一、OFDM在移动卫星通信中的应用
OFDM技术最早起源于二十世纪50年代中期，在60年代OFDM技术就已经被应用到多种军事系统中，但受限于当时的器件水平，使得OFDM技术应用受到很大限制。直到70年代，多载波传输技术可以通过快速离散傅立叶变换(FFT)来实现，这样使得系统结构大大简化，OFDM技术也逐渐开始走向实用化。在二十世纪80年代，FFT技术可以通过大规模集成电路来实现，OFDM技术获得了突破性进展，开始逐步大规模应用到实际系统中。OFDM作为4G通信的核心技术之一，在移动通信领域得到了广泛应用，在卫星通信领域近年也逐步开展相关研究。卫星移动通信系统相比地面移动系统，主要有以下几点特点，一是卫星移动通信系统多采用L或S频段，L或S频段的信号具有绕射性，用户终端也可以做到小型化、低功耗;二是系统支持速率多为几kbps到几十kbps的窄带业务，其中LEO(LowEarthOrbit低地球轨道)卫星移动通信系统都采用自己的通信体制，而部分GEO(GeostationaryEarthOrbit相对地球静止轨道)卫星移动通信系统则考虑与地面移动通信中的通信体制相兼容，并逐步提供几百kbps的宽带接入业务;三是多采用具有星上处理的有效载荷，对用户上行链路信号进行恢复处理，这样能够满足系统性能要求和用户需求。考虑到卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络的融合趋势，如果新一代卫星移动通信系统的发展过程中也采用OFDM技术，即采用与地面下一代移动通信系统相兼容的传输体制和空中接口，这将非常有利于卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络的融合。同时如果在卫星星上采用具有灵活性和适应性的数字信道化技术或者基于OFDM子载波交换的星上交换(OBS，On-boardSwitch)技术，星上处理不依赖于业务传输时的通信体制，这样会进一步加强卫星移动通信系统与地面无线/移动通信网络之间的融合，同时也能保证地面终端设备的灵活性和业务的可扩展性。因此，基于OFDM的GEO卫星移动通信系统具有很好的研究价值和发展前景。如上所述，OFDM系统通过技术手段的改进，实现不可再生频谱资源利用率的提高、用户体验的提升等，同时符合移动通信的发展方向。
二、基于OFDM的卫星通信系统组成
基于上文所述卫星移动通信系统和地面无线/移动通信系统的发展趋势、OFDM技术在地面下一代无线/移动通信系统中的核心地位以及OFDM在卫星通信领域的逐步应用，研究基于OFDM的GEO卫星移动通信系统中的系统组成。目前卫星载荷以透明转发器居多且可靠性较高，下文介绍的是基于透明转发的组网工作方式，但该种方式难以完全利用OFDM所带来的效益，一个简单的基于透明转发的系统如图1所示。系统中卫星到用户端间业务链路采用L或S频段，以获得良好的移动通信性能，卫星到网关站间的馈电链路可采用Ku或Ka频段，频率资源丰富。业务呼叫时，由网关站分配两方通信频点的和双方所需的OFDM正交码，双方收到后按频点和正交码进行通信。此种方式业务流程简单，可以认为是MCPC方式的变形，但将高速载波以OFDM的方式进行了分割，获得了相对较高的频谱利用率，按照OFDM理论最高效率可达FDM方式的2倍，但实际中由于边带信息的传输、循环前缀的添加等实际效率将小于理论值。该方式对星上几乎没有过高要求，透明转发器均可使用，系统所有的管理、控制、资源调配均在网关站完成，但在存在通信延时大、星上峰均比过高导致下行链路转发器功率回退等问题，同时为了能够进行信道估计还需传输较多的边带信息。该种方法可基于现有卫星系统快速实现，作为OFDM在卫星通信中应用的参考，验证相关技术的可行性，但依旧属于传统电路域的交互，无法动态调整带宽，实现自适应传输，并不是理想的OFDM在卫星的使用方式。基于星上子载波交换方式的转发器拥有更好的使用特性，具有频谱利用灵活、交换粒度较小、可扩展性好等特点，但需要较为强大的星上处理功能。系统基于具有多波束、高增益天线的GEO卫星，基于OFDM的移动通信系统可以将每个点波束内的整个传输频带划分为多个正交的子载波，每个OFDM子载波都可以单独使用，若在点波束范围内星地上下行链路中的各传输业务与相互正交的各个子载波之间建立起对应关系，则可以实现OFDM子载波的交换。