星地WiFi關鍵技術研究綜述

胡 偉，陶孝鋒

(西安空間無線電技術研究所，陜西 西安 710100)

星地WiFi關鍵技術研究綜述

胡 偉，陶孝鋒

(西安空間無線電技術研究所，陜西 西安 710100)

低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星到地面之間的無線保真(Wireless Fidelity，WiFi)通信系統(tǒng)當前已經獲得了廣泛關注，針對LEO衛(wèi)星信道的高誤碼、長時延等特點，文章總結并提出了采用幀的分片與聚合、選擇重傳與塊確認、插入導頻等方法對802.11g進行改進，這些方法的研究總結對LEO星地WiFi的實現(xiàn)具有重要意義。

LEO衛(wèi)星；WiFi；衛(wèi)星通信系統(tǒng)；802.11

0 引言

2015年，OneWeb、SpaceX、Leosat等提出了通過借鑒地面的WiFi技術，打造由低軌小衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，實現(xiàn)覆蓋全球的WiFi信號的接入[1-4]。LEO衛(wèi)星信道與WiFi所處的室內準靜態(tài)信道環(huán)境差別巨大，為使WiFi能夠適應LEO衛(wèi)星到地面的信道環(huán)境，需要根據LEO衛(wèi)星信道的特點對WiFi進行研究并改進[3-6]。

1 衛(wèi)星WiFi的發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星WiFi有著巨大的優(yōu)勢，獲得了廣泛的關注，國內外學者對其進行了深入研究。

1.1衛(wèi)星WiFi的類型

根據WiFi技術在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的使用位置，可將衛(wèi)星WiFi系統(tǒng)分為兩大類：WiFi衛(wèi)星，即利用空間段衛(wèi)星直接播發(fā)WiFi信號；衛(wèi)星WiFi，即以衛(wèi)星為遠距離中繼傳輸?shù)氖侄位蛲ǖ繹4]。

1.2衛(wèi)星WiFi的國內外研究現(xiàn)狀

對WiFi在衛(wèi)星通信中的應用，國內外都做了一定研究。國內研究相對較少，處于起步階段。西北工業(yè)大學的呂娜[2]、南京郵電大學的陳楊[3]、中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部[4]等對通過通信衛(wèi)星來實現(xiàn)的衛(wèi)星WiFi的應用做了一些研究工作。

國外對802.11在衛(wèi)星通信中的應用研究較多。英國普林斯頓大學的Kerri L. Kusza和Michael A.Paluszek[7]，美國Eric C Megla[8]，英國薩里大學空間中心的Tanya Vladimirova和Kawsu Sidibeh[9-10]，德國Berner&Mattner Systemtechnik的M Marszalek、M Rummelhagen、F Schramm[11]，意大利Paolo Chini、Giovanni Giambene[12-13]，NASA的Richard Alena、Yosuke Nakamura、Nicolas Faber等[14]對802.11、802.16、802.15在星間及星地之間的應用做了大量研究。

2 衛(wèi)星WiFi存在的問題

衛(wèi)星WiFi非常具有吸引力，但是仔細分析后發(fā)現(xiàn)其存在諸多技術難點。

(1)地面WiFi標準設計初衷是適用短距離、相對靜止狀態(tài)下的室內高速無線通信。而LEO星地距離帶來的長時延、高誤碼率，在現(xiàn)有WiFi物理層都無法得到較好的支持。

根據多普勒頻移的fd原始公式定義[6]：

(1)

式(1)中，r為衛(wèi)星與移動臺之間的相對位置矢量，v為衛(wèi)星的速度矢量，vr為衛(wèi)星與接收平臺之間的徑向運動速度，f0為信號頻率，c為光速，φ為r與v之間的夾角。假設φ的值在61°～90°，f0=2.4 GHz，軌道高度為400 km，最大仰角29°，可得到最大多普勒頻偏約為29.7 kHz。載波頻率偏差將會破壞子載波間的正交性，導致子載波間的相互干擾，誤碼率急劇上升。可以證明[3]，為保證信干比大于20 dB或更高，載波的偏差必須小于子載波間隔的4%，由312.5 kHz×0.04=12.5 kHz<29.7 kHz,可知在頻偏較大的情況下誤碼性能變差。

(2)衛(wèi)星與地面終端的功率限制：假設已改進WiFi物理層，但是要想在低軌衛(wèi)星與普通手機終端之間直接通信，受限于手機接收靈敏度和立方體衛(wèi)星的體積功耗，無法滿足WiFi所支持的最低通信速率要求[14]。

