MUOS卫星发射日期及轨位

卫星发射时间轨位服务区域MUOS-12012-02-24177°W太平洋MUOS-22013-07-19100°W美洲大陆MUOS-32015-01-2015.5°W大西洋MUOS-42015-09-0275°E印度洋MUOS-52016-06-24105°W备份星目前覆盖美洲大陆

1.2 地面段

MUOS地面段包括2个卫星控制站和4个无线接入站，不同的地面站之间通过光纤网络连接在一起，形成一个统一的网络。卫星控制站和无线接入站主要完成如下4个方面的功能：

① 卫星控制(Satellite Control Facility，SCF)：通过Ka频段和S频段测控链路控制卫星正常运行。② 网络管理(Network Management Facility，NMF)：管理地面网络运行，完成用户接入、资源规划以及干扰定位等功能。③ 无线接入(Radio Access Facility，RAF)：完成馈电链路无线信号的收发。④ 交换管理(Switching Facility，SF)：完成呼叫路由管理。

卫星控制站和无线接入站的位置及功能配置如表2所示。

表2 卫星控制站和无线接入站功能配置

站址卫星控制网络管理无线接入交换管理外部接口加利福尼亚州穆古海军航空站√----科罗拉多施里佛空军基地√----弗吉尼亚诺福克海军基地--√√√夏威夷瓦西阿瓦-√√√√澳大利亚杰落顿--√--意大利Niscemi--√--

1.3 用户段

MUOS的用户段包括便携式、车载、舰载、机载平台使用的各类型终端。MUOS终端采用公共空中接口(CAI)与MUOS卫星建立连接，通过MUOS无线接入站、商用网关连接到商用的移动卫星终端通信。MUOS用户也可以通过DISA电信港与其它军事通信卫星的用户进行通信。

典型终端有通用动力公司研发的AN/PRC-155双通道便携式终端是第一个实现与MUOS卫星通信的终端。哈里斯公司开发的猎鹰III AN/PRC-117G便携式终端[7]基于软件无线电架构，是唯一支持加密算法套件Suite B的战术终端，重量仅为5.4 kg。罗克韦尔公司开发的ARC-210 RT-2063(C)机载终端，其特点是支持传统窄带波形(UFO)、宽带波形(MUOS)及其他多种V/UHF频段通信波形[8]，提供超视距的数据、话音和图像传输。

MUOS终端一般采用JTRS的体系结构，可以对装备到用户的大量UFO终端进行波形升级即可支持MUOS系统。

2 MUOS特点及性能分析

2.1 双载荷配置

UFO卫星发射于1993～2003年之间，目前，大部分卫星已经进入了寿命末期，通信能力已经下降。MUOS卫星配置了2个载荷：一个是新型的WCDMA载荷，另一个是与UFO卫星和UFO终端兼容的传统载荷。这样在MUOS卫星替代UFO卫星的过程中，就保证了窄带卫星通信业务的平稳过渡。在卫星上，2种载荷的通信业务不支持互联互通[9]。

传统载荷与UFO-11卫星兼容，采用下行频段采用244～270 MHz，上行频段采用292～318 MHz，支持17个25 kHz信道和21个5 kHz信道。采用专用信道波形和TDMA波形，比如按需分配多址(DAMA)和集成波形(Integrated Waveform)。资料表明，窄带通信服务一直持续到2025年。

WCDMA载荷使用一副口径为14 m的多波束天线(MBA)收发UHF频段信号,比UFO系统中使用的全球波束天线增益更大。MBA天线在地球表面可视区域形成16个波束，每个波束承载上下行各4个WCDMA载波，每个载波带宽为5 MHz。每个用户在给定的WCDMA载波中分配一个扩频码，实现业务通信。

2.2 双跳通信流程

MUOS的通信链路包括用户链路和馈电链路：用户链路指MUOS终端和卫星之间的通信链路，上行频段为300～320 MHz，下行频段为360～380 MHz；馈电链路指MUOS地面站和卫星之间的通信链路，上行频段为30～31 GHz，下行频段为20.2～21.2 GHz。

MUOS终端之间的典型通信过程为双跳通信[10]，通信流程如图2所示。

图2 MUOS通信流程

MUOS终端的业务数据通过U2B链路[11](包括UHF上行链路①和Ka下行链路②)，经过MUOS卫星的转发实现终端到地面站的通信。在地面站完成路由交换后，业务数据通过B2U链路(包括Ka上行链路③和UHF下行链路④)，经过MUOS卫星转发到终端B，实现双跳通信流程。两次转发可以在同一颗卫星、也可以在不同卫星间转发。若在不同卫星间转发，则需要地面站通过地面网络完成中继。

在U2B链路中，卫星采用处理转发方式对可视区域内的2个地面站实现数据转发[5]。卫星上的MBA天线接收UHF频段16个点波束的64个上行WCDMA载波信号，分为2组，每组32个WCDMA载波，对每组信号完成二次调制后，实现UHF-Ka的转发。2组Ka频段信号转发到MUOS卫星可视区域的2个地面站。

二次调制过程包括AD变换、信道化、去相关、Hadmard变换、量化、Turbo编码与8PSK调制等过程。8PSK的符号速率为384 Msps，3个载波信号采用极化复用方式承载在1 GHz频带内[12]。8PSK信号的频率规划[13]如图3所示。

