摘要：WIFI技术对解决便携站终端接入方式单一性具有很大的吸引力，文章提出了一种应用WIFI技术的卫星通信终端实现方案。该方案中卫星通信终端由WIFI单元、调制解调单元和IP接入单元组成，并应用了小型化调制解调、TCP/IP加速和LDPC纠错编码等技术，具有业务接入方式灵活、带宽利用率高、通信频率可变、传输速率可变等特点，有效地提高了了地震、水灾等应急情况下卫星通信时的灵活接入问题。
关键词：TCP改进；调制解调小型化；LDPC；接入控制
引言
卫星通信具有不受地理条件限制、远距离通信成本低、覆盖范围比一般无线通信方式大的特点，可以解决地震、水灾等自然灾难发生后，地面通信遭到严重破坏后的紧急通信保障任务。便携式卫星通信地面站具有移动灵活，架设快速的特点，非常适应应急通信需求。但是以往便携站业务接入方式大多采用有线接入方式，接入方式单一，无法满足应急现场灵活、多变的要求。WIFI具有信道稳定、带宽较宽的特点，通常被用来为用户提供最后一段距离的无线IP接入工作。利用WIFI技术可以很好解决卫星便携站的接入方式单一问题。本文提出的基于WIFI接入方式的便携式卫星通信终端解决方案，内部包含调制解调单元、WIFI接入单元、IP处理单元等模块，实现了视频、话音等多类型业务的WIFI接入，并对IP数据传输方式进行了适应性改造，提升了卫星信道中的IP数据传输效率。
1终端设计方案
1.1终端组成原理基于WIFI的卫星通信终端利用WIFI接入单元建立了WIFI接入热点，为视频、电话等业务提供WIFI接入通道，实现了视频、电话等业务WIFI接入，并利用内部的调制解调器建立与后方的卫星信道。该终端实现了现场与后方的双向通信，其原理如图1所示：与后方指挥中心建立的卫星信道实现现场与后方指挥中心之间的双向通信，其实现原理如图1所示。1.2终端内部的设计基于WIFI的卫星通信终端内部包括调制解调单元、IP接入单元、WIFI单元，其中调制解调单元完成信号的调制解调功能；IP接入单元完成IP信号的加速、路由等功能；WIFI单元完成构成WIFI热点实现无线终端接入的功能。（1）调制解调单元。调制解调单元主要完成数据的调制和解调工作，从功能分为信道纠错、数字调制、数字解调、中频收发组合等模块，在设计上将采用了中频带通采样技术，在保证设计指标的前提下，降低了电路尺寸和功耗。信道纠错主要实现数据的纠错编码和纠错译码，本终端采用的LDPC纠错码技术具有纠错能力强，译码延时小、译码器简单的特点。数字调制技术，将DA转换的频率提升至800MHz，并将成型滤波、数字重采样、调制映射、上变频等功能都在FPGA中通过数字实现，提高了电路可靠性，降低了电路实现的难度。数字解调主要在FPGA中实现了数字下变频、定时恢复、载波恢复等功能，完成调制后信号的相干解调功能。中频收发组合主要用于调制信号的上变频以及下变频处理工作，为保证模块可靠工作还增加了功率控制及AGC等功能。（2）IP接入单元。由于卫星通信中存在的长延时、高误码率的特点，导致IP数据传输存在传输效率低的问题。IP接入单元实现了IP数据的汇聚，接口转换以及IP协议改造等功能，保证IP数据在卫星通信系统中高效传输。IP接入单元采用内部集成ARM核的FPGA实现，IP加速、接口转换等功能，并采用88E6083扩展出8个10/100MLAN接口，满足多种业务数据的汇接功能。
2关键技术
2.1高集成度调制解调技术小型化、高集成度始终是硬件电路实现的目标。为提高调制解调技术的基成度，本终端设计方案中将DA输出频率提升至800MHz，AD频率提升至390MHz，提升了调制解调方案的数字化水平。在调制端在原数字基带调制包含的数据内插、映射等模块的基础上，增加了数字上变频模块，在数字阶段实现了上变频功能。在解调端，对AD采样后的中频数据，增加了数字下变频、CIC滤波等数字化处理模块，解决了中频至基带的转换问题，并降低了采样速率，为后期的数字解调创造了条件，并在数字基带解调的配合下完成了解调功能。2.2TCP/IP加速技术卫星通信系统中存在的传输延迟大、误码率高等特点，造成了TCP/IP数据流传输效率很低的现象。为实现TCP/IP数据的高效传输，本终端对TCP/IP协议进行了分段处理提高了数据流的传输效率。TCP/IP加速技术将传输过程分为两个阶段来实现，第一阶段是TCP客户端到TCP改进模块，第二阶段段是TCP改进模块到TCP服务器。通过这种分段，使得TCP客户端认为正在和地面网络上一台主机进行数据通信，不会出现由于等不到回复，数据源不停重发的现象，提高了信道的传输效率。TCP/IP加速技术的实现过程包括网络截包、TCP连接建立、TCP数据传输、TCP连接拆除、TCP连接信息表管理、协议欺骗、重传处理、带宽调整、遮挡检测、网络数据包打包发送、配置管理等处理过程，其功能构成如图2所示。2.3LDPC技纠错码技术LDPC纠错码采用准循环(quasi-cyclic,QC)LDPC码，该LDPC码具有以下特点：（1）描述简单，特别适合于硬件实现；（2）编码可采用移位寄存器电路快速实现；（3）ErrorFloor低，无需再和它其编码级联使用。LDPC由编码器和解码器构成。编码器由输入缓存器、编码模块、输出缓存器组成，工作原理如图3所示。译码器采用最小和算法，性能与和积算法相近，并具有结构简单，无需信噪比估计的特点，译码器原理结构如图4所示。LDPC译码模块根据码率/码长等控制信息，读取信道数据。译码模块译码后，把数据写入RAM中，并在成功译码一帧后，指示接口模块开始输出，并在接口响应后，开始译码下一帧数据。
3测试结果
基于WIFI的卫星通信终端设计完成后分别进行了WIFI覆盖范围测试、误码性能测试和TCP传输效率测试。经测试终端达到的性能如下：采用小米手机可以实现50米内WIFI覆盖。在1/2LDPC编码条件下，译码迭代20次时，不同码长的误码率曲线如图5所示。4结语本文设计的基于WIFI的卫星通信终端，实现了最高信息速率2Mbps的高效TCP/IP卫星通信，可以在地震、水灾等突发灾害发生时发挥巨大作用，具备良好的市场推广价值。
参考文献：
[1]马刈非.卫星通信网络技术[M].北京:国防工业出版社,2003:75-87.
[2]徐宇杰.TCP/IP协议深入分析[M].北京:清华大学出版社,2009:47-53.
[3]张亚生.卫星TCP加速技术研究[J].无线电通信技术,2010,36(05):29-31.
[4]王秉钧.卫星通信系统[M].北京:机械工业出版社,2004:140-164.
中国农业论文[5]杨小牛,楼才义,等.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001:115-121.
作者：李鑫 范巨升 单位：中国电子科技集团公司第54研究所
