載波疊加技術(shù)的頻譜效率分析*

徐 挺，蘭 海，孫 勇，張宏江

(1.海能達(dá)通信股份有限公司，廣東 深圳 154100;2.老撾亞太衛(wèi)星有限公司，老撾 萬(wàn)象 999012；3.重慶兩江衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司，重慶401135；4.航天恒星科技有限公司，北京100086；5.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

0 引 言

對(duì)于衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)來說，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬租賃費(fèi)用是最重要的一筆運(yùn)營(yíng)開支，直接影響業(yè)務(wù)運(yùn)行的可行性和盈利能力。轉(zhuǎn)發(fā)器的租賃成本取決于業(yè)務(wù)載波所占用的帶寬和功率，因此通過提高業(yè)務(wù)載波頻譜效率以減少單位信道容量所需帶寬，從而降低轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬租賃費(fèi)用，一直都是整個(gè)衛(wèi)星通信行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的努力方向。

常規(guī)方式是采用高階調(diào)制方式，雖可保證在滿足一定信道容量下減少帶寬占用量，但需要更高的解調(diào)門限值，意味著載波需要更大的功率才能保證足夠的信噪比和系統(tǒng)余量?？紤]到地面天線口徑和功放的規(guī)格限制，往往無(wú)法有效地使用高階調(diào)制。近年來，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域出現(xiàn)了一種載波疊加技術(shù)(Carrier in Carrier,CnC)，可以通過在同一頻段上載波重疊的方式實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，提高了載波頻譜效率[1]。理論上，采用CnC技術(shù)可以使載波占用的信道帶寬節(jié)省一半，即頻譜效率提升一倍。然而轉(zhuǎn)發(fā)器資源是由帶寬和功率組成，帶寬節(jié)省的同時(shí)也要保證載波對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)器功率占用不超額。因此，需要結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)頻譜利用效率進(jìn)行量化計(jì)算分析。

1 載波疊加原理

常規(guī)衛(wèi)星鏈路都是通過多址接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的分離，例如，頻分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)方式采用不同的載波頻率，時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)采用不同的時(shí)隙劃分，碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)采用特定的擴(kuò)頻碼。而CnC則利用衛(wèi)星通信的獨(dú)有特點(diǎn)，使雙向通信的載波間頻率重疊，以實(shí)現(xiàn)信道容量的提升。使用CnC技術(shù)的前提是，通信衛(wèi)星采用的是透明彎管轉(zhuǎn)發(fā)器，星上只做頻率轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大，不做數(shù)據(jù)再生和轉(zhuǎn)發(fā)器交鏈等處理，同時(shí)需要通信雙方所發(fā)出的信號(hào)能被自己和對(duì)方接收。

發(fā)射端modem需要將調(diào)制載波發(fā)送給對(duì)端modem的同時(shí)保留一份給自己的解調(diào)器。兩臺(tái)modem的載波都發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)器的相同頻帶上，兩臺(tái)modem下行接收的是一個(gè)合成信號(hào)，里面包含了每臺(tái)modem發(fā)給對(duì)端的載波，因此相當(dāng)于本端發(fā)送的載波對(duì)于本段接收而言是干擾載波。載波疊加技術(shù)就是要將接收的合成載波中自己發(fā)出的載波通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)過濾掉，從而提取出對(duì)端載波[2]。

由于本端解調(diào)器已存有本端載波副本，可以從中提取出頻率、相位等信息，對(duì)比接收到的下行合成載波，通過跟蹤本站的發(fā)射時(shí)延、頻率偏差和相位偏差，在數(shù)字域提取出本端發(fā)射載波，使用自適應(yīng)均衡器對(duì)其過濾消除，復(fù)原成單一的對(duì)端發(fā)射載波，輸出給解調(diào)器。由于無(wú)法做到完全消除干擾，殘留的少量干擾載波就計(jì)入噪聲造成一部分的信噪比下降。Comtech、Viasat、Novelsat、Newtec等目前主流VSAT(Very Small Aperture Terminal)廠家的基帶系統(tǒng)和modem產(chǎn)品，其CnC技術(shù)帶來的信噪比損失通常都在0.5 dB左右。

