VDE-SAT系统通信信道研究

王剑 钱玉璧 孙彦龙 司晓龙 李俊成

（上海航天电子通讯设备研究所 上海市 201109）

目前，AIS（Automatic Identification System，自动识别系统）通信系统被广泛应用于海洋船舶交通安全、跟踪和管理，但随着船舶规模不断的扩增，AIS 系统的负载数量增多，导致AIS 系统的消息碰撞越来越严重。2013年以来，国际海事组织、国际航道标志协议和国际电信联盟的联合号召下，推动VDES（VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统）系统的研究和设计。交通部规划三个阶段完成VDES 通信系统的部署和使用，第一阶段从2021年～2023年，开展VDES 岸基示范工程建设，暂作为AIS 网络的备用网络；第二阶段从2023年～2024年，增加VDES 基站数量，实现VDES 跨站数据交互，提高系统容量，增强系统服务；第三阶段2025年及以后，拓展VDES 应用服务，拓展4G、卫星链路等备用链路，改进系统网络架构，提高系统服务。

VDES 技术标准在IALA G1139有详细的定义和说明，作为ITU-R M.2092-0的唯一输入文稿，技术标准文件对ASM、VDE-TER 和VDE-SAT 通信系统的物理层、链路层、网络层、传输层进行的定义，其中最核心的是物理层和链路层标准协议，目前VDE-SAT 技术标准还在修订和完善中。VDES 系统包括了AIS、LAIS（Long AIS，远距离AIS）、ASM（Application Specific Message，特殊报文信息）和VDE 系统，VDE 系统又包括基于地面岸基基站的VDETER 系统和基于卫星的VDE-SAT 系统。VDE-SAT 卫星时运行在低轨轨道，其覆盖范围广、部署成本低，低轨卫星星座的建设可实现全球范围内全天候、全天时的通信，作为地面VDE-TER 系统的补充，在远海等特殊地区通信有着重要的战略意义。

VDE-SAT 系统支持双工通信，采用Turbo 码技术，可以实现更低的接收灵敏度，增强系统的接收能力。VDE-SAT通信系统上下行链路都使用了多种速率，在VDES 技术标准中定义为Link ID（不同的LinkID 物理层参数设置不一样，包括调制方式、编码率、扩频方式等），链路层根据信道质量动态使用不同的Link ID，从而达到自适应编码调制技术，提高信道容量。

为了分析VDE-SAT 系统的覆盖性能，本文从信道模型、链路分析、通信覆盖三个方面介绍了VDE-SAT 系统通信信道，该方法作为分析VDE-SAT 系统通信信道的普适方法，对VDE-SAT 系统的研究和设计有着重要的指导意义。

1 信道模型

1.1 覆盖模型

通信信道在无线通信系统的设计和研究的过程中，起着重要的作用。低轨卫星通信与地面通信信道有着巨大的差异，低轨卫星运动速度和视线距离变化快，覆盖时间有限，不仅影响物理层帧及保护时隙的设计，还影响协议层通信链路的建立、信道资源分配等。

图 1 为卫星覆盖示意图，假设卫星飞行的轨道面为圆形，其中卫星的天线为八木天线，在VDES 技术标准中，天线采用斜装的安装方式，即天线法线与地球表面相切，覆盖如图 1 左侧卫星1 所示，图 1 右侧卫星2 为天线正装覆盖图。

图1 ：VDE-SAT 系统通信覆盖模型

图1 中α 表示终端的通信仰角（即水平线与终端-卫星连线），β 表示终端-卫星连线与卫星-地心连线的夹角（通信时的天线张角，单位°），β为天线有效张角，θ 为终端-地心连线与卫星-地心连线的夹角（即地心角，单位°），r为地球半径（一般为6371km），h 为轨道高度（VDES 技术标准中推荐轨道高度为600km），v 为卫星运动速度（单位km/s）。