星上系统包括OFDM信号接收和子载波分离子系统、子载波交换子系统和子载波合成子系统三个大的部分。针对具有K个点波束的卫星系统，每个点波束都有其对应的OFDM信号接收和子载波分离子系统以及子载波合成子系统。每个OFDM信号接收和子载波分离子系统把分离得到的各子载波信号以及相应的交换控制参数输入到子载波交换子系统当中，子载波交换子系统则根据交换控制参数把各个点波束星地上行链路的OFDM子载波信号中属于同一个点波束星地下行链路传输业务的子载波信号抽取出来，交换到相应的点波束子载波合成子系统中。每个点波束的子载波合成子系统把属于同一个点波束下行链路的各个OFDM子载波信号合成一个为完整的OFDM信号再传输到相应的地面终端设备。点波束星地上行链路信号在卫星接收中首先经过符号同步得到OFDM符号的起始位置，通过频偏估计和校正去除由于传输过程中多普勒频移和本地接收频率不同造成的频差，去掉循环前缀，经FFT将各个子载波信号抽取出来，同时根据导频符号进行信道估计和信道预测，估计得到的信道状态信息用于各个子载波信号的均衡，最后通过最大似然检测得到各个分离的子载波信号。这里通过信道估计和信道预测得到的未来信道状态信息可以为子载波自适应分配、系统自适应传输所使用。点波束星地下行链路OFDM信号合成发送时将来自子载波交换模块的属于该点波束的业务比特流根据其所分配的调制信息和子载波分配信息进行符号映射和子载波位置映射，然后经N点IFFT进行OFDM调制，加循环前缀后进入点波束星地下行链路信道进行发送。这里需要注意的星地下行链路的OFDM符号具有高PAPＲ问题，需要对其进行抑制。星上处理中可根据信道预测的状况，根据业务需求与业务等级自适应调整载波的分配，实现业务能力的动态调整。基于OFDM的GEO卫星移动通信系统总体方案的功能框图。系统包括地面部分和星上部分。地面部分包括地面移动终端设备和地面网关站。地面移动终端设备向卫星发送业务呼叫请求，在业务呼叫请求被接纳后按照分配的子载波资源信息、调制编码方式组织传输业务，通过星地上行链路发送给卫星;接收来自星地下行链路的传输业务。地面网关站通过收发系统和天线及射频设备向卫星发送与用户有关的移动性管理信息，接收和发送卫星移动通信系统与地面其它网络互联互通时的数据和控制信息;地面网关站中的用户数据中心维持最新的用户数据，包括用户地理位置和环境信息、地面其它网络相关信息以及计费相关的信息等;与地面其它网络相关的业务收发由业务控制系统、交换分系统和网络互联单元来完成;网关站管理中心负责整个网关站的运行管理。这里需要注意，地面网关站负责移动性管理方面备份功能，移动性管理通过星上来完成，这样可以减小由于信息传输带来的时延，更方便星上对业务呼叫请求的接纳控制以及为地面终端设备和传输业务进行自适应分配OFDM子载波资源。基于上述卫星网管设计，相比现有卫星通信中常见的FDMA\TDMA\CDMA，将OFDM技术应用到卫星移动通信系统中具有以下几点优势:1.OFDM技术具有良好的频谱效率和抗多径能力OFDM理论上可最高提供2倍于传统多址接入方式的频谱利用率，对频谱资源十分有限的中低频段移动卫星通信系统有巨大的吸引力。对提升通信速率有很大帮助。在卫星通信系统设计中，通常在较高仰角使用条件下，可认为多径分量较少。但在沙漠、大洋使用环境或较低仰角条件下，多径效应依然是不可忽略的因素之一。OFDM提供了良好的抵抗多径的能力，采用OFDM传输技术时，高速串行数据被并行分配到各个子载波上进行传输，子载波的数据速率降低，可以有效提高抗无线信道多径效应的能力。2.OFDM技术对业务带宽具有很好的可扩展性支持，可支持非对称的高速业务OFDM系统中信号的带宽由其所使用的子载波数量来决定，系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率，实现良好的宽带业务，同时对转发器中某些收到干扰的通信频点可以有效规避。3.卫星使用环境下多普勒频移远小于地面无线/移动通信系统OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性，对频偏比较敏感。而无线信道的传输过程中很容易受到各种干扰而使得这种正交性遭到破坏。实际证明，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。卫星环境下相比地面移动系统，地球站仰角较高时，GEO卫星移动通信系统中的最大多普勒频移的影响要小远于地面无线/移动通信系统，有利于在卫星系统中该技术的实现。4.有利于卫星通信系统与下一代地面无线/移动通信系统的融合OFDM同样作为4G技术的核心，通过在卫星通信中的应用，在今后的发展中十分有利于与下一代地面无线/移动通信系统的融合，包括偏远地区、海面、山区、森林以及南北极在内的各类地面用户终端可直接接入卫星系统中，真正实现全球无缝覆盖，符合现代通信发展的趋势。