2 CnC理想狀態(tài)下性能分析

香農(nóng)定理[3]指出：在衛(wèi)星信道這種白噪聲信道中，假設(shè)信號(hào)功率為S，噪聲功率為N，信道帶寬為BW，則該信道的最大信道容量C為

(1)

對(duì)應(yīng)的帶寬效率可表示為b/s/Hz，即

(2)

式中：S=S0×BW，S0為信號(hào)功率譜密度；N=N0×BW，N0為噪聲功率譜密度。

2.1 常規(guī)信道容量計(jì)算

假設(shè)在一個(gè)信道中，存在兩個(gè)帶寬、功率相同的載波組成一條雙向?qū)ΨQ的通信鏈路，其常規(guī)頻譜如圖1所示。

圖1 常規(guī)頻譜圖

兩個(gè)載波將信道帶寬一分為二，載波1的帶寬為BW/2，功率譜密度為S0，則信號(hào)功率為S0×(BW/2)=S/2，噪聲功率為N0×(BW/2)=N/2。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(3)

同理，載波2的信道容量C2為

(4)

此時(shí)，雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

(5)

頻譜效率為

(6)

2.2 CnC信道容量計(jì)算

同樣在一個(gè)信道中，存在兩個(gè)帶寬、功率相同的載波組成一條雙向?qū)ΨQ的通信鏈路，當(dāng)采用CnC技術(shù)后，其頻譜如圖2所示。

圖2 CnC頻譜圖

此時(shí)，兩個(gè)載波共享同一信道帶寬，而將功率一分為二，載波1的帶寬為BW，功率譜密度為S0/2，則信號(hào)功率為(S0/2)×BW=S/2，噪聲功率為N0×BW=N。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(7)

同理，載波2的信道容量C2為

(8)

此時(shí)，雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

(9)

頻譜效率為

(10)

2.3 常規(guī)與CnC的信道容量對(duì)比

對(duì)比式(5)和式(9)可以看出，CnC信道容量比常規(guī)多了一個(gè)0.25S2/N2，該項(xiàng)為正值，表明采用CnC技術(shù)獲得的信道容量肯定比常規(guī)的高。根據(jù)目前衛(wèi)星通信通用的DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)，其支持的最高調(diào)制編碼方式可達(dá)32APSK 9/10，對(duì)應(yīng)的信噪比解調(diào)門限約為16 dB。以該值為上限，表1給出了在理想情況下不同信噪比對(duì)應(yīng)兩者的頻譜效率。

表1 常規(guī)方式與CnC技術(shù)頻譜效率

從表1中可看出，理想情況下,CnC技術(shù)在衛(wèi)星鏈路中相比常規(guī)方式可以獲得最高63.93%的信道容量提升。

3 CnC實(shí)際應(yīng)用性能分析

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源由帶寬和功率組成，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)際的信道是分為帶寬受限、功率受限和功帶平衡三種狀態(tài)。此外，由于衛(wèi)星是非線性信道，當(dāng)只存在一個(gè)載波時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器可以工作在飽和點(diǎn)，通常會(huì)考慮預(yù)留0.5～1 dB回退避免功率波動(dòng)和相位失真；而當(dāng)存在多個(gè)載波時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器需要功率回退3 dB以上至線性點(diǎn)以避免載波間互調(diào)干擾[4]。此時(shí)，需要考慮兩大帶寬載波分別占用兩整轉(zhuǎn)發(fā)器和兩小帶寬載波占用同一轉(zhuǎn)發(fā)器的兩種情況。由此，可以列出四類不同的應(yīng)用場(chǎng)景：場(chǎng)景1，同轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路信道；場(chǎng)景2，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路信道；場(chǎng)景3，同轉(zhuǎn)發(fā)器的TDM/TDMA鏈路信道；場(chǎng)景4，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的TDM/TDMA鏈路信道。

針對(duì)各個(gè)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要獨(dú)立分析其信道組成和原理，計(jì)算常規(guī)方式下和采用CnC技術(shù)后的帶寬效率，從而得出CnC技術(shù)所帶來的頻譜效率提升能力。

