载波叠加技术的频谱效率分析*

徐 挺，兰 海，孙 勇，张宏江

(1.海能达通信股份有限公司，广东 深圳 154100;2.老挝亚太卫星有限公司，老挝 万象 999012；3.重庆两江卫星移动通信有限公司，重庆401135；4.航天恒星科技有限公司，北京100086；5.中国运载火箭技术研究院，北京100076)

0 引 言

对于卫星通信业务来说，卫星转发器的带宽租赁费用是最重要的一笔运营开支，直接影响业务运行的可行性和盈利能力。转发器的租赁成本取决于业务载波所占用的带宽和功率，因此通过提高业务载波频谱效率以减少单位信道容量所需带宽，从而降低转发器的带宽租赁费用，一直都是整个卫星通信行业技术创新的努力方向。

常规方式是采用高阶调制方式，虽可保证在满足一定信道容量下减少带宽占用量，但需要更高的解调门限值，意味着载波需要更大的功率才能保证足够的信噪比和系统余量。考虑到地面天线口径和功放的规格限制，往往无法有效地使用高阶调制。近年来，在卫星通信领域出现了一种载波叠加技术(Carrier in Carrier,CnC)，可以通过在同一频段上载波重叠的方式实现频率复用，提高了载波频谱效率[1]。理论上，采用CnC技术可以使载波占用的信道带宽节省一半，即频谱效率提升一倍。然而转发器资源是由带宽和功率组成，带宽节省的同时也要保证载波对于转发器功率占用不超额。因此，需要结合实际的应用场景对频谱利用效率进行量化计算分析。

1 载波叠加原理

常规卫星链路都是通过多址接入技术实现两路信号的分离，例如，频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)方式采用不同的载波频率，时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)采用不同的时隙划分，码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)采用特定的扩频码。而CnC则利用卫星通信的独有特点，使双向通信的载波间频率重叠，以实现信道容量的提升。使用CnC技术的前提是，通信卫星采用的是透明弯管转发器，星上只做频率转换和信号放大，不做数据再生和转发器交链等处理，同时需要通信双方所发出的信号能被自己和对方接收。

发射端modem需要将调制载波发送给对端modem的同时保留一份给自己的解调器。两台modem的载波都发到转发器的相同频带上，两台modem下行接收的是一个合成信号，里面包含了每台modem发给对端的载波，因此相当于本端发送的载波对于本段接收而言是干扰载波。载波叠加技术就是要将接收的合成载波中自己发出的载波通过数据处理技术过滤掉，从而提取出对端载波[2]。

由于本端解调器已存有本端载波副本，可以从中提取出频率、相位等信息，对比接收到的下行合成载波，通过跟踪本站的发射时延、频率偏差和相位偏差，在数字域提取出本端发射载波，使用自适应均衡器对其过滤消除，复原成单一的对端发射载波，输出给解调器。由于无法做到完全消除干扰，残留的少量干扰载波就计入噪声造成一部分的信噪比下降。Comtech、Viasat、Novelsat、Newtec等目前主流VSAT(Very Small Aperture Terminal)厂家的基带系统和modem产品，其CnC技术带来的信噪比损失通常都在0.5 dB左右。

2 CnC理想状态下性能分析

香农定理[3]指出：在卫星信道这种白噪声信道中，假设信号功率为S，噪声功率为N，信道带宽为BW，则该信道的最大信道容量C为

(1)

对应的带宽效率可表示为b/s/Hz，即

(2)

式中：S=S0×BW，S0为信号功率谱密度；N=N0×BW，N0为噪声功率谱密度。

2.1 常规信道容量计算

假设在一个信道中，存在两个带宽、功率相同的载波组成一条双向对称的通信链路，其常规频谱如图1所示。

图1 常规频谱图

两个载波将信道带宽一分为二，载波1的带宽为BW/2，功率谱密度为S0，则信号功率为S0×(BW/2)=S/2，噪声功率为N0×(BW/2)=N/2。此时，载波1的信道容量C1为

(3)

同理，载波2的信道容量C2为

(4)

此时，双向链路的信道总容量C为

(5)

频谱效率为

(6)

2.2 CnC信道容量计算

同样在一个信道中，存在两个带宽、功率相同的载波组成一条双向对称的通信链路，当采用CnC技术后，其频谱如图2所示。

图2 CnC频谱图

此时，两个载波共享同一信道带宽，而将功率一分为二，载波1的带宽为BW，功率谱密度为S0/2，则信号功率为(S0/2)×BW=S/2，噪声功率为N0×BW=N。此时，载波1的信道容量C1为

