VDE-SAT系統(tǒng)通信信道研究

王劍 錢玉璧 孫彥龍 司曉龍 李俊成

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所 上海市 201109）

目前，AIS（Automatic Identification System，自動識別系統(tǒng)）通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于海洋船舶交通安全、跟蹤和管理，但隨著船舶規(guī)模不斷的擴(kuò)增，AIS 系統(tǒng)的負(fù)載數(shù)量增多，導(dǎo)致AIS 系統(tǒng)的消息碰撞越來越嚴(yán)重。2013年以來，國際海事組織、國際航道標(biāo)志協(xié)議和國際電信聯(lián)盟的聯(lián)合號召下，推動VDES（VHF Data Exchange System，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。交通部規(guī)劃三個階段完成VDES 通信系統(tǒng)的部署和使用，第一階段從2021年～2023年，開展VDES 岸基示范工程建設(shè)，暫作為AIS 網(wǎng)絡(luò)的備用網(wǎng)絡(luò)；第二階段從2023年～2024年，增加VDES 基站數(shù)量，實(shí)現(xiàn)VDES 跨站數(shù)據(jù)交互，提高系統(tǒng)容量，增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)；第三階段2025年及以后，拓展VDES 應(yīng)用服務(wù)，拓展4G、衛(wèi)星鏈路等備用鏈路，改進(jìn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高系統(tǒng)服務(wù)。

VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在IALA G1139有詳細(xì)的定義和說明，作為ITU-R M.2092-0的唯一輸入文稿，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件對ASM、VDE-TER 和VDE-SAT 通信系統(tǒng)的物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層進(jìn)行的定義，其中最核心的是物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，目前VDE-SAT 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還在修訂和完善中。VDES 系統(tǒng)包括了AIS、LAIS（Long AIS，遠(yuǎn)距離AIS）、ASM（Application Specific Message，特殊報文信息）和VDE 系統(tǒng)，VDE 系統(tǒng)又包括基于地面岸基基站的VDETER 系統(tǒng)和基于衛(wèi)星的VDE-SAT 系統(tǒng)。VDE-SAT 衛(wèi)星時運(yùn)行在低軌軌道，其覆蓋范圍廣、部署成本低，低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)全天候、全天時的通信，作為地面VDE-TER 系統(tǒng)的補(bǔ)充，在遠(yuǎn)海等特殊地區(qū)通信有著重要的戰(zhàn)略意義。

VDE-SAT 系統(tǒng)支持雙工通信，采用Turbo 碼技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更低的接收靈敏度，增強(qiáng)系統(tǒng)的接收能力。VDE-SAT通信系統(tǒng)上下行鏈路都使用了多種速率，在VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中定義為Link ID（不同的LinkID 物理層參數(shù)設(shè)置不一樣，包括調(diào)制方式、編碼率、擴(kuò)頻方式等），鏈路層根據(jù)信道質(zhì)量動態(tài)使用不同的Link ID，從而達(dá)到自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，提高信道容量。

為了分析VDE-SAT 系統(tǒng)的覆蓋性能，本文從信道模型、鏈路分析、通信覆蓋三個方面介紹了VDE-SAT 系統(tǒng)通信信道，該方法作為分析VDE-SAT 系統(tǒng)通信信道的普適方法，對VDE-SAT 系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

1 信道模型

1.1 覆蓋模型

通信信道在無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究的過程中，起著重要的作用。低軌衛(wèi)星通信與地面通信信道有著巨大的差異，低軌衛(wèi)星運(yùn)動速度和視線距離變化快，覆蓋時間有限，不僅影響物理層幀及保護(hù)時隙的設(shè)計(jì)，還影響協(xié)議層通信鏈路的建立、信道資源分配等。

