移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及性能分析

張華沖，陳 強(qiáng)，張 保，韓 星，薄保林

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；(2.中國人民解放軍73676部隊(duì)，江蘇 江陰 214400)

0 引言

美國新一代軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括提供低速戰(zhàn)術(shù)業(yè)務(wù)的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)、提供高速業(yè)務(wù)的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和提供受保護(hù)業(yè)務(wù)的抗干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)等三大部分，負(fù)責(zé)為美軍提供多維信息鏈接和通信服務(wù)[1]。其中窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要為用戶提供話音、低速率數(shù)據(jù)和移動(dòng)通信等服務(wù)。

窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用UHF頻段。由于UHF頻段受氣候和遮蔽等自然環(huán)境的影響較小，美軍一直把該頻段作為窄帶衛(wèi)星通信的主用頻段。目前，美軍衛(wèi)星通信用戶中，有超過60%的用戶使用UHF頻段進(jìn)行通信，各軍種部署的UHF頻段衛(wèi)星通信終端超過1.8萬臺(tái)，終端類型超過50種[2]。

自年1978年至今，窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從艦隊(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)(FLTSAT)、特高頻后繼星通信系統(tǒng)(UFO)到MUOS的發(fā)展歷程[3]。

為了彌補(bǔ)UFO系統(tǒng)通信容量的不足以及戰(zhàn)術(shù)通信使用便捷化等需求，美國海軍的通信衛(wèi)星項(xiàng)目管理辦公室(PMW146)負(fù)責(zé)開發(fā)MUOS項(xiàng)目[4]，并于2004年與洛克馬丁公司等簽訂合同開始研制。

MUOS采用地面第三代移動(dòng)通信寬帶碼分多址(WCDMA)技術(shù)，利用UHF頻段衛(wèi)星信道在全球范圍內(nèi)提供類似于手機(jī)的服務(wù)，支持業(yè)務(wù)類型包括話音、數(shù)據(jù)和視頻等。相比于UFO系統(tǒng)，極大滿足了美軍窄帶數(shù)據(jù)通信需求。

MUOS系統(tǒng)是美軍最新的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用了大量先進(jìn)技術(shù)，代表了窄帶通信的發(fā)展方向。本文介紹了MUOS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，深入分析了其載荷配置、通信流程、復(fù)用及多址技術(shù)。通過與UFO對(duì)比，顯示了MUOS在通信容量方面的巨大突破?？偨Y(jié)了MUOS的發(fā)展現(xiàn)狀，希望能對(duì)我國的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)有所借鑒。

1 MUOS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MUOS由空間段、用戶段和地面段三部分組成，MUOS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5-6]如圖1所示。地面段除了完成衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)控制外，還提供與國防信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(DISN)和公共電話交換網(wǎng)絡(luò)(PSTN)的接口，支持GIG的接入能力。

圖1 MUOS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 空間段

MUOS系統(tǒng)的空間段包括5顆MUOS衛(wèi)星，位于地球同步軌道，其中4顆主用衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星。MUOS衛(wèi)星主要功能是完成地面段的網(wǎng)關(guān)站與用戶終端之間的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。MUOS衛(wèi)星的UHF頻段波束覆蓋地球表面的南北緯65°的全球區(qū)域。MUOS衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間與軌位如表1所示。

表1 MUOS衛(wèi)星發(fā)射日期及軌位

衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間軌位服務(wù)區(qū)域MUOS-12012-02-24177°W太平洋MUOS-22013-07-19100°W美洲大陸MUOS-32015-01-2015.5°W大西洋MUOS-42015-09-0275°E印度洋MUOS-52016-06-24105°W備份星目前覆蓋美洲大陸

1.2 地面段

MUOS地面段包括2個(gè)衛(wèi)星控制站和4個(gè)無線接入站，不同的地面站之間通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星控制站和無線接入站主要完成如下4個(gè)方面的功能：

