高階調(diào)制技術(shù)在移動(dòng)基站衛(wèi)星中繼電騾的測(cè)試和應(yīng)用

+ 陳玥 中國電信集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)部

高階調(diào)制技術(shù)在移動(dòng)基站衛(wèi)星中繼電騾的測(cè)試和應(yīng)用

+ 陳玥 中國電信集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)部

高階調(diào)制技術(shù)在衛(wèi)星通信中具有廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等也提出了一定的要求。本文介紹了電信運(yùn)營商在應(yīng)急通信車采用高階調(diào)制技術(shù)開通衛(wèi)星中繼的試驗(yàn)，驗(yàn)證高階調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)有設(shè)備上的可用性，實(shí)現(xiàn)了在保證用戶感知和業(yè)務(wù)效果的情況下，可有效降低衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器占用帶寬，并予以全網(wǎng)推廣應(yīng)用。

高階調(diào)制；衛(wèi)星通信；應(yīng)急通信

圖3-1：網(wǎng)絡(luò)示意圖

1 引言

衛(wèi)星通信具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，具有不受地域限制和時(shí)間限制，通信成本不受傳輸距離影響等優(yōu)點(diǎn)，電信運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)使用衛(wèi)星通信手段進(jìn)行應(yīng)急通信保障。在實(shí)際運(yùn)營中，衛(wèi)星應(yīng)用成本比較高，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的費(fèi)用達(dá)到25萬人民幣/MHz每年，在低業(yè)務(wù)需求的情況下嚴(yán)重制約實(shí)際需求的釋放。

某電信運(yùn)營商的移動(dòng)網(wǎng)基站傳輸部分仍基于現(xiàn)有的TDM承載網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的，衛(wèi)星中繼與地面?zhèn)鬏斠粯?，也選用TDM傳輸模式，其最小傳輸單位為2M，然而在某些應(yīng)急通信保障中實(shí)際業(yè)務(wù)量較小，若仍采用2M傳輸鏈路的話，衛(wèi)星占用帶寬可能遠(yuǎn)大于實(shí)際需求，從經(jīng)濟(jì)角度來講，存在資源浪費(fèi)問題。

衛(wèi)星帶寬壓縮技術(shù)可以有效解決衛(wèi)星應(yīng)用成本過高的問題，有多種衛(wèi)星帶寬技術(shù)，其中高階調(diào)制技術(shù)是一種成熟技術(shù)，目前主流衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器均支持8PSK、8QAM、16QAM等調(diào)制技術(shù)。

為在有限的衛(wèi)星帶寬資源上更好為應(yīng)急通信服務(wù)，提升應(yīng)急情況下應(yīng)急衛(wèi)星設(shè)備的能力及效率，某電信運(yùn)營商對(duì)使用頻次最高的應(yīng)急移動(dòng)通信車衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器設(shè)備和移動(dòng)主設(shè)備開展研究，采用高階調(diào)制技術(shù)，降低轉(zhuǎn)發(fā)器使用帶寬。并結(jié)合各地的情況，開展測(cè)試。

2 高階調(diào)制技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

2.1.1 調(diào)制和調(diào)制階數(shù)

數(shù)字信道的信道容量可以依據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則計(jì)算。奈奎斯特準(zhǔn)則指出：帶寬為BHz的信道，所能傳送的信號(hào)的最高碼元速率（即調(diào)制速率）為2B波特。因此，數(shù)字信道容量C可表示為C=2Blog2M（bit/s）

其中，M為碼元符號(hào)所能取的離散值個(gè)數(shù)，即指M進(jìn)制，也稱為調(diào)制階數(shù)。所以在C（信道容量）一定的情況下，提高M(jìn)的取值，就可以減少B（帶寬）的數(shù)量，也就起到了節(jié)約帶寬的目的。其中衛(wèi)星通信中常用的調(diào)制方式包括：BPSK、QPSK、8PSK、16QAM。其中目前某電信運(yùn)營商衛(wèi)星通信中普遍使用的調(diào)制方式為QPSK。BPSK的M值為1，QPSK的M值為2，8PSK的M值為4，16QAM的M值為8。