圖 1 為衛(wèi)星覆蓋示意圖，假設(shè)衛(wèi)星飛行的軌道面為圓形，其中衛(wèi)星的天線為八木天線，在VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，天線采用斜裝的安裝方式，即天線法線與地球表面相切，覆蓋如圖 1 左側(cè)衛(wèi)星1 所示，圖 1 右側(cè)衛(wèi)星2 為天線正裝覆蓋圖。

圖1 ：VDE-SAT 系統(tǒng)通信覆蓋模型

圖1 中α 表示終端的通信仰角（即水平線與終端-衛(wèi)星連線），β 表示終端-衛(wèi)星連線與衛(wèi)星-地心連線的夾角（通信時的天線張角，單位°），β為天線有效張角，θ 為終端-地心連線與衛(wèi)星-地心連線的夾角（即地心角，單位°），r為地球半徑（一般為6371km），h 為軌道高度（VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中推薦軌道高度為600km），v 為衛(wèi)星運(yùn)動速度（單位km/s）。

表1：VDE-SAT 通信頻段

表2：邏輯信道與物理信道映射關(guān)系

表3：PFD 與通信仰角的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)圓形軌道衛(wèi)星速度、角速度ω（單位rad/s）與高度之間的關(guān)系見公式（1）：

這里μ=3.986005×10m/s，為地球引力常數(shù)。特別地，當(dāng)r=600km，v=7.37km/s，衛(wèi)星覆蓋軌跡速度v=6.77km/s。由此可見，低軌衛(wèi)星覆蓋范圍變化巨快，可建立的通信時間有限。

根據(jù)正弦定理可推導(dǎo)出視線距離（D，單位km）、與通信仰角之間的關(guān)系見公式（2）：

由通信距離可推算出自由空間損耗FSL 見公式（3）：

其中，D 單位km，F(xiàn) 為通信頻率，單位GHz，[·]=10×1g(·)。

覆蓋時間是指根據(jù)衛(wèi)星在地面上的覆蓋軌跡經(jīng)過船載終端的時間，覆蓋軌跡運(yùn)行的角速度ω與衛(wèi)星飛行的角速度相等，因此覆蓋時間可根據(jù)地心角的差值Δθ 與覆蓋軌跡角速度來計(jì)算，計(jì)算公式見公式（4）：

與地面通信系統(tǒng)相比，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在較大的多普勒頻偏f和傳輸時延T，基于VDE-SAT 系統(tǒng)通信覆蓋模型，多普勒頻偏和傳輸時延計(jì)算見公式（5）：

其中，f為載波頻率（單位Hz），光速c=3×10km/s。

1.2 信道映射

VDE-SAT 通信系統(tǒng)使用的通信頻段是集中在157～162MHz，分為兩個頻段，分別為低頻段和高頻段，各150kHz，共300kHz，如表1 所示。其中上下行鏈路都分成6 個物理層通信頻段，由A～E 進(jìn)行標(biāo)記。所有上行鏈路使用的物理信道都為50kHz，下行物理層信道有三類，50kHz（A和B）、100kHz（C 和D）和150kHz（E 和F）。

在VDE-SAT 通信頻段中，上、下行物理層頻段A 和B為衛(wèi)星專用頻段，其它頻段為共享頻段，但共享頻段使用時，VDE-SAT 下行鏈路需要降低對地面VDE-TER 系統(tǒng)的干擾，即VDE-SAT 系統(tǒng)下行鏈路的使用需要優(yōu)先保證VDE-TER系統(tǒng)不被干擾。

在下行鏈路中，發(fā)送信令數(shù)據(jù)（包括廣播、資源分配、應(yīng)答幀等）需要在A 和B 頻段，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以在任一個頻段發(fā)送；對于上行鏈路，A～E 所有的頻段都可以發(fā)送信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。具體使用哪些頻段，受星上VDE-SAT 系統(tǒng)廣播信息進(jìn)行邏輯信道分配，物理層信道與邏輯信道如表2 所示。

