基于OFDM星載交換的星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)算法

黨軍宏，晏堅(jiān)，曹志剛

(1. 南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210007；2. 清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

1 引言

同步衛(wèi)星一般產(chǎn)生多個(gè)點(diǎn)波束覆蓋地面不同區(qū)域，在點(diǎn)波束之間或點(diǎn)波束之內(nèi)采用星載交換技術(shù)進(jìn)行傳輸交換。目前OFDM技術(shù)已成為地面無(wú)線通信領(lǐng)域的核心技術(shù)，也將成為下一代衛(wèi)星通信的核心技術(shù)之一[1～3]，衛(wèi)星通信采用OFDM技術(shù)，不僅能提高衛(wèi)星通信自身性能，還將有利于 WiFi，WiMAX，B3G等地面無(wú)線通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的融合，使得地面無(wú)線終端有可能接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。OFDM 技術(shù)將整個(gè)傳輸頻帶劃分成多個(gè)子載波，各個(gè)子載波相互正交、頻譜利用率高，而且各個(gè)子載波可獨(dú)立使用，所以可在點(diǎn)波束星地鏈路的各個(gè)傳輸業(yè)務(wù)和傳輸頻帶的各個(gè)子載波之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過星載子載波交換實(shí)現(xiàn)星載業(yè)務(wù)交換，根據(jù)這個(gè)基本設(shè)想，本文作者已提出了一種全新的星載交換技術(shù)—基于OFDM星載交換[4]?；贠FDM星載交換與現(xiàn)有的FDM子頻帶交換，TDM時(shí)隙交換相比，具有更小、更靈活的交換“粒度”,更高的頻譜利用率；與現(xiàn)有的星載ATM/IP交換相比，又對(duì)傳輸業(yè)務(wù)的幀結(jié)構(gòu)，信道編解碼方式不敏感，具有更廣的適用范圍，并且基于OFDM的星載交換能夠支持不同類型業(yè)務(wù)的QoS要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)波束星地鏈路資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。

要把基于 OFDM 的星載交換應(yīng)用于多點(diǎn)波束同步衛(wèi)星，首先每個(gè)點(diǎn)波束必須建立起該點(diǎn)波束各個(gè)星地上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)與該點(diǎn)波束星地上行鏈路子載波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以本文對(duì)基于OFDM星載交換的點(diǎn)波束星地上行鏈路相關(guān)問題進(jìn)行了研究。

2 基于OFDM星載交換的星地上行鏈路需要解決的主要問題

設(shè)每個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)有多個(gè)地面設(shè)備與衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行星地上下行鏈路業(yè)務(wù)傳輸，如圖1所示。

圖1 基于OFDM星載交換應(yīng)用示意圖

每個(gè)地面設(shè)備處于固定位置或采用“游牧式”工作方式，即每個(gè)地面設(shè)備在與衛(wèi)星通信過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)關(guān)于各個(gè)地面設(shè)備的點(diǎn)波束星地上下行鏈路信道可認(rèn)為是慢變平坦衰落信道（高斯信道）或慢變頻率選擇性衰落信道（萊斯信道）。為了提高星地鏈路的頻譜利用率，點(diǎn)波束星地上下行鏈路均采用OFDMA實(shí)現(xiàn)多址接入，基于OFDM星載交換的點(diǎn)波束星地上行鏈路面臨2個(gè)主要問題。

1) 采用 OFDMA實(shí)現(xiàn)點(diǎn)波束星地上行鏈路多址接入的相關(guān)問題和相應(yīng)解決方法。

因?yàn)辄c(diǎn)波束星地上行鏈路采用OFDMA實(shí)現(xiàn)多址接入，所以點(diǎn)波束星地上行鏈路面臨著時(shí)間同步和頻率同步問題。

①時(shí)間同步問題：設(shè)某個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的每個(gè)地面設(shè)備鎖定衛(wèi)星傳送的點(diǎn)波束星地上行鏈路發(fā)送同步信號(hào)，由于不同地面設(shè)備與衛(wèi)星之間的距離差異，可能導(dǎo)致各個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路OFDM信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)間不一致。