3.1 場(chǎng)景1分析

對(duì)于同轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路信道，當(dāng)兩地面站的系統(tǒng)配置如天線口徑和功放規(guī)格等能滿足上行功率要求，兩載波的功率譜密度可使信道保持在功帶平衡狀態(tài)，即載波占用的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功率占比相同[5]。此時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退3 dB，得到常規(guī)方式下載波頻譜如圖3所示。

圖3 同轉(zhuǎn)發(fā)器常規(guī)SCPC頻譜

載波1的帶寬為BW/2，功率譜密度為S0/2，則信號(hào)功率為S0/2×(BW/2)=S/4，噪聲功率為N0×(BW/2)=N/2。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(11)

同理，載波2的信道容量C2為

(12)

此時(shí)，雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

(13)

頻譜效率為

(14)

而當(dāng)采用CnC技術(shù)后，需要在轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退3 dB的同時(shí)再加上0.5 dB的干擾消除損耗，此時(shí)的載波頻譜如圖4所示。

圖4 同轉(zhuǎn)發(fā)器CnC SCPC頻譜

載波1的帶寬為BW，功率譜密度為S0/4，則信號(hào)功率為(S0/4)×BW=S/4,噪聲功率為N0×BW=N。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(15)

同理，載波2的信道容量C2為

(16)

此時(shí)，雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

(17)

頻譜效率為

(18)

此時(shí)可以求出不同信噪比下兩者的頻譜效率,如表2所示。

表2 場(chǎng)景1頻譜效率

從表2中可看出，對(duì)于SCPC鏈路，當(dāng)處于功帶平衡狀態(tài)且整轉(zhuǎn)發(fā)器信道總信噪比大于0 dB時(shí)，隨著信噪比的增加，CnC技術(shù)相比常規(guī)方式所帶來的頻率效率提升能力也隨著增加，最高可獲得50.47%的信道容量提升。

3.2 場(chǎng)景2分析

對(duì)于兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路信道，當(dāng)兩地面站的系統(tǒng)配置如天線口徑和功放規(guī)格等能滿足上行功率要求，兩載波的功率譜密度可使信道保持在功帶平衡狀態(tài)，即載波占用的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功率占比相同[6]。此時(shí)，由于每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器都只存在一個(gè)載波，功率僅需回退0.5 dB即可，得到常規(guī)方式下載波頻譜如圖5所示。

圖5 兩整轉(zhuǎn)發(fā)器常規(guī)SCPC頻譜

載波1的帶寬為BW，功率譜密度為S0，則信號(hào)功率為S0×BW=S，噪聲功率為N0×BW=N。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(19)

同理，載波2的信道容量C2為

(20)

此時(shí)，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)應(yīng)的一條雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

(21)

由于兩個(gè)載波的參數(shù)狀態(tài)完全一致，因此其頻譜效率為

(22)

而當(dāng)采用CnC技術(shù)后，在兩整轉(zhuǎn)發(fā)器分別發(fā)兩載波進(jìn)行疊加，占用與常規(guī)方式相同的兩整轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。但由于每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器都存在兩載波，需要功率回退3 dB的同時(shí)再加上0.5 dB的干擾消除損耗，此時(shí)的載波頻譜如圖6所示。

圖6 兩整轉(zhuǎn)發(fā)器CnC SCPC頻譜

在一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器中，載波11的帶寬為BW，功率譜密度為S0/4，則信號(hào)功率為(S0/4)×BW=S/4,噪聲功率為N0×BW=N。此時(shí)，載波11的信道容量C11為

(23)

同理，載波12的信道容量C12為

(24)

此時(shí)，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)應(yīng)的兩條雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

(25)

由于兩兩轉(zhuǎn)發(fā)器上的四個(gè)載波的參數(shù)狀態(tài)完全一致，因此其頻譜效率為

(26)