表4：天線正裝和斜裝EIRP 與PFD 之間關(guān)系

表2 中上、下行鏈路共有6 種邏輯信道（不包括保護(hù)時隙信道，Guard Slot），分別為廣播信道（BBSC，Bulletin Board Signalling Channel）、公告信道（ASC，Announcement Signalling Channel）、數(shù)據(jù)信道（DC，Data Channel）、數(shù)據(jù)信令信道（DSCH，Data Signalling Channel）和隨機(jī)接入信道（RAC，Random Access Channel）。BBSC 包含衛(wèi)星廣播幀1～6（Satellite Bulletin Board）和多媒體接入控制幀（Media Access Control，MAC）；ASC 信道包含MAC 幀、資源分配幀（RA，Resource Allocation）、上行應(yīng)答幀（ULACK，UpLink ACKnowledgement）、尋呼幀（Paging）、下行EDN（DL-EDN，DownLink End Delivery Notification）和 下 行 短 消 息（DL-SM，DownLink Short Message）；DC 信道包含起始、連續(xù)分塊和結(jié)束分塊幀（SF/CF/EF，Start/Continuation/End Fragment）；DSCH 信 道 只 傳 輸 下行尋址消息應(yīng)答幀（DL-AM-ACK，DownLink Addressed Message ACK）；RAC 信道傳輸資源請求（RR，Resource Request）、尋呼響應(yīng)（PR，Paging Response）、下行短消息應(yīng)答（DL-SM-ACK，DownLink Short Message ACK）、上行EDN（UL-EDN，UpLink End Delivery Notification）和上行短消息（UL-SM，UpLink Short Message）。在這些數(shù)據(jù)幀中，消息數(shù)據(jù)包括上、下行尋址消息（由SF、CF 和EF 組成）和短消息，其它數(shù)據(jù)幀都為信令數(shù)據(jù)。

從物理信道和邏輯信道之間的映射關(guān)系可以看出VDESAT 系統(tǒng)是一種半雙工系統(tǒng)，支持同頻段時分雙工，也可支持不同頻段的頻分雙工。時間、頻率資源以及邏輯信道的映射受星上統(tǒng)一調(diào)度和分配。其中，上行尋址消息是需要在RAC 信道進(jìn)行資源請求預(yù)約接入，上行短消息則是隨機(jī)接入。

1.3 頻偏和時延

由于低軌衛(wèi)星飛行速度快，信號傳輸距離遠(yuǎn)，根據(jù)公式（5）可計(jì)算出在不同通信仰角下多普勒頻偏和時延的變化曲線，如圖 2 所示。從圖中可以看出（f=160MHz，h=600km），隨著通信仰角的增大，多普勒頻偏和傳輸時延呈遞減的趨勢。當(dāng)α=0°，取得最大多普勒頻偏為3.6kHz，最大傳輸時延9.68ms，當(dāng)α=90°，最小多普勒頻偏為0kHz，最小傳輸時延2ms。最大最小時延差近似為8ms，這與VDE-SAT 通信系統(tǒng)物理層幀格式中保護(hù)時隙8ms 相對應(yīng)。換言之，雖然VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的衛(wèi)星軌道為600km，但若最大最小時延差在8ms 之內(nèi)，鏈路分析滿足通信要求，其它高度的軌道也可部署VDE-SAT 通信衛(wèi)星。

圖2 ：多普勒頻偏和時延

2 鏈路分析

2.1 PFD約束

為了保證VDE-SAT 系統(tǒng)和VDE-TER 系統(tǒng)的相互兼容，VDE-SAT 系統(tǒng)的發(fā)射EIRP 在不同的通信仰角α 需要滿足PFD-mask（Power Flux Density，功率通量密度），說明見公式（6）。

根據(jù)公式（6）和通信仰角對應(yīng)的距離關(guān)系，計(jì)算出星上在不同通信仰角下最大的EIRP（單位dBm/50kHz）。如表3 所示。