表1：VDE-SAT 通信频段

表2：逻辑信道与物理信道映射关系

表3：PFD 与通信仰角的对应关系

根据圆形轨道卫星速度、角速度ω（单位rad/s）与高度之间的关系见公式（1）：

这里μ=3.986005×10m/s，为地球引力常数。特别地，当r=600km，v=7.37km/s，卫星覆盖轨迹速度v=6.77km/s。由此可见，低轨卫星覆盖范围变化巨快，可建立的通信时间有限。

根据正弦定理可推导出视线距离（D，单位km）、与通信仰角之间的关系见公式（2）：

由通信距离可推算出自由空间损耗FSL 见公式（3）：

其中，D 单位km，F 为通信频率，单位GHz，[·]=10×1g(·)。

覆盖时间是指根据卫星在地面上的覆盖轨迹经过船载终端的时间，覆盖轨迹运行的角速度ω与卫星飞行的角速度相等，因此覆盖时间可根据地心角的差值Δθ 与覆盖轨迹角速度来计算，计算公式见公式（4）：

与地面通信系统相比，低轨卫星通信系统存在较大的多普勒频偏f和传输时延T，基于VDE-SAT 系统通信覆盖模型，多普勒频偏和传输时延计算见公式（5）：

其中，f为载波频率（单位Hz），光速c=3×10km/s。

1.2 信道映射

VDE-SAT 通信系统使用的通信频段是集中在157～162MHz，分为两个频段，分别为低频段和高频段，各150kHz，共300kHz，如表1 所示。其中上下行链路都分成6 个物理层通信频段，由A～E 进行标记。所有上行链路使用的物理信道都为50kHz，下行物理层信道有三类，50kHz（A和B）、100kHz（C 和D）和150kHz（E 和F）。

在VDE-SAT 通信频段中，上、下行物理层频段A 和B为卫星专用频段，其它频段为共享频段，但共享频段使用时，VDE-SAT 下行链路需要降低对地面VDE-TER 系统的干扰，即VDE-SAT 系统下行链路的使用需要优先保证VDE-TER系统不被干扰。

在下行链路中，发送信令数据（包括广播、资源分配、应答帧等）需要在A 和B 频段，业务数据可以在任一个频段发送；对于上行链路，A～E 所有的频段都可以发送信令和业务数据。具体使用哪些频段，受星上VDE-SAT 系统广播信息进行逻辑信道分配，物理层信道与逻辑信道如表2 所示。

表4：天线正装和斜装EIRP 与PFD 之间关系

表2 中上、下行链路共有6 种逻辑信道（不包括保护时隙信道，Guard Slot），分别为广播信道（BBSC，Bulletin Board Signalling Channel）、公告信道（ASC，Announcement Signalling Channel）、数据信道（DC，Data Channel）、数据信令信道（DSCH，Data Signalling Channel）和随机接入信道（RAC，Random Access Channel）。BBSC 包含卫星广播帧1～6（Satellite Bulletin Board）和多媒体接入控制帧（Media Access Control，MAC）；ASC 信道包含MAC 帧、资源分配帧（RA，Resource Allocation）、上行应答帧（ULACK，UpLink ACKnowledgement）、寻呼帧（Paging）、下行EDN（DL-EDN，DownLink End Delivery Notification）和 下 行 短 消 息（DL-SM，DownLink Short Message）；DC 信道包含起始、连续分块和结束分块帧（SF/CF/EF，Start/Continuation/End Fragment）；DSCH 信 道 只 传 输 下行寻址消息应答帧（DL-AM-ACK，DownLink Addressed Message ACK）；RAC 信道传输资源请求（RR，Resource Request）、寻呼响应（PR，Paging Response）、下行短消息应答（DL-SM-ACK，DownLink Short Message ACK）、上行EDN（UL-EDN，UpLink End Delivery Notification）和上行短消息（UL-SM，UpLink Short Message）。在这些数据帧中，消息数据包括上、下行寻址消息（由SF、CF 和EF 组成）和短消息，其它数据帧都为信令数据。

