EHF衛(wèi)星通信的特點與現(xiàn)狀

北京大學信息科學技術(shù)學院衛(wèi)星與無線通信實驗室

苑 超 譚 東 張曉寧 吳建軍

一、引言

隨著衛(wèi)星通信的蓬勃發(fā)展，C波段和Ku波段頻帶資源日趨緊張；與此同時，服務于多媒體業(yè)務以及寬帶業(yè)務的衛(wèi)星通信系統(tǒng)迅速發(fā)展，低頻段資源已經(jīng)不能滿足各種新業(yè)務的要求。鑒于上述原因，衛(wèi)星通信逐漸向高頻段擴展，極高頻EHF（Extremely High Frequency）衛(wèi)星通信已經(jīng)成為了目前衛(wèi)星通信領域的研究熱點。EHF頻段一般指30GHz～300GHz。參考世界組織對頻段的分配、目前電磁波應用的階段以及有關(guān)文獻，通常把18GHz～300GHz通稱為EHF頻段。EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)受益于極高的頻譜，能夠獲得較寬的使用帶寬，主要有以下幾個優(yōu)點：極高的頻率，可以大大減輕現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)軌道和頻譜擁擠的現(xiàn)象；系統(tǒng)容量大，傳輸速率高，特別適合用于發(fā)展多媒體業(yè)務和寬帶業(yè)務；系統(tǒng)天線尺寸小，波束窄，抗干擾能力強，尤其適用于保密性高的軍事通信，如美國的Milstar系統(tǒng)、英國的Skynet系統(tǒng)；電磁波穿透能力強，具有良好的全天候通信能力。雖然EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)有上述優(yōu)點，但相對于C波段和Ku波段衛(wèi)星系統(tǒng)而言存在一個明顯弊端，即通信鏈路受氣象因素尤其是降雨、雪、云、濃霧、沙塵的影響大，這是EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)未來發(fā)展所要面臨的巨大挑戰(zhàn)，必須采用動態(tài)的抗衰減對策。EHF中Ka，Q-V，W頻段更適合用于衛(wèi)星通信，有良好的發(fā)展前景。據(jù)有關(guān)國際組織規(guī)定，20～70GHz中分配給衛(wèi)星通信的頻帶如表1所示。目前成熟的EHF衛(wèi)星系統(tǒng)主要集中在Ka頻段。

表1 EHF頻段中分配給衛(wèi)星通信的頻帶

二、信道傳播特性

衛(wèi)星通信鏈路信號在地球大氣層中傳播時，由于大氣層傳輸特性極不穩(wěn)定，除自由空間傳播損耗外，還存在由雨、雪、霧等天氣因素形成的無線電波吸收、散射等帶來的衰減，電離層帶來的無線電波吸收衰減、閃爍衰落等附加損耗。這些大氣層帶來的額外衰減均會引起信號幅度、相位、極化等變化，從而導致傳輸質(zhì)量的下降。

1. 大氣衰減特性

天氣理想的情況下，即天氣晴朗時，頻率高于20GHz即在EHF頻段內(nèi)大氣損耗主要是由對流層吸收造成。圖1中的(a)和(b)分別表示在95GHz時，根據(jù)不同的相對濕度和海拔高度，信號衰減情況和信號衰減累積情況。從圖中可以看到，衰減主要發(fā)生在對流層的5～6km高度范圍。

圖1 信號的衰減和累積情況

水蒸氣分子的電偶極子和氧分子的磁偶極子具有固定的頻率，當電波頻率與其固有的諧振頻率相同時產(chǎn)生強烈的吸收。水蒸氣分子吸收峰發(fā)生在22GHz和183GHz附近，氧分子吸收峰發(fā)生在60GHz和118GHz附近。在35GHz，94GHz，140GHz，220GHz附近衰減較小，俗稱“大氣窗口”，無論水蒸氣分子還是氧分子，兩者在這些大氣窗口的衰減值都隨著頻率增加而逐漸上升。