(7)

同理，载波2的信道容量C2为

(8)

此时，双向链路的信道总容量C为

(9)

频谱效率为

(10)

2.3 常规与CnC的信道容量对比

对比式(5)和式(9)可以看出，CnC信道容量比常规多了一个0.25S2/N2，该项为正值，表明采用CnC技术获得的信道容量肯定比常规的高。根据目前卫星通信通用的DVB-S2标准，其支持的最高调制编码方式可达32APSK 9/10，对应的信噪比解调门限约为16 dB。以该值为上限，表1给出了在理想情况下不同信噪比对应两者的频谱效率。

表1 常规方式与CnC技术频谱效率

从表1中可看出，理想情况下,CnC技术在卫星链路中相比常规方式可以获得最高63.93%的信道容量提升。

3 CnC实际应用性能分析

卫星转发器资源由带宽和功率组成，根据不同的应用场景，实际的信道是分为带宽受限、功率受限和功带平衡三种状态。此外，由于卫星是非线性信道，当只存在一个载波时，转发器可以工作在饱和点，通常会考虑预留0.5～1 dB回退避免功率波动和相位失真；而当存在多个载波时，转发器需要功率回退3 dB以上至线性点以避免载波间互调干扰[4]。此时，需要考虑两大带宽载波分别占用两整转发器和两小带宽载波占用同一转发器的两种情况。由此，可以列出四类不同的应用场景：场景1，同转发器的SCPC链路信道；场景2，两整转发器的SCPC链路信道；场景3，同转发器的TDM/TDMA链路信道；场景4，两整转发器的TDM/TDMA链路信道。

针对各个不同的应用场景，需要独立分析其信道组成和原理，计算常规方式下和采用CnC技术后的带宽效率，从而得出CnC技术所带来的频谱效率提升能力。

3.1 场景1分析

对于同转发器的SCPC链路信道，当两地面站的系统配置如天线口径和功放规格等能满足上行功率要求，两载波的功率谱密度可使信道保持在功带平衡状态，即载波占用的转发器带宽和功率占比相同[5]。此时，转发器功率回退3 dB，得到常规方式下载波频谱如图3所示。

图3 同转发器常规SCPC频谱

载波1的带宽为BW/2，功率谱密度为S0/2，则信号功率为S0/2×(BW/2)=S/4，噪声功率为N0×(BW/2)=N/2。此时，载波1的信道容量C1为

(11)

同理，载波2的信道容量C2为

(12)

此时，双向链路的信道总容量C为

(13)

频谱效率为

(14)

而当采用CnC技术后，需要在转发器功率回退3 dB的同时再加上0.5 dB的干扰消除损耗，此时的载波频谱如图4所示。

图4 同转发器CnC SCPC频谱

载波1的带宽为BW，功率谱密度为S0/4，则信号功率为(S0/4)×BW=S/4,噪声功率为N0×BW=N。此时，载波1的信道容量C1为

(15)

同理，载波2的信道容量C2为

(16)

此时，双向链路的信道总容量C为

(17)

频谱效率为

(18)

此时可以求出不同信噪比下两者的频谱效率,如表2所示。

表2 场景1频谱效率

从表2中可看出，对于SCPC链路，当处于功带平衡状态且整转发器信道总信噪比大于0 dB时，随着信噪比的增加，CnC技术相比常规方式所带来的频率效率提升能力也随着增加，最高可获得50.47%的信道容量提升。

3.2 场景2分析

对于两整转发器的SCPC链路信道，当两地面站的系统配置如天线口径和功放规格等能满足上行功率要求，两载波的功率谱密度可使信道保持在功带平衡状态，即载波占用的转发器带宽和功率占比相同[6]。此时，由于每个转发器都只存在一个载波，功率仅需回退0.5 dB即可，得到常规方式下载波频谱如图5所示。

图5 两整转发器常规SCPC频谱

载波1的带宽为BW，功率谱密度为S0，则信号功率为S0×BW=S，噪声功率为N0×BW=N。此时，载波1的信道容量C1为

(19)

同理，载波2的信道容量C2为

(20)

此时，两整转发器对应的一条双向链路的信道总容量C为

(21)

由于两个载波的参数状态完全一致，因此其频谱效率为

(22)

而当采用CnC技术后，在两整转发器分别发两载波进行叠加，占用与常规方式相同的两整转发器带宽。但由于每个转发器都存在两载波，需要功率回退3 dB的同时再加上0.5 dB的干扰消除损耗，此时的载波频谱如图6所示。