此時(shí)可以求出不同信噪比下兩者的頻譜效率，如表3所示。

表3 場(chǎng)景2頻譜效率

從表3中看出，對(duì)于兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路，常規(guī)方式可以充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的功率資源，頻譜效率很高，且僅需要2臺(tái)modem發(fā)送2個(gè)載波建立一條雙向通信鏈路實(shí)現(xiàn)。而采用CnC技術(shù)，需要4臺(tái)modem在兩轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送4個(gè)載波建立兩條雙向通信鏈路實(shí)現(xiàn)，由于每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器都存在2個(gè)載波，需要功率回退3 dB，加上0.5 dB的干擾消除損耗，因此無(wú)法有效利用轉(zhuǎn)發(fā)器的功率資源，其頻譜效率在低信噪比時(shí)不如常規(guī)方式高。但由于其獨(dú)特性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在整轉(zhuǎn)發(fā)器信道總信噪比大于10 dB以上，CnC依然相比充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器功率資源的常規(guī)方式能小幅提升其頻譜效率。

場(chǎng)景1和場(chǎng)景2都是針對(duì)功帶平衡狀態(tài)下的計(jì)算分析得出CnC技術(shù)相比常規(guī)方式所帶來的的頻譜效率的提升性能，但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中也可能存在一個(gè)載波功率占用少而處于帶寬受限狀態(tài)，另一個(gè)載波處于功帶平衡狀態(tài)的情況，使兩載波在轉(zhuǎn)發(fā)器上的總功率占比低于總帶寬占比[7]。此時(shí)，CnC可以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)將剩余的功率利用起來，從而提升其頻譜效率，其效率提升能力同樣需要根據(jù)兩載波的實(shí)際信噪比情況計(jì)算得出。

3.3 場(chǎng)景3分析

對(duì)于同轉(zhuǎn)發(fā)器的TDM/TDMA鏈路信道，通常中心站的系統(tǒng)配置如天線口徑和功放規(guī)格很高。為了保證遠(yuǎn)端站能正常的接收到其發(fā)出的出境TDM載波，通常會(huì)將TDM載波的功率譜密度發(fā)得很高，加上本身的載波帶寬也很大，因此TDM載波在信道中屬于功率受限。遠(yuǎn)端站由于天線口徑和功放規(guī)格限制，其入境TDMA突發(fā)載波的功率譜密度通常會(huì)發(fā)得很低，僅供中心站正常接收即可，因此TDMA載波在信道中屬于帶寬受限。同時(shí)，為降低遠(yuǎn)端站的上行發(fā)射功率，通常會(huì)對(duì)一個(gè)TDMA突發(fā)載波拆分成多個(gè)MF-TDMA突發(fā)載波[8]。比較常見和典型的應(yīng)用場(chǎng)景，在同轉(zhuǎn)發(fā)器的一條常規(guī)TDM/TDMA鏈路中，在轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退3dB后的剩余功率中，TDM連續(xù)載波功率約占90%，而多個(gè)MF-TDMA突發(fā)載波總功率約占10%。此處，以一個(gè)TDM連續(xù)載波和兩個(gè)MF-TDMA突發(fā)載波為例，其載波頻譜如圖7所示。

圖7 同轉(zhuǎn)發(fā)器常規(guī)TDM/TDMA頻譜

載波1的帶寬為BW/2，功率譜密度為0.9S0，則信號(hào)功率為(0.9S0)×(BW/2)=0.45S，噪聲功率為N0×(BW/2)=0.5N。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(27)

載波2的帶寬為BW/4，功率譜密度為0.1S0，則信號(hào)功率為(0.1S0)×(BW/4)=0.025S，噪聲功率為N0×(BW/4)=0.25N。此時(shí)，載波2的信道容量C2為

(28)

同理，載波3的信道容量C3也為

(29)

此時(shí)，雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

C=C1+C2+C3=

(30)

頻譜效率為

(31)

而當(dāng)采用CnC技術(shù)后，在轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退3 dB的同時(shí)，中心站在接收各MF-TDMA載波時(shí),還需考慮0.5 dB的干擾消除損耗。而遠(yuǎn)端站在接收TDM載波時(shí)，由于TDM載波功率譜密度遠(yuǎn)高于MF-TDMA載波，且modem設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此不再對(duì)自身發(fā)出的TDMA載波進(jìn)行干擾消除而直接接收TDM載波。此時(shí)，自身發(fā)出的TDMA載波會(huì)作為干擾信號(hào)連同白噪聲共同影響其接收的TDM載波的信噪比。從頻譜中看，TDM載波和TDMA載波相比常規(guī)方式下其功率譜密度都小了一半,此時(shí)的載波頻譜如圖8所示。

