星載轉(zhuǎn)發(fā)器體制研究

[摘 要]空天信息網(wǎng)絡的接入網(wǎng)絡相比地面接入網(wǎng)絡一個顯著區(qū)別，在于接入性能受衛(wèi)星有效載荷能力制約較大，合理分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源及功率資源，是實現(xiàn)接入容量最大化的重要因素。本文就衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器類型及各自具有的特點進行粗略介紹。

[關鍵詞]轉(zhuǎn)發(fā)器

隨著通信技術不斷發(fā)展和終端類型的日益增多，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的格局，單址、單頻、單星窄帶的現(xiàn)象逐漸被多址、多頻和多星寬帶的網(wǎng)絡模式所替代，其中對以高容量、高靈活性的數(shù)學信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究最為突出，而數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的形成，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的不斷改進起著不可磨滅的作用，所以下面具體介紹衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器類型及各自具有的特點，并確定未來發(fā)展方向。

一、轉(zhuǎn)發(fā)器分類

1.透明轉(zhuǎn)發(fā)器

透明轉(zhuǎn)發(fā)的信號交換過程是在模擬濾波器和中頻交換矩陣中實現(xiàn)的，如果信號的載波頻率不發(fā)生大的改變，那么信號調(diào)制和解調(diào)的類型以及編碼譯碼的準則變化對透明轉(zhuǎn)發(fā)器影響甚微，這些特性造就了透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能靈活，適應上下行鏈路通信協(xié)議的能力較強，因此，透明轉(zhuǎn)發(fā)器依舊是目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首要選擇方式，然而它也存在不可忽略的缺陷，比如星上信號交換矩陣全部屬于硬連接范疇，且網(wǎng)絡路由是固定選擇模式，使得系統(tǒng)不能隨著業(yè)務量的變化而變化，信號交換帶寬一般情況下都需要占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部帶寬，甚至以波束為單位進行信號的交鏈，無法進行較為細致的交換行為，此外，由于高功率放大器存在的非線性的問題，通常需要在多載波的情況下還必須采取一定的功率回退措施，導致系統(tǒng)容量、頻率資源利用率的部分降低。

2.再生式轉(zhuǎn)發(fā)器

轉(zhuǎn)發(fā)整個過程包括對信號的解調(diào)、譯碼、編碼和調(diào)制等一系列處理單元，所以相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和頻率資源利用率，尤其是利用自適應編碼技術使得系統(tǒng)的性能進一步達到了提升。顯而易見，此種模式的星載處理器相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來說，其物理層中信號處理單元是體現(xiàn)其優(yōu)越性能的核心技術，但是這種依賴物理層的星載處理器也存在很大的風險，如衛(wèi)星在其服役的整個生涯過程中，一旦上下行鏈路的通信協(xié)議進行了升級更新，則可能導致衛(wèi)星通信系統(tǒng)無法有效地收發(fā)數(shù)據(jù)，完全處于癱瘓狀態(tài)。從這方面來看，其適應性相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器來說差很多，目前，僅有少數(shù)的衛(wèi)星搭載此類轉(zhuǎn)發(fā)器。

3.數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器

透明轉(zhuǎn)發(fā)器和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器既有突出的優(yōu)點又有不可忽略的缺陷，那么存不存在一種可以將這兩種方式結(jié)合在一起的辦法呢？伴隨軟件無線電知識的不斷更新，此問題有了最佳答案，即軟件定義有效載荷（Software Define payload，SDP）方式，即將透明轉(zhuǎn)發(fā)器靈活性強但無法適應業(yè)務量變化的特點和再生式轉(zhuǎn)發(fā)器純依賴物理層提升系統(tǒng)容量的特點結(jié)合在一起，做到揚長避短，互相兼容，從理論上提升轉(zhuǎn)發(fā)器處理信號的效率，但是這種理想轉(zhuǎn)發(fā)器方式在經(jīng)過人們長時間研究和實踐操作之后，始終在設備體積、重量、功耗等難題上無法跨越，與SDP所描述的思想存在很大的差距，所幸的是近年來數(shù)字信號處理技術的不斷完善，并伴隨著芯片制造工藝的日益精良，人們結(jié)合這兩種技術設計了數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器模型，并且通過它實現(xiàn)了部分SDP的功能。

數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器信號處理具體過程為：衛(wèi)星接收天線接收到衛(wèi)星上行信號之后，送入低噪聲放大器中進行放大，放大的信號被傳送給下變頻單元變?yōu)楹线m的中頻信號送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳入數(shù)字域中進行處理，送進來的數(shù)字信號經(jīng)過信道解復用、數(shù)字信道交換、信道復用三個單元處理之后再變換為模擬信號，經(jīng)過上變頻和高功放，之后由衛(wèi)星發(fā)射天線送出，從而完成了整個星載信號交換過程。

相比較透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言（信號交換時占據(jù)整個信道的帶寬），此種轉(zhuǎn)發(fā)器中信號交換帶寬要節(jié)省得多。而且利用數(shù)字信道化技術能夠使得上行信道在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中被分為若干個子信道，其信道帶寬窄，便于系統(tǒng)根據(jù)實際情況進行合理地選擇配置，按需分配；系統(tǒng)還可以復制單個子信道用來進行廣播、組播和抑制備用信道等等，以上數(shù)字信號化器的特點使得系統(tǒng)在數(shù)字域中對鏈路損耗進行一定的補償，降低高功率放大器的非線性效應，提高通信靈活性和可靠性，達到衛(wèi)星信號與頻率資源之間的靈活互換。

二、轉(zhuǎn)發(fā)器體制選擇

從各種轉(zhuǎn)發(fā)器技術體制的特點分析，數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)器的特點更加適應未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)多頻、多址、多星和多波束的特點，應該將它作為天基寬帶接入衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器采用的模式。目前，采用此有轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的衛(wèi)星有：亞洲蜂窩衛(wèi)星（Aces）系統(tǒng)的Garuda-1，Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)，國際海事衛(wèi)星 Inmarsat-4、美國移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)SkyTerra以及移動用戶目標系統(tǒng)（MUOS）、寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS）等。而上述衛(wèi)星中除了WGS之外，其他數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)全部屬于窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)范疇，并且要求各個用戶終端子信道帶寬全部相同。與WGS通信系統(tǒng)相比，它們在通信過程中靈活性稍差，通信容量和頻帶利用率方面稍顯遜色。而WGS作為美軍未來軍事衛(wèi)星體系中新一代寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，為美軍獲取各種信息情報提供了迅速且精確地通信服務保障，滿足了各種空中通信任務額外的轉(zhuǎn)換需求，提供了其他衛(wèi)星所不能提供的重要特征。所以，未來空天信息網(wǎng)絡寬帶接入衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器體制可以借鑒WGS的轉(zhuǎn)發(fā)器技術體制進行設計。

作者簡介：曹強（1967-），男，浙江嘉興人，武警士官學校教授，研究方向：船舶輪機、船舶通信技術。