① 衛(wèi)星控制(Satellite Control Facility，SCF)：通過Ka頻段和S頻段測控鏈路控制衛(wèi)星正常運(yùn)行。② 網(wǎng)絡(luò)管理(Network Management Facility，NMF)：管理地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，完成用戶接入、資源規(guī)劃以及干擾定位等功能。③ 無線接入(Radio Access Facility，RAF)：完成饋電鏈路無線信號(hào)的收發(fā)。④ 交換管理(Switching Facility，SF)：完成呼叫路由管理。

衛(wèi)星控制站和無線接入站的位置及功能配置如表2所示。

表2 衛(wèi)星控制站和無線接入站功能配置

站址衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)管理無線接入交換管理外部接口加利福尼亞州穆古海軍航空站√----科羅拉多施里佛空軍基地√----弗吉尼亞諾?？撕＼娀?-√√√夏威夷瓦西阿瓦-√√√√澳大利亞杰落頓--√--意大利Niscemi--√--

1.3 用戶段

MUOS的用戶段包括便攜式、車載、艦載、機(jī)載平臺(tái)使用的各類型終端。MUOS終端采用公共空中接口(CAI)與MUOS衛(wèi)星建立連接，通過MUOS無線接入站、商用網(wǎng)關(guān)連接到商用的移動(dòng)衛(wèi)星終端通信。MUOS用戶也可以通過DISA電信港與其它軍事通信衛(wèi)星的用戶進(jìn)行通信。

典型終端有通用動(dòng)力公司研發(fā)的AN/PRC-155雙通道便攜式終端是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)與MUOS衛(wèi)星通信的終端。哈里斯公司開發(fā)的獵鷹III AN/PRC-117G便攜式終端[7]基于軟件無線電架構(gòu)，是唯一支持加密算法套件Suite B的戰(zhàn)術(shù)終端，重量僅為5.4 kg。羅克韋爾公司開發(fā)的ARC-210 RT-2063(C)機(jī)載終端，其特點(diǎn)是支持傳統(tǒng)窄帶波形(UFO)、寬帶波形(MUOS)及其他多種V/UHF頻段通信波形[8]，提供超視距的數(shù)據(jù)、話音和圖像傳輸。

MUOS終端一般采用JTRS的體系結(jié)構(gòu)，可以對(duì)裝備到用戶的大量UFO終端進(jìn)行波形升級(jí)即可支持MUOS系統(tǒng)。

2 MUOS特點(diǎn)及性能分析

2.1 雙載荷配置

UFO衛(wèi)星發(fā)射于1993～2003年之間，目前，大部分衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入了壽命末期，通信能力已經(jīng)下降。MUOS衛(wèi)星配置了2個(gè)載荷：一個(gè)是新型的WCDMA載荷，另一個(gè)是與UFO衛(wèi)星和UFO終端兼容的傳統(tǒng)載荷。這樣在MUOS衛(wèi)星替代UFO衛(wèi)星的過程中，就保證了窄帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的平穩(wěn)過渡。在衛(wèi)星上，2種載荷的通信業(yè)務(wù)不支持互聯(lián)互通[9]。

傳統(tǒng)載荷與UFO-11衛(wèi)星兼容，采用下行頻段采用244～270 MHz，上行頻段采用292～318 MHz，支持17個(gè)25 kHz信道和21個(gè)5 kHz信道。采用專用信道波形和TDMA波形，比如按需分配多址(DAMA)和集成波形(Integrated Waveform)。資料表明，窄帶通信服務(wù)一直持續(xù)到2025年。

WCDMA載荷使用一副口徑為14 m的多波束天線(MBA)收發(fā)UHF頻段信號(hào),比UFO系統(tǒng)中使用的全球波束天線增益更大。MBA天線在地球表面可視區(qū)域形成16個(gè)波束，每個(gè)波束承載上下行各4個(gè)WCDMA載波，每個(gè)載波帶寬為5 MHz。每個(gè)用戶在給定的WCDMA載波中分配一個(gè)擴(kuò)頻碼，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)通信。