對(duì)于時(shí)間同步問題，本文提出的解決方法如下：在第 u(1 ≤ u≤U)個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)參考位置，此位置是第u個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)星地下行鏈路信號(hào)最早到達(dá)的地球表面位置，其經(jīng)度、緯度、高度 ( l o nu,b, l a tu,b, altu,b)固定，此位置與衛(wèi)星距離 du,b固定，此位置的星地上下行鏈路傳輸延時(shí)λu,b固定，如果某個(gè)地面設(shè)備處于此位置，當(dāng)其鎖定衛(wèi)星傳送的點(diǎn)波束星地上行鏈路信號(hào)發(fā)送同步信息時(shí)，延遲 τu,b=2(du,max/du,b- 1 )λu,b時(shí)刻后，再發(fā)射星地上行鏈路信號(hào)。du,max為第u個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)星地下行鏈路信號(hào)最晚到達(dá)的地球表面位置與衛(wèi)星的距離。

設(shè)地面設(shè)備具備定位功能，可得到所處位置的(l o nu,latu,altu) ，根據(jù)(l o nu,latu,altu) 、( lo nu,b,latu,b,altu,b)和 du,b計(jì)算出自身與衛(wèi)星距離 du，當(dāng)其鎖定上行鏈路發(fā)送同步信號(hào)時(shí)，延遲τu=τu,b+2(1 - du/du,b)λu,b時(shí)刻后，再發(fā)射星地上行鏈路信號(hào)，可確保各個(gè)地面設(shè)備發(fā)送的星地上行鏈路OFDM信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)間基本一致。對(duì)于因GEO衛(wèi)星相對(duì)地球進(jìn)行運(yùn)動(dòng)造成的針對(duì)不同地面設(shè)備的星地上行鏈路和星地下行鏈路距離的微小變化，可由每個(gè)OFDM符號(hào)的循環(huán)前綴進(jìn)行彌補(bǔ)。

②頻率同步問題：每個(gè)地面設(shè)備與衛(wèi)星的頻偏相互不一樣。

OFDMA系統(tǒng)對(duì)載波頻偏（CFO）很敏感，CFO不僅會(huì)導(dǎo)致本地面設(shè)備信號(hào)幅度的衰減，而且還會(huì)引起本地面設(shè)備的子載波間的自干擾，同時(shí)還存在由其他地面設(shè)備的頻率偏移所引起的地面設(shè)備之間干擾。為了獲得理想的性能，各個(gè)地面設(shè)備與衛(wèi)星之間的載波必須保持同步，例如：在WiMAX系統(tǒng)的IEEE 802.16d/e協(xié)議就要求載波頻率的偏差應(yīng)小于子載波間隔的2%。

因?yàn)樾堑刂g采用 FDD（頻分雙工），可以認(rèn)為某個(gè)點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的各個(gè)地面設(shè)備與衛(wèi)星之間的 CFO在星地上下行鏈路的特性表現(xiàn)一致，各個(gè)地面設(shè)備可利用點(diǎn)波束星地下行鏈路信號(hào)估計(jì)出自身與衛(wèi)星之間的星地下行鏈路頻偏信息，進(jìn)而可估計(jì)出自身與衛(wèi)星之間的星地上行鏈路頻偏信息，由各個(gè)地面設(shè)備在本地對(duì)各自的星地上行鏈路信號(hào)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。

2) 如何建立來自同一點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的不同地面設(shè)備的各個(gè)星地上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)與該點(diǎn)波束星地上行鏈路各個(gè)子載波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且支持不同類型傳輸業(yè)務(wù)的QoS要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率、頻譜資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。