圖8 同轉(zhuǎn)發(fā)器CnC TDM/TDMA頻譜

載波1的帶寬為BW，功率譜密度為0.45S0，則信號(hào)功率為0.45S，噪聲功率為N0×BW=N。干擾信號(hào)功率為0.05S0×BW=0.05S。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(32)

載波2的帶寬為BW/2，功率譜密度為0.05S0，則信號(hào)功率為(0.05S0)×(BW/2)=0.025S，噪聲功率為N0×(BW/2)=0.5N。此時(shí)，載波2的信道容量C2為

(33)

同理，載波3的信道容量C3也為

(34)

此時(shí)，雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

C=C1+C2+C3=

(35)

頻譜效率為

(36)

此時(shí)可以求出不同信噪比下兩者的頻譜效率,如表4所示。

表4 場(chǎng)景3頻譜效率

從表4中可看出，占用同轉(zhuǎn)發(fā)器的TDM/TDMA鏈路，使用CnC技術(shù)相比常規(guī)方式能帶來頻譜效率的提升，但是提升能力并不一直隨整轉(zhuǎn)發(fā)器信道總信噪比的增加而增加。當(dāng)信道信噪比超過10dB以后，其頻譜效率提升的幅度反而開始減少。此外，整體增加的幅度也沒有同轉(zhuǎn)發(fā)器下SCPC鏈路的大[9]。歸其原因是遠(yuǎn)端站在接收出境TDM載波時(shí)未對(duì)自身發(fā)出的入境TDMA干擾載波進(jìn)行干擾消除。當(dāng)信道總信噪比不斷增加，其TDMA載波信噪比也隨之增加，變成干擾信號(hào)后對(duì)其接收的TDM載波的載噪比的影響也隨之增加，從而影響出境信道容量的增加，整體拖累了整條雙向通信鏈路的總信道容量和總頻譜效率。

3.4 場(chǎng)景4分析

常規(guī)方式下，對(duì)于兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的TDM/TDMA鏈路信道，當(dāng)中心站的系統(tǒng)配置如天線口徑和功放規(guī)格等能滿足上行功率要求，可使一個(gè)出境TDM連續(xù)載波帶寬占用整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，而轉(zhuǎn)發(fā)器功率僅需回退0.5 dB即可，因此出境信道處于功率受限狀態(tài)。而對(duì)于遠(yuǎn)端站由于系統(tǒng)配置受限，在另一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送多個(gè)MF-TDMA突發(fā)載波，占用整轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬而功率占用極少，因此入境信道處于帶寬受限狀態(tài)。以TDM信道轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退0.5 dB、TDMA信道轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退10 dB為例，常規(guī)方式下載波頻譜如圖9所示。

圖9 兩整轉(zhuǎn)發(fā)器常規(guī)TDM/TDMA頻譜

載波1的帶寬為BW，功率譜密度為S0，則信號(hào)功率為S0×BW=S，噪聲功率為N0×BW=N。此時(shí)，載波1的信道容量C1為

(37)

載波2的帶寬為BW/2，功率譜密度為0.1S0，則信號(hào)功率為(0.1S0)×(BW/2)=0.05S，噪聲功率為N0×BW/2=N/2。此時(shí)，載波2的信道容量C2為

(38)

同理，載波3的信道容量C3為

(39)

此時(shí)，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)應(yīng)的一條雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

C=C1+C2+C3=

(40)

頻譜效率為

(41)

而當(dāng)采用CnC技術(shù)后，在兩整轉(zhuǎn)發(fā)器分別發(fā)一個(gè)TDM載波和多個(gè)TDMA載波進(jìn)行疊加，占用與常規(guī)方式相同的兩整轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。同樣轉(zhuǎn)發(fā)器提前功率回退3 dB，TDM載波再加上0.5 dB的干擾消除損耗，TDMA載波再加上自身發(fā)出的干擾信號(hào)損耗，此時(shí)的載波頻譜如圖10所示。

