通信转发器级联传输特性分析与混合转发灵活应用*

石 荣，陈俊豪，马 达

（电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036）

0 引言

在卫星通信与微波接力通信等远距离传输应用中广泛使用各种转发器[1-4]，按照不同的分类标准转发器可划分为不同的类别[5]。根据转发过程中是否采用数字信号处理器件，可分为模拟转发器与数字转发器；按照是否对转发的信号进行解调解码与再编码调制，又可划分为透明转发器与再生转发器，其中，再生转发器也称为处理转发器。目前工程应用中既有模拟的透明转发器，也有数字的透明转发器，其一般通过上下变频器和各种形式的中频交换矩阵来完成信号的频段搬移，不对信号做其他方面的处理，所以当信号调制编码方式等物理层参数改变时对透明转发器没有影响，具有一定的灵活性，但由于缺乏进一步的码流比特级的操作，透明转发器在业务交换控制、转发传输性能等方面受到一定的限制。再生转发器一般为数字转发器，先将信号下变频至基带，进行解调译码和其他处理，再将基带数字码流实施编码调制与上变频，经功率放大之后通过天线发射。再生转发器与透明转发器相比，其最大区别就是信号经过了解调译码与再次编码调制，这不仅为链路层与网络层的操作创造了条件，而且也消除了转发器接收端所引入的噪声，进一步提升了系统的传输性能。虽然再生转发器具有这些优点，但同时也意味着其与信号调制编码方式紧密关联耦合，难以适应通信标准与通信协议的发展更新，所以在使用的灵活性方面又不如透明转发器[6]。

尽管部分文献对透明转发器与再生转发器的上述特点进行过归纳总结[7-9]，但是对二者在级联通信传输中的特性对比分析并不深入。针对这一情况，本文从信息论的视角出发，先概述多条链路的不同级联传输方式，然后分别对通过透明转发与再生转发级联多条链路的信道容量进行对比分析，并利用分析结果提出在透明转发级联链路中采用分段再生转发的全新方式来改善级联转发通信的性能。此外，在此基础上利用数字信道化技术设计具有透明转发与再生转发相结合的混合转发通信系统架构，并提出在高通量通信卫星中对信令信号进行再生转发、对业务信号进行透明转发的全新混合转发模式，较好地实现了卫星通信传输性能与工程实现复杂度之间的平衡，同时也为下一代卫星通信传输系统的设计与应用提供了新的参考。

1 多条链路级联转发的主要方式

在传统的通信传输网络中多条链路级联转发的方式主要有透明转发级联与再生转发级联两种。本文以典型的卫星通信网络为例。在透明转发级联中通过M-1 个透明转发器将M条链路级联起来的应用场景如图1 所示，其中首尾两条链路为星地链路，即第1 条是从地面终端A 至通信卫星的上行链路，第M条是从通信卫星到地面终端B 的下行链路，而第2 条至第M-1 条是各颗通信卫星之间的星间链路。

图1 通过M-1 个透明转发器级联的M 条卫通链路

如果将图1 中的M-1 个透明转发器更换为再生转发器，则通过再生转发级联的M条链路进行信息传输的场景如图2 所示。

图2 通过M-1 个再生转发器级联的M 条卫通链路

在上述M条链路中，记第i条链路发射端的发射机输出功率为PT,i，天线增益为GT,i，接收端的天线有效接收面积为AR,i，收发两端之间的距离为dTR,i，i=1,2,…,M。于是接收端天线输出的信号功率为：

由式（1）可知：当第i条链路中PT,i、GT,i、AR,i和dTR,i确定之后，接收端的SP,i也是一个定值，于是第i条链路的信道容量CS,i由香农公式表示为：

式中：NP,i为接收端处带宽WΔ内的噪声功率。由此可见：在WΔ取值一定的情况下，决定第i条卫星通信链路信道容量CS,i大小的关键因素在于接收端天线输出口处的信噪比SP,i/NP,i[10]。

