UHF频段卫星通信的现状与未来发展

摘　要　简述了特高频频段（UHF）应用于卫星通信（SATCOM）的优点及作用；介绍了当前广泛应用于美国陆海空三军和各政府机构中的UHF卫星通信系统——特高频后续（UFO）卫星系统；陈述了美军下一代UHF卫星通信系统——移动用户目标系统（MUOS）及其关键技术；提出了一种提高UHF卫星通信系统容量的新方案。

关键词　UHF　特高频后续卫星系统　移动用户目标系统　卫星通信　BICM-ID

1　特高频（UHF）的优点及作用

按照频谱划分，UHF的频率范围为300MHz到3000MHz。在UHF卫星通信（SATCOM）中，通常使用UHF较低的频段，偶尔还会用到频率范围为30~300MHz的VHF频段。

UHF在军事应用中有许多特有的优势[1]：

1. 信号穿透性强。在拥挤的城市里、密集的丛林中、极坏的天气下均能适用。

2. 终端实用性强。UHF终端轻巧而牢固，适合于舰船、车辆、飞机、单兵背负，甚至手持使用。

3. 可实现全球覆盖及广播联网。UHF的大型波束和相对较低的功率有利于实现全球广播联网。

4. 接入得到保证。根据国际电信联盟（ITU）确认的国际性协议，UHF频谱中的其中一段专门划分给军方。

UHF主要使用在军事行动的初期及恶劣的环境条件下[1]。在作战的开始阶段，通常没有足够的时间铺设大量的电话线、光缆或架设大型的天线系统，使用机载、车载、背负或手持等UHF终端实现作战单元间的相互通信是最实用、简便的方法。此外，作战单元要获得不受天气及地理位置影响的通信，UHF无疑是最好的选择。

2　特高频后续（UFO）卫星通信系统

特高频后续（UHF Follow-on，UFO）卫星系统是当前美军在UHF频段上使用的窄带军事卫星通信系统（MILSATCOM）。第1颗UFO卫星于1993发射升空，第11颗也是最后一颗UFO卫星在2004年发射完毕。UFO卫星系统的上行频率为290～320MHz，下行频率为240～270MHz，调制方式为BPSK。每一颗UFO卫星在555kHz的带宽里提供39个UHF信道，包括21个5kHz的窄带信道，17个25kHz的中继信道及一个舰队广播信道[2]。

UFO卫星系统主要为美军部署在全球各热点地区，如韩国、西南亚、波斯尼亚和阿富汗的部队提供2.4kbit/s全双工或4.8kbit/s半双工的语音及低速数据服务。过去十多年里，美国参与的每一场大型战争都处于UFO卫星的覆盖范围内。UFO系统在这些战争中表现出色，为各作战单元提供了良好的服务，得到了一致好评。

然而，随着军事需求的发展，在飞机、舰艇、军舰、坦克等各军事平台上使用的UHF终端急剧增多，UFO系统容量不足的问题日趋明显。一些评估显示UFO的用户数量已超过了定额的150%[1]。而且，由于干扰或操作失误，信道可用率通常低于50%[3]。此外，目前单兵使用的UFO终端还比较庞大，携带、使用起来不是十分方便。

2010年开始，UFO将逐步被名为移动用户目标系统（Mobile User Objective System，MUOS）的新一代UHF卫星通信系统取代。

3　移动用户目标系统（MUOS）

3.1　MUOS简介

MUOS计划分三个阶段实施。第一阶段——概念设计阶段以及第二阶段——子系统试制阶段已经结束，第三阶段——系统开发与演示进而过渡到生产与部署的阶段正在如火如荼进行。按最新预计，MUOS将于2010年实现初始作战能力，2014年具备完整的作战能力[5]。

MUOS卫星星座由4个同步卫星与一个在轨备用星组成，每颗星可支持127个独立的点波束；备用星可随时漂移到有需要的地区，以增加这个地区的可用信道数量。MUOS采用WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）蜂窝技术来实现全球覆盖；容量达到UFO系统的十倍以上，信道可用率大于97%；窄带语音信道传输速率可达9.6kbit/s，宽带数据信道传输速率可达64kbit/s，仍然使用BPSK调制方式。

MUOS兼容原有的UHF终端。而新产的MUOS用户终端将给移动作战单元带来一场"通信革命"。新的终端轻巧灵活，可实现手持；运行功率低，从而增强了隐蔽性；更重要的是能与联合战术无线电系统（JTRS）体系兼容。

