美軍天基資料鏈發展與寬頻通訊系統關鍵技術
今日薦文的作者為國防科工局探月與航天工程中心專家張瑋。本篇節選自論文《對天基寬頻通訊系統的思考與關鍵技術探索》，發表於《中國電子科學研究院學報》第13卷第5期。 
摘 要： 隨著資訊共享範圍和頻寬的不斷提升，天基寬頻通訊系統引起了科研界和工業界越來越廣泛的關注。本文首先介紹了美軍天基通用資料鏈的發展，並從工作頻段和波形體制兩個方面對可用的技術和工作體制進行分析和對比，在此基礎上對天基寬頻通訊系統中的若干關鍵技術進行分析研究。
關鍵詞: 天基寬頻通訊系統；波形體制；鏈路建模；自適應調製；數字預失真
引 言
隨著我國“一帶一路”和“建設海洋強國”的戰略不斷推進，基於衛星的天基通訊系統發揮著重要的作用，利用其獨特的技術優勢，能夠在遠離國土範圍的區域擴充套件資訊互聯和保障的範圍。隨著資料量的指數級增長，能夠支援聲音、影象、視訊、網際網路和企業級大規模資料流的天基寬頻通訊載荷系統扮演著越來越重要的角色。本文首先介紹了美軍天基通用資料鏈的發展，並從工作頻段和波形體制兩個方面對可用的技術和工作體制進行分析和對比，在此基礎上對天基寬頻通訊系統中的若干關鍵技術進行分析研究。
1 美軍天基資料鏈發展簡述
2001年美軍首次提出天基通用資料鏈（CDL）概念。通用資料鏈作為美軍取得高度成功的資料鏈系列，原應用於空基ISR平臺，用於實現空集平臺與陸地/海上指揮平臺和情報中心之間的大容量態勢共享，其功能和天基情報偵察監視(ISR)平臺的需要非常相似，因此將通用資料鏈的概念、技術和應用向天基拓展不僅可以節省重新研製天基資料鏈系統的成本和時間，還可以直接利用美軍現役的通用資料鏈空基/地面裝置、軟體系統、介面標準等，有效配合空基情報偵察監視平臺快速發揮作戰效能。
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2004年，美軍推薦使用天基CDL作為“作戰相應空間”（ORS）計劃的標準通訊結構。ORS計劃首先通過戰術衛星（TacSat）專案驗證天基CDL的可行性和應用潛力；隨後再通過發射專用的ORS衛星逐步實現天基CDL向實戰應用階段轉變。
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TacSat專案於2003年釋出，旨在通過一系列成本低廉的小型衛星，驗證可實現戰場快速響應的衛星平臺和有效載荷技術。作為首顆攜帶天基通用資料鏈載荷的技術驗證衛星，TacSat-2在90分鐘內成功完成了從接收戰場使用者成像要求並對目標進行成像，再通過通用資料鏈下行鏈路將影象下傳給戰場使用者的完整任務流程。
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2011年6月，ORS-1衛星的發射標誌著美軍天基通用資料鏈已成功完成前期技術驗證階段，並逐步進入實戰應用階段。
總的來看，不論是TacSat還是ORS專案使用的衛星通訊載荷技術還是基於通用資料鏈技術的，承載速率為數兆至數百兆位元每秒的業務資訊。隨著戰場資料量呈指數型爆炸性增長，這一速率業已不能滿足需求，急需開展新型天基寬頻通訊載荷技術的研究。
2 工作頻段
2.1 毫米波通訊
毫米波一般指頻率在30GHz-300GHz頻段的電磁波,毫米波的波束很窄, 具有良好的指向性，因此具有較高的抗干擾和抗截獲效能。一方面, 由於毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響比較嚴重，因此除了在微波頻段所要考慮的路徑損耗，還要考慮大氣中氧氣、水等分子對毫米波造成的“大氣損耗”，在71-86GHz這一常見的毫米波工作頻段內典型的大氣損耗為0.35dB/km，因此毫米波通訊的覆蓋範圍常常受到限制；另一方面, 由於頻段高, 干擾源很少,可用頻寬資源豐富，71-86GHz頻段內可用的連續頻寬高達2個5GHz的連續頻譜，可以大大提高毫米波通訊的通訊容量，如果再加上利用多輸入多天線技術、正交極化、軌道角動量等複用技術, 則其支援的通訊容量甚至可以達到100Gbps量級。因此，毫米波通訊特別適合於在良好的視距條件下傳輸超高速超寬頻業務資料資訊。