對(duì)于此類問題，現(xiàn)有文獻(xiàn)[5～9]都采用了跨層設(shè)計(jì)思想，但都是針對(duì)地面無(wú)線通信系統(tǒng)，在地面無(wú)線通信系統(tǒng)中，因?yàn)橥ㄟ^無(wú)線信道傳輸?shù)南滦墟溌窐I(yè)務(wù)量遠(yuǎn)大于上行鏈路業(yè)務(wù)量，所以一般把跨層設(shè)計(jì)只應(yīng)用于下行鏈路，對(duì)上行鏈路的跨層設(shè)計(jì)幾乎沒有涉及。而衛(wèi)星通信的所有星地上下行鏈路業(yè)務(wù)都是通過無(wú)線信道傳輸，而且衛(wèi)星通信中的地面設(shè)備一般具有更大的規(guī)模和處理能力，一個(gè)地面設(shè)備可能要同時(shí)傳輸多個(gè)各種類型業(yè)務(wù)，具體可分為CBR（恒定速率）業(yè)務(wù)、rtVBR（實(shí)時(shí)可變速率）業(yè)務(wù)、nrtVBR（非實(shí)時(shí)可變速率）業(yè)務(wù)、UBR（未指定速率）業(yè)務(wù)等。本文以傳輸時(shí)延作為不同類型業(yè)務(wù)QoS要求的主要指標(biāo)，其中CBR業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延要求最嚴(yán)格、傳輸優(yōu)先級(jí)也最高，rtVBR業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延要求和傳輸優(yōu)先級(jí)次之，依次類推，同一類型業(yè)務(wù)的傳輸優(yōu)先級(jí)相同。

本文中某個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)的基本思想為：根據(jù)該點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的每個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路發(fā)射功率上限、關(guān)于每個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路信道狀態(tài)、星上子載波分離檢測(cè)后的誤比特率要求（物理層信息）；每個(gè)上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)類型（應(yīng)用層信息）；每個(gè)上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸速率要求（MAC層信息），自適應(yīng)配置子載波的調(diào)制制式以及給各個(gè)上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)自適應(yīng)分配子載波，建立各個(gè)星地上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)與該點(diǎn)波束星地上行鏈路各個(gè)子載波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率、頻譜資源的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。

點(diǎn)波束星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)與地面無(wú)線通信系統(tǒng)的下行鏈路跨層設(shè)計(jì)相比，是多個(gè)發(fā)送方對(duì)應(yīng)一個(gè)接收方，且各個(gè)發(fā)送方的信道狀態(tài)、發(fā)射功率上限可能不同，每個(gè)發(fā)送方同時(shí)傳輸多個(gè)各種類型業(yè)務(wù)。所以點(diǎn)波束星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)應(yīng)該在星上執(zhí)行，但星上很難得到每個(gè)上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸速率要求信息，只能通過星載業(yè)務(wù)呼叫接納控制子系統(tǒng)得到每個(gè)上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)的平均傳輸速率信息，所以只在星上進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)并不完備，還需要各個(gè)地面設(shè)備的參與。

3 點(diǎn)波束星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)算法

3.1 點(diǎn)波束星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)工作流程

基于點(diǎn)波束星地上下行鏈路信道的慢變性，本文設(shè)計(jì)的某個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路的工作流程如圖2所示。點(diǎn)波束星地上行鏈路的跨層設(shè)計(jì)分為2個(gè)步驟，步驟1)由星上完成，步驟2)由各個(gè)地面設(shè)備完成，具體過程如下。

圖2 某個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)工作流程

1) 星上根據(jù)點(diǎn)波束星地上行鏈路接收信號(hào)對(duì)關(guān)于各個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路信道狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，星上根據(jù)關(guān)于各個(gè)地面設(shè)備星地上行鏈路信道狀態(tài)、每個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路發(fā)射功率上限和同一類型業(yè)務(wù)的總傳輸速率要求信息（由星載業(yè)務(wù)接納控制系統(tǒng)提供）給各個(gè)地面設(shè)備分配子載波塊并確定每個(gè)子載波的調(diào)制制式，形成點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道傳輸幀，通過點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道采用廣播方式發(fā)送給各個(gè)地面設(shè)備。

2) 各個(gè)地面設(shè)備根據(jù)分配給自己的子載波子集以及子載波子集中每個(gè)子載波的調(diào)制制式、屬于自己的各個(gè)星地上行鏈路業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)類型、實(shí)時(shí)傳輸速率要求給各個(gè)業(yè)務(wù)分配子載波。按照子載波分配信息和每個(gè)子載波的調(diào)制制式對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)比特流進(jìn)行排隊(duì)、調(diào)制，形成點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)傳輸幀，對(duì)星地上行鏈路頻偏進(jìn)行本地補(bǔ)償后，通過點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)信道傳輸給衛(wèi)星。

3.2 點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道傳輸幀的具體構(gòu)成和跨層設(shè)計(jì)步驟1)算法

