空中信息高速公路-Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

文｜劉征遠(yuǎn)

空中信息高速公路-Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

文｜劉征遠(yuǎn)

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及其技術(shù)特點(diǎn)

Ka波段衛(wèi)星通信特別適合寬帶數(shù)字傳輸、高速衛(wèi)星通信等需求。隨著高頻元器件及工藝等問(wèn)題的解決和大量衛(wèi)星通信新技術(shù)的應(yīng)用，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信現(xiàn)已走進(jìn)了成熟的實(shí)用化階段，在全球商業(yè)應(yīng)用尤其是在北美地區(qū)HDTV傳輸?shù)确矫嫒〉昧丝捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述

1，通信頻率范圍。Ka波段頻率范圍為17~31GHz。位于國(guó)際衛(wèi)星通信第三區(qū)的我國(guó)其可用Ka波段劃分為：衛(wèi)星上行頻率27.5~31GHz，下行17.7~21.2GHz；總帶寬3.5GHz。

2，通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道。在3.6萬(wàn)公里同步軌道及小于5千公里低軌位置都有Ka波段通信衛(wèi)星運(yùn)行著，如法國(guó)Ka-Sat寬帶通信衛(wèi)星和“銥星”系統(tǒng)星間鏈路Ka波段通信系統(tǒng)。

3，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)。1）寬帶高速。總帶寬達(dá)到3.5GHz，而C、Ku波段則只有500~1000MHz的帶寬。ViaSat-1全Ka波段衛(wèi)星通信總?cè)萘窟_(dá)到了140Gbps，為Ku波段衛(wèi)星容量的100倍以上。

2）抗干擾性能優(yōu)越。由于現(xiàn)在所知道的各種干擾源其頻率都遠(yuǎn)離Ka波段，所以不可能對(duì)Ka波段衛(wèi)星通信造成任何干擾。

3）天線口徑小。Ka波段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器使用蜂窩狀多點(diǎn)波束具有較高的EIRP值；通信頻率高在使用相同尺寸天線接收時(shí)能獲得比C、Ku波段更高的天線增益。這些特性使Ka波段天線尺寸可以做得很小。

4）遠(yuǎn)端設(shè)備小巧。遠(yuǎn)端設(shè)備體積小重量輕甚至一人即可攜帶使用，非常適合新聞?dòng)浾咴诟鞣N應(yīng)急情況下外出采訪時(shí)使用。

5）安裝開(kāi)通方便快捷。設(shè)備開(kāi)通對(duì)外部安裝環(huán)境要求低，天線架設(shè)占地很小，安裝開(kāi)通十分方便快捷。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

1，采用高階調(diào)制技術(shù)。QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高階調(diào)制方式在Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。高階調(diào)制可有效提高帶寬利用率，獲得較高的通信速率。如8PSK比QPSK可提高33%帶寬利用率。

2，DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。DVB-S2較之DVB-S可減少30~40%的衛(wèi)星資源占用。如10Mbps速率時(shí)DVB-S2占用4.6MHz帶寬，DVB-S則占用8.4MHz帶寬，二者相差45%。

3，通信衛(wèi)星采用多波束蜂窩狀覆蓋天線。這是相對(duì)C、Ku波段使用賦形單波束覆蓋天線一個(gè)顯著技術(shù)特點(diǎn)。采用多波束頻譜利用率高，可有效提高衛(wèi)星的EIRP、G/T值和系統(tǒng)容量等。

4，星上使用功率動(dòng)態(tài)分配器。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況可向業(yè)務(wù)繁忙的點(diǎn)波束或有雨衰區(qū)域的點(diǎn)波束發(fā)送較大功率。

5，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器或處理轉(zhuǎn)發(fā)器。現(xiàn)在大多數(shù)Ka波段通信衛(wèi)星使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，近年來(lái)出現(xiàn)了少量采用比較復(fù)雜的帶交換處理功能的轉(zhuǎn)發(fā)器。帶有ATM處理器的轉(zhuǎn)發(fā)器為有多種業(yè)務(wù)接入需求的用戶(hù)帶來(lái)了方便。

6，高效實(shí)用的抗雨衰技術(shù)。雨衰對(duì)10GHz以下頻率無(wú)線信號(hào)的衰減相對(duì)較小，而對(duì)Ka波段無(wú)線信號(hào)的衰減則比較大。為解決困擾Ka波段衛(wèi)星通信的雨衰問(wèn)題，采用了上行功率控制技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、分集接收技術(shù)、多波束功率控制技術(shù)等來(lái)減少雨衰的影響。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，其中幾種技術(shù)手段用的最為普遍，效果比較理想。

