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基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术目录一、摘要 (2)二、内容概括 (2)三、双模通信终端技术原理 (3)1. 低轨卫星互联网技术 (5)2. 双模通信终端技术概念 (6)四、低轨卫星互联网技术 (7)1. 低轨卫星互联网发展现状 (9)2. 低轨卫星互联网的优势与挑战 (10)五、双模通信终端技术 (11)1. 双模通信终端技术原理 (12)2. 双模通信终端技术分类 (14)六、基于低轨卫星互联网的双模通信终端设计 (15)1. 硬件设计 (16)a. 天线设计 (17)b. 信号处理模块 (18)c. 电源管理模块 (20)2. 软件设计 (21)a. 系统软件 (21)b. 应用软件 (23)c. 数据传输协议 (24)七、基于低轨卫星互联网的双模通信终端实现 (26)1. 系统硬件选型与集成 (27)2. 系统软件开发与调试 (28)3. 系统测试与验证 (28)八、结论与展望 (30)1. 双模通信终端技术的优势与应用前景 (30)2. 未来发展趋势与研究方向 (32)一、摘要本文档重点探讨了基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术，低轨卫星互联网以其高速度、广覆盖、低延迟的特点在现代通信领域起到了不可替代的作用。
双模通信终端技术作为实现陆基与卫星网络无缝连接的关键，整合地面通信网络与传统卫星通信网络的优势，显著提高了通信系统的灵活性和可靠性。
本文主要介绍了双模通信终端技术的概念、设计原理、技术难点以及实现方式，同时探讨了其在现代通信领域的应用前景，特别是在偏远地区通信、应急通信以及全球互联网连接等方面的潜在价值。
本文旨在为相关领域的研究人员和技术开发者提供理论基础和实践指导，推动基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术的进一步发展。
二、内容概括本文档主要围绕“基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术”涵盖了该技术的背景、发展现状以及未来可能的应用前景。
在背景方面，随着全球互联网的快速普及和扩展，网络覆盖范围和通信质量的需求持续提升。
扩频通信技术在实际中的应用摘要：通过介绍扩频通信技术的概念及原理来研究它是如何在实际中应用的。
关键词: 扩频分类应用正文：一、扩频技术是近年发展非常迅速的一种技术，它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到了通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等。
扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)川简称“扩频通信”。
是将发送的信息展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送的信息带宽宽的多，在接收端通过相关接收，从而将信号恢复到信息带宽。
扩频通信按其工作方式的不同，可分为直接序列扩频(DS)，跳频(FH)，跳时(TH)，以及它们的组合方式，如：FH／DS，TH／DS，FH／TH等。
不同的扩频技术，其抗干扰机理和对不同扰的抵抗能力是不同的。
直接序列扩频技术通过相关处理，降低进入解调器的信号功率来达到抗干扰目的；跳频系统依靠载频的随机跳变，以躲避方式对抗通信中的干扰。
直接序列扩频技术是目前应用较为广泛。
三、低轨卫星通信信道模型低轨口星通信信道是一种无线衰落时变信道。
其中，径衰落、阴影衰落及多普勒频移是影响低轨卫星信道的主要因素。
将低轨卫星通信的传播环境分为城市环境、开阔地带环境、农村及郊区环境三种，分别用瑞利信道、莱斯信道和C．I舶信道模璎来近似n-lo]。
2．1城市环境在此情况下，视线分冒可以认为是完全被建筑物阻挡吸收，直射分量：(f)为零，接收的信号为各条路径的散射分量之和，此时只存在多径衰落。
各途径传播的散射信号相互独立，而且散射信号的振幅之和是恒定的，合成信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布，其概率密度函数为，式中，r为接收信号的包络，，为平均多径功率，合成信号的相位服从[0，27r)的均匀分布，此时的信道属于瑞利信道。
当采用SystemVue软件建立其仿真模型时，可由JK信道子系统构成，设其多径数目为5，最大多普勒频移为20kHz。
doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2021.04.004引用格式:熊韬,廖世文.一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术[J].电讯技术,2021,61(4):409-413.[XIONG Tao,LIAO Shiwen.A broadband transmission technology for LEO satellite communications[J].Telecommunication Engineering,2021,61(4):409-413.]一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术∗熊㊀韬∗∗,廖世文(广州海格通信集团股份有限公司,广州510663)摘㊀要:针对低轨卫星通信过程中功率受限的约束以及宽带业务需求的不断增长,研究了一种宽带传输技术㊂首先,分析了离散傅里叶变换扩频正交频分复用技术的宽带传输能力以及低峰均比特性;其次,进行了低轨卫星运动场景下的多普勒频移及采样偏差的分析,并在此基础上提出了一种低轨宽带通信的帧结构㊂仿真结果表明,该技术可有效抗低轨场景下的多普勒残留频偏且能完成高速率的传输任务㊂关键词:低轨卫星通信;宽带传输;离散傅里叶变换扩频正交频分复用开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN927㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-893X(2021)04-0409-05A Broadband Transmission Technology forLEO Satellite CommunicationsXIONG Tao,LIAO Shiwen(Guangzhou Haige Communication Industry Group Co.,Ltd.,Guangzhou510663,China) Abstract:To deal with power constraint and increasing broadband service requirement,this paper proposes a broadband transmission technology for low Earth orbit(LEO)satellite communications.Firstly,the ability for broadband transmission and low peak-to-average power ratio(PAPR)of discrete Fourier transform spread spectrum orthogonal frequency division multiplexing technology(DFT-s-OFDM)are analyzed.Sec-ondly,Doppler shift and sampling bias are deduced in the LEO scenario,then a physical frame is designed. Simulation results show that the technology can complete high speed transmission task when most Doppler frequency shift has been removed.Key words:LEO satellite communication;broadband transmission;DFT-s-OFDM0㊀引㊀言低轨卫星通信系统凭借其运行轨道低㊁传输时延短㊁覆盖范围广及组网灵活等优势,可以在任意时间㊁任意地点和用户对接,让全球的用户享受全方位的通信服务[1]㊂正是由于上述优点,20世纪90年代末,以铱星系统为代表的低轨卫星通信迎来了发展热潮㊂但是限于当时卫星的制造㊁发射和运营成本高昂,同时地面基站的快速㊁低成本建设使得绝大多数场景对低轨通信的需求并不是十分迫切,因此在21世纪初低轨卫星通信遇到了发展瓶颈㊂近年来,随着低轨卫星通信成本的显著下降,以及地面高带宽㊁低时延的第五代移动通信(5G)技术的逐步商㊃904㊃第61卷第4期2021年4月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.61,No.4 April,2021∗∗∗收稿日期:2020-05-20;修回日期:2020-09-01通信作者:beartao08@业化,一个以地面5G 为基础㊁低轨宽带通信为重要支撑的空地一体化通信的研究正在成为行业热点㊂正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)技术由于其宽带传输性能卓越而被5G 