图6 两整转发器CnC SCPC频谱

在一个转发器中，载波11的带宽为BW，功率谱密度为S0/4，则信号功率为(S0/4)×BW=S/4,噪声功率为N0×BW=N。此时，载波11的信道容量C11为

(23)

同理，载波12的信道容量C12为

(24)

此时，两整转发器对应的两条双向链路的信道总容量C为

(25)

由于两两转发器上的四个载波的参数状态完全一致，因此其频谱效率为

(26)

此时可以求出不同信噪比下两者的频谱效率，如表3所示。

表3 场景2频谱效率

从表3中看出，对于两整转发器的SCPC链路，常规方式可以充分利用转发器的功率资源，频谱效率很高，且仅需要2台modem发送2个载波建立一条双向通信链路实现。而采用CnC技术，需要4台modem在两转发器发送4个载波建立两条双向通信链路实现，由于每个转发器都存在2个载波，需要功率回退3 dB，加上0.5 dB的干扰消除损耗，因此无法有效利用转发器的功率资源，其频谱效率在低信噪比时不如常规方式高。但由于其独特性和技术优势，在整转发器信道总信噪比大于10 dB以上，CnC依然相比充分利用转发器功率资源的常规方式能小幅提升其频谱效率。

场景1和场景2都是针对功带平衡状态下的计算分析得出CnC技术相比常规方式所带来的的频谱效率的提升性能，但在实际应用场景中也可能存在一个载波功率占用少而处于带宽受限状态，另一个载波处于功带平衡状态的情况，使两载波在转发器上的总功率占比低于总带宽占比[7]。此时，CnC可以充分发挥其技术优势将剩余的功率利用起来，从而提升其频谱效率，其效率提升能力同样需要根据两载波的实际信噪比情况计算得出。

3.3 场景3分析

对于同转发器的TDM/TDMA链路信道，通常中心站的系统配置如天线口径和功放规格很高。为了保证远端站能正常的接收到其发出的出境TDM载波，通常会将TDM载波的功率谱密度发得很高，加上本身的载波带宽也很大，因此TDM载波在信道中属于功率受限。远端站由于天线口径和功放规格限制，其入境TDMA突发载波的功率谱密度通常会发得很低，仅供中心站正常接收即可，因此TDMA载波在信道中属于带宽受限。同时，为降低远端站的上行发射功率，通常会对一个TDMA突发载波拆分成多个MF-TDMA突发载波[8]。比较常见和典型的应用场景，在同转发器的一条常规TDM/TDMA链路中，在转发器功率回退3dB后的剩余功率中，TDM连续载波功率约占90%，而多个MF-TDMA突发载波总功率约占10%。此处，以一个TDM连续载波和两个MF-TDMA突发载波为例，其载波频谱如图7所示。

图7 同转发器常规TDM/TDMA频谱

载波1的带宽为BW/2，功率谱密度为0.9S0，则信号功率为(0.9S0)×(BW/2)=0.45S，噪声功率为N0×(BW/2)=0.5N。此时，载波1的信道容量C1为

(27)

载波2的带宽为BW/4，功率谱密度为0.1S0，则信号功率为(0.1S0)×(BW/4)=0.025S，噪声功率为N0×(BW/4)=0.25N。此时，载波2的信道容量C2为

(28)

同理，载波3的信道容量C3也为

(29)

此时，双向链路的信道总容量C为

C=C1+C2+C3=

(30)

频谱效率为

(31)

而当采用CnC技术后，在转发器功率回退3 dB的同时，中心站在接收各MF-TDMA载波时,还需考虑0.5 dB的干扰消除损耗。而远端站在接收TDM载波时，由于TDM载波功率谱密度远高于MF-TDMA载波，且modem设备设计简单，因此不再对自身发出的TDMA载波进行干扰消除而直接接收TDM载波。此时，自身发出的TDMA载波会作为干扰信号连同白噪声共同影响其接收的TDM载波的信噪比。从频谱中看，TDM载波和TDMA载波相比常规方式下其功率谱密度都小了一半,此时的载波频谱如图8所示。

图8 同转发器CnC TDM/TDMA频谱

载波1的带宽为BW，功率谱密度为0.45S0，则信号功率为0.45S，噪声功率为N0×BW=N。干扰信号功率为0.05S0×BW=0.05S。此时，载波1的信道容量C1为

(32)

载波2的带宽为BW/2，功率谱密度为0.05S0，则信号功率为(0.05S0)×(BW/2)=0.025S，噪声功率为N0×(BW/2)=0.5N。此时，载波2的信道容量C2为