2. 降雨衰減特性

降雨衰減是由于雨滴對電波信號的吸收和散射造成的。衰減值與降雨強度、地球站的位置、信號強度、電波極化方式等有關(guān)。降雨會引起信號電平衰落，降低到達接收端的信號電平；降低信號的交叉極化鑒別率；增加系統(tǒng)噪聲溫度，降低接收系統(tǒng)的G/T值，因此，EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)的G/T值就要預留較大的余量。衛(wèi)星通信鏈路頻段越高，降雨帶來的影響越大，在EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)對雨衰的分析尤為重要。

對于EHF頻段，信號傳播路徑中的雪、云、霧等均會使之受到衰減，衰減量與水的含量及溫度有關(guān)，相對降雨衰減要小很多，但是對于低仰角的高緯度地區(qū)和波束區(qū)域邊緣，衰減是不可忽略的。

三、相關(guān)技術(shù)難題

1. 硬件損耗

射頻和基帶部分的硬件性能不理想會對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響，隨著載波頻率的增加尤其是達到EHF頻段，這種影響會急劇惡化，EHF信號之所以遭受嚴重的路損和雨衰與這方面因素是密切相關(guān)的。因此，EHF衛(wèi)星系統(tǒng)硬件的附加損耗相對低頻段衛(wèi)星系統(tǒng)要多，硬件工藝標準也要相對嚴格很多。

有關(guān)文獻提出，天線指向誤差損耗可以表示為載頻fc的函數(shù)

式中，θ為天線指向誤差角度；α為天線半功率（-3dB）波束寬度角度，如圖2所示。

在天線工作效率和口徑確定的情況下，天線增益通常隨著工作頻段升高而變大。但隨著頻率升高波束變窄，天線指向性增強，天線精度對天線增益的影響越來越大。從圖3可以看出，由于指向誤差造成(G/T)S值的下降與θ和載頻的關(guān)系為：當載頻低于15GHz時，(G/T)S和θ是不相關(guān)的；當載頻處于18～30GHz時，(G/T)S下降低于2dB；當載頻處于75～110GHz時，(G/T)S和θ是相關(guān)的。因此在EHF衛(wèi)星系統(tǒng)中，天線精度必須很精確。硬件帶來的諸如此類的損耗在低頻衛(wèi)星系統(tǒng)中不明顯，甚至可以忽略，但由于EHF衛(wèi)星系統(tǒng)頻率高，線路技術(shù)復雜，對元器件制造工藝水平要求高，硬件特別容易對系統(tǒng)性能產(chǎn)生大的影響，必須作為一個問題來研究。

圖2 衛(wèi)星天線角度示意圖

圖3 衛(wèi)星G/T與載頻關(guān)系示意圖

2. 非線性失真

在低頻段衛(wèi)星系統(tǒng)，功率較低，基本為數(shù)瓦至數(shù)十瓦，固態(tài)功率放大器和行波管放大器都可以滿足系統(tǒng)需求；而在EHF衛(wèi)星系統(tǒng)，尤其當功率很大時，則必須使用行波管放大器。為了解決通信鏈路預算約束問題，EHF衛(wèi)星系統(tǒng)的HPA（高功率放大器）應該工作在飽和或者接近飽和狀態(tài)。固態(tài)功率放大器幾乎可以在飽和功率下工作，而行波管放大器在接近于全功率工作時便會發(fā)生信號畸變和交調(diào)干擾，這意味著增加的功率要為非線性信號失真付出代價。HPA呈現(xiàn)非線性調(diào)幅/調(diào)幅以及調(diào)幅/調(diào)頻特性，這些導致功率增益不像在線性放大器中是一個常量，圖4很好地說明了這點，該圖展示了一個為地面站設計的94GHz速調(diào)管放大器的非線性特性。

HPA的非線性特性主要產(chǎn)生以下影響:調(diào)制信號的包絡失真；輸入輸出信號的非均勻相移；射頻信號的頻譜再生會引起相鄰信道干擾；多載波同時在非線性放大器進行放大產(chǎn)生相互調(diào)制。