所采纳,但是由于卫星通信场景中发射功率受限的问题很突出,直接使用OFDM 体制会造成发射信号的峰均比过高,使得功率受限的低轨宽带通信系统很容易进入功放非线性区域,从而导致严重的带内非线性失真㊂而与OFDM 体制具有良好兼容的离散傅里叶变换扩频正交频分复用(Discrete Fourier Transform Spread Spectrum Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,DFT -s -OFDM)体制在能传输高速率数据的同时具有低峰均比特性,因此可作为较为理想的低轨宽带的传输体制㊂1㊀DFT -s -OFDM 体制OFDM 的调制过程可以使用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)方法来实现:x (k )=1NðN -1i =0X i e j2πik /N =N IFFT(X i )㊂(1)式中:X i 为OFDM 调制之前的符号,N 为IFFT 的个数㊂DFT -s -OFDM 技术是在OFDM 的IFFT 调制之前对信号使用DFT 获得频域信号,然后插入零符号进行扩频,扩频信号再通过IFFT 转换为时域信息,因此DFT -s -OFDM 本质上也是一种宽带技术㊂图1所示为DFT -s-OFDM 发送流程㊂图1㊀DFT -s -OFDM 发送流程由于DFT -s -OFDM 通过一个傅里叶和反傅里叶变换对,IFFT 变换后的输出为输入符号的加权叠加,使得DFT -s -OFDM 传输体制具有单载波独有的低峰均比(Peak -to -Average Power Ratio,PAPR)特性,此特性正好可以应对卫星通信过程中发射功率受限的场景约束㊂DFT -s -OFDM 体制的低PAPR 性决定了其在卫星通信的宽带业务上有着很好的应用前景㊂图2是16正交幅度调制方式(16QuadratureAmplitude Modulation,16QAM)下DFT -s -OFDM 与OFDM 的信号能量概率密度函数(Probability Density Function,PDF)分布图及累积分布函数(CumulativeDistribution Function,CDF)分布图的仿真结果,可以看出DFT -s -OFDM 的峰均比值明显小于OFDM 的峰均比值㊂在CDF 图中,若以信号能量分布小于10-6为标准比较DFT -s -OFDM 和OFDM 的峰均比,可以看出信号能量分布为10-6时,DFT -s -OFDM 对应的峰均比值为2.73dB,而OFDMA 对应的峰均比值为3.73dB㊂因此,OFDM 的PAPR 比DFT -s -OFDM 的PAPR 高2.7dB,这说明DFT -s -OFDM 相比OFDM 具有更低的PAPR㊂(a)PDF 分布图(b)CDF 分布图图2㊀16QAM 信号能量PDF 及CDF 分布图仿真2㊀低轨卫星与接收机相对运动对宽带波形产生的影响㊀㊀宽带信号的波形结构会随着低轨卫星和接收机之间距离的变化出现两个维度的影响:一个是相对㊃014㊃ 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年运动产生的多普勒频移,另一个是DFT 块的采样偏差㊂如图3所示,假设卫星所在轨道与地球质心的距离为R e ,接收机与通信卫星之间的距离为R p ,地球的半径为R 0,卫星速度是v s ,载波频率为f s ,信号带宽为f d㊂图3㊀多普勒偏移示意图接收机位于P 点,通信卫星位于S 点,两点相对于地心的夹角为α,α=v s t R e㊂(2)因此,接收机与通信卫星之间的距离为R p =R 20+R 2e -2R 0R e cos α㊂(3)由R psin α=R 0sin β(4)得到β=arcsin(sin αR 0/R p )㊂(5)因而,电磁波到达方向与卫星移动速度方向之间的夹角为θ=π2-β㊂(6)可知,多普勒频偏为Δf =v s cf s cos θ㊂(7)式中:f s 为载波频率,卫星速度是v s ,c 为光速㊂所以多普勒频移的变化率为αd =Δf t +Δt -Δf tΔt㊂(8)接收机与卫星之间的距离为ρt =(R e cos α-R 0)2+(R e sin α)2㊂(9)接收机和通信卫星之间的距离变化率为Δρt =ρt +Δt -ρtΔt㊂(10)同时,在接收机收到DFT -s -OFDM 信号时,接收机与发射机之间的距离变化会产生一定的采样偏差,所以每个DFT 块的最大采样偏差为τ=Δρtc ϕγ㊂(11)式中:ϕ=1/f d 为每个码片所占用的时间,γ=f d /n 0为一个DFT 