2.2 EIRP分析

實(shí)際船載終端復(fù)用現(xiàn)有AIS 通信系統(tǒng)，其發(fā)射功率分為A 類終端12.5W 和B 類終端6W，上行鏈路分析采用B類終端進(jìn)行分析。船載終端使用的天線為3dBi 的全向天線，采用對天的安裝方向，該安裝方向的初衷是與岸基基站天線輻射方向一致，與衛(wèi)星通信最直接的影響是在星下點(diǎn)時，在所有的接收弧段中，不管是星上還是地面接收功率都為最小。對于下行鏈路，星上采用圓極化八木天線，中心最大增益為8dBi。星上發(fā)射的EIRP（Equivalent isotropic radiated power，等效各向同性輻射功率）需要考慮對地面的干擾，在不同的通信仰角需要滿足PFD-mask 的要求，即EIRP(α)≤PFD(α)。如表4 所示給出了天線正裝和斜裝的EIRP 和PFD 之間關(guān)系，表中A為天線增益（單位dBi），EIRP 等于發(fā)射功率與天線增益之和（單位dBm）。其中，EIRP表示斜裝發(fā)射EIRP，EIRP表示正裝發(fā)射EIRP，天線正裝和斜裝最大發(fā)射功率和PFD 余量（=PFD-EIRP，單位dBm）描述如下：

（1）當(dāng)天線斜裝時，星上發(fā)射功率為P=20.6dBm(≈114.8mW)，在通信仰角α=30°時，剛好達(dá)到了PFD 邊界值，在α=90°，達(dá)到最大PFD 余量為21.4dB；

（2）當(dāng)天線正裝時，星上發(fā)射功率為P=25.9dBm(≈389.0mW)，在通信仰角α=50°時，剛好達(dá)到PFD 邊界值，在α=0°，達(dá)到最大PFD 余量為11.6dB；

2.3 鏈路預(yù)算

結(jié)合信道模型章節(jié)中的公式和VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，表5 和表6 分別分析了天線斜裝和天線正裝通信信仰角與接收功率、C/N和覆蓋時間的關(guān)系，其中A為船載終端天線增益（單位dBi）， 和 分別為星上和船載終端接收功率（單位dBm，星上天線計(jì)劃方式為圓極化，船載終端天線極化方式為線極化，計(jì)算接收功率時需要考慮極化損耗3dBi），(C/N)和(C/N)分別為上行和下行載噪比（單位dBHz），T為從通信仰角0°到α 的累計(jì)覆蓋時間（單位s）。

表5：天線斜裝時通信仰角α 接收功率Pr、C/N0 及覆蓋時間TC 的關(guān)系

表6：天線正裝時通信仰角α 接收功率Pr、C/N0 及覆蓋時間TC 的關(guān)系

當(dāng)天線斜裝時，天線在空中的波束張角有一般是對著外太空，造成通信覆蓋范圍減小，覆蓋時由低-高仰角的變化過程。因此，在相同的可通信仰角范圍內(nèi)，天線正裝比天線斜裝擁有2 倍的覆蓋時間。當(dāng)天線斜裝時，在通信仰角為30°時，上行鏈路星上理論上獲得最大的接收功率-94.7dBm，下行鏈路船載終端理論上獲得最大的接收功率-111.6dBm。

從覆蓋時間來看，通信仰角從0°到30°時，占整個覆蓋時間的69%，通信仰角從0°到60°時，占整個覆蓋時間的89%。因此，覆蓋低仰角通信弧段可以獲得更好的覆蓋性能。

當(dāng)天線斜裝時，在通信仰角為70°時，上行鏈路星上理論上獲得最大的接收功率-95.6dBm，下行鏈路船載終端理論上獲得最大的接收功率-107.2dBm。天線正裝時，覆蓋范圍有低-高-低仰角的變化過程，因此覆蓋時間是根據(jù)2 倍的單邊覆蓋時間獲得。

3 通信覆蓋

3.1 覆蓋統(tǒng)計(jì)