(33)

同理，载波3的信道容量C3也为

(34)

此时，双向链路的信道总容量C为

C=C1+C2+C3=

(35)

频谱效率为

(36)

此时可以求出不同信噪比下两者的频谱效率,如表4所示。

表4 场景3频谱效率

从表4中可看出，占用同转发器的TDM/TDMA链路，使用CnC技术相比常规方式能带来频谱效率的提升，但是提升能力并不一直随整转发器信道总信噪比的增加而增加。当信道信噪比超过10dB以后，其频谱效率提升的幅度反而开始减少。此外，整体增加的幅度也没有同转发器下SCPC链路的大[9]。归其原因是远端站在接收出境TDM载波时未对自身发出的入境TDMA干扰载波进行干扰消除。当信道总信噪比不断增加，其TDMA载波信噪比也随之增加，变成干扰信号后对其接收的TDM载波的载噪比的影响也随之增加，从而影响出境信道容量的增加，整体拖累了整条双向通信链路的总信道容量和总频谱效率。

3.4 场景4分析

常规方式下，对于两整转发器的TDM/TDMA链路信道，当中心站的系统配置如天线口径和功放规格等能满足上行功率要求，可使一个出境TDM连续载波带宽占用整个转发器，而转发器功率仅需回退0.5 dB即可，因此出境信道处于功率受限状态。而对于远端站由于系统配置受限，在另一个转发器发送多个MF-TDMA突发载波，占用整转发器带宽而功率占用极少，因此入境信道处于带宽受限状态。以TDM信道转发器功率回退0.5 dB、TDMA信道转发器功率回退10 dB为例，常规方式下载波频谱如图9所示。

图9 两整转发器常规TDM/TDMA频谱

载波1的带宽为BW，功率谱密度为S0，则信号功率为S0×BW=S，噪声功率为N0×BW=N。此时，载波1的信道容量C1为

(37)

载波2的带宽为BW/2，功率谱密度为0.1S0，则信号功率为(0.1S0)×(BW/2)=0.05S，噪声功率为N0×BW/2=N/2。此时，载波2的信道容量C2为

(38)

同理，载波3的信道容量C3为

(39)

此时，两整转发器对应的一条双向链路的信道总容量C为

C=C1+C2+C3=

(40)

频谱效率为

(41)

而当采用CnC技术后，在两整转发器分别发一个TDM载波和多个TDMA载波进行叠加，占用与常规方式相同的两整转发器带宽。同样转发器提前功率回退3 dB，TDM载波再加上0.5 dB的干扰消除损耗，TDMA载波再加上自身发出的干扰信号损耗，此时的载波频谱如图10所示。

图10 两整转发器CnC TDM/TDMA频谱

载波11的带宽为BW，功率谱密度为0.45S0，则信号功率为0.45S，噪声功率为N0×BW=N，干扰信号功率为0.05S0×BW=0.05S。此时，载波11的信道容量C11为

(42)

载波12的带宽为BW/2，功率谱密度为0.05S0，则信号功率为(0.05S0)×(BW/2)=0.025S，噪声功率为N0×(BW/2)=0.5N。此时，载波12的信道容量C12为

(43)

同理，载波13的信道容量C13也为

(44)

同理，C21=C11，C22=C12，C23=C13。

此时，两整转发器的两条双向链路的信道总容量C为

C=C11+C12+C13+C21+C22+C23=

(45)

频谱效率为

(46)

此时可以求出不同信噪比下两者的频谱效率，如表5所示。

表5 场景4频谱效率

从表5中可看出，对于占用两个整转发器的两条双向TDM/TDMA链路，使用CnC技术相比常规方式所带来的频谱效率提升性能跟占用同一转发器的单跳TDM/TDMA链路相同。其原因是在常规方式中采用的典型值为两个场景的TDMA载波功率谱密度都为0.1S0，而场景3中TDM载波为0.9S0，场景4中TDM载波为S0回退0.5 dB，即S0×100.5/10，也约为0.9S0。因此，无论是在一个还是两个转发器，TDM载波和TDMA载波的带宽和功率占比都是相同的[10]。

而在CnC方式中，由于场景4的TDM载波和TMDA载波在单个转发器中的带宽功率占比和场景3的完全相同，只是为了使信道容量翻倍，因此两个应用场景只是形式不同，但计算结果完全相同，但如果场景4中TDM载波的功率回退大于0.5 dB，或两个场景中TDM载波和TDMA载波的带宽功率占比不同，则两个场景的常规方式和CnC方式对应的频谱效率也不同，CnC带来的性能提升值也相应不同。但可以看出，若在常规方式下远端站的系统配置稍微提升，使其入境TDMA载波功率有所提升，转发器功率回退能少于10 dB，其最终的频谱效率甚至可能会比使用CnC技术后的更高。