1）上行功率控制技術(shù)AUPC。

衛(wèi)星通信主站為應(yīng)對(duì)雨衰對(duì)信號(hào)的衰減，在主站設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留有一定的上行功率冗余，當(dāng)降雨時(shí)對(duì)上行鏈路信號(hào)衰減進(jìn)行估算，依此相應(yīng)的增加發(fā)射功率，使衛(wèi)星接收電平保持在一定范圍內(nèi)。實(shí)際工作中主站還實(shí)時(shí)接收VAST小站回傳的C/N報(bào)告信息，并根據(jù)它自動(dòng)控制小站上變頻功放功率的動(dòng)態(tài)增加或減少。

2）自適應(yīng)技術(shù)。

(1) ACM-自適應(yīng)編碼和調(diào)制。自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)僅對(duì)正在遭受雨衰的VSAT小站而不針對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行編碼和調(diào)制的自動(dòng)調(diào)整。在出現(xiàn)陰天或降雨時(shí)，根據(jù)小站C/N報(bào)告，動(dòng)態(tài)分配VSAT小站采用更可靠的調(diào)制和編碼模式。例如從晴天的16APSK 9/10降到陰天的8PSK 5/6或雨天的QPSK 1/2，降雨結(jié)束后自動(dòng)返回到晴天帶寬效率最高的調(diào)制和編碼模式。

(2) VCM-可變編碼和調(diào)制。VCM是一種人為改變編碼和調(diào)制的方式。主要在單向接收模式下因?yàn)闆](méi)有衛(wèi)星回傳的測(cè)試信息，ACM功能無(wú)法使用；以及一些需要固定編碼和調(diào)制的業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)使用。衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱波動(dòng)變化時(shí)可結(jié)合天線尺寸人工設(shè)定編碼和調(diào)制。

（3) DLA-動(dòng)態(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)。DLA技術(shù)通過(guò)變化的入境鏈路信號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)整調(diào)制和編碼方式，可動(dòng)態(tài)地消除不必要的雨衰冗余。晴天使用帶寬效率最高的符號(hào)速率和編碼，下雨時(shí)自動(dòng)改成較低的編碼率FEC和自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到較低符號(hào)速率的載波。它能降低小站上行20%，入境18%的帶寬資源。

著名的衛(wèi)星通信設(shè)備提供商以色列吉來(lái)特公司實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在采用自適應(yīng)上行鏈路功率控制、自適應(yīng)編碼和調(diào)制、動(dòng)態(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)后，即使在有雨衰情況下，這些功能結(jié)合在一起仍可以保證最高系統(tǒng)可用度，最大的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)23dB。

2011年10月20日,美國(guó)衛(wèi)訊公司全球通信容量最大的ViaSat-1全Ka波段通信衛(wèi)星發(fā)射成功，今年1月16日開(kāi)通了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入等商業(yè)服務(wù)。ViaSat-1以其140Gbps通信總?cè)萘恳I(lǐng)衛(wèi)星通信進(jìn)入了全新的高速寬帶多媒體時(shí)代，改變了人們對(duì)寬帶衛(wèi)星服務(wù)經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量欠佳的認(rèn)識(shí)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力大增。ViaSat-1猶如空中信息高速公路,在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)可滿足高速數(shù)據(jù)通信、高清電視HDTV傳輸、直接入戶(hù)DTH、衛(wèi)星新聞采集SNG、VAST、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入等帶寬密集型業(yè)務(wù)高速增長(zhǎng)的需求。因C、Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源的限制，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信以其優(yōu)勢(shì)正成為各國(guó)高清電視、寬帶多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)鹊氖走x。許多國(guó)家已開(kāi)通或正計(jì)劃開(kāi)通Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信在全球正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢(shì)。

迅猛發(fā)展的Ka波段寬帶衛(wèi)星通信

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)后期就開(kāi)始了Ka波段衛(wèi)星通信的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。后衛(wèi)星通信因受到地面光纖系統(tǒng)的沖擊，一段時(shí)期內(nèi)發(fā)展十分緩慢。近年來(lái)由于大量衛(wèi)星通信新技術(shù)的相繼采用，高頻元器件難題的攻克以及雨衰問(wèn)題等的較好解決，使得寬帶衛(wèi)星通信得到了迅猛發(fā)展，尤其是最近兩年多來(lái)隨著超大容量高速寬帶Ka波段通信衛(wèi)星的相繼發(fā)射升空，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展迎來(lái)了春天。

