Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺中便攜站的集成與應(yīng)用模式

趙淑瑤，趙克，施永新

（中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100094）

1 引言

2017年4月12日，中星16號衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，開啟了我國商用Ka寬帶衛(wèi)星的先河。隨著衛(wèi)星的發(fā)射升空，與其相應(yīng)的地面系統(tǒng)與應(yīng)用平臺也逐步完善。Ka寬帶網(wǎng)絡(luò)以其帶寬大、費用低、終端尺寸小等優(yōu)點，在衛(wèi)星通信市場上有著得天獨厚的優(yōu)勢。商用Ka衛(wèi)星的發(fā)射和平臺的建設(shè)引領(lǐng)了Ka終端開發(fā)的熱潮，多種型號的終端都進行了上星測試。其中，便攜站應(yīng)用因其攜帶方便，成本低等特點，成為了各個廠家研發(fā)的重點。

2 Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺

Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺組網(wǎng)方式為星狀網(wǎng)，如圖1所示，衛(wèi)星鏈路前向采用DVB-S2體制，系統(tǒng)采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、上行功率控制和星上ALC技術(shù)；反向采用DVB-RCS體制，使用動態(tài)信道、自適應(yīng)上行功率控制、自動載波抑制等技術(shù)。

全系統(tǒng)使用IP協(xié)議通信，基于IP協(xié)議的HTTP加速、TCP加速、QoS服務(wù)等技術(shù)有效地為用戶提供了接近地面光纖網(wǎng)的用戶體驗。

3 終端入網(wǎng)模式與便攜站種類

3.1 Ka終端組成

典型的Ka終端由Ka天線、收發(fā)信機和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器組成。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器也可與收發(fā)信機集成形成一體化設(shè)備，采用一體化設(shè)備的Ka終端組成更為簡化，由天線和一體化設(shè)備組成。

現(xiàn)有Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺支持的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器分為三種：高級企業(yè)型Modem、小企業(yè)型Modem以及一體化設(shè)備。高級企業(yè)型Modem可以支持最大下行150 Mbit/s上行12 Mbit/s的信息速率，同時可支持SCPC、動中通、二層接入等高級功能。小企業(yè)型Modem和一體化設(shè)備可以支持最大下行40 Mbit/s上行12 Mbit/s的信息速率，可滿足大多數(shù)用戶的帶寬需要。

圖1 Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

高級企業(yè)型Modem和企業(yè)型Modem通過兩根中頻線纜與收發(fā)信機（以下簡稱XCVR）相連接，為XCVR提供直流供電和中頻信號以及控制信號的輸入輸出。一體化設(shè)備在設(shè)備內(nèi)部傳輸直流電、中頻信號和控制信號，外部僅需要一根網(wǎng)線和一個PoE模塊來進行數(shù)據(jù)傳輸和供電。

3.2 Ka終端入網(wǎng)模式

平臺支持兩種入網(wǎng)模式：固定站入網(wǎng)模式與動中通入網(wǎng)模式。

固定站入網(wǎng)模式如圖2所示，只需衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器與XCVR配合完成（一體化設(shè)備獨立完成），所有衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器都支持固定站入網(wǎng)模式。

動中通入網(wǎng)模式如圖3 所示，終端需配置天線控制單元，入網(wǎng)時需衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、天線控制單元（以下簡稱ACU）與XCVR三者通過OpenAmip協(xié)議交互完成。目前只有高級企業(yè)型Modem能夠支持動中通入網(wǎng)模式。

圖2 固定站模式

圖3 動中通入網(wǎng)模式

4 便攜站種類

4.1 手動對星便攜站

手動對星便攜站使用固定站入網(wǎng)模式，將天線各部分組裝好并加電后，進入調(diào)制解調(diào)器控制界面，手動輸入入網(wǎng)參數(shù)，在對星界面完成手動對星，對星完成后等待終端入網(wǎng)。對星過程中，可使用對星輔助工具完成。

手動便攜站結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低、靈活度高、便于攜帶，但對用戶的操作能力要求較高。

4.2 信標自動對星便攜站

信標對星便攜站使用固定站入網(wǎng)模式，將天線各部分組裝好并加電后，進入調(diào)制解調(diào)器控制界面，手動輸入入網(wǎng)參數(shù)，在對星界面完成一鍵信標對星，對星完成后等待終端入網(wǎng)。

