空天车地立体环境下宽带传输系统设计论文

　　摘 要：针对轨道交通运营安全保障需求,本文阐述了一种以临近空间浮空器为中心的空天车地立体环境下的宽带传输系 统设计方案,在分析主要技术指标要求的基础上,给出了主要工作参数设计思路,并重点论述了 S 频段宽带网络收发器和 S 频 段功率放大器设计方案,并在最后给出了验证方法和实测结果,结果表明本文所述方案满足系统指标要求。

　　关键词：轨道交通,空天车地立体环境,宽带传输

　　Design of Broadband Transmission System in an Integrated Air Space Vehicle

　　Ground Environment

　　HUANG Jianyao

　　(Tianjin 712 Communication & Broadcasting Co., Ltd., Tianjin 300462)

　　【Abstract】： A broadband transmission system is designed for safety requirements of railway transit operation in an integrated air space vehicle ground environment, centered around nearby space aerostat . The system parameters are provided on the basis of analyzing the specifications. The design of the S-band broadband transmitter and S-band power amplifier are discussed . At the end, the verification method and test results are provided, indicating that the design meets the system requirements.

　　【Key words】： railway transit;integrated air space vehicle ground environment;broadband transmission

　　引言

　　我国铁路进入现代化建设的关键时期,尤其是在 “一带一路”战略发展下,西部边远地区、重载铁路快 速发展,对铁路运营与安全综合保障技术提出了新的 更高要求 [1.2]。但目前的技术手段功能单一、区域独立, 未构成全方位、功能齐全的监测体系,导致大范围监测、 全局态势共享、运管综合决策支持能力极度缺乏 [3.4]。 亟需通过新技术的突破,实现铁路大范围、全覆盖、全 息化的运营与安全综合保障能力 [5]。

　　利用临近空间飞艇等空间信息平台结合地面既有系统, 实现轨道运行信息的可靠传输与共享是一种可行的途 径。空天车地立体环境下的通信系统以临近空间浮空器 作为网络无线接入中心基站平台及数据回程平台,形成 覆盖低空和地面的多节点星形移动网络,以解决多节点 移动视频监控和地面高速移动节点接入等多业务综合汇 接和回程问题。从逻辑功能上,空天车地立体环境下的通信系统包括两个功能子系统： 空地移动通信系统和 空地宽带通信系统, 前者实现多类型移动节点的业务数据 汇接(接入)功能;后者实现业务汇接数据的回程传输。

　　本文重点阐述基于临近空间飞艇浮空器的空天车地 立体环境下的宽带传输系统方案设计。
 

 

　　1 总体方案

　　空天车地立体环境下宽带传输通信系统的功能主要 是作为空天车地立体环境下移动通信系统的骨干传输链 路,实现临近空间飞艇与地面指挥中心之间的高速数据 传输。本系统主要分为两个子系统：浮空器端传输子系 统和地面端传输子系统。浮空器端传输子系统包括：S 频段宽带网络收发器、S 频段功率放大器、全向天线和 配套线缆。地面端传输子系统包括 S 频段宽带网络收发 器、S 频段功率放大器、自跟踪定向天线以及配套线缆。

　　1.1 主要技术指标

　　(1)通信距离：300km;

　　(2)最大数据带宽： 100Mbps;

　　(3)业务类型：基于 IP/ 以太网的综合业务;

　　(4)工作频点：S 频段;

　　(5)频率带宽：20MHz。

　　1.2 工作频点设计

　　工作频率方面,考虑到空地宽带通信系统为固定地 面站,浮空器相对移动速度较低,位置较为稳定,下行 数据带宽需求较高,因此计划采用 3.3GHz~3.5GHz。 该频段频率资源相对较为充裕,频率监管问题不突出, 适合试验局部署采用,对于较高的工作频点带来的链路 传播损耗高的问题,可通过采用较高增益的数引跟踪天 线予以弥补。

　　1.3 链路分析

　　空地宽带通信系统链路分析： 以 3.5GHz S 频段分析, 300km 基本传播损耗为 153dB,空地宽带通信信道相对较 为稳定,预留 6dB 动态裕量,因此链路预算为 159dB。

　　S 频 段 /20MHz(7/8FEC+64QAM,NF=3dB) 接 收机灵敏度工程上可设定为 -72dBm,空地通信信道可 近似为静中通卫通信道,则收发增益储备需达到 77dB, 功率放大器设计提供 40dBm(10W),那么要求浮空器 与地面站收发天线合计增益需达到 37dB 以上。地面站 采用抛物面数引跟踪天线, 3m 天线即可实现 40dBi 以 上增益,浮空器端 S 频段全向天线可提供 3 ~ 5dB 增 益,完全可以达到这一设计要求。

　　1.4 传输速率计算

　　对于空地宽带通信系统,网络峰值带宽为 100Mbps, 数据传输效率不低于(100%- (纠错 + 抗多径 + 捕获同 步 +MAC))≈ 80%,故空口速率要求不低于 125Mbps。 上下行占空比按照 2:32 配置。采用 20MHz 基带带宽及 64QAM 调制方式, 滚降系数 0.25. 则能够达到 128Mbps 空口速率,且能够满足系统的需求。