MUOS用户间信息流的传递与UFO有很大的不同[5]。用户终端经由UHF WCDMA上行链路把信息发到MUOS卫星上，卫星通过Ka波段下行链路把此信息转发到分别坐落在夏威夷、诺福克、西西里和澳大利亚的四个地面站之一。这四个地面站是互通的，其网络管理设备放置在夏威夷和维吉尼亚。网管设备会判别出信息所要通向的目标用户，并把其转发到合适的地面站，然后该地面站会通过Ka波段上行链路把信息发到卫星上，最后卫星经由UHF WCDMA下行链路把信息发送到正确的目标用户。

3.2　MUOS的关键技术

MUOS的性能远远超过了现有的UFO系统，特别是在通信容量和信道可用性方面。为各种作战环境下的机动部队或移动单兵提供更大的通信容量是MUOS追求的最终目标。MUOS采用的WCDMA蜂窝体系结构正是实现这个最终目标的关键技术。

每颗MUOS卫星可支持127个独立的点波束，并把其需要覆盖的区域划分为127个蜂窝，每个蜂窝由一个点波束来对应。各个蜂窝的面积不尽相同，热点地区由若干个蜂窝来覆盖，每个蜂窝的面积相对小些（最小的约800km×1000km）；而对幅员辽阔但通信需求量少的地区，则仅用一个"大"蜂窝来覆盖。

UFO系统中采用的是单区制FDMA，即只用一个"蜂窝"覆盖所有地区，在其中实行频分多址。各个用户在同一时间内使用不同的频率来通信。在MUOS中，由于采用了WCDMA蜂窝技术，不同的蜂窝间可实现频率再用；同一个蜂窝里，所有用户在同一时间内使用相同的频率来通信，其信道的划分是通过不同的波形，即不同的扩频码来区分的。

UFO只有一个"蜂窝"，其信道受到的干扰主要是系统内其他信道的干扰。而对于多蜂窝的MUOS系统，每一个信道除了受到本蜂窝内其他信道的干扰外，还会受到邻近蜂窝的信道对其产生的干扰。所以，在相同传输条件下，就MUOS单个蜂窝而言，它可提供的信道数显然要比UFO系统少。然而，MUOS划分的蜂窝数众多（127×4＝508个），各个蜂窝可用信道数的总和则比UFO大得多。

由此可见，由于采用了WCDMA蜂窝技术，MUOS要取得高于UFO十倍以上的系统总容量并不是十分困难的事情。

4　一种提高UHF卫星通信系统容量的新方案

由上一节的分析可知，采用WCDMA蜂窝技术提高UHF卫星通信系统的容量有其优点，也有其不足的地方：如果卫星需要覆盖的面积不大，划分的蜂窝数不多，系统总容量不会得到提高；即使系统总容量有很大的提高，但局部地区的通信容量并没有增加。

目前，正在使用的UHF卫星通信系统普遍采用BPSK或1/2码率的QPSK调制方式。寻找适用于UHF频段的多进制高效传输方式是提高UHF卫星通信系统容量的一个研究方向。

BICM-ID[6]（比特交织编码调制－迭代译码）把编码器的输出与一组独立的比特交织器连接起来，采用迭代译码，是一种带宽有效的编码技术，非常适用于移动衰落信道下的多进制调制。文献[6]、[7]对BICM-ID作出了详细的论述。

典型的BICM-ID框图如图1所示。

UHF卫星通信信道受到瑞利衰落、电离层闪烁、地面人为干扰等影响。BICM-ID能有效地抵制这些影响，提供可靠、高效的传输。

采用多进制BICM-ID方案，如码率为2/3的8PSK BICM-ID，可以有效地提高UHF卫星通信系统各可用信道的信息传输速率，从而提高UHF卫星通信系统的总容量。这种方案不拘泥于卫星覆盖面积的大小；而且，各局部地区的容量都得到相应的增加。

5　结束语

当前，UHF卫星通信以其特有的诸多优点广泛应用于各国军方，如UFO系统。如何提高系统容量是未来UHF卫星通信发展的热点问题，如MUOS计划。本文提出了以多进制BICM-ID提高UHF卫星通信系统各可用信道的信息传输速率，从而提高UHF卫星通信系统总容量的方案。这种方案十分适用于我国。

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