式（2）描述了单条链路的信道容量计算方法，按照前述两种转发级联方式，M条链路通过透明转发级联和通过再生转发级联的最终信道容量的计算过程与传输特性接下来继续分析。

2 转发级联的信道容量与传输特性

2.1 透明转发级联的信道容量计算

在如图1 所示的透明转发级联应用中，记M条链路总的信道容量为CTrans,M，则透明转发级联信道容量计算公式为：

式中：αi为第i条链路接收端信号带内总功率SP,i+NP,i与信号功率SP,i的比值。αi的计算方法为：

为了证明式（3）成立，首先使用数学归纳法证明如下的引理。

引理：M条链路经过透明转发级联之后，在最后一个接收端B 处综合形成的信号带内总功率与真正的信号成分功率的比值等于每一条链路各自独立功率比值的连乘积，即有式（5）成立。

式中：Stotal,M与Ntotal,M分别为信宿处地面终端B 接收天线后端真正的信号成分功率与综合的噪声成分功率。

证明：当M=2 时，图1 简化为2 条链路通过1个透明转发器进行级联接续传输，这是最典型也是最简洁的卫星通信形式，如图3 所示。

图3 通过1 个透明转发器级联的两条卫通链路

图3 中链路2 发射端所发射的信号实际上是链路1 接收端所接收到的信号变频放大的结果，这就意味着：链路1 接收端的噪声成分同样也会出现链路2 的发射信号之中。于是地面终端B 接收天线后端真正的信号成分功率为：

同样，地面终端B 的接收天线后端综合的噪声成分功率为：

于是最终地面终端B 处接收天线后端的信号带内总功率与真正的信号成分功率的比值为：

对比式（8）与式（5）可知：在M=2 时定理成立。

假设M=K-1，K≥3 时，式（5）成立，即：

那么在M=K时地面终端B 接收天线后端真正的信号成分功率为：

同样，地面终端B 的接收天线后端综合的噪声成分功率为：

由式（12）可知在M=K时式（5）成立，于是由数学归纳法可知：式（5）在M≥2 的任何正整数时均成立，证毕。

由香农信道容量公式可知：M条链路通过M-1个透明转发器级联后的最终信道传输容量为：

对式（13）等号右端括号中的部分进行恒等 变换：

将式（15）代入式（13）即可证明式（3）成立。

2.2 再生转发级联的信道容量计算

相对于透明转发级联而言，如图2 所示的再生转发级联应用的相关计算则要简洁很多，记M条链路总的信道容量为CRegen,M，则再生转发级联信道容量的计算公式为：

由式（16）可知：再生转发级联信道容量等于各条链路各自信道容量的最小值。这主要是因为再生转发器没有噪声积累效应，在每一条链路的接收端都进行了解调解码，及时消除了各条链路上的噪声累积，使得纯粹的信号能得到提炼保留，从而可以在下一次转发中将发射机的所有功率全部分配给信号，这也是再生转发优于透明转发的重要原因。2.3节将叙述关于二者在传输特性上的差异定量分析。

2.3 透明与再生转发级联的传输特性对比

由前述分析可知：透明转发级联的最终信道容量由式（3）表达，再生转发级联的最终信道容量由式（16）表达，为了对二者进行对比，假设M条链路中具有最小接收信噪比的是第L条链路，即有式（17）成立。

式（21）表明：M条链路通过图1 所示的透明转发器进行级联的最终信道容量CTrans,M一定小于图2 所示的再生转发器进行级联的最终信道容量CRegen,M。而且由式（18）可知：在最小接收信噪比链路确定之后，随着链路级联数目的递增，虽然SP,L/NP,L保持不变，但是Stotal,M/Ntotal,M与SP,L/NP,L之间的差值会进一步加大，这也就意味着CTrans,M比CRegen,M小得更多。实际上从工程应用的角度讲，透明转发过程中不仅将前一级链路中的信号成分进行了转发，而且对其中的噪声成分也同样进行了转发，随着转发过程中噪声成分的逐级积累，会使得最终信噪比不断降低，从而导致透明转发级联的信道容量骤降。