基于點(diǎn)波束星地上行鏈路信道特點(diǎn)，為了減小星地下行鏈路控制信道的數(shù)據(jù)傳輸量，本文對(duì)各個(gè)地面設(shè)備采用塊交織方式分配子載波，如圖3所示。

圖3 某個(gè)點(diǎn)波束給各個(gè)地面設(shè)備分配子載波示意圖

塊交織分配方式與完全交織分配方式和連續(xù)塊分配方式相比，能夠兼顧不同地面設(shè)備的頻率分集特性和便于分離屬于不同地面設(shè)備的子載波2個(gè)方面的要求。同一子載波塊中的子載波采用相同的調(diào)制制式。把子載波塊分配方式和子載波調(diào)制制式構(gòu)成點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道傳輸幀，具體如圖4所示。

圖4 點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道傳輸幀構(gòu)成

圖4中幀頭為PN序列，作為點(diǎn)波束的標(biāo)識(shí)符，可用于每個(gè)傳輸幀的時(shí)間同步估計(jì)、頻偏估計(jì)和信道估計(jì)，圖4中OFDM符號(hào)包含的子載波個(gè)數(shù)與業(yè)務(wù)信道OFDM符號(hào)包含的子載波個(gè)數(shù)相同，每個(gè)傳輸幀容納2個(gè)OFDM符號(hào)，為了保證各個(gè)地面設(shè)備對(duì)此傳輸幀的接收準(zhǔn)確性，此傳輸幀OFDM符號(hào)的子載波都采用BPSK調(diào)制。每個(gè)OFDM符號(hào)承載的內(nèi)容如圖5所示。

圖5 圖4中OFDM符號(hào)承載內(nèi)容

設(shè) Nu為第u個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)信道的子載波總數(shù)，把 Nu個(gè)子載波分成2 Mu個(gè)子載波塊，每個(gè)子載波塊包含的子載波個(gè)數(shù)第m個(gè)子載波塊用數(shù)組{m, yu( m), bu( m)} 表示，m為子載波塊編號(hào)， yu(m)為占有該子載波塊的地面設(shè)備編號(hào)， bu( m)為每個(gè)子載波承載比特個(gè)數(shù)，確定{m , yu( m), bu( m)} 模型如圖6所示。

圖6 點(diǎn)波束星地上行鏈路星上跨層設(shè)計(jì)模型

假設(shè)第u個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路有uT個(gè)地面設(shè)備，點(diǎn)波束星地上行鏈路星上跨層設(shè)計(jì)模塊的輸入信息包括：

Tu個(gè)地面設(shè)備發(fā)射功率上限 Pu,t( 1 ≤ t≤Tu)；

CBRu( t)、 r tVBRu( t)、 n rtVBRu( t)、 U BRu( t)(1 ≤ t≤ Tu)分別表示屬于第u個(gè)點(diǎn)波束的第t個(gè)地面設(shè)備的當(dāng)前所有上行CBR業(yè)務(wù)傳輸速率總和、所有上行 rtVBR業(yè)務(wù)平均傳輸速率總和、所有上行nrtVBR業(yè)務(wù)平均傳輸速率總和、所有上行UBR業(yè)務(wù)平均傳輸速率總和；關(guān)于 Tu個(gè)地面設(shè)備的點(diǎn)波束星地上行鏈路信道狀態(tài)（ hu,t( n ) (0 ≤ n ≤ Nu-1且1≤t≤ Tu)為關(guān)于第t個(gè)地面設(shè)備的第n個(gè)子載波信道增益系數(shù)）和第u個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路接收噪聲功率。

確定{m, tu(m), bu( m )} (1 ≤m≤2Mu)算法如下。

1) 確定每個(gè)子載波塊的所有可能調(diào)制制式。

首先確定出當(dāng)每個(gè)子載波塊分配給不同的地面設(shè)備時(shí)，可能采用的所有調(diào)制制式。設(shè)給每個(gè)子載波分配相同的發(fā)射功率 pu，則第t個(gè)地面設(shè)備最多可以占有個(gè)子載波塊。設(shè)把第m個(gè)子載波塊分配給第t個(gè)地面設(shè)備時(shí)每個(gè)子載波能夠承載 bu,t(m) 個(gè)信息比特（備選調(diào)制制式為M-QAM），確定 bu,t(m) 算法如下：