圖10 兩整轉(zhuǎn)發(fā)器CnC TDM/TDMA頻譜

載波11的帶寬為BW，功率譜密度為0.45S0，則信號(hào)功率為0.45S，噪聲功率為N0×BW=N，干擾信號(hào)功率為0.05S0×BW=0.05S。此時(shí)，載波11的信道容量C11為

(42)

載波12的帶寬為BW/2，功率譜密度為0.05S0，則信號(hào)功率為(0.05S0)×(BW/2)=0.025S，噪聲功率為N0×(BW/2)=0.5N。此時(shí)，載波12的信道容量C12為

(43)

同理，載波13的信道容量C13也為

(44)

同理，C21=C11，C22=C12，C23=C13。

此時(shí)，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的兩條雙向鏈路的信道總?cè)萘緾為

C=C11+C12+C13+C21+C22+C23=

(45)

頻譜效率為

(46)

此時(shí)可以求出不同信噪比下兩者的頻譜效率，如表5所示。

表5 場(chǎng)景4頻譜效率

從表5中可看出，對(duì)于占用兩個(gè)整轉(zhuǎn)發(fā)器的兩條雙向TDM/TDMA鏈路，使用CnC技術(shù)相比常規(guī)方式所帶來的頻譜效率提升性能跟占用同一轉(zhuǎn)發(fā)器的單跳TDM/TDMA鏈路相同。其原因是在常規(guī)方式中采用的典型值為兩個(gè)場(chǎng)景的TDMA載波功率譜密度都為0.1S0，而場(chǎng)景3中TDM載波為0.9S0，場(chǎng)景4中TDM載波為S0回退0.5 dB，即S0×100.5/10，也約為0.9S0。因此，無(wú)論是在一個(gè)還是兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，TDM載波和TDMA載波的帶寬和功率占比都是相同的[10]。

而在CnC方式中，由于場(chǎng)景4的TDM載波和TMDA載波在單個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器中的帶寬功率占比和場(chǎng)景3的完全相同，只是為了使信道容量翻倍，因此兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景只是形式不同，但計(jì)算結(jié)果完全相同，但如果場(chǎng)景4中TDM載波的功率回退大于0.5 dB，或兩個(gè)場(chǎng)景中TDM載波和TDMA載波的帶寬功率占比不同，則兩個(gè)場(chǎng)景的常規(guī)方式和CnC方式對(duì)應(yīng)的頻譜效率也不同，CnC帶來的性能提升值也相應(yīng)不同。但可以看出，若在常規(guī)方式下遠(yuǎn)端站的系統(tǒng)配置稍微提升，使其入境TDMA載波功率有所提升，轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退能少于10 dB，其最終的頻譜效率甚至可能會(huì)比使用CnC技術(shù)后的更高。

場(chǎng)景3和場(chǎng)景4都是針對(duì)TDM載波處于功率受限狀態(tài)和TDMA載波處于帶寬受限狀態(tài)下的計(jì)算分析，得出CnC技術(shù)相比常規(guī)方式所帶來的頻譜效率的提升性能，但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，TDM載波和TDMA載波在轉(zhuǎn)發(fā)器中的帶寬和功率占比根據(jù)不同的情況有很多種的組合，也可能存在TDM載波的帶寬占比小于功率占比，TDMA載波的帶寬占比大于功率占比的情況，因此還需要根據(jù)實(shí)際情況展開分析[11]。

4 CnC性能總結(jié)分析

根據(jù)上述四種典型應(yīng)用場(chǎng)景的常規(guī)和CnC技術(shù)的頻譜效率比較，可以得出CnC技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的頻譜效率提升性能，如表6所示。

表6 CnC技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的頻譜效率

從表6中可以看出，除了同轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路，其他的應(yīng)用場(chǎng)景中使用CnC技術(shù)所帶來的頻譜效率提升性能和理論性能存在這較大的差異，其主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)同轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路

常規(guī)方式和CnC方式處于相同的信道條件，都是轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退3 dB，因此CnC的頻譜效率提升性能接近理論性能。但是由于CnC技術(shù)存在的干擾消除損耗給信噪比帶來0.5 dB的損失，從而導(dǎo)致其頻譜效率提升性能小幅下降。