圖 1電磁波輻射在晴朗天氣所受大氣衰減與頻率的關係
目前典型的高速毫米波無線通訊系統按調製解調方式主要可分為3 類：一類是電子學/光學方式模擬實現的開關鍵控/幅度鍵控調製解調；一類是模擬方式實現的低階相位鍵控調製解調；最後一類是數字方式實現的16QAM、64QAM甚至更高階的調製解調。為了進一步提高毫米波傳輸的頻譜利用率，最後一類數字方式已經成為未來發展的主流技術。
目前，民用科技公司巨頭Facebook和Google都在聚焦如何利用E波段（71-86GHz）毫米波通訊為偏遠地區提供低成本、可靠有效的行動通訊接入手段。Facebook在2014年成立了Facebook Connectivity Lab，通過Aquila無人機來解決非洲等偏遠地區行動通訊網路佈局的問題。2016年7月，利用60GHz-90GHz的毫米波頻帶（E-band）在13km的傳輸距離下速率達到20Gbps，Facebook的下一個目標為在30-50km實現30Gbps的傳輸速率。谷歌日前正在開展Project Skybender高空計劃，以期讓太陽能無人機帶來5G網路連線。該專案由Project Loon團隊負責，主要依託毫米波技術，後者速度理論上可達Gbps，是普通4G LTE的40多倍。與此同時，Project Skybender也將為5G高空聯網搭建起新的網路光譜。谷歌給出了諸如相位陣列天線、視距毫米波MIMO等技術方案以解決毫米波通訊傳輸距離有限的問題。
美國國防先進研究計劃局（DARPA）的無線資料通訊專家們正在想業界發出開發一種基於無線電頻率通道、每秒傳輸資料達100Gbit的軍用資料鏈的請求。該系統將用於作用距離為125英里（200公里）、每秒100Gbit傳輸速率的空空資料鏈的應用，和飛行高度約60000英尺（18288米）的飛機上作用距離為62英里（100公里）的空地資料鏈的應用。日前，DARPA和諾格公司聯合釋出報道，雙方聯合開展的專案已經於2018年1月份在洛杉磯的城市環境中進行了20公里視距範圍內傳輸速率高達100bps，並可以在9Gbps-101Gbps的速率範圍進行自適應傳輸的試驗。此項試驗同樣是在E波段利用連續的5GHz頻段，採用高效率調製技術和空間/極化複用技術實現如此高速度的資訊共享。
圖 2 DARPA 100G專案示意圖
2.2 鐳射通訊
鐳射通訊系統是指以鐳射頻段作為載波，大氣作為傳輸介質的光通訊系統，具有大通訊容量、高速傳輸的優點，又不需要提前鋪設光纖，兼備了無線電通訊和光纖通訊技術的優點。
2013年我國進行了飛機搭載無線光通訊試驗，通訊速率2.5Gbps，通訊距離達百餘公里。 2014年這一通訊距離進一步擴充套件到400公里，驗證了空地無線光通訊的通訊效能及捕獲跟蹤效能。此外，我國最近還完成實踐十三號衛星到地面站間40000公里的鐳射通訊驗證。
但是，自由空間光通訊(FSO)還存在著許多問題，主要有：大氣分子衰減、瞄準捕獲跟蹤困難、大氣閃爍效應(信噪比起伏變化常常高達15-20B)、複雜度高、可靠性有限、造價高等。
2.3 太赫茲通訊
由於太赫茲波的頻段在10 11 Hz-10 13 Hz 之間，可用頻譜資源更為豐富，其潛在的傳輸能力遠遠大於當前的包括毫米波在內的各種寬頻傳輸技術，在軍/民用通訊等方面將會發揮巨大的作用。但是，目前太赫茲通訊領域還面臨著高效大功率太赫茲訊號產生、太赫茲訊號功率放大、高效太赫茲訊號檢測等一系列挑戰。近年來，太赫茲頻段通訊也取得了一些初步的成果，比較典型的是日本NTT 公司在340GHz等頻段實現了一系列太赫茲超高速短距離無線傳輸系統，但如何在中遠距離實現太赫茲高速通訊仍然是一個非常重要的開放問題。
3 波形體制
3.1 單載波波形體制
考慮每個符號的週期為T，資料速率為R=1/T的單載波傳輸系統。隨著資料率和工作頻寬的增大，接收機中為了補償非理想通道帶來的非線性、時變等影響的均衡器設計複雜度勢必大幅增加。通常在實際設計中會採用設計多路並行的接收機均衡器，首先利用快速傅立葉變換，將接收機收到的時域取樣訊號先變換到頻域，再進行後續的計算和濾波，然而這一過程十分複雜，對計算和儲存資源消耗巨大，實現代價比較大。常見的Gbps級別的寬頻單載波傳輸需要8-32路並行的均衡器設計。