场景3和场景4都是针对TDM载波处于功率受限状态和TDMA载波处于带宽受限状态下的计算分析，得出CnC技术相比常规方式所带来的频谱效率的提升性能，但在实际应用场景中，TDM载波和TDMA载波在转发器中的带宽和功率占比根据不同的情况有很多种的组合，也可能存在TDM载波的带宽占比小于功率占比，TDMA载波的带宽占比大于功率占比的情况，因此还需要根据实际情况展开分析[11]。

4 CnC性能总结分析

根据上述四种典型应用场景的常规和CnC技术的频谱效率比较，可以得出CnC技术在不同应用场景中的频谱效率提升性能，如表6所示。

表6 CnC技术在不同应用场景中的频谱效率

从表6中可以看出，除了同转发器的SCPC链路，其他的应用场景中使用CnC技术所带来的频谱效率提升性能和理论性能存在这较大的差异，其主要原因有以下几点：

(1)同转发器的SCPC链路

常规方式和CnC方式处于相同的信道条件，都是转发器功率回退3 dB，因此CnC的频谱效率提升性能接近理论性能。但是由于CnC技术存在的干扰消除损耗给信噪比带来0.5 dB的损失，从而导致其频谱效率提升性能小幅下降。

(2)两整转发器的SCPC链路

常规方式下，两整转发器中的SCPC载波都能达到0.5 dB功率回退的功率谱密度，基本充分利用了转发器的功率资源[12]。而CnC方式下，由于每个转发器都存在两个叠加的载波，因此都需要3 dB的功率回退，每条双向通信链路相比常规方式下低了2.5 dB的信号功率。此外，考虑到每条链路中都有0.5 dB的干扰消除损耗，相当于每条链路总共比常规方式低了3 dB。因此，在信道信噪比低于10 dB时使用CnC技术得到的频谱效率还不如常规方式的高，但随着信噪比的增加，CnC的技术优势逐渐体现，也能实现小幅的频谱效率提升。

(3)TDM/TDMA链路

尽管常规方式和CnC方式处于相同的信道条件，转发器功率回退3 dB，但信号处理方式却不同于SCPC链路。SCPC链路中两个载波互相自消除，只有0.5 dB的信噪比损失。而在TDM/TDMA链路中，中心站接收TDMA载波会对自身发出的TDM载波自消除造成0.5 dB的信噪比损失，但远端站接收TDM载波时并不对自身发出的TDMA载波自消除。在信道信噪比低于10 dB时，干扰功率不大，因此CnC技术带来的频谱效率提升随信噪比的增加而增大。当信噪比超过10 dB的界限值后，随信噪比的增加，干扰功率的影响幅度越来越大，导致CnC技术的频谱效率提升性能开始降低[13]。

通过数据比对可以得出，CnC技术在和常规方式相同的SCPC链路信道条件，或者在载波功率占比低于带宽占比的条件下，可以发挥出接近理论的性能；而当载波占用整转发器时CnC方式的功率利用率不如常规方式，以及在TDM/TDMA链路中，CnC技术无法做到对TDMA载波自消除造成严重的信噪比下降，导致CnC技术的性能优势不能充分体现。因此，CnC技术不利于用在载波占用整转发器场景和TDM/TDMA链路场景。

5 结束语

通过对不同应用场景中载波叠加技术和常规方式的频谱效率的计算和对比，可以看出此技术在不同应用场景中体现出较大差异的性能。载波叠加技术看似性能很优异，但在实际应用中却不能有效适应各种应用场景和充分发挥其技术优势。此外，目前该技术授权费用十分昂贵，且随带宽速率的增加而大幅提升，甚至远超modem本身的费用，若节省下来的带宽租赁费用不及授权费用高，实属不划算。

载波叠加技术的利用可根据其在不同场景中的性能差异分析，在建立一条通信链路前，先结合实际的地面系统配置情况、通信组网方式、网络规模、带宽需求量和业务周期，进行前期的计算和测试，预估载波叠加技术能带来的带宽节省量和频谱效率提升能力，从而判断是否有使用该技术的必要性。应避免由于缺乏对于载波叠加技术的实际频谱效率分析，盲目将其应用在各场景，最终导致成本不降反升的情况发生。