　　2 S 频段宽带网络收发器设计

　　S 频段宽带网络收发器是整个宽带传输通信系统的 核心设备, 数据发送 / 接收的大部分工作均由 S 频段宽 带网络收发器完成,根据系统建设需求,规划 S 频段宽 带网络收发器功能如下：

　　(1)具有 S 频段接收发射通路;

　　(2) 具有可配置双向或单向传输网络 IP 数据功能;

　　(3)采用高效的 TDD 突发通信体制;

　　(4)具有上下行数据带宽 QoS 配置功能;

　　(5) 支 持 TCP/UDP/IP 和 IEEE802.3 的 网 络 通 信 体制,可与浮空器和地面网络无缝集成;

　　(6)具有数据加扰传输功能,并支持串接符合国家保密要求的网络保密机;

　　(7)采用恒包络或近恒包络调制传输体制,通信信 号峰均比不大于 5dB;

　　(8)支持北斗 /GPS 卫星导航数据采集和随路传输 能力;

　　(9)具备良好的临空信道适应能力,适用于临空应 用环境;

　　(10)适航高度 20000m;

　　(11)支持 SNMP 网络化配置、监控和管理能力。

　　收发器整体设计基于大规模高速 FPGA 和高速嵌入 式处理器的 SDR(软件无线电)架构实现,系统的核心 处理均在数字信号处理逻辑中完成,这种设计大大提高 了信号处理效率和准确性。由 ADC/DAC(模数 - 数模 转换)实现模拟与数字分割界面。由大规模 FPGA 实现 的数字 PHY 和高速嵌入式 ARM 主控处理器实现的数 字信号处理与 MAC 协议处理,完成核心的数据处理过 程。 收 发 器 通 过 1 个 标 准 IEEE802.3u 100/1000M 自 适应网络接口与网关设备连接,设备整机基于 TCP/IP 的全透明化网络数据传输体制,设备工作于对等传输模 式(即通信两端基本收发模式和通信体制相同)。

　　鉴于系统功能的复杂性,采用多板互联分功能模块 化设计思想,分为 4 个功能单元：

　　(1)主控处理器单元：ARM 处理器主控;

　　(2)FPGA 数字基带单元：FPGA 和 AD、DA 一体 化电路;

　　(3)射频单元： 含射频滤波、放大、AGC/TPC、 UC/DC 等电路;

　　(4)电源：分布于各单元电路中。 逻辑框图如图 1 所示。
 

 

　　3 S 频段功率放大器设计

　　S 频段功率放大器按照收发一体的思路设计。把功 放安装在天线端口附近,既保证发射机输出功率能最大 化到达天线端口;又能保证接收信号经过最小衰减进入 高增益 LNA,使噪声系数降至最低。采用环形器和射 频开关进行收发隔离,保证工作时收发通路不会相互干 扰。S 频段功率放大器原理如图 2 所示。
 

 

　　发射通道如图 2 下半部分为了保证输出功率能推到 10W, TX 通道设计 4 级放大器。前 3 级功放驱动第 4 级 功放,输出功率达到 10W,且保证输出 10W 时 IMD3 可达 -26dBc。在各级放大器之间设置隔离器,减小各 级输出驻波,并降低功放管的反串信号,以免功放管自 激烧毁。为应对高低温下功放输出功率变化较大问题, 在发射通道设置 3dB 负温度系数温补衰减器,降低温度对功放输出功率的影响。

　　接收通道如图 2 上半部分, 对接收信号进行射频到 中频的下变频,并保证较低的噪声系数。因此, LNA 噪声系数不大于 1dB,且下变频选用相位噪声低的压控 振荡器和噪声系数低的混频器。

　　通过在 LNA 之前增加限幅器,并在 LNA 之后增加 两级射频开关实现收发隔离。即当 TX 通路工作时,从 输出环形器泄露至限幅器的信号约 +30dBm, 经过限幅 器限幅后,输出信号约 +6dBm,通过两级开关和输入 环形器隔离,泄漏到输入端信号小于 -85dBm,影响可 以忽略不计。

　　4 实验验证

　　按照如图 3 所示的环境图搭建测试环境,测试工具 列表如表 1 所示。

 

　　将衰减器的总衰减量调到 153dB,此时在计算机上运行测试速率软件,测得上下行速率之和不小于 100Mbps, 则可判定满足传输 300km 和 100Mbps 传 输速率的要求。

　　从表 1 的实测结果可以看出,传输速率可达101Mbps,满足系统设计要求。
 

 

　　5 结语

　　空天车地立体环境下的宽带传输系统,主要用于实 现浮空器业务汇接数据与地面指挥中心的骨干网络通 信,该系统可在 300km 距离实现 100Mbps 点对点通 信。本文阐述了空天车地立体环境下的微波宽带传输系 统的功能以及组成结构,设计了微波宽带通信设备的总 体框架,分析了主要技术指标,并设计了关键系统参数,详细论述了 S 频段宽带网络收发器和 S 频段功率 放大器设计方案。最后,针对所设计系统进行了测试验 证,结果表明,所设计系统满足系统技术指标要求,未 来将会在系统产品化、工程化方面开展进一步工作。

　　参考文献

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