从物理信道和逻辑信道之间的映射关系可以看出VDESAT 系统是一种半双工系统，支持同频段时分双工，也可支持不同频段的频分双工。时间、频率资源以及逻辑信道的映射受星上统一调度和分配。其中，上行寻址消息是需要在RAC 信道进行资源请求预约接入，上行短消息则是随机接入。

1.3 频偏和时延

由于低轨卫星飞行速度快，信号传输距离远，根据公式（5）可计算出在不同通信仰角下多普勒频偏和时延的变化曲线，如图 2 所示。从图中可以看出（f=160MHz，h=600km），随着通信仰角的增大，多普勒频偏和传输时延呈递减的趋势。当α=0°，取得最大多普勒频偏为3.6kHz，最大传输时延9.68ms，当α=90°，最小多普勒频偏为0kHz，最小传输时延2ms。最大最小时延差近似为8ms，这与VDE-SAT 通信系统物理层帧格式中保护时隙8ms 相对应。换言之，虽然VDES 技术标准中推荐的卫星轨道为600km，但若最大最小时延差在8ms 之内，链路分析满足通信要求，其它高度的轨道也可部署VDE-SAT 通信卫星。

图2 ：多普勒频偏和时延

2 链路分析

2.1 PFD约束

为了保证VDE-SAT 系统和VDE-TER 系统的相互兼容，VDE-SAT 系统的发射EIRP 在不同的通信仰角α 需要满足PFD-mask（Power Flux Density，功率通量密度），说明见公式（6）。

根据公式（6）和通信仰角对应的距离关系，计算出星上在不同通信仰角下最大的EIRP（单位dBm/50kHz）。如表3 所示。

2.2 EIRP分析

实际船载终端复用现有AIS 通信系统，其发射功率分为A 类终端12.5W 和B 类终端6W，上行链路分析采用B类终端进行分析。船载终端使用的天线为3dBi 的全向天线，采用对天的安装方向，该安装方向的初衷是与岸基基站天线辐射方向一致，与卫星通信最直接的影响是在星下点时，在所有的接收弧段中，不管是星上还是地面接收功率都为最小。对于下行链路，星上采用圆极化八木天线，中心最大增益为8dBi。星上发射的EIRP（Equivalent isotropic radiated power，等效各向同性辐射功率）需要考虑对地面的干扰，在不同的通信仰角需要满足PFD-mask 的要求，即EIRP(α)≤PFD(α)。如表4 所示给出了天线正装和斜装的EIRP 和PFD 之间关系，表中A为天线增益（单位dBi），EIRP 等于发射功率与天线增益之和（单位dBm）。其中，EIRP表示斜装发射EIRP，EIRP表示正装发射EIRP，天线正装和斜装最大发射功率和PFD 余量（=PFD-EIRP，单位dBm）描述如下：

（1）当天线斜装时，星上发射功率为P=20.6dBm(≈114.8mW)，在通信仰角α=30°时，刚好达到了PFD 边界值，在α=90°，达到最大PFD 余量为21.4dB；

（2）当天线正装时，星上发射功率为P=25.9dBm(≈389.0mW)，在通信仰角α=50°时，刚好达到PFD 边界值，在α=0°，达到最大PFD 余量为11.6dB；

2.3 链路预算

结合信道模型章节中的公式和VDES 技术标准内容，表5 和表6 分别分析了天线斜装和天线正装通信信仰角与接收功率、C/N和覆盖时间的关系，其中A为船载终端天线增益（单位dBi）， 和 分别为星上和船载终端接收功率（单位dBm，星上天线计划方式为圆极化，船载终端天线极化方式为线极化，计算接收功率时需要考虑极化损耗3dBi），(C/N)和(C/N)分别为上行和下行载噪比（单位dBHz），T为从通信仰角0°到α 的累计覆盖时间（单位s）。