式(1)、式(2)中 B ERreq為星上對(duì)星地上行鏈路子載波信號(hào)分離檢測(cè)后的誤比特率要求。

如果滿足： max(bu,t,m) =min(bu,t,m)，

則 bu,t(m)=max(bu,t,m)，

否則設(shè) bu,t(m)=m ax(bu,t,m)，

如果滿足： BERu,t,m≥BERreq，

則 bu,t(m)=bu,t(m)-1，

返回式(3)繼續(xù)執(zhí)行；

否則執(zhí)行完畢。

2) 對(duì)所有子載波塊進(jìn)行初始分配。

以使第u個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路的總傳輸容量最大為原則，對(duì)所有子載波塊進(jìn)行初始分配。設(shè)Au,t( 1 ≤ t≤Tu)表示已分配給第t個(gè)地面設(shè)備的子載波塊集合，Nu,t為已分配給第t個(gè)地面設(shè)備的子載波塊個(gè)數(shù)， bu(m) ( 1 ≤m≤2Mu)為已分配子載波塊的調(diào)制制式，分配算法如下：

初始化：

執(zhí)行過程：

m= m+1 ,返 回式(4) ,直到m= 2Mu。

3) 依據(jù) Cu,t對(duì)初始子載波塊分配進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù) Cu,t( 1 ≤ t≤Tu)對(duì)初始子載波塊分配方案進(jìn)行調(diào)整，保證 Nu,t≤ Cu,t( 1 ≤t≤ Tu)，同時(shí)保證因調(diào)整子載波塊分配而導(dǎo)致的星地上行鏈路的總傳輸容量的減少量最小。設(shè) Wu為需要重新分配的子載波塊集合，t的初始值為1。具體算法如下。

① 如果 Nu,t＞Cu,t成立，進(jìn)入②；否則t=t+1且滿足 t ＜Tu，繼續(xù)執(zhí)行①。

② Wu=Au,t，任取 m ∈Au,t

通過式(5)、式(6)計(jì)算得到 Nu,t個(gè) eu,t(m)，按eu,t(m)從小到大規(guī)則對(duì) Au,t中子載波塊進(jìn)行排序，把前 Nu,t- Cu,t個(gè)子載波塊從集合 Au,t中拿出，放入相應(yīng)子載波塊集合 Au,t*中，如果第m個(gè)子載波塊被拿出，則 bu( m) =bu,t*(m)，Nu,t*= Nu,t*+1，直至拿出的子載波塊重新分配完畢，返回①。

4) 根據(jù) C BRu( t)對(duì)子載波塊分配進(jìn)行再調(diào)整。

根據(jù) C BRu( t)(1 ≤ t≤Tu)對(duì)子載波塊分配進(jìn)行再調(diào)整的目的是首先盡可能滿足每個(gè)地面設(shè)備的CBR業(yè)務(wù)的傳輸速率要求，具體過程如下。

設(shè) Ru,d(t)為已分配給第t個(gè)地面設(shè)備的所有子載波塊能夠達(dá)到的傳輸速率，其初始值為

設(shè) Ru,r(t)為屬于第t個(gè)地面設(shè)備的業(yè)務(wù)傳輸速率要求，其初始值為

調(diào)整規(guī)則如下。

① 假設(shè)第m個(gè)子載波塊已分配給第t個(gè)地面設(shè)備，bu( m )=bu,t(m)，如果因把第m個(gè)子載波塊分給其他地面設(shè)備而導(dǎo)致 Ru,d(t)- subu,t(m)＜Ru,r(t )，則第m個(gè)子載波塊不能重新分配給其他地面設(shè)備；否則有可能重新分配給其他地面設(shè)備。