在EHF衛(wèi)星系統(tǒng)中，非線性失真會降低通信鏈路的性能和容量。MSK和矩形波QPSK等恒包絡調(diào)制方式比較適合衛(wèi)星通信，但是幅頻轉(zhuǎn)換特性會產(chǎn)生嚴重減弱相干解調(diào)的相位抖動。為避免非線性失真，在衛(wèi)星物理層設計中采用的傳統(tǒng)解決方案往往基于大幅度回退放大器輸入功率，使其工作在遠離飽和點的線性放大區(qū)，但是這種解決方法不適合EHF衛(wèi)星系統(tǒng)。圖4中提及的放大器，為使其工作在線性區(qū)域，輸入功率補償IBO需要4dB，OBO需要2dB(IBO為放大器在飽和狀態(tài)工作時平均輸入功率同實際工作狀態(tài)時平均輸入功率的比值，OBO同理)。表2為其他一些工作在EHF頻段中HPA的IBO同OBO的數(shù)值關(guān)系。實際上，OBO導致的信號功率降低會產(chǎn)生額外損耗，而這種損耗會被添加到已經(jīng)受限的鏈路預算中，進一步犧牲功率盡管會保證鏈路性能，但很大程度上會降低鏈路容量，尤其是在高數(shù)據(jù)速率應用時。

圖4 94GHz速調(diào)管放大器的非線性特性

表2 EHF中HPA的IBO同OBO的數(shù)值

功率補償?shù)牧硪环N選擇是放大器的線性化，行波管放大器工作在飽和狀態(tài)以下時，傳統(tǒng)預失真線性化電路可以有效減弱非線性失真效應。根據(jù)對非線性的理論補償，典型預失真線性化電路存在一個缺點，即它工作在飽和或者超過飽和狀態(tài)時會導致振幅急劇降低和很大的相移。為了允許行波管放大器接近飽和狀態(tài)工作，需要設計更加復雜精細的線性化電路，典型辦法就是利用標準預失真線性化電路與限幅器級聯(lián)來實現(xiàn)。在實際應用中，線性化電路增益和相位傳輸特性的改變是行波管放大器線性化的巨大挑戰(zhàn)，因為放大器的增益和相位在不同頻率會發(fā)生變化，這種影響在高頻寬帶信號傳輸時比較明顯，由此產(chǎn)生的增益波動造成一個嚴重問題，它可能降低放大器的線性化和重新引入相互調(diào)制。

EHF衛(wèi)星系統(tǒng)中非線性失真通過功率補償可以彌補或者抵消，但是不能避免。我們能達到的目標就是保持放大器的增益盡可能的高，同時不降低頻譜效率。這僅僅是個折衷，實用的物理層設計方案將在下面進行討論。

四、物理層設計方案

EHF衛(wèi)星系統(tǒng)射頻和基帶部分的設計應該考慮以下因素：傳播損耗、高相位噪聲、HPA引起的非線性失真。每一個因素需要特殊設計方案來彌補，這些方案都要基于高頻譜效率、高功率效率、低復雜度以及有效載荷的體積小、質(zhì)量輕。

1. 克服傳播損耗技術(shù)

EHF衛(wèi)星通信的最大缺點是雨衰大，因此克服傳播損耗以如何降低雨衰影響是主要研究點。

（1）星上采用動態(tài)功率分配管理技術(shù)，根據(jù)天氣變化優(yōu)化每個波束的功率輸出，實現(xiàn)波束之間最優(yōu)功率分配，從而提高星上載荷功率的利用率；同時還可以采用“冗余抗衰”技術(shù)，即通過留出一定比例的功率冗余分配給受雨衰影響的波束，保證該波束覆蓋區(qū)鏈路的暢通，從而保持良好的鏈路可用度；地面站采用自適應功率控制技術(shù)，根據(jù)衛(wèi)星信號強度自適應調(diào)整發(fā)射功率，動態(tài)補償通信鏈路受降雨帶來的衰減。

（2）采用自適應編碼調(diào)制技術(shù)，根據(jù)瞬時信道質(zhì)量狀況實時調(diào)整參數(shù)，選擇滿足傳輸質(zhì)量要求且與信噪比相匹配的最佳調(diào)制編碼方案，使得系統(tǒng)的總體性能得到優(yōu)化。