表5：天线斜装时通信仰角α 接收功率Pr、C/N0 及覆盖时间TC 的关系

表6：天线正装时通信仰角α 接收功率Pr、C/N0 及覆盖时间TC 的关系

当天线斜装时，天线在空中的波束张角有一般是对着外太空，造成通信覆盖范围减小，覆盖时由低-高仰角的变化过程。因此，在相同的可通信仰角范围内，天线正装比天线斜装拥有2 倍的覆盖时间。当天线斜装时，在通信仰角为30°时，上行链路星上理论上获得最大的接收功率-94.7dBm，下行链路船载终端理论上获得最大的接收功率-111.6dBm。

从覆盖时间来看，通信仰角从0°到30°时，占整个覆盖时间的69%，通信仰角从0°到60°时，占整个覆盖时间的89%。因此，覆盖低仰角通信弧段可以获得更好的覆盖性能。

当天线斜装时，在通信仰角为70°时，上行链路星上理论上获得最大的接收功率-95.6dBm，下行链路船载终端理论上获得最大的接收功率-107.2dBm。天线正装时，覆盖范围有低-高-低仰角的变化过程，因此覆盖时间是根据2 倍的单边覆盖时间获得。

3 通信覆盖

3.1 覆盖统计

在实际低轨卫星覆盖的过程中，并不是所有的船载终端是刚好过星下点，即最大通信仰角α=90°。为了说明通信覆盖，使用STK（Satellite Tool Kit，卫星工具箱）工具仿真轨道高度为600km，轨道倾角为90°的极轨（极轨单星即能实现全球覆盖），船载终端部署在东海，统计了2021年6月～12月最高通信仰角分布，其中最高通信仰角0°～10°区间只统计了5°～10°区间，如图 3 所示。从统计结果来看，最高通信仰角在0°～30°占比61%，0°～40°占比71%，0°～50°占比79%，由此可见，对于飞行极轨轨道的卫星，其船载终端被单颗星覆盖最高通信仰角集中分布在50°以下。因此，VDE-SAT 系统如果部署在极轨，链路预算尽量满足更低的通信仰角，这样系统的通信容量和服务时间能够极大的提升。

图3 ：2021年06 ～12月最高仰角分布

3.2 Link ID

表7：与链路层相关的Link ID 参数

表8：下行链路不同Link ID 覆盖情况

在VDES 技术标准中，VDE-SAT 通信系统物理层使用了多种物理层参数（物理层参数被称为Link ID）来传输数据，链路层根据信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI）来动态调整使用Link ID，实现自适应编码调制，提高功率和时隙的有效利用率，增强系统的吞吐量，CQI 和C/(N+I)（载波功率与噪声和干扰谱密度之比）和符号速率R之间的关系见公式（7）：

表7 列举了链路层相关的Link ID 参数（带宽为50kHz，仅有下行Link ID28 为100kHz、Link ID29 为150kHz，本文分析暂不考虑），表中R（单位kb/s）为信息速率或者bit 速率，表示链路层信息传输速率，R（单位ks/s）表示调制后的符号速率，S（单位slot）为突发时隙大小，表示一个物理帧占用的时隙长度。VDES 技术标准中，严格限制了VDE-SAT 通信系统信令数据使用的Link ID，上行链路发送信令仅使用Link ID20，下行链路发送信令仅使用Link ID32，对于消息数据没有严格限制。不同Link ID 由于采用不同调制方式、编码率和扩频方式，最终导致信号解调的C/N阈值存在差异，定性地能得到信息速率越低，C/N阈值越小，因此在链路层资源分配时，根据物理层传递的CQI 值，来动态选择最优的Link ID。