(2)兩整轉(zhuǎn)發(fā)器的SCPC鏈路

常規(guī)方式下，兩整轉(zhuǎn)發(fā)器中的SCPC載波都能達(dá)到0.5 dB功率回退的功率譜密度，基本充分利用了轉(zhuǎn)發(fā)器的功率資源[12]。而CnC方式下，由于每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器都存在兩個(gè)疊加的載波，因此都需要3 dB的功率回退，每條雙向通信鏈路相比常規(guī)方式下低了2.5 dB的信號(hào)功率。此外，考慮到每條鏈路中都有0.5 dB的干擾消除損耗，相當(dāng)于每條鏈路總共比常規(guī)方式低了3 dB。因此，在信道信噪比低于10 dB時(shí)使用CnC技術(shù)得到的頻譜效率還不如常規(guī)方式的高，但隨著信噪比的增加，CnC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，也能實(shí)現(xiàn)小幅的頻譜效率提升。

(3)TDM/TDMA鏈路

盡管常規(guī)方式和CnC方式處于相同的信道條件，轉(zhuǎn)發(fā)器功率回退3 dB，但信號(hào)處理方式卻不同于SCPC鏈路。SCPC鏈路中兩個(gè)載波互相自消除，只有0.5 dB的信噪比損失。而在TDM/TDMA鏈路中，中心站接收TDMA載波會(huì)對(duì)自身發(fā)出的TDM載波自消除造成0.5 dB的信噪比損失，但遠(yuǎn)端站接收TDM載波時(shí)并不對(duì)自身發(fā)出的TDMA載波自消除。在信道信噪比低于10 dB時(shí)，干擾功率不大，因此CnC技術(shù)帶來的頻譜效率提升隨信噪比的增加而增大。當(dāng)信噪比超過10 dB的界限值后，隨信噪比的增加，干擾功率的影響幅度越來越大，導(dǎo)致CnC技術(shù)的頻譜效率提升性能開始降低[13]。

通過數(shù)據(jù)比對(duì)可以得出，CnC技術(shù)在和常規(guī)方式相同的SCPC鏈路信道條件，或者在載波功率占比低于帶寬占比的條件下，可以發(fā)揮出接近理論的性能；而當(dāng)載波占用整轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)CnC方式的功率利用率不如常規(guī)方式，以及在TDM/TDMA鏈路中，CnC技術(shù)無(wú)法做到對(duì)TDMA載波自消除造成嚴(yán)重的信噪比下降，導(dǎo)致CnC技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)不能充分體現(xiàn)。因此，CnC技術(shù)不利于用在載波占用整轉(zhuǎn)發(fā)器場(chǎng)景和TDM/TDMA鏈路場(chǎng)景。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景中載波疊加技術(shù)和常規(guī)方式的頻譜效率的計(jì)算和對(duì)比，可以看出此技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出較大差異的性能。載波疊加技術(shù)看似性能很優(yōu)異，但在實(shí)際應(yīng)用中卻不能有效適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景和充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。此外，目前該技術(shù)授權(quán)費(fèi)用十分昂貴，且隨帶寬速率的增加而大幅提升，甚至遠(yuǎn)超modem本身的費(fèi)用，若節(jié)省下來的帶寬租賃費(fèi)用不及授權(quán)費(fèi)用高，實(shí)屬不劃算。

載波疊加技術(shù)的利用可根據(jù)其在不同場(chǎng)景中的性能差異分析，在建立一條通信鏈路前，先結(jié)合實(shí)際的地面系統(tǒng)配置情況、通信組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、帶寬需求量和業(yè)務(wù)周期，進(jìn)行前期的計(jì)算和測(cè)試，預(yù)估載波疊加技術(shù)能帶來的帶寬節(jié)省量和頻譜效率提升能力，從而判斷是否有使用該技術(shù)的必要性。應(yīng)避免由于缺乏對(duì)于載波疊加技術(shù)的實(shí)際頻譜效率分析，盲目將其應(yīng)用在各場(chǎng)景，最終導(dǎo)致成本不降反升的情況發(fā)生。