信標對星的方式是ACU根據(jù)GPS信息計算方位俯仰角，大體確定掃描范圍，并根據(jù)掃描范圍內(nèi)信標信號強弱變化來鎖定衛(wèi)星。信標對星的方式不需要ACU與衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器交互，設(shè)計復(fù)雜度較低。

信標對星便攜站結(jié)構(gòu)較為簡單，重量較輕，成本較低，操作便捷度較高，對星準確度高，不需要用戶掌握復(fù)雜的手動對星操作能力。

4.3 載波自動對星便攜站

載波對星便攜站使用動中通入網(wǎng)模式，將天線各部分組裝好并加電后，進入調(diào)制解調(diào)器控制界面，手動輸入入網(wǎng)參數(shù)，與ACU建立連接后，在對星界面完成自動對星，對星完成后等待終端入網(wǎng)。

載波對星的方式是ACU根據(jù)GPS信息計算方位俯仰角，大體確定掃描范圍，并根據(jù)掃描范圍內(nèi)業(yè)務(wù)載波的信號強弱來鎖定衛(wèi)星。由于載波對星方式使用動中通入網(wǎng)模式，ACU需要與衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器使用OpenAmip接口進行數(shù)據(jù)交換，確認天線的對星狀態(tài)，設(shè)計復(fù)雜度較高，但對星的準確性高。

載波對星便攜站還支持加電自動對星入網(wǎng)功能。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器在完成首次入網(wǎng)后，再次加電時，調(diào)制解調(diào)器會根據(jù)ACU發(fā)送的當前GPS信息檢索當前所在波束的頻率和極化信息并反饋給ACU，后者根據(jù)頻率和極化信息調(diào)整參數(shù)，重新進行鎖星，鎖定衛(wèi)星后將自動入網(wǎng)。

載波對星便攜站結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，重量較大，成本較高，操作便捷度高，對星準確度高，可實現(xiàn)加電自動對星入網(wǎng)，進一步降低了對用戶操作能力的要求。

三種便攜站的特性對比如表1所示。

5 設(shè)備集成

5.1 收發(fā)信機

5.1.1 收發(fā)信機簡介

Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺應(yīng)用要求集成標準的XCVR（Transceiver，衛(wèi)星收發(fā)信機）。此XCVR包含了饋源、LNB、BUC和本振切換開關(guān)等部件。

XCVR包含兩個本振不同的LNB，支持使用22 K信號切換LNB高低本振。XCVR不支持靈活的極化調(diào)整，需要便攜站集成廠商進行改造，通過物理旋轉(zhuǎn)饋源口或增加電子控制裝置支持左旋和右旋兩種圓極化方式的改變。

收發(fā)信機的接口包括信號輸入端口（RX）和信號發(fā)射端口（TX），通過中頻線纜和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器連接，并由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器供電。

5.1.2 安裝方式

衛(wèi)星收發(fā)信機的安裝方式分為固定支架、饋源口支架、雙反天線面背部等。

固定支架方式指的是直接將XCVR固定于天線的支撐桿上，可以根據(jù)不同需要調(diào)整衛(wèi)星收發(fā)信機饋源口與天線面接收焦點的相對位置，靈活度高。

表1 各種便攜站特性對比

饋源口支架方式指的是部分天線為了滿足輕便易收藏的特性，將XCVR饋源頭位置添加可拆卸支架，與天線支桿相連。

雙反天線面背部安裝指的是部分天線設(shè)計為雙反射面，則天線的信號聚焦點在主反射面正中心，衛(wèi)星收發(fā)信機的饋源口就可以放在主反射面中心，收發(fā)信機與天線集成一體。

5.1.3 極化切換方式

衛(wèi)星收發(fā)信機的極化切換方式可分為手動切換和自動切換兩類。

手動切換方式常用于手動對星便攜站與信標對星便攜站中，可控性強，但由于需要手工操作，容易出現(xiàn)極化旋轉(zhuǎn)不到位的情況，影響信號接收強度。手動切換方式包含旋轉(zhuǎn)饋源和旋轉(zhuǎn)XCVR兩種方式：旋轉(zhuǎn)饋源的方式多用于單反射面天線；旋轉(zhuǎn)XCVR的方式多用于雙反射面天線。旋轉(zhuǎn)XCVR的方式如果操作不當，容易造成線纜和饋源構(gòu)件的損壞。