2.1.2 前向糾錯(cuò)編碼（FEC）

前向糾錯(cuò)編碼（Forward Error Correction簡(jiǎn)稱FEC）是增加數(shù)據(jù)通訊可信度的方法。在單向通訊信道中，一旦錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)，其接收器將無權(quán)再請(qǐng)求傳輸。FEC是利用數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸冗長(zhǎng)信息的方法，當(dāng)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，將允許接收器再建數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送端的編碼器首先對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成一些冗余校驗(yàn)比特，發(fā)送的信號(hào)中包括信息比特和校驗(yàn)比特，在接收端，重新根據(jù)信息比特計(jì)算出冗余比特，并與收到的冗余比特相比較。二者不一致時(shí)，接收端使用接收到的冗余比特的值重新生成信息比特組。

前向糾錯(cuò)編碼包括維特比編碼（Viterbi）、序列編碼（Sequential ）、所羅門編碼（Reed-Solomon）、Turbo 乘積碼（Turbo Product Coding -TPC）和低密度校驗(yàn)碼（Low-Density Parity-Check Codes -LDPC)等。目前某電信運(yùn)營商衛(wèi)星通信常用的糾錯(cuò)編碼主要為Turbo 乘積碼。

前向糾錯(cuò)的碼率是指碼流中有用編碼與全部編碼的比例，以7/8碼率為例，是指在一個(gè)碼流中，只有7/8的內(nèi)容是有用的，另外1/8的內(nèi)容是用于保護(hù)數(shù)據(jù)流不變異的糾錯(cuò)碼。前向糾錯(cuò)碼碼率越低，則糾錯(cuò)碼占據(jù)的比例越高；同樣功率時(shí)，對(duì)解碼的門限要求越低，要求天線口徑越小，接收越容易；前向糾錯(cuò)碼碼率越高，則糾錯(cuò)碼比例越低，解碼門限值越高，天線口徑要求越大，接收越困難。

Eb/No為每赫茲帶寬內(nèi)，信號(hào)能量與噪聲能量的比值；在相同的調(diào)制方式和FEC速率下，Eb/No越低，相當(dāng)于所需要的載波功率越小，相當(dāng)于需要對(duì)端發(fā)射的功率越低，即糾錯(cuò)性能越好。相當(dāng)于所需要的載波功率越小，相當(dāng)于需要對(duì)端發(fā)射的功率越低，即糾錯(cuò)性能越好。

2.1.3 載波間隔

載波間隔是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上兩個(gè)數(shù)據(jù)載波之間的間隔，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上相鄰的2個(gè)載波會(huì)互相產(chǎn)生一些“干擾”，從頻譜上講，由于載波的頻譜不是理想的“陡降”形狀，而是有“拖尾”，所以拖尾有可能進(jìn)入旁邊的載波，從而對(duì)旁邊載波造成影響，同理，旁邊的載波也會(huì)對(duì)本載波造成影響。載波之間越近，影響越大。載波間隔系數(shù)是用于描述相鄰載波間隔的參數(shù)，在衛(wèi)星通信中取值為1.2至1.4。

2.2 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器理論占用帶寬

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬與編碼的數(shù)據(jù)速率與數(shù)據(jù)速率、前向糾錯(cuò)編碼、調(diào)制階數(shù)和載波間隔系數(shù)有關(guān)。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器占用帶寬的公式如下：

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器占用帶寬（BW）= 數(shù)據(jù)速率/FEC/調(diào)制階數(shù)＊載波間隔系數(shù)

其中： FEC 為前向糾錯(cuò)的碼率調(diào)制階數(shù)：BPSK為1，QPSK為2，8PSK/8QAM為3，16QAM為4載波間隔系數(shù)：1.2到1.4之間

例如：2048kbps數(shù)據(jù)速率，采用TPC ? FEC和QPSK，載波間隔系數(shù)為1.4

則實(shí)際占星帶寬為： 2048 / 0.75 / 2 × 1.4 = 1911.47 (KHz)

由此可見，通過采用不同的調(diào)制階數(shù)的調(diào)制方式，結(jié)合效率更高的前向糾錯(cuò)編碼和采用合理的載波間隔?？梢赃_(dá)到提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬利用率的效果。

3 高階調(diào)制技術(shù)驗(yàn)證測(cè)試

3.1 某電信運(yùn)營商移動(dòng)應(yīng)急車組網(wǎng)