② 每次子載波塊重新調(diào)整分配導(dǎo)致總傳輸速率的減少量最小，子載波塊重新分配的調(diào)整次數(shù)應(yīng)越少越好。

規(guī)則①保證滿足業(yè)務(wù)傳輸速率要求的地面設(shè)備越來越多，規(guī)則②由代價(jià)函數(shù) eu,t(m) 表示：

Wu為可能重新分配子載波塊集合，其建立方法為Wu= { Au,t1∪ Au,t2…}且 (Ru,d(t1)＞ Ru,r(t1)… )，令t= 1 ：

① 如果 Ru,d(t)≥ Ru,r(t)，則t = t + 1且t≤Tu，繼續(xù)執(zhí)行①；否則，進(jìn)入②。

② 建立當(dāng)前的Wu，如果Wu≠φ，任取m∈Wu，計(jì)算 eu,t(m) ，進(jìn)入③；否則步驟4)調(diào)整分配結(jié)束。

③ 如果Wu≠φ，則進(jìn)入④；否則 t= t + 1且t≤ Tu，返回①。

否則子載波塊集合 Au,t不接受第 m*個(gè)子載波塊，Wu= Wu-{ m*}，返回③。

經(jīng)過以上處理后，對(duì) Ru,r( t)(1 ≤ t≤Tu)進(jìn)行更新，如果滿足 Ru,d(t)≥ Ru,r(t)，則Ru,r(t)=Ru,r(t)+rtVBRu(t)；否則 Ru,r( t)=Ru,d(t)+r tVBRu( t )。

5) 采用步驟 4)方法依次根據(jù) r tVBRu( t)、nrtVBRu( t)、 U BRu( t)對(duì)子載波塊分配進(jìn)行調(diào)整。

6) 根據(jù) Au,t( 1 ≤ t≤Tu)和bu( m )( 1≤ m ≤ 2Mu)生成第u個(gè)點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道傳輸幀，發(fā)送給各個(gè)地面設(shè)備。

3.3 點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)傳輸幀的具體構(gòu)成和跨層設(shè)計(jì)步驟2）算法

本文提出的點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)傳輸幀構(gòu)成

可認(rèn)為在一個(gè)傳輸幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)關(guān)于各個(gè)地面設(shè)備的點(diǎn)波束星地上行鏈路信道狀態(tài)和頻偏特性保持不變，幀頭采用PN序列構(gòu)成，作為各個(gè)地面設(shè)備的標(biāo)示符，用于每個(gè)傳輸幀的時(shí)間同步估計(jì)、信道估計(jì)。來自不同地面設(shè)備的星地上行鏈路業(yè)務(wù)傳輸幀根據(jù)點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道廣播信息占有相應(yīng)子載波塊，OFDM_1_1和OFDM_1_2符號(hào)構(gòu)成控制子幀，承載關(guān)于某個(gè)地面設(shè)備的各個(gè)業(yè)務(wù)的子載波分配方式信息，如圖8所示。

圖8 圖7中OFDM_1_1和OFDM_1_2符號(hào)內(nèi)容

對(duì)屬于第t個(gè)地面設(shè)備的各個(gè)業(yè)務(wù)采用連續(xù)分配方式分配子載波，如圖9所示。

針對(duì)第k個(gè)業(yè)務(wù)的子載波分配信息用集合{Gu,t( k),Nu,t(k ) }表示， Gu,t(k)為該業(yè)務(wù)編號(hào)，Nu,t(k)為該業(yè)務(wù)終止子載波位置，該業(yè)務(wù)起始子載波位置為屬于同一個(gè)地面設(shè)備的前一個(gè)業(yè)務(wù)的終止子載波位置+1。第t個(gè)地面設(shè)備的傳輸幀可容納個(gè)業(yè)務(wù)，控制子幀OFDM符號(hào)的每個(gè)子載波采用BPSK調(diào)制。圖8中后續(xù)L個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成傳輸幀的業(yè)務(wù)子幀，根據(jù)子載波調(diào)制制式和子載波分配方式承載各個(gè)傳輸業(yè)務(wù)。

圖9 給第t個(gè)地面設(shè)備的各個(gè)業(yè)務(wù)分配子載波示意圖

第u個(gè)點(diǎn)波束的第t個(gè)地面設(shè)備確定參數(shù){Gu,t( k),Nu,t( k)}(0 ≤ k≤Ku,t)和生成星地上行鏈路業(yè)務(wù)傳輸幀模型如圖10所示，圖10中跨層設(shè)計(jì)模塊的輸入信息有3種，具體如下。

第t個(gè)地面設(shè)備的每個(gè)星地上行鏈路傳輸業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)類型。