除上述方案之外，空間分集技術(shù)和高、低雙頻段組合技術(shù)也是目前常用的抗雨衰技術(shù)。

2. 克服非線性失真

非線性失真引起的損耗可以通過兩種典型基帶設計方案來減輕。

（1）選擇合適的調(diào)制方式

傳統(tǒng)QAM星座調(diào)制方式和類似于RSC-QAM的脈沖成形調(diào)制方式，有很高的功率峰均比PAPR，會產(chǎn)生明顯的調(diào)幅/調(diào)幅及調(diào)幅/調(diào)頻失真，相比而言，GMSK等恒包絡調(diào)制方式更為合適。由于GMSK具有快速滾降特性，對于最大程度發(fā)揮HPA性能是很好的選擇?？紤]到GMSK頻譜效率只有1.33b/s/Hz，限制了通信系統(tǒng)的容量，無法適應當今寬帶業(yè)務迅速發(fā)展的新形勢，為了在不浪費頻譜效率的前提下保持調(diào)制信號包絡緊湊，可以采用基于PSWF（橢圓球面波函數(shù)）的非傳統(tǒng)脈沖波形設計方法。

（2）采用預失真技術(shù)

近年來不同的預失真方案被研究應用，其中包括基于“即時評估”的自適應靜態(tài)預失真，以及基于“記憶效應”的自適應動態(tài)預失真。在發(fā)送端采用自適應星座預失真技術(shù)是一種有效減弱非線性失真的方法。預失真意味著有意修改數(shù)據(jù)符號在復平面上的位置，這種技術(shù)只需要修正發(fā)送的星座點，完全不需要依靠模擬設備。這是一種特別直接有效的預失真技術(shù)，尤其是對于APSK這種圓形星座調(diào)制方式。通過這些預失真技術(shù)，HPA能夠很好地在近飽和點工作。

五、發(fā)展現(xiàn)狀

1. 商用系統(tǒng)

目前商用EHF衛(wèi)星系統(tǒng)集中于提供多媒體和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，主要有泰國Shin衛(wèi)星大眾有限公司的IPSTAR系統(tǒng)，日本的WINDS系統(tǒng)，歐洲Eutelsat公司的TooWay系統(tǒng)，英國AVANTI公司的Hylas系統(tǒng)，美國衛(wèi)訊公司的WildBlue系統(tǒng)和ViaSat系統(tǒng)，加拿大電信衛(wèi)星控股公司的TeleSat系統(tǒng)，以及美國休斯網(wǎng)絡公司的HughesNet系統(tǒng)等。

（1）IPSTAR系統(tǒng)是泰國Shin衛(wèi)星公司開發(fā)的完全基于IP技術(shù)的寬帶衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng)。全球組網(wǎng)計劃包括3顆IPSTAR系列衛(wèi)星，其中，IPSTAR-1為亞太區(qū)域波束衛(wèi)星；IPSTAR-2為歐洲、非洲區(qū)域波束衛(wèi)星；IPSTAR-3為美洲區(qū)域波束衛(wèi)星。目前提供服務的IPSTAR系統(tǒng)是基于IPSTAR-1衛(wèi)星的。IPSTAR-1衛(wèi)星由美國Space System Loral公司研制，于北京時間2005年8月11日發(fā)射升空。IPSTAR-1裝有114臺轉(zhuǎn)發(fā)器，提供Ku頻段84個點波束、3個成型波束和7個區(qū)域廣播波束，以及18個Ka頻段關(guān)口站點波束。系統(tǒng)采用了“蜂窩”多點波束等技術(shù)，前向鏈路采用TDM-OFDM技術(shù)，反向鏈路采用MF-TDMA方案，實現(xiàn)了頻譜的有效利用。IPSTAR系統(tǒng)容量高達45Gb/s，可提供包括數(shù)據(jù)、會議電視、互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入、視頻廣播等在內(nèi)的綜合業(yè)務。

（2）WildBlue系統(tǒng)建立在WildBlue-1和Anik-F2基礎上。WildBlue-1是美國WildBlue公司于2006年12月8日發(fā)射的全球第一顆全Ka頻段的多點波束商業(yè)通信衛(wèi)星，具有35個點波束。Anik-F2是加拿大Telesat公司2004年7月17日發(fā)射的全球第一顆Ka頻段雙向高速寬帶通信衛(wèi)星，提供45個點波束，其中30個租借給WildBlue向北美地區(qū)的用戶提供衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)服務。