自由空間電磁信號的路徑損耗公式[6]為：

(2)

其中，d的單位為km，f的單位為GHz。則軌道高度為400 km時，路徑損耗為：92.44+52.04+7.604=152.08 dB，假設LEO衛(wèi)星距地面400 km，發(fā)射功率30 W(14.77 dB)，工作頻段2.4 GHz，而普通手機的WiFi接收電平靈敏度約為-82 dBm，即-112 dB。因此有14.77-152.08=-137.31 dB，無法滿足接收機的靈敏度要求。

(3)大范圍覆蓋導致的隱藏終端問題加劇：假設功率也不受限，接收端也滿足靈敏度要求，可以實現(xiàn)星地雙向通信。電磁波在地面?zhèn)鬏數(shù)木嚯x有限，而衛(wèi)星覆蓋范圍又比較廣，軌道高度為400 km的LEO衛(wèi)星，最大仰角為29°時，覆蓋面積約為160 000(km)2，因此WiFi的隱藏終端問題在衛(wèi)星WiFi中將會變得更為突出。

(4)較長的傳播時間延遲導致無效重傳：LEO衛(wèi)星軌道高度為400 km，端到端傳播時延約3.2 ms，在地面終端可見時間段內，時延變化范圍約為1 ms，相比較于WLAN幾個μs的傳播時延，星地WiFi的傳播時延變大。較長的傳播時延以及較大的時延變化范圍，會使MAC協(xié)議的發(fā)送窗口滑動緩慢、檢錯以及恢復的時間較長[5]。

可見，直接采用地面WiFi技術實現(xiàn)WiFi衛(wèi)星不具有可行性，需要根據LEO衛(wèi)星信道環(huán)境對一些關鍵性問題進行研究。

3 衛(wèi)星WiFi可采用的關鍵技術

衛(wèi)星與WiFi技術的結合從目前來看，只能采用衛(wèi)星WiFi寬帶通信系統(tǒng)[4]，根據LEO衛(wèi)星信道環(huán)境，可采用下面方法對WiFi進行改進。

3.1重新設定相關參數(shù)值

為了提供一定優(yōu)先級服務給特定類型的幀，802.11定義了幾種時間間隔[5,14]：

Tslot為單位時隙值：

Tslot=Tcca+TTxRx+Tprop+Tproc

(3)

其他幀間間隔的計算：

TSIFS=Trf_delay+Tproc+TTxRxTxRx

(4)

TPIFS=TSIFS+Tslot

(5)

TDIFS=TSIFS+2×Tslot

(6)

Ttimeout為判斷此次傳輸錯誤所需的時間：

Ttimeout=TSIFS+Tslot+Trx_relay+2×Tprop

(7)

其中，Tcca為節(jié)點通過信道能量來決定信道狀態(tài)所需時間，TTxRx為將RF前端接收/發(fā)送模式轉換所需時間，Tprop為最大傳播時延，Tproc為發(fā)送前所需的處理時延，Trf_delay以及Trx_relay為本次傳輸?shù)谝粋€bit到完成最后一個bit所需要的時間。假設其他時間不變，只是傳播時延改變，則軌道高度為400 km時，最大傳播時間約為1.537 ms=1 537 μs，在802.11 g中，假設最大傳播距離為1 km，則傳播時延約為3.33 μs，因此在所有參數(shù)重新設定時，可以忽略地面WiFi傳播時延的影響。Tslot改為1.54 ms；為了保證信道的占用，TSIFS保持不改變，為16 μs；TPIFS改為1.556 ms;TDIFS修改為3.096 ms，此時TDIFS遠大于TSIFS；Ttimeout修改為4.660 ms。

3.2多普勒頻偏估計與補償

在802.11 g中，設短訓練序列的取樣時間為50 ns，延時D=16，可以估算的最大頻率誤差為：

(8)

對于長訓練序列符號，D=64，則：

(9)

通過短序列進行頻率粗同步和長序列的頻率細同步，可以保證載波頻率的同步?？梢?，在WiFi原有的設計中，可以保證在較大的多普勒頻展條件下實現(xiàn)頻率的同步。同時為了保證子載波之間的正交性，還需要根據導頻信息對采樣頻率進行估計和補償，以達到采樣頻率的同步。筆者也在實驗室中通過衛(wèi)星信道模擬器實際檢測了不同多普勒條件下的數(shù)據包接收情況。

