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摘 要 簡述了特高頻頻段（UHF）應(yīng)用于衛(wèi)星通信（SATCOM）的優(yōu)點(diǎn)及作用；介紹了當(dāng)前廣泛應(yīng)用于美國陸�？杖姾透髡畽C(jī)構(gòu)中的UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)——特高頻后續(xù)（UFO）衛(wèi)星系統(tǒng)；陳述了美軍下一代UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)——移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）及其關(guān)鍵技術(shù)；提出了一種提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量的新方案。
關(guān)鍵詞 UHF 特高頻后續(xù)衛(wèi)星系統(tǒng) 移動用戶目標(biāo)系統(tǒng) 衛(wèi)星通信 BICM-ID
1 特高頻（UHF）的優(yōu)點(diǎn)及作用
按照頻譜劃分，UHF的頻率范圍為300MHz到3000MHz。在UHF衛(wèi)星通信（SATCOM）中，通常使用UHF較低的頻段，偶爾還會用到頻率范圍為30~300MHz的VHF頻段。
UHF在軍事應(yīng)用中有許多特有的優(yōu)勢[1]：
1. 信號穿透性強(qiáng)。在擁擠的城市里、密集的叢林中、極壞的天氣下均能適用。
2. 終端實(shí)用性強(qiáng)。UHF終端輕巧而牢固，適合于艦船、車輛、飛機(jī)、單兵背負(fù)，甚至手持使用。
3. 可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋及廣播聯(lián)網(wǎng)。UHF的大型波束和相對較低的功率有利于實(shí)現(xiàn)全球廣播聯(lián)網(wǎng)。
4. 接入得到保證。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）確認(rèn)的國際性協(xié)議，UHF頻譜中的其中一段專門劃分給軍方。
UHF主要使用在軍事行動的初期及惡劣的環(huán)境條件下[1]。在作戰(zhàn)的開始階段，通常沒有足夠的時間鋪設(shè)大量的電話線、光纜或架設(shè)大型的天線系統(tǒng)，使用機(jī)載、車載、背負(fù)或手持等UHF終端實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)單元間的相互通信是最實(shí)用、簡便的方法。此外，作戰(zhàn)單元要獲得不受天氣及地理位置影響的通信，UHF無疑是最好的選擇。
2 特高頻后續(xù)（UFO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)
特高頻后續(xù)（UHF Follow-on，UFO）衛(wèi)星系統(tǒng)是當(dāng)前美軍在UHF頻段上使用的窄帶軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（MILSATCOM）。第1顆UFO衛(wèi)星于1993發(fā)射升空，第11顆也是最后一顆UFO衛(wèi)星在2004年發(fā)射完畢。UFO衛(wèi)星系統(tǒng)的上行頻率為290～320MHz，下行頻率為240～270MHz，調(diào)制方式為BPSK。每一顆UFO衛(wèi)星在555kHz的帶寬里提供39個UHF信道，包括21個5kHz的窄帶信道，17個25kHz的中繼信道及一個艦隊(duì)廣播信道[2]。
UFO衛(wèi)星系統(tǒng)主要為美軍部署在全球各熱點(diǎn)地區(qū)，如韓國、西南亞、波斯尼亞和阿富汗的部隊(duì)提供2.4kbit/s全雙工或4.8kbit/s半雙工的語音及低速數(shù)據(jù)服務(wù)。過去十多年里，美國參與的每一場大型戰(zhàn)爭都處于UFO衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)。UFO系統(tǒng)在這些戰(zhàn)爭中表現(xiàn)出色，為各作戰(zhàn)單元提供了良好的服務(wù)，得到了一致好評。
然而，隨著軍事需求的發(fā)展，在飛機(jī)、艦艇、軍艦、坦克等各軍事平臺上使用的UHF終端急劇增多，UFO系統(tǒng)容量不足的問題日趨明顯。一些評估顯示UFO的用戶數(shù)量已超過了定額的150%[1]。而且，由于干擾或操作失誤，信道可用率通常低于50%[3]。此外，目前單兵使用的UFO終端還比較龐大，攜帶、使用起來不是十分方便。
2010年開始，UFO將逐步被名為移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)（Mobile User Objective System，MUOS）的新一代UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)取代。
3 移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）
3.1 MUOS簡介
MUOS計劃分三個階段實(shí)施。第一階段——概念設(shè)計階段以及第二階段——子系統(tǒng)試制階段已經(jīng)結(jié)束，第三階段——系統(tǒng)開發(fā)與演示進(jìn)而過渡到生產(chǎn)與部署的階段正在如火如荼進(jìn)行。按最新預(yù)計，MUOS將于2010年實(shí)現(xiàn)初始作戰(zhàn)能力，2014年具備完整的作戰(zhàn)能力[5]。
MUOS衛(wèi)星星座由4個同步衛(wèi)星與一個在軌備用星組成，每顆星可支持127個獨(dú)立的點(diǎn)波束；備用星可隨時漂移到有需要的地區(qū)，以增加這個地區(qū)的可用信道數(shù)量。MUOS采用WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，寬帶碼分多址）蜂窩技術(shù)來實(shí)現(xiàn)全球覆蓋；容量達(dá)到UFO系統(tǒng)的十倍以上，信道可用率大于97%；窄帶語音信道傳輸速率可達(dá)9.6kbit/s，寬帶數(shù)據(jù)信道傳輸速率可達(dá)64kbit/s，仍然使用BPSK調(diào)制方式。