3.2 多載波波形體制
正交頻分複用（OFDM）傳輸方案是多通道系統的一個形式。OFDM為了頻寬效率，子載波間相互正交，這與傳統多頻分複用(FDMA)通道傳輸方案將寬頻分為N個互不重疊的，且之間留有保護帶的窄帶子通道不同。1960年代，由於其發射機和接收機的複雜性，OFDM被髮明後僅僅用於軍用短波通訊等有限的領域中。隨著技術的發展，人們發現利用離散傅立葉變換（DFT）和離散傅立葉逆變換（IDFT）可以高效的完成正交頻分複用訊號的調製和解調。通過快速傅立葉（FFT）和快速傅立葉逆變換（IFFT），進一步提高DFT和IDFT計算的效率。在OFDM傳輸系統中，對發射符號採用N1點的IFFT，可以生成N2個子載波訊號之和的過取樣(N1≥N2)。在接收機，對接收訊號採用N1點的FFT，可以得到包含噪聲的發射訊號的取樣。
圖 3 基於IDFT/DFT的OFDM調製解調體制框圖
圖 4 OFDM頻譜幅度（線性）
3.3 對比分析
單載波傳輸方案為了處理多徑衰落通道（或頻率選擇性衰落通道）中的符號間串擾問題，需要實現一個複雜度很高的均衡器，在現有的可程式設計門陣列(FPGA)的工作頻率的限制下，必須使用多路並行的均衡器設計模式，實現非常複雜，並且對資源的消耗很大，因此單載波方案實現超高速資料率的無線傳輸必須要考慮這一個重要的問題。多載波方案適用於高速的無線傳輸，由於迴圈字首的設計，將複雜的時域均衡轉換為簡單的頻域均衡，因而不需要複雜的通道均衡技術。然而，多載波傳輸方案在應用於天基寬頻通訊系統中面臨著一個必須解決的問題，即其高峰均比（Peak to average ratio）特性對天基通訊系統中的功率放大模組的工作效率帶來了極大的挑戰，典型的OFDM訊號的峰均比可達11dB，在LTE標準中，經過發射機削峰處理後的訊號峰均比為7dB左右，需要針對這一特性，對功率放大器進行線性化設計，如採用Doherty結構放大器。
4 關鍵技術
4.1 寬頻星地傳輸鏈路建模
鏈路狀態資訊是實現天基大容量自適應寬頻傳輸的基礎，準確的鏈路狀態資訊獲取是主要技術難點之一，其主要問題是傳輸速率快，傳輸鏈路影響因素多，建模複雜。同時精確的通道狀態資訊估計需要更佳的演算法。
鏈路狀態資訊要受到天氣條件、大氣波動、地面多徑、傳輸通道的非理想特性以及環境的干擾因素等等的影響，因此，首先需要對星地傳輸鏈路進行建模。
星地傳輸鏈路主要由星載發射機、星地傳輸通道和地面接收機等三部分組成。在進入解調器前的接收訊號簡單的表示為：
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其中，H表示傳輸鏈路對發射訊號的衰落、衰減等作用，n表示干擾和噪聲的影響。考慮到星地傳輸鏈路的各部分裝置與傳輸通道，可以將H和n分解為以下因素：
其中，Hs表示發射機導致的訊號衰減和畸變作用因子，H c 表示大氣、雲雨和地面反射等導致的通道衰減和衰落作用因子，H R 表示接收濾波器非理想特性，如群延時特性等。n S 表示發射機產生的噪聲，n C 表示通道產生的干擾和噪聲，n R 表示接收機產生的電子熱噪聲。
根據上述影響因素分解，可以針對傳輸鏈路中不同的因素進行不同的建模。如下表所示。
表 1 星地傳輸鏈路狀態資訊建模
通過不同的建模方法，可以對星地傳輸鏈路的狀態資訊變化進行建模，以便設計最佳的天基通訊自適應傳輸控制系統。
4.2 自適應寬頻調製技術
大容量天基通訊傳輸可以為有效傳輸資料載荷（payload）提供多種調製方式：QPSK，8PSK，16APSK、32APSK和64APSK等。
QPSK和8PSK是衛星廣播通訊中傳統的調製方式，它們近似恆包絡調製，對衛星轉發器的線性程度要求很低，可以工作在接近飽和的狀態，功率利用率非常高，這點對衛星上的通訊裝置有效載荷非常關鍵。它們的星座圖如下。
圖 5 QPSK和8PSK星座圖