實驗條件：采用802.11g物理層，速率6 Mb/s，發(fā)射功率-10 dBm，包長度1 510 B，發(fā)包軟件xcap每隔10 ms發(fā)送一個數(shù)據包，共發(fā)送1 000個數(shù)據包，根據抓包軟件wireshark在接收端抓收到的數(shù)據包個數(shù)，對收包率進行了統(tǒng)計，結果如表1所示。

表1 頻偏與收包率關系

當用較小312 B的數(shù)據包進行測試時，當頻偏為20 kHz時，收包率可以達到100%，當采用24 Mb/s以及54 Mb/s速率時，收包率會有約1%的小幅度降低。在較大多普勒條件下，802.11g物理層也能支持數(shù)據的傳送。

3.3特定位置插入導頻

相對于WLAN的準靜態(tài)信道，LEO衛(wèi)星信道具有高動態(tài)特性，信道環(huán)境更加復雜。在物理幀的某些位置插入更多的導頻，如在原來傳輸數(shù)據的地方插入一個導頻符號，然后緊接著再傳送數(shù)據符號，從而可以更好地對信道進行估計，保證數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_性。當信道環(huán)境惡劣時，可以采用圖1所示的插入導頻方案。

圖1 導頻插入方案

3.4選擇重發(fā)的ARQ協(xié)議

選擇重發(fā)式的ARQ協(xié)議：在發(fā)送端只重發(fā)出錯的幀。實現(xiàn)選擇重發(fā)，需要接收節(jié)點應具有對分組進行排序的功能，除了應答出錯幀的序號RN，還有已經正確接收的大于RN的信息。接收節(jié)點可以利用RN+k個比特來進行應答[5]。

(10)

選擇重發(fā)ARQ會帶來鏈路利用率的提高，但其平均時延較大，選擇重傳式相對于停等式ARQ協(xié)議，可以提供更高的協(xié)議效率；業(yè)務量較大時，平均傳輸時延較低。事實上，對于傳播時延較大、誤碼率較高的LEO衛(wèi)星信道，還需要結合幀的分片與聚合方式對現(xiàn)有的選擇重傳ARQ協(xié)議進行改進。同時在進行了選擇重傳的過程中，由于采用了幀聚合方式對發(fā)送的數(shù)據幀進行應答，就此可以根據應答幀的形式判斷當前幀是出現(xiàn)錯誤還是發(fā)生了碰撞，在一定程度上會提升協(xié)議的效率[5-6]。

3.5幀的分片與聚合

802.11g的MAC協(xié)議采用了單幀確認方式。相對WLAN，LEO星地WiFi網絡差錯率較大，采用單幀確認方式時鏈路利用率較低，因此在LEO星地WiFi中，可以采用有幀聚合以及塊確認功能的選擇性重傳ARQ協(xié)議以提高協(xié)議效率[5-6]。采用塊確認的選擇重傳ARQ協(xié)議實現(xiàn)起來相對比較復雜，需要收發(fā)兩端具有排序能力，需要一定的緩存空間，對衛(wèi)星端則需要有較好的星上處理能力。幀聚合的過程示意圖如圖2所示。

圖2 聚合幀結構圖

選擇重傳及塊確認方案如圖3所示。

圖3 選擇重傳方案

4 結束語

文章對LEO星地WiFi的發(fā)展以及國內外研究現(xiàn)狀進行了總結，同時對通過LEO小衛(wèi)星星座實現(xiàn)星地WiFi的傳播過程中可能遇到的問題進行了分析，并提出了一些切實可行的辦法。筆者也將在今后工作中對所給出的方法進行深入研究，并給出相應的研究結果。

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Overview of research on satellite-to-ground WiFi key technologies

Hu Wei, Tao Xiaofeng

(Xi’an Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

WiFi communication system between satellite and ground has gained wide attention. Aiming at high error of LEO satellite channel, long delays and other characteristics, elective repeat ARQ protocol, fragmentation and aggregation of frame, inserting a pilot and other methods are introduced in this paper to improve the 802.11.The summarization of study methods has important significance to the achievement of WiFi network based on LEO satellite-to-ground.

LEO satellite; WiFi; satellite communication system; 802.11

TN927

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.003

胡偉，陶孝鋒.星地WiFi關鍵技術研究綜述[J].微型機與應用，2017,36(19)：9-11,15.

2017-04-05)

胡偉(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網絡MAC層協(xié)議。陶孝鋒(1978-)，男，碩士，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星通信。