某電信運(yùn)營目前裝備的移動(dòng)應(yīng)急車分為大型和小型車輛，其中小型車輛均采用小型越野車，車內(nèi)只安裝BTS設(shè)備，因此在組網(wǎng)時(shí)，車內(nèi)的BTS 通過SCPC（單路單載波）方式經(jīng)過衛(wèi)星接入衛(wèi)星地面站，應(yīng)通過地面?zhèn)鬏斀尤敫魇≈付ǖ南鄳?yīng)型號(hào)的BSC。

應(yīng)急通信車所載BTS 通過衛(wèi)星電路回傳到衛(wèi)星地面站，再通過地面電路調(diào)度送回本省，應(yīng)急車輛中均配備有衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，其中小型移動(dòng)應(yīng)急通信車，配備CDM625開放衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器。該衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器設(shè)備支持多種調(diào)制方式。

3.2 某電信運(yùn)營商高階調(diào)試測(cè)試

測(cè)試主要針對(duì)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器采用不同的高階調(diào)制與編碼方式（包括8PSK 7/8，16QAM 3/4，16QAM 7/8）時(shí)，測(cè)試衛(wèi)星鏈路指標(biāo)的變化，以及對(duì)移動(dòng)應(yīng)急通信車工作的影響，根據(jù)應(yīng)急通信車目前的設(shè)備能力，在滿足基站正常應(yīng)用的前提下,結(jié)合帶寬壓縮一半,功放余量等綜合考慮，找出最優(yōu)的高階調(diào)制與編碼組合方式。地面衛(wèi)星站現(xiàn)有KU頻段 2.4米和6米天線，測(cè)試對(duì)應(yīng)急車衛(wèi)星鏈路收發(fā)指標(biāo)的影響。

3.2.1 衛(wèi)星設(shè)備配置

在衛(wèi)星地面站開展測(cè)試，地面衛(wèi)星站設(shè)備包括為：CDM625衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器；KU頻段 2.4米天線系統(tǒng)，125W Paradise ODU，Norsat 1009XHB；KU頻段6米天線系統(tǒng)，125W Paradise HPA。使用中衛(wèi)一號(hào)12A轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)急衛(wèi)星頻帶資源 （使用KU頻段2.4米天線）和亞洲五號(hào)K8H衛(wèi)星資源（使用KU頻段 6米天線）。測(cè)試天氣為晴天。

3.2.2 應(yīng)急通信車衛(wèi)星設(shè)備配置

使用小型移動(dòng)應(yīng)急通信車，衛(wèi)星天線口徑為1.35米，CDM625衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器；40瓦功率放大器。

3.3 測(cè)試結(jié)果

（1）不同高階調(diào)制與編碼方式下載波的占用帶寬

?

通過對(duì)各種高階調(diào)制與編碼方式的理論與實(shí)際占用帶寬的分別計(jì)算和測(cè)量，從測(cè)試結(jié)果來看: 若要實(shí)現(xiàn)在2MHZ分配帶寬基礎(chǔ)上壓縮一半帶寬以上，在載波間隔系數(shù)選用1.35的情況下, 就必須采用16QAM的調(diào)制方式才能滿足。

（2）不同高階調(diào)制與編碼方式在基站應(yīng)用中對(duì)應(yīng)急通信車發(fā)射指標(biāo)的要求

?

在滿足應(yīng)急通信車基站無誤碼正常應(yīng)用場(chǎng)景下，小型應(yīng)急通信車調(diào)制與編碼方式隨著QPSK 3/4至16QAM 7/8的改變，發(fā)射功率相應(yīng)從27.3dBm提升至32.7dBm，提高了5.4dB。也就是說，選用的調(diào)制與編碼方式階數(shù)越高，對(duì)衛(wèi)星端站所需的發(fā)射功率要求也越高。目前，某電信運(yùn)營商小型移動(dòng)應(yīng)急通信車統(tǒng)一配備的是飽和功率40W的BUC，移動(dòng)應(yīng)急通信車在不同高階調(diào)制與編碼方式工作時(shí)功放余量均在7dB以上。

（3）不同高階調(diào)制與編碼方式在基站實(shí)際應(yīng)用中對(duì)衛(wèi)星主站發(fā)射指標(biāo)的要求

?

