天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中信令技術(shù)的研究

姚艷軍，王　爍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

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天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中信令技術(shù)的研究

姚艷軍，王爍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

摘要為了解決天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中信令相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)以及信令信道的建設(shè)，提出了在天基骨干節(jié)點(diǎn)搭載S頻段相控陣載荷的解決方法。對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析：在物理層，提出了基于開(kāi)環(huán)的信令數(shù)據(jù)時(shí)頻快速同步技術(shù)、基于非相干的分組數(shù)據(jù)解調(diào)技術(shù)；在鏈路層，采用擴(kuò)頻ALOHA方式解決廣域用戶隨機(jī)接入問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，基于多符號(hào)聯(lián)合檢測(cè)的分組數(shù)據(jù)解調(diào)技術(shù)比理想相干解調(diào)僅損失0.5dB，擴(kuò)頻ALOHA多址隨著擴(kuò)頻增益增大，容量也相應(yīng)增加。

關(guān)鍵詞天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)；信令信道；骨干網(wǎng)；S頻段；相控陣載荷

0引言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和天基信息網(wǎng)三網(wǎng)組成，不但在地面可以利用商用的網(wǎng)絡(luò)資源，還可以利用天基信息網(wǎng)絡(luò)完成信息的傳輸與分發(fā)，其目的是利用統(tǒng)一的技術(shù)體制和規(guī)范，建設(shè)天地一張網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用無(wú)縫融合和資源統(tǒng)籌調(diào)度。

天基信息網(wǎng)面向全球范圍陸?？仗臁傲Ⅲw空間”里的用戶，具有“高、遠(yuǎn)、廣”的優(yōu)勢(shì)，能有效解決地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的有限性和容災(zāi)脆弱性，在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其邏輯劃分由接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)組成。接入網(wǎng)服務(wù)用戶，主要解決如何為局部區(qū)域的多用戶同時(shí)提供信息服務(wù)。骨干網(wǎng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，主要解決跨區(qū)域骨干數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。一些信息獲取類衛(wèi)星或者地表重要用戶，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求比較大，也可以直接接入到骨干網(wǎng)。

文獻(xiàn)[1]對(duì)美國(guó)的天基信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了概述，文獻(xiàn)[2-3]論述了天基信息網(wǎng)絡(luò)的概述、應(yīng)用前景及系統(tǒng)分類，文獻(xiàn)[4-6]從軍事一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的角度提出了建設(shè)我國(guó)天基信息網(wǎng)絡(luò)的思考。目前的文獻(xiàn)大多停留在定性描述階段，較少能夠提出具備實(shí)際可操作的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)仿真論證的手段。本文著眼于實(shí)際可操作層面，結(jié)合具體場(chǎng)景詳細(xì)闡述了整個(gè)通信過(guò)程中的信令流程，創(chuàng)新性地提出了一種信令網(wǎng)的建設(shè)方法，即在骨干接點(diǎn)搭載S頻段相控陣載荷，解決信令傳輸問(wèn)題。

1信令信道的需求

骨干網(wǎng)一般為毫米波或激光鏈路，其特點(diǎn)有：① 能量集中，波束窄，覆蓋范圍?。虎?服務(wù)對(duì)象高速運(yùn)動(dòng)，需要?jiǎng)討B(tài)建鏈和目標(biāo)跟蹤，如信息獲取類衛(wèi)星；③ 骨干鏈路資源有限，不能同時(shí)為所有用戶提供服務(wù)，這需要信令信道為骨干網(wǎng)提供相關(guān)的信令控制功能，以保證骨干網(wǎng)的組網(wǎng)智能化、資源彈性化、隨遇接入和按需服務(wù)功能。如在通信前，用戶利用信令信道提出申請(qǐng)，報(bào)告自身及對(duì)方的信息，網(wǎng)絡(luò)解析信令后調(diào)度骨干鏈路的波束服務(wù)用戶，從而完成鏈路的建立；在通信時(shí)，由于某些用戶具有高動(dòng)態(tài)特性，還需要利用信令信道動(dòng)態(tài)的更新拓?fù)浜吐酚?，維持通信鏈路。