三、OFDM卫星通信系统性能分析
OFDM系统由于采用了正交多载波技术，不可避免的存在技术难点，下文针对较为突出的两点进行简单分析:1.功率峰值与均值比(PAPＲ)大与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低，这对于功率资源严格受限的卫星通信系统十分关键，因此对OFDM卫星移动通信系统，必须要抑制OFDM信号的峰均比。抑制方法通常包括有损的信号畸变类和无损的编码类、信号变换类:无损抑制对信息序列在频域对数据的进行处理，这类方法不会对OFDM信号本身造成物理损伤，不影响信息传输的质量。采用基于部分传输序列的方式工作时，发送端需以额外边带信息的方式将线性变换的方法告知接收端，带来了系统资源的浪费，并随着序列分块数目和旋转相位因子取值空间的增加，计算量呈指数的形式增加。采用编码类方式工作时，可通过分组编码、格雷互补序列和Ｒeed-Muller码等，在信息比特进行编码过程中，选择生成低峰均比OFDM信号的编码图案进行传输，但是编码和译码过程相对比较复杂，当OFDM子载波数目较多时，编码和选择编码序列的计算量和时延较大。有损抑制主要包括信号畸变类方法，是对合成后的时域OFDM信号进行处理，该方法处理时延较小，简便易行，依据不同的信号峰值门限或压缩扩展特性可以达到较好的峰均比抑制性能，但是处理过程中由于对信号本身的非线性变换使得OFDM信号受到了物理损伤，影响了端到端信息传输的质量。实际使用中可以多种方式相结合使用，可先采用无损方式的进行预处理，然后针对处理后信号中超限的部分进行信号畸变类措施以达到合理的峰均比值，将硬件复杂度与系统传输质量做到平衡。2.信道估计与预测问题OFDM卫星移动通信系统将点波束范围内的整个频带划分为多个正交的子载波，由于卫星移动信道的多径效应造成频率选择性衰落，多普勒频移效应会造成时间选择性衰落，从发射天线到接收天线间无线信道的频率响应经过传输信道的衰落已经发生了变化，需要对信道进行估计与跟踪;同时传输过程中各子载波处于不同的信道状态，依据未来的信道状态信息进行自适应传输可以大大提高系统的资源利用效率和系统的吞吐量，就需要对信道进行预测。OFDM系统中的信道估计方法可以划分为两类:一是盲信道估计方法，该方法计算复杂度高，收敛速度慢，很难满足通信中的突发需求，且在时变信道下获得的信道状态信息并不准确;二是基于导频信号的信道估计方法，实际应用中基于导频信号的方法估计准确、速度快，适合于星上处理。基于导频信号的信道估计方法首先要在发送端OFDM信号中合适的子载波位置插入导频信号，在接收端利用导频信号估计计算出导频位置处的信道状态信息，然后采用插值滤波等方法估计得到各个子载波位置处的信道状态信息。但也由于导频信号的插入降低了系统频谱利用率。一般来说，信道的多径时延扩展和多普勒频移越大，精确信道状态信息的估计所需要的导频数目越多，相应的系统频谱利用率也会降低。因此基于导频信道的信道估计方法要求在信道估计精度和系统频谱利用率之间进行折衷。如系统需采用自适应传输或上下行链路分配子载波资源策略更合理，还需采用信道预测的手段。现有地面系统中一般所采用的长期信道预测方法采用线性回归预测器，能够准确预测地面无线信道10ms之内的信道状态信息，但卫星信道相比地面系统具有的长延时特性，一般单跳延时在270ms，端到端延时在540ms量级，地面系统中的手段显然不适用，不能沿用地面系统中的方法。
四、结束语
地面移动通信的快速发展带来了卫星通信系统通过OFDM技术的使用可以有效提高频谱的使用效率，也有利于今后的网络融合，但需要面对并克服一些技术问题。本文基于透明转发与基于子载波交换两类卫星转发器给出两种网络结构类型，并以此为参考阐述了在实施中所带来的效益和所需面对的问题，并进行了简单分析，可作为后续工程实施的参考。
作者：夏融 董云刚 陈涛
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