當(dāng)前時(shí)刻存儲(chǔ)第 j (1 ≤ j≤Ju,t)個(gè)業(yè)務(wù)比特流的緩存占用長(zhǎng)度信息（用 fu,t(j)表示，體現(xiàn)了業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸速率要求），為便于子載波分配，當(dāng)滿足時(shí)，才認(rèn)為該業(yè)務(wù)當(dāng)前時(shí)刻有數(shù)據(jù)要傳輸，否則認(rèn)為某業(yè)務(wù)當(dāng)前時(shí)刻無(wú)傳輸數(shù)據(jù)，假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻滿足此條件的業(yè)務(wù)個(gè)數(shù)為，個(gè)業(yè)務(wù)形成的業(yè)務(wù)集合用表示。

來自點(diǎn)波束星地下行鏈路控制信道的關(guān)于第t個(gè)地面設(shè)備的最新子載波塊分配信息和子載波調(diào)制制式信息。

圖10 第t個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路跨層設(shè)計(jì)模型

第t個(gè)地面設(shè)備給業(yè)務(wù)分配子載波算法如下。

則

則

需要說明的是：如果 e ( j/) ( j/∈χ)中有多個(gè)相同最小值，則 j/*為其中最小的 j/值。

3) 根據(jù)子載波分配信息生成圖 7的OFDM_1_1和OFDM_1_2符號(hào)。

4) 根據(jù)子載波分配信息和子載波調(diào)制制式信息對(duì)傳輸業(yè)務(wù)比特流進(jìn)行排隊(duì)、符號(hào)映射、生成各個(gè)子載波信號(hào)，用IFFT把所有子載波信號(hào)調(diào)制成L個(gè)完整OFDM符號(hào)，插入相應(yīng)CP，插入幀頭，對(duì)星地上行鏈路頻偏進(jìn)行本地補(bǔ)償后，通過點(diǎn)波束星地上行鏈路業(yè)務(wù)信道傳輸給衛(wèi)星。

4 仿真

對(duì)3.2節(jié)算法的仿真分2部分，具體如下。

1) 執(zhí)行完3.2節(jié)算法的步驟1)、2)、3)得到點(diǎn)波束星地上行鏈路能夠達(dá)到的總傳輸速率 Br以及此時(shí)每個(gè)地面設(shè)備星地上行鏈路的總傳輸速率Br,t，把 Br、 Br,t與該點(diǎn)波束星地上行鏈路的最大可能總傳輸速率（即子載波塊包含的子載波個(gè)數(shù)為 1時(shí)，該點(diǎn)波束星地上行鏈路能夠達(dá)到的總傳輸速率）Bd以及此時(shí)每個(gè)地面設(shè)備星地上行鏈路的總傳輸速率 Bd,t進(jìn)行比較，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 3.2節(jié)算法仿真參數(shù)—1

顯然，當(dāng)針對(duì)該點(diǎn)波束的各個(gè)地面設(shè)備的星地上行鏈路信道模型都是高斯信道時(shí)，Br與Bd基本一致，所以在仿真中只考慮萊斯信道時(shí)的情況，仿真結(jié)果如表2所示。

從表2的仿真結(jié)果可以看出，在不同的接收信噪比條件下，Br與Bd基本保持一致，兩者的傳輸速率差別幾乎可忽略不記，這也就驗(yàn)證了對(duì)各個(gè)地面設(shè)備采用塊狀方式分配子載波，且同一子載波塊中的子載波調(diào)制制式相同這一設(shè)想的可行性。

表2 3.2節(jié)算法仿真結(jié)果—1

2) 把執(zhí)行完3.2節(jié)算法的步驟4)、步驟5)后的某個(gè)點(diǎn)波束星地上行鏈路能夠達(dá)到的總傳輸速率以及與 Br以及 Br,t進(jìn)行比較，仿真參數(shù)如表3所示。

表3 3.2節(jié)算法仿真參數(shù)—2（S/N=15dB）

仿真結(jié)果如表4所示。

表4 3.2節(jié)算法仿真結(jié)果—2

從表4的仿真結(jié)果可以看出，3.2節(jié)算法的步驟4)、步驟5)能夠在一定程度上滿足各個(gè)地面設(shè)備的業(yè)務(wù)傳輸速率要求，并且使因重新調(diào)整子載波塊分配而導(dǎo)致總傳輸速率的減少量最小。