目前衛(wèi)星地面站KU頻段 2.4米與KU頻段6米天線系統(tǒng)均配備的是125W功放，結(jié)合測(cè)試所得數(shù)據(jù)，對(duì)比采用以上不同高階調(diào)制與編碼方式時(shí)，衛(wèi)星地面站KU頻段 2.4米天線系統(tǒng)發(fā)射功率最高僅需35.1dBm（即采用8PSK 7/8），不到4W，因此衛(wèi)星地面站的發(fā)射余量是充裕的。

3.4 測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過測(cè)試，某電信運(yùn)營商發(fā)現(xiàn)采用16QAM 3/4（滾降0.35）, 16QAM 7/8（滾降0.35）高階調(diào)制與編碼方式均可以有效將移動(dòng)應(yīng)急通信車在開通一條雙向衛(wèi)星電路時(shí)的星上占用帶寬壓縮到2MHZ以內(nèi)，滿足帶寬壓縮一半的要求。目前某電信運(yùn)營商使用的小型移動(dòng)應(yīng)急通信車配備的40W BUC能夠滿足在各種高階調(diào)制與編碼方式下的基站正常應(yīng)用, 且衛(wèi)星系統(tǒng)功放在滿足功帶平衡時(shí)的余量在7dB以上。

4 現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用

在衛(wèi)星帶寬壓縮技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，某電信運(yùn)營商在2013年組織全網(wǎng)實(shí)施，所有應(yīng)急衛(wèi)星資源都采用衛(wèi)星帶寬壓縮技術(shù)。在2013年4月20日，四川雅安地區(qū)發(fā)生七級(jí)地震，給當(dāng)?shù)卦斐芍卮笕藛T財(cái)產(chǎn)損失。衛(wèi)星地面站在某電信運(yùn)營商的指揮下，充分利用衛(wèi)星帶寬壓縮新技術(shù)為災(zāi)區(qū)提供通信保障，為災(zāi)區(qū)盡可能地多開一些衛(wèi)星救災(zāi)通道，利用28兆衛(wèi)星帶寬提供了10條衛(wèi)星遠(yuǎn)程中繼，共為災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)提供緊急通信保障50次，共計(jì)23200分鐘。地震當(dāng)天的13時(shí)35分，某電信運(yùn)營商四川分公司完成移動(dòng)應(yīng)急通信車站車現(xiàn)場(chǎng)定位，某電信運(yùn)營商地面衛(wèi)星接入主站順利開通到地震災(zāi)區(qū)的首條衛(wèi)星中繼，協(xié)助災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)開通了移動(dòng)基站。21日中午，配合空降的衛(wèi)星基站在通信孤島寶興縣開通一個(gè)應(yīng)急基站，實(shí)現(xiàn)了搶險(xiǎn)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋。

某電信運(yùn)營商衛(wèi)星帶寬壓縮技術(shù)從2013年4月開始試運(yùn)行測(cè)試并隨后正式使用至今，全國共有31省使用多種衛(wèi)星帶寬壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)急基站衛(wèi)星入網(wǎng)，在原有帶寬的基礎(chǔ)上提升了一倍的帶寬利用率，根據(jù)測(cè)算，2013年高階調(diào)制帶寬壓縮技術(shù)共計(jì)使用1745.5小時(shí)，2014年高階調(diào)制帶寬壓縮技術(shù)共計(jì)588.5小時(shí)。

5 結(jié)束語

某電信運(yùn)營商目前在全國應(yīng)急通信保障工作大規(guī)模采用高階調(diào)制技術(shù)，有效降低衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬占用率。高階調(diào)制技術(shù)可以在不改動(dòng)和新增衛(wèi)星設(shè)備的情況下，低成本實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星帶寬壓縮，同時(shí)保障用戶正常業(yè)務(wù)使用。

1斯國新，衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M]，宇航出版社，1993

2曹志剛，錢亞生，現(xiàn)代通信原理[M] ，清華大學(xué)出版社，2012

3黃平，編碼調(diào)制技術(shù)[M]，北京大學(xué)出版社，2012

4劉國梁，衛(wèi)星通信[M]，西安電子科技大學(xué)出版社，2009

5楊毅明，數(shù)字信號(hào)處理[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2012