MUOS兼容原有的UHF終端。而新產(chǎn)的MUOS用戶終端將給移動作戰(zhàn)單元帶來一場“通信革命”。新的終端輕巧靈活，可實(shí)現(xiàn)手持；運(yùn)行功率低，從而增強(qiáng)了隱蔽性；更重要的是能與聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）體系兼容。
MUOS用戶間信息流的傳遞與UFO有很大的不同[5]。用戶終端經(jīng)由UHF WCDMA上行鏈路把信息發(fā)到MUOS衛(wèi)星上，衛(wèi)星通過Ka波段下行鏈路把此信息轉(zhuǎn)發(fā)到分別坐落在夏威夷、諾�？�、西西里和澳大利亞的四個地面站之一。這四個地面站是互通的，其網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備放置在夏威夷和維吉尼亞。網(wǎng)管設(shè)備會判別出信息所要通向的目標(biāo)用戶，并把其轉(zhuǎn)發(fā)到合適的地面站，然后該地面站會通過Ka波段上行鏈路把信息發(fā)到衛(wèi)星上，最后衛(wèi)星經(jīng)由UHF WCDMA下行鏈路把信息發(fā)送到正確的目標(biāo)用戶。
3.2 MUOS的關(guān)鍵技術(shù)
MUOS的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有的UFO系統(tǒng)，特別是在通信容量和信道可用性方面。為各種作戰(zhàn)環(huán)境下的機(jī)動部隊(duì)或移動單兵提供更大的通信容量是MUOS追求的最終目標(biāo)。MUOS采用的WCDMA蜂窩體系結(jié)構(gòu)正是實(shí)現(xiàn)這個最終目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。
每顆MUOS衛(wèi)星可支持127個獨(dú)立的點(diǎn)波束，并把其需要覆蓋的區(qū)域劃分為127個蜂窩，每個蜂窩由一個點(diǎn)波束來對應(yīng)。各個蜂窩的面積不盡相同，熱點(diǎn)地區(qū)由若干個蜂窩來覆蓋，每個蜂窩的面積相對小些（最小的約800km×1000km）；而對幅員遼闊但通信需求量少的地區(qū)，則僅用一個“大”蜂窩來覆蓋。
UFO系統(tǒng)中采用的是單區(qū)制FDMA，即只用一個“蜂窩”覆蓋所有地區(qū)，在其中實(shí)行頻分多址。各個用戶在同一時間內(nèi)使用不同的頻率來通信。在MUOS中，由于采用了WCDMA蜂窩技術(shù)，不同的蜂窩間可實(shí)現(xiàn)頻率再用；同一個蜂窩里，所有用戶在同一時間內(nèi)使用相同的頻率來通信，其信道的劃分是通過不同的波形，即不同的擴(kuò)頻碼來區(qū)分的。
UFO只有一個“蜂窩”，其信道受到的干擾主要是系統(tǒng)內(nèi)其他信道的干擾。而對于多蜂窩的MUOS系統(tǒng)，每一個信道除了受到本蜂窩內(nèi)其他信道的干擾外，還會受到鄰近蜂窩的信道對其產(chǎn)生的干擾。所以，在相同傳輸條件下，就MUOS單個蜂窩而言，它可提供的信道數(shù)顯然要比UFO系統(tǒng)少。然而，MUOS劃分的蜂窩數(shù)眾多（127×4＝508個），各個蜂窩可用信道數(shù)的總和則比UFO大得多。
由此可見，由于采用了WCDMA蜂窩技術(shù)，MUOS要取得高于UFO十倍以上的系統(tǒng)總?cè)萘坎⒉皇鞘掷щy的事情。
4 一種提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量的新方案
由上一節(jié)的分析可知，采用WCDMA蜂窩技術(shù)提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量有其優(yōu)點(diǎn)，也有其不足的地方：如果衛(wèi)星需要覆蓋的面積不大，劃分的蜂窩數(shù)不多，系統(tǒng)總?cè)萘坎粫玫教岣�；即使系統(tǒng)總?cè)萘坑泻艽蟮奶岣�，但局部地區(qū)的通信容量并沒有增加。
目前，正在使用的UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)普遍采用BPSK或1/2碼率的QPSK調(diào)制方式。尋找適用于UHF頻段的多進(jìn)制高效傳輸方式是提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量的一個研究方向。
BICM-ID[6]（比特交織編碼調(diào)制－迭代譯碼）把編碼器的輸出與一組獨(dú)立的比特交織器連接起來，采用迭代譯碼，是一種帶寬有效的編碼技術(shù)，非常適用于移動衰落信道下的多進(jìn)制調(diào)制。文獻(xiàn)[6]、[7]對BICM-ID作出了詳細(xì)的論述。
典型的BICM-ID框圖如圖1所示。
UHF衛(wèi)星通信信道受到瑞利衰落、電離層閃爍、地面人為干擾等影響。BICM-ID能有效地抵制這些影響，提供可靠、高效的傳輸。
采用多進(jìn)制BICM-ID方案，如碼率為2/3的8PSK BICM-ID，可以有效地提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)各可用信道的信息傳輸速率，從而提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總?cè)萘俊＿@種方案不拘泥于衛(wèi)星覆蓋面積的大�。欢�，各局部地區(qū)的容量都得到相應(yīng)的增加。
5 結(jié)束語
當(dāng)前，UHF衛(wèi)星通信以其特有的諸多優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各國軍方，如UFO系統(tǒng)。如何提高系統(tǒng)容量是未來UHF衛(wèi)星通信發(fā)展的熱點(diǎn)問題，如MUOS計劃。本文提出了以多進(jìn)制BICM-ID提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)各可用信道的信息傳輸速率，從而提高UHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)總?cè)萘康姆桨�。這種方案十分適用于我國。
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