3 新的应用方式：透明与再生混合转发

由前述理论分析可知，在相同的接收信号信噪比条件下卫星通信传输采用再生转发器级联比采用透明转发器级联的信道容量要大。但是，一方面，星载再生转发器也面临复杂度高、功耗大、成本高、使用灵活性与可靠性不如透明转发器等问题；另一方面，星载解调解码器的容量与速率是无论如何都赶不上地面用户的解调解码器的，所以这也是，截至目前全部采用再生转发的高通量通信卫星极少，卫星通信的工程应用仍然以透明转发为主的重要原因。随着技术不断进步与电子器件集成度的提高，再生转发器的数量在未来的通信卫星上会进一步增加，但鉴于透明转发与再生转发各有各的优点，所以未来的发展趋势一定是透明转发与再生转发混合使用的局面，这两种转发方式随着不同应用其混合的方式也各不相同，比较典型的设计如下文所述。

3.1 在透明转发级联中采用分段再生转发

在由多条链路组成的透明转发级联传输中分段间隔将透明转发器替换为再生转发器，以此来消除透明转发所引起的噪声积累效应，这一改进之后的混合转发应用方式如图4 所示。

图4 在透明转发级联链路中采用分段再生转发

假设图4 中插入的γ个再生转发器将M-1-γ个透明转发器分成了γ+1 段，在每一段中为纯粹的透明转发级联子链路，而各个分段之间通过再生转发进行连接。按照前述分析，总共γ+1 段透明转发级联子链路的信道容量可参照式（3）进行计算，分别记为CTrans,j，j=1,2,…γ+1，再由式（16）可知，图4 所示的M条链路级联中最终的信道容量为：

由此可见，在转发器总数量保持不变的情况下，通过在多条链路组成的透明转发级联链路中分段间隔将透明转发器替换为再生转发器的方法，能够在一定程度上提升最终的信道容量，改善传输性能。当然提升的量级由替换的再生转发器的数量与具体位置决定，可通过式（22）计算并评估各种替换方案的传输性能，从而优化选取其中的最佳替换方案进行实际应用。

3.2 基于数字信道化技术的全新混合转发器

目前已有的数字信道化透明转发器首先将信号下变频至中频，采用高速宽带模数转换器（Analogto-Digital Converter，ADC）对中频信号进行数字采样后，通过数字信道化滤波处理实现信号的交换与频段搬移，从而形成新的数字中频信号；然后通过高速宽带数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）将数字中频信号转换成模拟中频信号，再上变频至射频，经功率放大之后对外发射。显然这一数字信道化透明转发器能够随时在数字域调整信号的交换关系，完全替代了传统的模拟透明转发器。如果在此基础上将数字中频信号搬移至基带，插接基带解调译码数字模块、其它功能的数字码流处理模块、以及编码调制数字模块，然后将处理后的基带信号数字上变频至数字中频。这样一来，就相当于在数字透明转发的过程中插入了再生转发的功能，采用如此设计的数字信道化转发器既可以用于透明转发，也可以用于再生转发，其使用的灵活性与传输的高效性将得到极大地提升。这种兼顾了透明转发与再生转发的数字信道化混合转发器功能模块组成框图如图5 所示。

由图5 可见，通过数字信道化混合转发器的设计能够很好地将透明转发功能与再生转发功能有机地结合在一起，从而形成一个集二者优势于一体的多功能混合转发器。在将接收信号数字化之后，对一部分信号进行透明转发，对另一部分信号进行再生转发，不仅能够根据星载设备的资源与负荷量进行灵活分配与调度，而且转发交换的关系与路由选择等操作都由其中的转发交换策略控制器进行综合选择控制。此外，上述架构也为信号带内随路信令的传输与处理提供了极大的方便，只要将其中的再生转发通道切换至对应的带有随路信令的信道之后，就可以实时提取随路控制信令，为转发交换策略控制器提供额外的控制功能指示。例如，跳波束切换、转发信号的功率控制、路由选择等，从而为DVB-S2X 与DVB-RCS2 等新一代卫星通信协议标准的实现奠定了基础[11-12]。