美國(guó)是世界上Ka波段衛(wèi)星通信商用化最早的國(guó)家之一，它也是全球發(fā)射Ka波段通信衛(wèi)星最多的國(guó)家。美國(guó)Ka波段寬帶衛(wèi)星通信在高清電視HDTV、互聯(lián)網(wǎng)接入、寬帶多媒體通信、直接入戶(hù)等應(yīng)用方面取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。WildBlue-1、Spaceway-3、ViaSat-1等是美國(guó)在用的全Ka波段寬帶通信衛(wèi)星，相對(duì)Spaceway-3 的10Gbps通信總?cè)萘?，今年開(kāi)通的ViaSat-1達(dá)到了史無(wú)前例的140Gbps，它覆蓋北美和夏威夷等地區(qū)，可為數(shù)百萬(wàn)的用戶(hù)提供各種寬帶通信服務(wù)。在更高EHF頻段美國(guó)也早已進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，尤其是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域。

加拿大是另一個(gè)Ka波段寬帶衛(wèi)星通信商業(yè)化應(yīng)用較早和成功的國(guó)家，它使用搭載有Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的Anik-F2、Anik-F3等通信衛(wèi)星為北美地區(qū)用戶(hù)提供HDTV、互聯(lián)網(wǎng)接入、邊遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)程醫(yī)療及教育等服務(wù)。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信在歐洲的商業(yè)應(yīng)用情況較北美地區(qū)存在差距，但EUTELSAT公司于2010年12月27日發(fā)射的Ka-Sat全Ka波段通信衛(wèi)星則使歐洲一步跨入了全球Ka寬帶衛(wèi)星通信的先進(jìn)行列。Ka-Sat其70Gbps通信總?cè)萘渴钱?dāng)時(shí)全球容量最大的通信衛(wèi)星，它可為超過(guò)100萬(wàn)歐洲及大部分地中海盆地家庭用戶(hù)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)。Ka-Sat衛(wèi)星可提供最大上、下載流量分別為20Mbps和50Mbps的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。

日本上世紀(jì)70年代就開(kāi)始了Ka波段通信衛(wèi)星的研制試驗(yàn)，SuperBird等通信衛(wèi)星現(xiàn)可提供Ka波段衛(wèi)星通信國(guó)內(nèi)服務(wù)，但日本始終沒(méi)有形成有規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。以色列是亞洲及全球Ka波段衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，Gilat公司將為澳大利亞建設(shè)NBN多點(diǎn)波束Ka寬帶衛(wèi)星項(xiàng)目，使用IPSTAR的多點(diǎn)波束Ka/Ku波段衛(wèi)星。韓國(guó)、印度、沙特、阿聯(lián)酋、俄羅斯等許多國(guó)家都已進(jìn)行或計(jì)劃進(jìn)行Ka波段衛(wèi)星通信應(yīng)用或試驗(yàn)。

Ka波段衛(wèi)星通信在我國(guó)已完成了星載處理交換機(jī)和Ka波段多波束天線等關(guān)鍵設(shè)備的研制工作，2008年10月30日發(fā)射的我國(guó)制造的委內(nèi)瑞拉一號(hào)通信衛(wèi)星除搭載C、Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器外，還搭載了2個(gè)Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器。我國(guó)已向國(guó)際電信聯(lián)盟ITU申請(qǐng)Ka波段通信衛(wèi)星軌道位置。國(guó)內(nèi)一些單位如中央電視臺(tái)已開(kāi)展了Ka波段SNG業(yè)務(wù)，新華社也在巴黎分社進(jìn)行了Ka波段衛(wèi)星通信的應(yīng)用試驗(yàn)。在軍事通信一些方面Ka波段衛(wèi)星通信我軍已有所應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)我國(guó)處在Ka波段寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用的初級(jí)階段，隨著寬帶多媒體業(yè)務(wù)傳輸需求的高速增長(zhǎng)，我國(guó)將很快進(jìn)入Ka波段寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用的快速增長(zhǎng)期。

前景光明的Ka波段寬帶衛(wèi)星通信

寬帶通信衛(wèi)星正引領(lǐng)著衛(wèi)星通信的重大變革，而多業(yè)務(wù)覆蓋的寬帶高效率智能的衛(wèi)星通信平臺(tái)是衛(wèi)星通信總的發(fā)展趨勢(shì)，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信則代表了這種發(fā)展趨勢(shì)。2015年Ka波段寬帶通信衛(wèi)星將覆蓋全球，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信有著光明的發(fā)展前景。