2個(gè)用戶完成寬帶數(shù)據(jù)交換為例，具體分析信令在其中的作用，如圖1所示。A、B、C、D和E為靜止軌道的天基骨干節(jié)點(diǎn)，彼此用激光完成互聯(lián)。同時(shí)，各自又具有能全球覆蓋的波束，用來(lái)完成信令的接入。用戶1和用戶2為高動(dòng)態(tài)用戶，用戶1有寬帶數(shù)據(jù)要發(fā)往用戶2。

圖1　信令信道的作用場(chǎng)景

整個(gè)通信建立的過(guò)程分為4個(gè)階段，如圖2所示。

圖2　信令過(guò)程的4個(gè)階段

第1階段：“隨機(jī)請(qǐng)求”，用戶1通過(guò)全球廣域無(wú)縫覆蓋的波束發(fā)送信令a，基本內(nèi)容為“我是1，我要傳寬帶數(shù)據(jù)給2”；第2階段：“全網(wǎng)尋呼”，網(wǎng)絡(luò)解析信令a，發(fā)送信令b，基本內(nèi)容為“用戶2，用戶1有寬帶數(shù)據(jù)要傳給你”；第3階段：“尋呼應(yīng)答”，用戶2收到信令b后，發(fā)送信令c，基本內(nèi)容為“好的，知道了，我是用戶2，我目前位置在xxx”；第4階段：“鏈路建立”，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)以上信令，建立路由和鏈路，調(diào)度窄波束服務(wù)用戶1和用戶2，開(kāi)始寬帶數(shù)傳。值得指出的是，為了解釋信令的作用，以上階段做了簡(jiǎn)化，實(shí)際中的信令或更為復(fù)雜。

2信令信道的建設(shè)

信令信道傳輸網(wǎng)絡(luò)的控制數(shù)據(jù)，如申請(qǐng)、尋呼及應(yīng)答等控制信令，速率一般在kbps級(jí)別，具有短時(shí)、低速等特點(diǎn)，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制與管理。為了保證信令隨時(shí)暢通，必須具有全球覆蓋的波束基礎(chǔ)。地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)利用密集分布的基站完成地表用戶的無(wú)縫覆蓋，使得用戶具有隨機(jī)接入功能。類似地，為了保證全球的波束覆蓋，提出以下2種建設(shè)思路：

① 高頻段(Ka)寬波束覆蓋。在天基骨干節(jié)點(diǎn)上搭載單個(gè)高頻段天線陣元，形成一個(gè)寬波束覆蓋全球，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是方式簡(jiǎn)單，但抗雨衰能力不夠，在雨衰嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成鏈路中斷。

② 低頻段(S)多波束密集覆蓋。在天基骨干節(jié)點(diǎn)上搭載S頻段多波束相控陣載荷，以點(diǎn)波束交疊覆蓋的形式，形成蜂窩式的組合全景波束，如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球陸海空天各類用戶的無(wú)縫覆蓋。

圖3　S頻段合全景波束無(wú)縫覆蓋三維示意

基于S頻段組合全景波束建設(shè)信令信道有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

① 以點(diǎn)波束交疊的形式覆蓋全球，能保證一定的增益，減小對(duì)用戶端的要求，從而使得手持式小用戶成為可能；

② 用戶使用全向天線就能保證鏈路預(yù)算要求，不需要定向天線復(fù)雜的對(duì)星操作；

③ 工作于S頻段，具有良好的抗雨衰性能。

以天基骨干節(jié)點(diǎn)搭載口徑為1.7 m的S頻段相控陣載荷為例，按照一定的交疊電平，覆蓋1 000 km的航天器總共約需要37個(gè)波束。在信令信息速率為1 kbps的條件下，終端的EIRP約需要6.5dBW。

有了全球覆蓋的波束基礎(chǔ)后，需要考慮的是通信體制設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于信令一般為低速數(shù)據(jù)，可基于CDMA通信體制，既能滿足信令的QoS要求，也能滿足一定的抗干擾性能。下面分別提出基于CDMA體制的信令信道物理層、鏈路層的若干關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑。

3物理層關(guān)鍵技術(shù)

3.1時(shí)頻快速同步技術(shù)