信号所占用的码片长度㊂对上述推导进行数值仿真㊂仿真过程中,假定低轨卫星的运行速度为7.28km /s,仿真中用时间代替卫星的实际位置,讨论频偏㊁频偏变化率㊁每个DFT 块的最大采样偏差与卫星位置之间的相关变化曲线㊂如图4所示,低轨卫星在运行过程中产生的频偏最高接近400kHz,这么大的多普勒频偏通过频偏估计算法来补偿是不现实的,即信号在接收前需要进行预补偿㊂目前成熟的预补偿方式是通过卫星星历推算卫星的位置及接收机的位置信息推算大致的多普勒偏㊂这其中运算最复杂的是星历解算,一般的做法是通过卫星广播或者是网络定时(通常一天更新一次)传递参数给低轨终端或者低轨信关站并由其自行解算㊂目前国内 北斗 导航终端模块普遍采用这种方式且实时性都很好,并不十分耗资源㊂这种方式可以把多普勒频偏残差降至10kHz以下㊂图4㊀多普勒频偏随卫星位置变化的曲线图5的仿真结果表明,在设定足够长的时间(如图中7.5min)下一个OFDM 块会偏差0.02个码片,因此在循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的长度设计上必须大于该值㊂㊃114㊃第61卷熊韬,廖世文:一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术第4期图5㊀每个DFT 块最大采样偏差变化曲线3㊀低轨宽带传输波形设计根据卫星信道的快速时变特性,低轨宽带信号可由同步信道和数据信道组成㊂同步信道用于卫星信号的快速捕获和失步后的快速同步;数据信道不仅用于数传,同时维护信道的同步和快速跟踪㊂这里数据信道代表一个数据时隙,每个时隙由4个DFT -s -OFDM 块组成㊂每个同步信道后跟随3个数据时隙,如图6所示㊂图6㊀低轨物理帧结构图由于接收到的信号存在多普勒频偏残差,数据信道的数据子载波映射的过程中需要插入导频㊂图7给出了在发送端插入导频的示意图㊂图7㊀导频插入示意图为应对不同传输速率的需求,本文设计了多档速率波形,具体参数见表1㊂表1㊀各档速率参数波形子载波带宽/kHz 总带宽/MHz 调制方式编码方式CP 长度/μs符号长度/μs 用户速率/(Mb㊃s -1)波形1200234QPSK Turbo 码0.156255.0265波形220023416APSK Turbo 码0.156255.0397波形320023416APSK Turbo 码0.156255.0596㊀㊀各档波形的仿真性能如图8所示,表明各档波形在多普勒频偏小于等于10kHz 的情况下均有较好的表现性能,低速率档下波形的抗频偏能力更强㊂由上一节的分析可知,低轨卫星在实际的运行过程中可以产生近400kHz 的频偏,但是通过星历补偿大部分频偏后,残留频偏值是小于10kHz 的,而上述仿真表明本文所设计的各档波形在频偏10kHz 时的解调性能下降1dB 左右,对实际使用影响不大㊂(a )波形1(b)波形2(c)波形3图8㊀各档波形的误比特率图4㊀结㊀论本文研究了低轨场景下的宽带传输方法㊂该方法利用DFT -s -OFDM 体制所设计的传输波形可以使得传输带宽优于200MHz,并且通过不同的调制编码组合实现265Mb /s㊁400Mb /s 和600Mb /s 的㊃214㊃ 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年多档传输速率,仿真结果表明在利用星历及接收机位置信息去除大部分多普勒频偏后,本文所提方法具有良好的实用性能㊂参考文献:[1]㊀关庆阳.低轨宽带卫星移动通信系统OFDM传输技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.[2]㊀张力.通信之美[M].北京:电子工业出版社,2016.[3]㊀张洪太,王敏,崔万照.卫星通信技术[M].北京:北京理工大学出版社,2018.[4]㊀田由甲,张冠杰.基于多普勒频率变换率的固定单位算法研究[J].无线电通信技术,2016,42(4):61-64.[5]㊀李耀晨,赵渊,裴文端.5G低轨卫星移动通信系统多普勒频偏估计算法[J].计算机测量与控制,2018,26(10):226-234.[6]㊀王娜娜.基于5G的低轨宽带卫星移动通信系统同步技术研究[D].南京:东南大学,2018.[7]㊀潘申富.宽带卫星通信技术[M].北京:国防工业出版社,2015.[8]㊀朱峰.宽带卫星移动通信系统无线链路传输技术研究[D].南京:东南大学,2017.[9]㊀张树娟.卫星移动通信系统OFDM同步技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.[10]㊀蒋雁翔.无线OFDM系统训练序列设计与频偏估计技术研究[D].南京:东南大学,2006. 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