2.2 雙跳通信流程

MUOS的通信鏈路包括用戶鏈路和饋電鏈路：用戶鏈路指MUOS終端和衛(wèi)星之間的通信鏈路，上行頻段為300～320 MHz，下行頻段為360～380 MHz；饋電鏈路指MUOS地面站和衛(wèi)星之間的通信鏈路，上行頻段為30～31 GHz，下行頻段為20.2～21.2 GHz。

MUOS終端之間的典型通信過程為雙跳通信[10]，通信流程如圖2所示。

圖2 MUOS通信流程

MUOS終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過U2B鏈路[11](包括UHF上行鏈路①和Ka下行鏈路②)，經(jīng)過MUOS衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)終端到地面站的通信。在地面站完成路由交換后，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過B2U鏈路(包括Ka上行鏈路③和UHF下行鏈路④)，經(jīng)過MUOS衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到終端B，實(shí)現(xiàn)雙跳通信流程。兩次轉(zhuǎn)發(fā)可以在同一顆衛(wèi)星、也可以在不同衛(wèi)星間轉(zhuǎn)發(fā)。若在不同衛(wèi)星間轉(zhuǎn)發(fā)，則需要地面站通過地面網(wǎng)絡(luò)完成中繼。

在U2B鏈路中，衛(wèi)星采用處理轉(zhuǎn)發(fā)方式對(duì)可視區(qū)域內(nèi)的2個(gè)地面站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[5]。衛(wèi)星上的MBA天線接收UHF頻段16個(gè)點(diǎn)波束的64個(gè)上行WCDMA載波信號(hào)，分為2組，每組32個(gè)WCDMA載波，對(duì)每組信號(hào)完成二次調(diào)制后，實(shí)現(xiàn)UHF-Ka的轉(zhuǎn)發(fā)。2組Ka頻段信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到MUOS衛(wèi)星可視區(qū)域的2個(gè)地面站。

二次調(diào)制過程包括AD變換、信道化、去相關(guān)、Hadmard變換、量化、Turbo編碼與8PSK調(diào)制等過程。8PSK的符號(hào)速率為384 Msps，3個(gè)載波信號(hào)采用極化復(fù)用方式承載在1 GHz頻帶內(nèi)[12]。8PSK信號(hào)的頻率規(guī)劃[13]如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星到關(guān)口站的頻率計(jì)劃

在B2U鏈路中，衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)Ka頻段UHF頻段不同波束的WCDMA載波的轉(zhuǎn)發(fā)。地面站的2幅Ka頻段天線分別指向2顆MUOS衛(wèi)星，2條Ka上行鏈路分別承載32個(gè)WCDMA載波。32個(gè)WCDMA載波采用FDM的方式承載在Ka上行頻段上。

2.3 綜合采用多種復(fù)用技術(shù)

MUOS綜合采用碼分、時(shí)分、頻分和空分等多種復(fù)用技術(shù)，一方面發(fā)揮了WCDMA通信體制業(yè)務(wù)承載靈活的優(yōu)勢，另一方面大大提高了通信容量。

碼分復(fù)用是WCDMA空中接口的一大特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在B2U UHF頻段下行鏈路上，多個(gè)用戶的業(yè)務(wù)內(nèi)容分別承載在不同的擴(kuò)頻碼道上，調(diào)制到同一個(gè)載波并發(fā)送給不同的終端用戶。

時(shí)分復(fù)用主要體現(xiàn)在WCDMA空中接口的公共物理信道上，如PRACH信道就是劃分了不同的接入時(shí)隙，多個(gè)用戶接入信息可以復(fù)用到一條碼道上。

頻分復(fù)用主要體現(xiàn)在B2U饋電鏈路，地面站把32個(gè)WCDMA載波分別調(diào)制到Ka上行頻段的不同的頻點(diǎn)上發(fā)送到MUOS衛(wèi)星。