图3 卫星到关口站的频率计划

在B2U链路中，卫星采用透明转发的方式实现Ka频段UHF频段不同波束的WCDMA载波的转发。地面站的2幅Ka频段天线分别指向2颗MUOS卫星，2条Ka上行链路分别承载32个WCDMA载波。32个WCDMA载波采用FDM的方式承载在Ka上行频段上。

2.3 综合采用多种复用技术

MUOS综合采用码分、时分、频分和空分等多种复用技术，一方面发挥了WCDMA通信体制业务承载灵活的优势，另一方面大大提高了通信容量。

码分复用是WCDMA空中接口的一大特点，主要表现在B2U UHF频段下行链路上，多个用户的业务内容分别承载在不同的扩频码道上，调制到同一个载波并发送给不同的终端用户。

时分复用主要体现在WCDMA空中接口的公共物理信道上，如PRACH信道就是划分了不同的接入时隙，多个用户接入信息可以复用到一条码道上。

频分复用主要体现在B2U馈电链路，地面站把32个WCDMA载波分别调制到Ka上行频段的不同的频点上发送到MUOS卫星。

空分复用，MUOS卫星采用16个UHF频段点波束覆盖，每个点波束可以使用相同的频点、扩频码，通信容量提高了16倍。

2.4 多址接入方式

MUOS卫星数字载荷采用CDMA接入方式，比UFO卫星的TDMA/DAMA体制信道利用率更高。

在UFO卫星中，为了实现按需分配，每个频率信道划分为多个时隙，每个用户占用不同的时隙。为了有效的分配、回收时隙资源，需要专门配置网控时隙传输信令，网控时隙就会占用时隙资源；另外，UFO系统通常为专用网络预留一个转发器或者按需分配多址时隙，这就严重限制了可服务的用户数量。因此，系统中的网络大多以非常低的占空比运行，浪费了大部分容量。

在U2B UHF频段上行链路，终端采用不同的扰码发射上行信号，多个用户共享同一频点。而在B2U UHF频段下行链路，不同点波束使用不同的下行扰码，16个点波束共享4个频点。而加扰只需对发射机的扩频后码片级数据进行异或运算；解扰处理只需对接收机同步后的码片级数据进行异或运算即可。信道的时间、频率利用率可以达到100%。

2.5 通信容量

MUOS每个波束内的每个WCDMA载波有512个码道，除去导频、广播信道等占用18个码字，有494个码字可供用户使用，理论上可支持494个用户同时通信。实际上，WCDMA系统是自干扰系统，原因在于信道化码和扰码并非完全正交，每增加一个用户就会对系统中其他同频用户造成干扰。若所有信道化码都使用时，则由于自干扰，会导致所有用户无法通信。另外，卫星载荷功率是有限的，若所有信道化码都使用，则卫星载荷由于功率耗尽而瘫痪。

根据PMW-146报告，MUOS的WCDMA载荷可同时支持4 083路2.4 kbps话音，其传统载荷可同时支持106路2.4 kbps的话音业务。因此，单颗卫星可同时支持4 189路2.4 kbps话音，即总带宽容量为10.05 Mbps[14]。

在MUOS卫星的同一覆盖区，存在2颗UFO卫星，每颗UFO卫星配置了21个5 kHz信道(可支持1路2.4 kbps话音)17个25 kHz信道[13-14](可同时支持5路2.4 kbps话音)。则2颗UFO卫星的的带宽容量为支持0.51 Mbps。因此，单颗MUOS卫星的通信容量是UFO卫星的近20倍。整个MUOS系统容量为40.2 Mbps，是UFO系统容量的16倍[15]。

另外，MUOS还通过波束重叠覆盖和备用星进一步提高通信容量。在南北纬65°之间超过70%的地区都有2颗卫星覆盖[16]，在波束重叠区域，通信容量加倍，且可以调整业务量实现承载业务量均衡。MUOS系统还配置了备用卫星，根据通信业务需求可以漂移到预定轨位，增加热点地区的通信容量。

3 MUOS发展现状

最为最新一代的卫星移动通信系统，MUOS在系统建设、试验和应用各个方面经历了许多困难。

系统建设方面，卫星发射和地面站建设经过了多次推迟，于2016年完成用户交付，使得整个系统联试时间推迟。首颗卫星的传统载荷于2012年投入使用，到2018年2月，所有MUOS卫星的传统载荷都已投入使用。2016年7月，WCDMA载荷进入了早期作战使用阶段，经过多种业务测试和评估后于2018年7月进入了非作战任务应用阶段。

试验方面，美海军利用MUOS卫星开展了多次通信试验，验证了MUOS波形的通信能力[17]。2013年，使用PRC-155终端采用WCDMA波形经过MUOS-1卫星转发，首次实现了MUOS卫星话音与数据通信[18]。2014年，多次在阿拉斯加地区开展试验，通信时长突破了8 800分钟，最远点到达了89.5°N，突破了MUOS卫星仅能覆盖南北纬65°的设计能力，进一步验证了MUOS卫星为北极地区的提供通信业务的能力[19]。

在试验与应用过程中也发现了诸多问题。一是，终端与波形的集成问题，WCDMA波形做了适应性改变后应用于卫星信道，MUOS波形标准到2014年12月才被批准使用，波形集成需要一个成熟过程；二是地面站联网测试问题，在地面站测试中，发现在态势感知，网络管理、容量、抗赛博攻击方面等问题存在问题，需要进一步完善。

预计到2020年，MUOS进入标准的全球作战应用阶段，具备全系统运行能力。