图5 兼具透明与再生转发的数字信道化混合转发器

3.3 混合转发器在高通量卫星中的应用

目前进入实际应用的同步轨道高通量卫星大多采用多点波束方式来提升星地链路的等效全向辐射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP），从而为频谱的空间复用与大容量传输创造了条件[13]。另一方面，在最新版本的卫星通信DVB-S2X 协议标准中也引入了各种格式的超帧来实现高通量卫星的点波束跳变通信传输[14]。为了提高频谱效率，高通量卫星的业务数据通常采用高阶调制，以DVB-S2X 为例，其在原有DVB-S2 标准的基础上增加了64 振幅相移键控（64 Amplitude Phase Shift Keying，64 APSK）、128APSK、256APSK等3 种高阶调制[15]，使得最大频谱效率接近于8 bit/Hz。在相同信噪比条件下，采用高阶调制时单个透明转发器与单个再生转发器相比，其频谱利用率如图6 所示，图中所绘曲线假设转发器级联的两条链路具相同的信噪比应用条件，其中实线为单个再生转发器的频谱利用率，从理论上讲其可以无限逼近香农限，虚线为单个透明转发器的频谱利用率。

图6 单个再生转发器与透明转发器的频谱利用率

将图6 中的二者的频谱利用率以再生转发器为参照做归一化处理后进行对比如图7 所示。

图7 二者频谱利用率的归一化对比

由图6 和图7 可知，随着调制阶数的增加，所要求的信噪比也随之提高，透明转发器的频谱利用率与再生转发器的频谱利用率之间的差距也越来越小，这也说明在高阶调制传输应用中，透明转发器相对于再生转发器来讲其性能损失也会减小，如此一来，针对不同信号进行差异化转发的混合转发器应用优势也就比较明显了。

如前文所述，DVB-S2X 协议标准中超帧的引入为随路信令的传输与点波束快速切换提供了条件，兼具透明与再生转发的混合转发器在这样的通信系统中将具有更加灵活的应用方式。由上述分析可知：混合转发器中的随路信令数据量小，一般采用低阶调制和低码率编码，适合于星载解调解码和再生转发，同时解调解码之后的随路信令也为星载路由交换提供了控制来源；而业务信号数据量大，通常采用高阶调制与高码率编码，适合于星载透明转发。混合转发器降低了星载电子设备的工程实现复杂度，在确保一定的转发性能要求的情况下，转发器的灵活性与随通信协议不断升级换代的持续性也得到了保证；同时这也为基于混合转发器的多级链路级联提供了更加灵活的选择。

4 结语

本文从信息论的视角出发，在理论上推导了透明转发级联传输与再生转发级联传输的信道容量计算方法，给出了透明转发级联中的噪声累积效应与传输容量恶化之间的定量关系，展示了再生转发级联所具有的优良传输性能。尽管如此，但由于透明转发器与再生转发器都具有各自难以替代的优点，也同时具有自身的不足，所以将二者有机组合在一起的混合转发便成为工程应用的新方向。针对这一发展趋势，本文又给出了在透明转发器级联中采用分段再生转发，以及基于数字信道化技术的分路混合转发两种具有代表性的混合转发方式。并展示了混合转发在高通量卫星中的多种应用方式，从而为新一代卫星通信系统的设计提供了重要参考。实际上，混合转发不仅能够在卫星通信网络中应用，也可以在地面与空中微波接力通信中应用，并能做到传输性能、调度灵活性与实现复杂度等多方面的平衡，将成为后续工程应用的新方向。