空分復(fù)用，MUOS衛(wèi)星采用16個(gè)UHF頻段點(diǎn)波束覆蓋，每個(gè)點(diǎn)波束可以使用相同的頻點(diǎn)、擴(kuò)頻碼，通信容量提高了16倍。

2.4 多址接入方式

MUOS衛(wèi)星數(shù)字載荷采用CDMA接入方式，比UFO衛(wèi)星的TDMA/DAMA體制信道利用率更高。

在UFO衛(wèi)星中，為了實(shí)現(xiàn)按需分配，每個(gè)頻率信道劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶占用不同的時(shí)隙。為了有效的分配、回收時(shí)隙資源，需要專門配置網(wǎng)控時(shí)隙傳輸信令，網(wǎng)控時(shí)隙就會(huì)占用時(shí)隙資源；另外，UFO系統(tǒng)通常為專用網(wǎng)絡(luò)預(yù)留一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器或者按需分配多址時(shí)隙，這就嚴(yán)重限制了可服務(wù)的用戶數(shù)量。因此，系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)大多以非常低的占空比運(yùn)行，浪費(fèi)了大部分容量。

在U2B UHF頻段上行鏈路，終端采用不同的擾碼發(fā)射上行信號(hào)，多個(gè)用戶共享同一頻點(diǎn)。而在B2U UHF頻段下行鏈路，不同點(diǎn)波束使用不同的下行擾碼，16個(gè)點(diǎn)波束共享4個(gè)頻點(diǎn)。而加擾只需對(duì)發(fā)射機(jī)的擴(kuò)頻后碼片級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算；解擾處理只需對(duì)接收機(jī)同步后的碼片級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算即可。信道的時(shí)間、頻率利用率可以達(dá)到100%。

2.5 通信容量

MUOS每個(gè)波束內(nèi)的每個(gè)WCDMA載波有512個(gè)碼道，除去導(dǎo)頻、廣播信道等占用18個(gè)碼字，有494個(gè)碼字可供用戶使用，理論上可支持494個(gè)用戶同時(shí)通信。實(shí)際上，WCDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，原因在于信道化碼和擾碼并非完全正交，每增加一個(gè)用戶就會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其他同頻用戶造成干擾。若所有信道化碼都使用時(shí)，則由于自干擾，會(huì)導(dǎo)致所有用戶無法通信。另外，衛(wèi)星載荷功率是有限的，若所有信道化碼都使用，則衛(wèi)星載荷由于功率耗盡而癱瘓。

根據(jù)PMW-146報(bào)告，MUOS的WCDMA載荷可同時(shí)支持4 083路2.4 kbps話音，其傳統(tǒng)載荷可同時(shí)支持106路2.4 kbps的話音業(yè)務(wù)。因此，單顆衛(wèi)星可同時(shí)支持4 189路2.4 kbps話音，即總帶寬容量為10.05 Mbps[14]。

在MUOS衛(wèi)星的同一覆蓋區(qū)，存在2顆UFO衛(wèi)星，每顆UFO衛(wèi)星配置了21個(gè)5 kHz信道(可支持1路2.4 kbps話音)17個(gè)25 kHz信道[13-14](可同時(shí)支持5路2.4 kbps話音)。則2顆UFO衛(wèi)星的的帶寬容量為支持0.51 Mbps。因此，單顆MUOS衛(wèi)星的通信容量是UFO衛(wèi)星的近20倍。整個(gè)MUOS系統(tǒng)容量為40.2 Mbps，是UFO系統(tǒng)容量的16倍[15]。

另外，MUOS還通過波束重疊覆蓋和備用星進(jìn)一步提高通信容量。在南北緯65°之間超過70%的地區(qū)都有2顆衛(wèi)星覆蓋[16]，在波束重疊區(qū)域，通信容量加倍，且可以調(diào)整業(yè)務(wù)量實(shí)現(xiàn)承載業(yè)務(wù)量均衡。MUOS系統(tǒng)還配置了備用衛(wèi)星，根據(jù)通信業(yè)務(wù)需求可以漂移到預(yù)定軌位，增加熱點(diǎn)地區(qū)的通信容量。