自動切換方式常用于載波對星便攜站中，切換精度高，且其切換動作是根據(jù)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器所發(fā)信息自動完成，不需人工操作。自動切換由天線控制器控制電機完成，電機可選用步進電機或程控電機。

5.1.4 本振切換方式

衛(wèi)星收發(fā)信機的本振切換可由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器或者天線控制器的22 K控制信號來完成。在固定站入網(wǎng)模式下，22 K信號由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器根據(jù)填寫的入網(wǎng)參數(shù)手動選擇發(fā)出。在動中通入網(wǎng)模式下，22 K信號由天線控制器判別后發(fā)出。

5.2 衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的集成

一體化設(shè)備支持內(nèi)部LNB本振和極化的更改，都通過一體化設(shè)備控制界面的參數(shù)進行配置。一體化設(shè)備支持一個RJ45網(wǎng)線接口。

小企業(yè)型Modem和高級企業(yè)型Modem支持收發(fā)中頻F頭接口，支持RJ45網(wǎng)線接口，可提供22 K信號和13/18 V信號，可提供10 M參考源。高級企業(yè)型Modem還支持OpenAmip協(xié)議。

在很多應(yīng)用場景下，便攜站需要人工背負攜帶，對便攜站的體積和輕便程度要求較高。因此可以選擇不將衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器集成到天線中，使用時用中頻線連接XCVR和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，也可對衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器進行改裝，將其集成到天線結(jié)構(gòu)中。這樣可提升產(chǎn)品的整體性，減小使用難度。

5.3 ACU的集成

信標對星便攜站和載波對星便攜站需要ACU來控制天線進行對星。在動中通入網(wǎng)模式中，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器無法提供22 K信號讓XCVR切換本振，需要ACU來提供，并且此模式下需要ACU來提供實時GPS信息。除此之外，若使用自動極化切換的方式，則ACU負責控制XCVR的極化切換開關(guān)進行極化切換。

一般ACU集成方式有兩種，一種是將控制組件與軸承組件集成于天線立柱內(nèi)部，這樣能提升天線的整體性和美觀度；另一種方式是將控制組件和軸承組件分開集成，將控制組件與衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、藍牙模塊、Wi-Fi模塊等集成一體，與軸承組件通過線纜方式連接，易于攜帶。

5.4 適配電源的集成

5.4.1 交流電源供電

外接電源供電方式可為便攜站提供源源不斷的供電，可支撐大功率電機工作。采用外接調(diào)制解調(diào)器方式的便攜站可不集成整流器，集成調(diào)制解調(diào)器板卡則需同時集成整流器。此外，為保證天線整體穩(wěn)定工作，還需額外配置穩(wěn)壓器，這樣會使便攜站整體重量增加。

5.4.2 電池直流供電

電池直流供電的方式優(yōu)點是讓便攜站的使用不受制于時間地點，即開即用。但終端整體續(xù)航時間受電池容量和重量限制。電池可采用集成和外掛兩種方式：集成電池可增加產(chǎn)品的整體性，但增加了重量，不便于充電，無法托運；外掛電池的方式擴展性好，可自由攜帶多塊電池，便于充電，便于天線的托運。

6 總結(jié)

本文簡單探討了Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺下便攜站的集成方式和使用方式。在探討中可以發(fā)現(xiàn)，不同種類的便攜站有著不同的優(yōu)化方向。

手動對星便攜站用戶一般追求輕便、靈活與牢靠，在此基礎(chǔ)上保證高集成度?；诖嗽O(shè)定，饋源口支架式的XCVR集成+自帶衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器+外掛電池的方式更符合使用這種使用要求。可以設(shè)想將衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi模塊與電池接口集成，再用中頻線與天線部分連接，既輕便靈活又保證了集成度。

自動對星便攜站用戶更看重操作的簡便性與產(chǎn)品的高集成度?；诖嗽O(shè)定，雙反天線面+衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi高度集成化設(shè)計會更符合使用需求。

上述兩種研發(fā)的方向是根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品和用戶需求進行的合理設(shè)想，但無論便攜站是何種設(shè)計理念，符合用戶的使用需求才是最終目的。