（3）ViaSat系統(tǒng)由ViaSat-1及SurfBeam-2寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)系統(tǒng)組成。ViaSat-1是美國衛(wèi)訊公司與勞拉空間系統(tǒng)公司聯(lián)合開發(fā)的全Ka頻段大型寬帶通信衛(wèi)星，于2011年10月19日發(fā)射升空，它是迄今為止容量最大的寬帶衛(wèi)星，定位在西經(jīng)115°，覆蓋75%的美國大陸、阿拉斯加、夏威夷和加拿大，為北美地區(qū)提供各種新型的高速寬帶服務。它采用Ka頻段多點波束和頻率復用技術(shù)，最大限度地增加了衛(wèi)星總帶寬；通過利用SurfBeam-2網(wǎng)絡技術(shù)對ViaSat-1和地面系統(tǒng)進行優(yōu)化，將衛(wèi)星的容量提高了10倍以上，達到140Gb/s，是歐洲首顆全Ka波段高容量寬帶衛(wèi)星Ka-Sat總?cè)萘康膬杀?，超過了目前覆蓋北美的雙向Ka，C，Ku頻段的全部容量之和。ViaSat系統(tǒng)提供的傳輸速度高于有線電纜和DSL，零售價格卻等同于現(xiàn)有的寬帶衛(wèi)星服務，該系統(tǒng)的應用是EHF寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的重大飛躍。

此外，其他EHF寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)如表3所示。

2. 軍用系統(tǒng)

EHF頻段頻率高，天線口徑小，可以產(chǎn)生非常窄的波束，而這種窄的波束難以阻塞，適合進行保密性很高的軍事通信。同時由于同波束情況下EHF頻段天線尺寸小，在衛(wèi)星上可以采用具有波束調(diào)零功能的天線和相控陣天線，或者采用點波束來防止干擾，在增強抗干擾、獲得低截獲率方面，EHF頻段具有很大優(yōu)勢。相對SHF和UHF頻段，EHF更加適合軍用衛(wèi)星通信，目前主要的EHF軍用衛(wèi)星系統(tǒng)有英國的Skynet系統(tǒng)、美國的Milstar系統(tǒng)和AEHF系統(tǒng)。

表3 EHF寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)一覽表

AEHF是目前最新的EHF軍用衛(wèi)星系統(tǒng)，屬于美軍第三代軍事星先進極高頻衛(wèi)星系統(tǒng)，計劃由三顆星組成。AEHF-1于2010年8月14日用宇宙神-5運載火箭發(fā)射升空，衛(wèi)星發(fā)射不久因推進系統(tǒng)異常將軌道提升計劃作出修正，2011年10月24日衛(wèi)星完成軌道修正進入預定運行軌道。該衛(wèi)星一共攜帶有14部天線，即1部EHF上行相控陣天線（波束可在用戶之間瞬變），2部SHF下行相控陣天線，2部V頻段（60GHz）星間鏈路天線，1部上/下行收發(fā)共用全球覆蓋喇叭天線，2部上/下行收發(fā)共用調(diào)零天線，6部上/下行裝有平衡架的收發(fā)共用可旋轉(zhuǎn)碟型天線，用于在地面上形成194個覆蓋區(qū)。AEHF采用了XDR數(shù)據(jù)傳輸模式，可以提供數(shù)據(jù)、語音、視頻會議和圖像傳感業(yè)務。

六、結(jié)束語

衛(wèi)星通信網(wǎng)作為地面通信網(wǎng)的重要補充發(fā)揮著不可替代的作用，而頻率資源是衛(wèi)星通信最重要的資源之一，因此，EHF頻段的應用研究對通信領域的發(fā)展起著極大的促進作用。無論在商用還是軍用領域，EHF衛(wèi)星都有極其重要的應用價值。目前Ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)相當成熟，但更高頻段的EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍是一個尚待研究的領域。

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