根據(jù)掌握的資料得知，近幾年內(nèi)全球?qū)⒂卸囝w全Ka波段通信衛(wèi)星發(fā)射升空。今年計(jì)劃發(fā)射的有：英國(guó)Avanti公司的Hylas-2及休斯網(wǎng)絡(luò)公司的Jupiter通信衛(wèi)星，它們都是同步衛(wèi)星，其中Jupiter通信總?cè)萘吭?00Gbps以上。明、后年計(jì)劃發(fā)射的有：Inmarsat公司的Inmarsat-5 F1/F2/F3三顆低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星。今年還有O3b公司的多顆O3b中軌通信衛(wèi)星計(jì)劃發(fā)射。如此密集的發(fā)射計(jì)劃預(yù)示著Ka衛(wèi)星通信在全球已進(jìn)入高速增長(zhǎng)期。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信現(xiàn)主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的高清電視HDTV傳輸、寬帶數(shù)字通信等方面，隨著多顆不同軌道Ka波段通信衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射升空以及各種大帶寬新業(yè)務(wù)需求的出現(xiàn)，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信必將在這些新領(lǐng)域得到應(yīng)用：

1，3D電視信號(hào)傳輸。據(jù)報(bào)道，今年夏季倫敦奧運(yùn)會(huì)上將有超過(guò)200小時(shí)的開(kāi)閉幕式、比賽項(xiàng)目等進(jìn)行3D電視轉(zhuǎn)播，利用寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸將是最佳選擇。國(guó)內(nèi)CCTV等六家電視臺(tái)已在2012年1月1日開(kāi)辦了3D電視試驗(yàn)頻道，廣電總局提出了十二五末期將開(kāi)通10個(gè)3D頻道的發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)現(xiàn)階段HDTV、標(biāo)清等電視信號(hào)是利用C、Ku波段通信衛(wèi)星進(jìn)行傳輸?shù)模鳦、Ku波段資源已難以滿足3D電視信號(hào)的大量上星傳輸，而擁有更大帶寬資源的Ka通信衛(wèi)星將是不錯(cuò)的選擇。

2，Ka波段衛(wèi)星移動(dòng)通信。在低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信方面，隨著近幾年Inmarsat-5 F1/F2/F3衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射升空，Ka波段衛(wèi)星移動(dòng)通信將得到廣泛應(yīng)用。在FSS衛(wèi)星頻段上，美國(guó)衛(wèi)訊ViaSat公司推出了使用30厘米以下小型天線的ArcLight衛(wèi)星移動(dòng)寬帶系統(tǒng)，它是迄今全球技術(shù)領(lǐng)先唯一獲準(zhǔn)在FSS中使用的Ka波段衛(wèi)星移動(dòng)寬帶系統(tǒng)。

3，空中Ka寬帶WI-FI。在民航班機(jī)上配備Ka波段機(jī)載雙向衛(wèi)星通信設(shè)備，通過(guò)ViaSat-1號(hào)通信衛(wèi)星為乘客提供空中電視和機(jī)上WI-FI寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等服務(wù)。據(jù)報(bào)道美國(guó)聯(lián)合大陸及捷藍(lán)航空公司就有370多架客機(jī)擁有這種服務(wù)。我國(guó)國(guó)航正在嘗試這種服務(wù)，但還沒(méi)有做到真正意義上的空中Ka寬帶WI-FI。

4，其它應(yīng)用。衛(wèi)星應(yīng)急通信、海事移動(dòng)通信、突發(fā)事件新聞報(bào)道、地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)容災(zāi)備份等都可以成為Ka波段寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用的新領(lǐng)域。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，衛(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)步及全球多媒體業(yè)務(wù)傳輸需求的高速增長(zhǎng)促進(jìn)了寬帶衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展，全球?qū)拵l(wèi)星通信正從C/Ku波段透明轉(zhuǎn)發(fā)器賦形波束通信系統(tǒng)向Ku/Ka及全Ka波段透明或處理轉(zhuǎn)發(fā)器蜂窩狀多點(diǎn)波束通信系統(tǒng)發(fā)展。固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)FSS、廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)BSS及移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)MSS之間的界限已不再那么清晰，衛(wèi)星通信也不再是獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，它與地面各種通信信息網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系更加緊密，出現(xiàn)了天地一體相互融合的趨勢(shì)。如今衛(wèi)星通信系統(tǒng)已是全球信息化網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的重要組成部分，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為空中信息高速公路有著廣闊的發(fā)展前景。

新華社技術(shù)局）