3 MUOS發(fā)展現(xiàn)狀

最為最新一代的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，MUOS在系統(tǒng)建設(shè)、試驗(yàn)和應(yīng)用各個(gè)方面經(jīng)歷了許多困難。

系統(tǒng)建設(shè)方面，衛(wèi)星發(fā)射和地面站建設(shè)經(jīng)過了多次推遲，于2016年完成用戶交付，使得整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)間推遲。首顆衛(wèi)星的傳統(tǒng)載荷于2012年投入使用，到2018年2月，所有MUOS衛(wèi)星的傳統(tǒng)載荷都已投入使用。2016年7月，WCDMA載荷進(jìn)入了早期作戰(zhàn)使用階段，經(jīng)過多種業(yè)務(wù)測試和評(píng)估后于2018年7月進(jìn)入了非作戰(zhàn)任務(wù)應(yīng)用階段。

試驗(yàn)方面，美海軍利用MUOS衛(wèi)星開展了多次通信試驗(yàn)，驗(yàn)證了MUOS波形的通信能力[17]。2013年，使用PRC-155終端采用WCDMA波形經(jīng)過MUOS-1衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，首次實(shí)現(xiàn)了MUOS衛(wèi)星話音與數(shù)據(jù)通信[18]。2014年，多次在阿拉斯加地區(qū)開展試驗(yàn)，通信時(shí)長突破了8 800分鐘，最遠(yuǎn)點(diǎn)到達(dá)了89.5°N，突破了MUOS衛(wèi)星僅能覆蓋南北緯65°的設(shè)計(jì)能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了MUOS衛(wèi)星為北極地區(qū)的提供通信業(yè)務(wù)的能力[19]。

在試驗(yàn)與應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了諸多問題。一是，終端與波形的集成問題，WCDMA波形做了適應(yīng)性改變后應(yīng)用于衛(wèi)星信道，MUOS波形標(biāo)準(zhǔn)到2014年12月才被批準(zhǔn)使用，波形集成需要一個(gè)成熟過程；二是地面站聯(lián)網(wǎng)測試問題，在地面站測試中，發(fā)現(xiàn)在態(tài)勢感知，網(wǎng)絡(luò)管理、容量、抗賽博攻擊方面等問題存在問題，需要進(jìn)一步完善。

預(yù)計(jì)到2020年，MUOS進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的全球作戰(zhàn)應(yīng)用階段，具備全系統(tǒng)運(yùn)行能力。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星移動(dòng)通信是衛(wèi)星通信中的一個(gè)重要分支，近年來在系統(tǒng)建設(shè)、業(yè)務(wù)容量方面增長非?？?。我國也在努力發(fā)展自己的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。總結(jié)MUOS的系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展中的問題，可以為我國發(fā)展衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有益的參考。

在技術(shù)方面，要積極引進(jìn)地面移動(dòng)通信的成熟技術(shù)及MUOS衛(wèi)星的相關(guān)技術(shù)。雖然目前MUOS存在一些應(yīng)用方面的問題，但不可否認(rèn)地面WCDMA技術(shù)引入到衛(wèi)星通信的成功。MUOS中的多波束天線、星上處理技術(shù)等都是我們需要關(guān)注的地方。

在系統(tǒng)應(yīng)用方面，要有前瞻性，考慮重點(diǎn)區(qū)域和全球覆蓋。隨著“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，沿線地區(qū)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求會(huì)急劇上升，因此急需建設(shè)覆蓋沿線地區(qū)甚至全球的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)提供通信保障[20]。

星地網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面要同步，發(fā)揮最大效益。MUOS系統(tǒng)明顯反映出了衛(wèi)星發(fā)射相對(duì)超前、地面建設(shè)滯后的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了很長時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星資源的閑置與浪費(fèi)。在整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)方面，必須保持衛(wèi)星與終端、地面站的同步發(fā)展，才能使系統(tǒng)效能最大化。