在CDMA通信體制條件下，在接收端需要通過(guò)載波同步、碼同步實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端的時(shí)頻對(duì)齊。載波頻率和相位、碼相位既可通過(guò)環(huán)路實(shí)現(xiàn)，也可采用開(kāi)環(huán)估計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)[7]。使用環(huán)路實(shí)現(xiàn)同步需要一定數(shù)量的比特用于環(huán)路鎖定。由于信令信息具有低速突發(fā)特點(diǎn)，對(duì)同步時(shí)間要求較高，本方案采用開(kāi)環(huán)同步方法，包括以下幾個(gè)步驟：① 捕獲[8]；② 載波多普勒估計(jì)；③ 碼偏估計(jì)。

捕獲實(shí)現(xiàn)時(shí)頻粗同步，并將粗同步的信息輸入到后繼的多普勒估計(jì)、碼偏估計(jì)模塊，載波和碼偏估計(jì)采用基于數(shù)據(jù)輔助的估計(jì)方法[9]。

3.2低損的分組數(shù)據(jù)解調(diào)技術(shù)

解調(diào)的主要任務(wù)之一是在接收信號(hào)載波與本地載波存在一定頻差和初始相差的條件下，采取一定的措施，從調(diào)制載波中恢復(fù)出基帶調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。衛(wèi)星通信中常用的解調(diào)方式主要有差分解調(diào)和相干解調(diào)2種。差分解調(diào)可以不需要恢復(fù)相干載波，通過(guò)一種簡(jiǎn)易的方法可對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。而相干解調(diào)的原理是通過(guò)一定方法，從接收到的調(diào)制信號(hào)中提取載波頻率和相位信息，在接收端恢復(fù)出與調(diào)制載波同頻同相的載波信號(hào)并調(diào)制的過(guò)程[10]。

由于信令數(shù)據(jù)內(nèi)容較短，為低速突發(fā)的分組業(yè)務(wù)，對(duì)同步時(shí)間要求較高，恢復(fù)相干載波比較困難，本方案采用非相干解調(diào)的方式，不需要恢復(fù)相干載波信息，可以承受一定的信道估計(jì)誤差，處理的復(fù)雜度較低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單。常用的非相干解調(diào)方式即為差分解調(diào)，其基本原理是將前一個(gè)信號(hào)間隔內(nèi)的載波相位作為相位參考。相干解調(diào)的性能要由于差分解調(diào)的性能，調(diào)制階數(shù)越高，性能差異越大。

為了提高非相干解調(diào)的性能，采用多符號(hào)聯(lián)合檢測(cè)的方式。多符號(hào)聯(lián)合差分檢測(cè)方法與現(xiàn)有的差分檢測(cè)的區(qū)別在于：現(xiàn)有的差分檢測(cè)是通過(guò)比較某一符號(hào)區(qū)間的接收信號(hào)與前一符號(hào)的相位實(shí)現(xiàn)的，多符號(hào)差分檢測(cè)(MSD)是通過(guò)比較N(N>2)個(gè)符號(hào)之間的相位，同時(shí)對(duì)N-1個(gè)符號(hào)做出判決[11]。

(1)

在白噪聲條件下，給定s、θ時(shí)，接收信號(hào)的似然函數(shù)為：

(2)

式中，

(3)

在差分編碼方式下，判決規(guī)則可表示為：

(4)

本文對(duì)不同的解調(diào)算法進(jìn)行了仿真分析，不同算法性能仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　多符號(hào)聯(lián)合檢測(cè)與差分解調(diào)性能對(duì)比

由圖4可知，差分解調(diào)比理想相干解調(diào)約損失1dB的信噪比，而采用7符號(hào)聯(lián)合的差分解調(diào)只比理想相干解調(diào)約損失0.5dB。

4鏈路層關(guān)鍵技術(shù)