16APSK、32APSK和64APSK調製方式主要用於專業用途，能夠提供寬頻通訊，當然在廣播通訊中也可以使用，但它們要求很高的信噪比，並且需要採預失真技術以對抗鏈路中存在的非線性影響。它們的星座圖見下圖。
圖 6 16APSK和32APSK星座圖
圖 7 64APSK星座圖
對於不同的編碼位元速率，上述星座圖的半徑應有所不同，參考DVB-S2標準，可以確定在不同的的編碼位元速率下星座圖的半徑，它們的值有微小差別。
4.3 自適應高速編譯碼技術
鑑於LDPC碼的如下所示優越效能，LDPC碼已被寬頻接入、電視廣播、行動通訊、CCSDS等採用並列為技術標準。然而，天基寬頻通訊系統在不同通道條件下需要實現自適應傳輸，因此可變碼長和可變位元速率給通道編譯碼帶來了更大的挑戰。針對LDPC這一編碼體制，則需要設計全新的編碼體系和高效的譯碼並行機制。
在系統的設計與實現中，需要重點關注並行處理和低損譯碼的問題。首先從理論上說，LDPC碼可以將所有的和與積節點進行平行計算，在經過20～30次迭代可以得到很好的效果，通過ASIC設計，國外已實現了10Gbps吞吐量的LDPC晶片譯碼器，而採用FPGA實現了4G吞吐量的LDPC，這需要大容量的FPGA和高速的內部RAM設計。因此，主要面臨的是合理的並行支路數、迭代次數設計和高速RAM設計。另一方面，譯碼過程中的和積運算非常容易“溢位”，導致截斷誤差，並且影響迭代譯碼的效能，該誤差也是誤差平底效應產生的重要因素。因此要控制迭代譯碼過程中的軟資訊“溢位”問題。
4.4 預失真及通道均衡技術
天基寬頻高速通訊系統需要考慮發射機、寬頻傳輸通道和接收機的非理想因素，如幅頻特性不平坦、群時延波動等，針對這些問題研究包括調製訊號預失真技術、自適應均衡技術在內的有效的應對措施等。
當傳送端功率放大器工作在飽和或近飽和狀態時，而調製訊號的幅度攜帶資訊（如QAM調製、OFDM調製等）時，會對其處理的訊號造成較大的非線性失真，這種失真將直接影響到解調之後的訊號質量，嚴重時甚至無法完成解調。一個簡單的方法是使功率放大器回退工作線上性區，然而這會極大的降低功率放大器的效率，造成能量的損失。為了減小這種失真，一種辦法是在接收端使用非線性均衡器來事後校正，另一種辦法是在傳送端的調製器中加入預失真模組，對資料實施與放大器非線性特性相反的操作，從源頭來減小放大器輸出訊號的非線性失真。當然，最好是在傳送端和接收端都進行非線性失真的校正處理，這樣獲得的訊號將更貼近原來發送的訊號。數字預失真系統的結構如下圖所示：
圖 8 數字預失真系統結構框圖
如果考慮到實現1Gbps以上的位元速率，調製器需要處理的最高符號率將至少達到200Msps，為了在FPGA中實現，預失真模組必須採用並行演算法；同時考慮到預失真模組需要具備與放大器非線性特性相反的特性，其特性曲線也必然是非線性的，這種情況下，傳統的簡單FIR濾波器無法適用於預失真模組，因此需要研究新的適用於預失真特性曲線的並行濾波演算法和結構。
受模擬器件技術的影響，高速數傳射頻鏈路的群時延特性很難實現理想控制，並且整個通道（從傳送端—空間通道—接收端）的非線性和非理想特性將嚴重影響解調器的效能，導致嚴重的符號間串擾及非線性失真。並且這樣的非線性和非理想特性與所處的環境相關，需要採用高速的均衡技術進行補償。
考慮到傳統的均衡演算法，如LTE、DFE等對非線性失真的校正能力很差，必須研究新的能夠對抗非線性失真的均衡演算法。同時考慮到通道的群時延特性變化較大，對於解調器並沒有先驗的群時延資訊可供利用，而且整個通道的非線性特性也是變化的，應將使用自適應均衡技術，結合已知星座圖等資訊，設計均衡演算法中最優的迭代步長和迭代更新策略。通過對收斂誤差、收斂速度、演算法複雜度和硬體實現規模等多方面因素的綜合考慮，得到一個最優的自適應非線性均衡演算法。
結 語
本文對美軍天基通用資料鏈的發展進行了綜述，並在此基礎上，根據無線通訊和訊號處理技術的發展趨勢，對天基寬頻通訊系統的可能工作頻段和波形體制的選擇進行了分析和對比，探討了若干關鍵技術問題，為天基寬頻通訊系統的研究和建設提供了思路。
（參考文獻略）
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