3.3 链路覆盖

在VDES 技术标准中，下行船载终端接收信号的C/(N+I)比C/N要低7.3dBHz，导致船载终端接收功率阈值提升7.3dBHz，但上行星上接收信号的C/(N+I)与C/N之间的关系在VDES 技术标准中没有直接说明，主要是由于技术标准还在完善中，目前还没有充分的测试数据说明星上在该频段的干扰情况，这也是后续VDE-SAT 通信系统需要研究和解决的问题，即通过采集全球海域的信道数据，分析全球海域的干扰情况。

3.3.1 下行链路

结合表5 和表7，表8 给出了不同Link ID 下行链路覆盖情况，以最低通信仰角（α）、最高通信仰角（α）和覆盖效率η（η和η表示斜装和正装覆盖效率，表示有效覆盖时间与全弧段覆盖时间比值）来表示。从表中可以看出，天线斜装时，Link ID27 全弧段无法建立通信，VDES 技术标准应该需要考虑删除或重新设计Link ID27。当天线正装时，只有Link ID25 和32 在通信仰角低于20°以下即可建立通信。当最高通信仰角足够大时，天线正装具有更多的覆盖时间。

图4 给出了天线正装和斜装的下行通信覆盖时间对比图，从表中可以看出，针对下行链路，天线斜装具有更好的覆盖性能，但除了Link ID25 和Link ID32，其它Link ID 在低仰角时都无法保持稳定可靠的通信。

图4 ：天线正装和斜装下行通信覆盖时间

3.3.2 上行链路

现阶段没有相关资料指示星上VDE-SAT 通信信道的干扰情况，结合地面下行链路C/(I+N)的干扰情况，考虑两种情况来分析上行链路的覆盖情况。结合表5 和表7，表9和表10 分别给出了载噪比差值ΔTh（=C/N-C/(I+N)）为6dBHz 和10dBHz 的覆盖情况。

当ΔTh=6dBHz 时，天线斜装对应的所有的Link ID 均能实现通信仰角α=0 通信，天线正装则只有Link ID20～22能够实现低仰角通信。当最高通信仰角足够大时，天线正装具有更多的覆盖时间。

当ΔTh=10dBHz 时，天线斜装对应的所有的Link ID仍能实现通信仰角α=0 通信，天线正装则只有Link ID20能够实现α=0 低仰角通信。

图 5 给出了ΔTh=6 和8 天线正装和斜装上行通信覆盖时间，天线斜装具有更好的鲁棒性，且能保证在低仰角时，建立稳定的通信。当最高通信仰角足够大时，天线正装具有更多的覆盖时间。

图5 ：天线正装和斜装上行通信覆盖时间

表9：ΔThCN=6dBHz 上行链路不同Link ID 覆盖情况

表10：ΔThCN=10dBHz 上行链路不同Link ID 覆盖情况

3.4 分析结果

从极轨的覆盖统计结果来看，对于固定位置、小范围移动或移动速度较慢的船载终端，最高通信仰角分布在0°～50°占比近80%，八木天线斜装满足更低仰角通信，更有效率地提高系统的覆盖时间以及系统通信容量。对于下行链路，八木天线斜装所有下行Link ID 最低通信仰角为0°，但天线正装却只有Link ID25 和32 能够满足，其它Link ID 最大最低通信仰角要到40°，导致最低通信仰角越大使用频次降低。对于上行链路，虽然计算了不同链路余量下天线正装和斜装的可通信的最低、最高通信仰角，但天线斜装仍具有更强的适应能力，而天线正装受干扰影响较大，且最低通信仰角最大值有30°。因此，八木天线的斜装的VDE-SAT 系统具有更低的通信仰角和更强的鲁棒特性。

4 结束语

本文首先给出了一般分析卫星信道模型，介绍了VDESAT 系统各个物理信道和逻辑信道之间的映射关系，然后分析了VDE-SAT 系统链路，结合八木天线斜装和正装对比分析了VDE-SAT 系统通信覆盖，该方法可作为分析VDE-SAT系统通信信道通用方法。从上下行链路覆盖来看，天线斜装更能满足在低通信仰角的通信需求，且具有更强的鲁棒性。