在3.2節(jié)算法仿真基礎(chǔ)上，對(duì)3.3節(jié)算法性能進(jìn)行仿真，對(duì)4個(gè)地面設(shè)備分別注入5個(gè)傳輸業(yè)務(wù)，第1個(gè)業(yè)務(wù)為CBR業(yè)務(wù)，第2個(gè)業(yè)務(wù)為rtVBR業(yè)務(wù)、第3個(gè)業(yè)務(wù)為nrtVBR業(yè)務(wù)、第4、5個(gè)業(yè)務(wù)為UBR業(yè)務(wù)。對(duì)這20個(gè)傳輸業(yè)務(wù)從源地面設(shè)備傳輸?shù)叫l(wèi)星過程進(jìn)行仿真，仿真中不考慮差錯(cuò)重傳，仿真時(shí)間設(shè)為10s，檢驗(yàn)每個(gè)業(yè)務(wù)的平均星地上行鏈路傳輸延時(shí)。每個(gè)業(yè)務(wù)的傳輸延時(shí)不包括星地上行鏈路的傳輸延時(shí)（130ms）。具體仿真結(jié)果如表5所示。

表5 各個(gè)業(yè)務(wù)的平均傳輸延時(shí)

仿真表明：子載波分配算法有效地支持了各種業(yè)務(wù)類型，CBR業(yè)務(wù)的傳輸延時(shí)小于其他業(yè)務(wù)，依次類推。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以基于 OFDM 的星載交換方案為研究背景，提出了此星載交換方案的星地上行鏈路工作流程和相關(guān)跨層設(shè)計(jì)算法，實(shí)時(shí)生成每個(gè)傳輸業(yè)務(wù)與子載波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，充分利用鏈路資源并盡可能滿足傳輸業(yè)務(wù)的QoS要求，此上行鏈路工作流程和相關(guān)跨層設(shè)計(jì)算法也可應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)。

[1] DE GAUDENZI R. R&D directions for next generation broadband multimedia systems∶ an Esa perspective[A]. 9th Ka and Broadband Communications Conference[C]. Lacco Ameno, Italy, 2003. 764-769.

[2] FALCONIO P, CATANIA F, AMATOL M. High quality qudio qervices over a L-band satellite link using COFDM with soft-decision[A].Proceedings of the IEEE 16th International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications[C]. Berlin, Germany, 2005.2252-2256.

[3] 張琛, 付耀文, 張爾揚(yáng). QAM-OFDM衛(wèi)星通信系統(tǒng)PAPR抑制方法研究[J]. 通信學(xué)報(bào), 2006,27(8)∶67-72.ZHANG C, FU Y W, ZHANG E Y. Research on PAPR reduction scheme in QAM-OFDM satellite communication system[J]. Journal on Communications, 2006,27(8)∶67-72.

[4] 黨軍宏, 晏堅(jiān), 曹志剛. 一種基于OFDM和跨層設(shè)計(jì)的星載交換系統(tǒng)[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2009, 30(3)∶1086-1094.DANG J H, YAN J, CAO Z G. An on-board switch scheme based on OFDM and cross-layer design[J]. Journal of Astronautics, 2009,30(3)∶1086-1094.

[5] ZHANG G.. Subcarrier and bit allocation for real-time services in multiuser OFDM systems[A]. IEEE ICC'04[C]. Paris, France, 2004.2895-2989.

[6] YU G., ZHANG Z, CHEN Y, et al. A novel resource allocation algorithm for for real-time services in multiuser OFDM systems[A]. IEEE VTC’06[C]. Spring, Melbourne Australia, 2006.1057-1062.

[7] SHEN Z, ANDREWS J G, EVANS B L. Optimal power allocation in multiuser OFDM systems[A]. IEEE GLOBECOM'03[C]. San Francisco, CA, 2003. 337-341.

[8] CHEN W, FAN P, CAO Z. Water filling in cellar∶ the optimal power allocation policy with channel and buffer state information[A]. IEEE ICC'05[C]. Seoul, Korea, 2005. 537-541.

[9] WONG I C, EVANS B L. Optimal downlink OFDMA resource allocation with linear complexity to maximize ergodic rates[J]. IEEE Transactions on Wireless Communication, 2008, 7(3)∶ 962-971.