在實(shí)際低軌衛(wèi)星覆蓋的過程中，并不是所有的船載終端是剛好過星下點(diǎn)，即最大通信仰角α=90°。為了說明通信覆蓋，使用STK（Satellite Tool Kit，衛(wèi)星工具箱）工具仿真軌道高度為600km，軌道傾角為90°的極軌（極軌單星即能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋），船載終端部署在東海，統(tǒng)計(jì)了2021年6月～12月最高通信仰角分布，其中最高通信仰角0°～10°區(qū)間只統(tǒng)計(jì)了5°～10°區(qū)間，如圖 3 所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，最高通信仰角在0°～30°占比61%，0°～40°占比71%，0°～50°占比79%，由此可見，對于飛行極軌軌道的衛(wèi)星，其船載終端被單顆星覆蓋最高通信仰角集中分布在50°以下。因此，VDE-SAT 系統(tǒng)如果部署在極軌，鏈路預(yù)算盡量滿足更低的通信仰角，這樣系統(tǒng)的通信容量和服務(wù)時間能夠極大的提升。

圖3 ：2021年06 ～12月最高仰角分布

3.2 Link ID

表7：與鏈路層相關(guān)的Link ID 參數(shù)

表8：下行鏈路不同Link ID 覆蓋情況

在VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，VDE-SAT 通信系統(tǒng)物理層使用了多種物理層參數(shù)（物理層參數(shù)被稱為Link ID）來傳輸數(shù)據(jù)，鏈路層根據(jù)信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator，CQI）來動態(tài)調(diào)整使用Link ID，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制，提高功率和時隙的有效利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)的吞吐量，CQI 和C/(N+I)（載波功率與噪聲和干擾譜密度之比）和符號速率R之間的關(guān)系見公式（7）：

表7 列舉了鏈路層相關(guān)的Link ID 參數(shù)（帶寬為50kHz，僅有下行Link ID28 為100kHz、Link ID29 為150kHz，本文分析暫不考慮），表中R（單位kb/s）為信息速率或者bit 速率，表示鏈路層信息傳輸速率，R（單位ks/s）表示調(diào)制后的符號速率，S（單位slot）為突發(fā)時隙大小，表示一個物理幀占用的時隙長度。VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，嚴(yán)格限制了VDE-SAT 通信系統(tǒng)信令數(shù)據(jù)使用的Link ID，上行鏈路發(fā)送信令僅使用Link ID20，下行鏈路發(fā)送信令僅使用Link ID32，對于消息數(shù)據(jù)沒有嚴(yán)格限制。不同Link ID 由于采用不同調(diào)制方式、編碼率和擴(kuò)頻方式，最終導(dǎo)致信號解調(diào)的C/N閾值存在差異，定性地能得到信息速率越低，C/N閾值越小，因此在鏈路層資源分配時，根據(jù)物理層傳遞的CQI 值，來動態(tài)選擇最優(yōu)的Link ID。

3.3 鏈路覆蓋

在VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，下行船載終端接收信號的C/(N+I)比C/N要低7.3dBHz，導(dǎo)致船載終端接收功率閾值提升7.3dBHz，但上行星上接收信號的C/(N+I)與C/N之間的關(guān)系在VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中沒有直接說明，主要是由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還在完善中，目前還沒有充分的測試數(shù)據(jù)說明星上在該頻段的干擾情況，這也是后續(xù)VDE-SAT 通信系統(tǒng)需要研究和解決的問題，即通過采集全球海域的信道數(shù)據(jù)，分析全球海域的干擾情況。

3.3.1 下行鏈路

結(jié)合表5 和表7，表8 給出了不同Link ID 下行鏈路覆蓋情況，以最低通信仰角（α）、最高通信仰角（α）和覆蓋效率η（η和η表示斜裝和正裝覆蓋效率，表示有效覆蓋時間與全弧段覆蓋時間比值）來表示。從表中可以看出，天線斜裝時，Link ID27 全弧段無法建立通信，VDES 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該需要考慮刪除或重新設(shè)計(jì)Link ID27。當(dāng)天線正裝時，只有Link ID25 和32 在通信仰角低于20°以下即可建立通信。當(dāng)最高通信仰角足夠大時，天線正裝具有更多的覆蓋時間。