天基信息網(wǎng)絡(luò)的用戶遍布全球，鏈路層需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是用戶多址接入。目前常用的多址方式有固定多址方式，如FDMA、TDMA和CDMA，隨機(jī)多址方式主要包括純ALOHA、時(shí)隙ALOHA和預(yù)約ALOHA等。對(duì)于突發(fā)信令數(shù)據(jù)而言，如果仍然沿用電話業(yè)務(wù)中的固定多址預(yù)分配方式的話，信道利用率將會(huì)很低。即使采用按申請(qǐng)動(dòng)態(tài)分配信道，也不會(huì)有太大改善，因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)分組的時(shí)間可能遠(yuǎn)小于信道申請(qǐng)分配時(shí)間[10]，因此本方案采用隨機(jī)多址方式。

本方案采用將非時(shí)隙ALOHA與CDMA擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合，發(fā)送經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制的信令。所有用戶共用1個(gè)(或數(shù)個(gè))公共擴(kuò)頻碼，2個(gè)或2個(gè)以上的數(shù)據(jù)包在時(shí)間軸上可能會(huì)有重疊的部分，即在信道中發(fā)生碰撞，但這些發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包不一定全部被毀壞，只要它們到達(dá)地面站的時(shí)間差滿足一定的條件，它們便可以被地面站成功接收，因此系統(tǒng)吞吐量會(huì)比傳統(tǒng)的純ALOHA高出很多[12]。

對(duì)吞吐性能進(jìn)行仿真和數(shù)值計(jì)算，可以得到不同ALOHA接入機(jī)制吞吐量和用戶數(shù)等變量之間的關(guān)系。選取的系統(tǒng)參數(shù)為：擴(kuò)頻沖突區(qū)間δ=2 chips，擴(kuò)頻碼率3.069 Mcps，分組時(shí)間長(zhǎng)度T=0.5s。在一定的用戶平均到達(dá)率λk條件下，純ALOHA、時(shí)隙ALOHA以及不同擴(kuò)頻處理增益N之下，擴(kuò)頻非時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)吞吐量與用戶數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5　不同接入方式下，吞吐量隨用戶數(shù)變化

從圖5可以看出，純ALOHA吞吐量最大只有0.184 分組/s；時(shí)隙ALOHA吞吐量最大也只有0.368 分組/s，且同樣穩(wěn)定性較差。擴(kuò)頻非時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)吞吐量性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于純ALOHA以及時(shí)隙ALOHA，在擴(kuò)頻增益為31的條件下，最大吞吐量為2 分組/s。而且可以看出隨著擴(kuò)頻增益N的增大，系統(tǒng)最大吞吐量和穩(wěn)定工作區(qū)域增大。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的信令信道進(jìn)行了深入研究，引入天基骨干網(wǎng)對(duì)信令信道的需求，并結(jié)合具體場(chǎng)景，對(duì)信令在天基骨干網(wǎng)中的作用進(jìn)行了具體的闡述；提出了在天基骨干節(jié)點(diǎn)搭載S頻段相控陣載荷建設(shè)信令信道的思路，并總結(jié)了若干特點(diǎn)；對(duì)物理層和鏈路層的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，并得到了定量的分析結(jié)果。本文的研究成果對(duì)后期天地一體化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.01

收稿日期：2016-03-24

中圖分類號(hào)TN391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0001-04

作者簡(jiǎn)介

姚艷軍男，(1986—)，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

王爍男，(1981—)，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

A Research on Signaling Technique in the Global-integrated Network

YAO Yan-jun,WANG Shuo

(The38thResearchInstituteofCETC,HefeiAnhui230088,China)

AbstractThis paper aims to address the key technologies and construction of signaling channel in the Global-integrated Network.The paper proposes the way of developing signaling channel,based on the deployment of S-band phased array payload on the backbone nodes.Then,some key technologies are analyzed.Specifically,in physical layer,the paper proposes a way of fast synchronization based on the open loop method.Then,the demodulation of short message based on non-coherent way is also proposed.In the link layer,the method of spreading spectrum combined with ALOHA is used to solve the problem of random access where the users are scattered all around the word.Simulation results show that the solutions to the key technologies meet the actual requirements.Therefore,the paper can give a good direction in the construction of Global-integrated Network.

Key wordsGlobal-integrated Network;signaling channel;backbone network;S band;phased array payload

引用格式：姚艷軍,王爍.天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中信令技術(shù)的研究[J].無(wú)線電工程,2016,46(7):1-4.