圖4 給出了天線正裝和斜裝的下行通信覆蓋時間對比圖，從表中可以看出，針對下行鏈路，天線斜裝具有更好的覆蓋性能，但除了Link ID25 和Link ID32，其它Link ID 在低仰角時都無法保持穩(wěn)定可靠的通信。

圖4 ：天線正裝和斜裝下行通信覆蓋時間

3.3.2 上行鏈路

現(xiàn)階段沒有相關(guān)資料指示星上VDE-SAT 通信信道的干擾情況，結(jié)合地面下行鏈路C/(I+N)的干擾情況，考慮兩種情況來分析上行鏈路的覆蓋情況。結(jié)合表5 和表7，表9和表10 分別給出了載噪比差值ΔTh（=C/N-C/(I+N)）為6dBHz 和10dBHz 的覆蓋情況。

當(dāng)ΔTh=6dBHz 時，天線斜裝對應(yīng)的所有的Link ID 均能實(shí)現(xiàn)通信仰角α=0 通信，天線正裝則只有Link ID20～22能夠?qū)崿F(xiàn)低仰角通信。當(dāng)最高通信仰角足夠大時，天線正裝具有更多的覆蓋時間。

當(dāng)ΔTh=10dBHz 時，天線斜裝對應(yīng)的所有的Link ID仍能實(shí)現(xiàn)通信仰角α=0 通信，天線正裝則只有Link ID20能夠?qū)崿F(xiàn)α=0 低仰角通信。

圖 5 給出了ΔTh=6 和8 天線正裝和斜裝上行通信覆蓋時間，天線斜裝具有更好的魯棒性，且能保證在低仰角時，建立穩(wěn)定的通信。當(dāng)最高通信仰角足夠大時，天線正裝具有更多的覆蓋時間。

圖5 ：天線正裝和斜裝上行通信覆蓋時間

表9：ΔThCN=6dBHz 上行鏈路不同Link ID 覆蓋情況

表10：ΔThCN=10dBHz 上行鏈路不同Link ID 覆蓋情況

3.4 分析結(jié)果

從極軌的覆蓋統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，對于固定位置、小范圍移動或移動速度較慢的船載終端，最高通信仰角分布在0°～50°占比近80%，八木天線斜裝滿足更低仰角通信，更有效率地提高系統(tǒng)的覆蓋時間以及系統(tǒng)通信容量。對于下行鏈路，八木天線斜裝所有下行Link ID 最低通信仰角為0°，但天線正裝卻只有Link ID25 和32 能夠滿足，其它Link ID 最大最低通信仰角要到40°，導(dǎo)致最低通信仰角越大使用頻次降低。對于上行鏈路，雖然計(jì)算了不同鏈路余量下天線正裝和斜裝的可通信的最低、最高通信仰角，但天線斜裝仍具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，而天線正裝受干擾影響較大，且最低通信仰角最大值有30°。因此，八木天線的斜裝的VDE-SAT 系統(tǒng)具有更低的通信仰角和更強(qiáng)的魯棒特性。

4 結(jié)束語

本文首先給出了一般分析衛(wèi)星信道模型，介紹了VDESAT 系統(tǒng)各個物理信道和邏輯信道之間的映射關(guān)系，然后分析了VDE-SAT 系統(tǒng)鏈路，結(jié)合八木天線斜裝和正裝對比分析了VDE-SAT 系統(tǒng)通信覆蓋，該方法可作為分析VDE-SAT系統(tǒng)通信信道通用方法。從上下行鏈路覆蓋來看，天線斜裝更能滿足在低通信仰角的通信需求，且具有更強(qiáng)的魯棒性。