載波疊加技術(shù)在海洋石油平臺(tái)衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

徐 亮

（中海油信息科技有限公司上海分公司，上海 200129）

1 載波疊加技術(shù)概述

近年來，我國(guó)衛(wèi)星通信技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，地面通信設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)和通信技術(shù)的的加速迭代，降低了用戶的使用成本，同時(shí)在與衛(wèi)星通信的競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)勢(shì)越來越明顯，這些對(duì)衛(wèi)星通信行業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何在有限的衛(wèi)星通信設(shè)備中實(shí)現(xiàn)效率最大化的通信容量，是當(dāng)前衛(wèi)星通信行業(yè)中探索的主要問題和追逐的方向。

載波疊加技術(shù)是CEFD公司從AST獲得授權(quán)的技術(shù)，在以往的衛(wèi)星通信過程中，兩個(gè)站點(diǎn)之間的信息交互所產(chǎn)生的載波頻段需要分別租借相應(yīng)的衛(wèi)星寬帶，這種通信方式的路徑比較少，這就需要選用更多的衛(wèi)星寬帶，從而造成了企業(yè)費(fèi)用的增加，降低了企業(yè)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。而載波疊加技術(shù)完全是在“數(shù)字域”層面完成的，屬于“數(shù)字處理”技術(shù)范圍，兩臺(tái)Modem將載波發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)器的相同位置上，從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)下來的信號(hào)就是一個(gè)合成的信號(hào)。在合成信號(hào)中包含每臺(tái)Modem發(fā)送給對(duì)端的載波，同時(shí)合成信號(hào)將受到鏈路上固有的損耗和干擾的影響，對(duì)于每臺(tái)Modem收到的信號(hào)來說，除了上面常見的干擾外，自己本身發(fā)出的信號(hào)也是一種干擾。而載波疊加技術(shù)就是將合成載波中由于本地調(diào)制器引生的干擾通過數(shù)據(jù)技術(shù)消除掉。在這個(gè)過程中每端的Modem都需要將自己的發(fā)射信號(hào)保留一份副本，針對(duì)與副本間所有參數(shù)差異進(jìn)行連續(xù)性的估計(jì)和跟蹤，通過專用的自適應(yīng)濾波和相位鎖定環(huán)路處理，對(duì)上行取樣信號(hào)的延時(shí)、頻率、相位和幅度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而對(duì)這些差異進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，一般來說其減擾性能可達(dá)到30dB?？偟脕碚f，載波疊加的工作過程可以分為以下幾個(gè)部分：首先，將受到的疊加信號(hào)數(shù)字化；之后，在數(shù)字域?qū)⒈镜貢r(shí)延的副本減去，同時(shí)考慮到生產(chǎn)的頻率和相位的偏差；再之后，將恢復(fù)出的信號(hào)復(fù)原成模擬信號(hào)后送給解調(diào)器，最后，持續(xù)跟蹤本地時(shí)延、頻偏和功率比。在使用載波疊加技術(shù)的使用要確保使用“標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星”，本站發(fā)出的信號(hào)要保證自己能夠收到，不能做“轉(zhuǎn)發(fā)器跳躍”和“星上數(shù)據(jù)再生”。同時(shí)還要盡量保證信號(hào)頻偏較小，時(shí)延搜索范圍盡量接近真實(shí)的值[2]。

2 載波疊加技術(shù)在海洋石油平臺(tái)衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

海洋石油平臺(tái)由于離海岸線較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的通信手段如短波、微波、海纜通信以及運(yùn)營(yíng)商提供的移動(dòng)通信等都無法提供可靠的保障，近年來衛(wèi)星通信技術(shù)不斷發(fā)展，在通信容量不斷增大、質(zhì)量迅速提高的同時(shí)，追求低成本也是大勢(shì)所趨。

衛(wèi)星通信技術(shù)作為海洋油田的一種主要通信方式，其通信距離遠(yuǎn)、受地理因素影響小、覆蓋范圍廣等優(yōu)越性，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較為廣泛的應(yīng)用。海上油田中衛(wèi)星通信的應(yīng)用特點(diǎn)如下：首先，無線通信站的建設(shè)成本不會(huì)因?yàn)橹本€距離和周圍環(huán)境的變化而變化，并且和其他通信方式相比，衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)更加突出。其次，衛(wèi)星覆蓋面積比較廣泛，可以容易實(shí)現(xiàn)多出地址聯(lián)接通信。衛(wèi)星的工作方式以廣播為主，不是傳統(tǒng)的的單個(gè)對(duì)單個(gè)，而是所有通信站點(diǎn)可以共同使用一顆衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)和站點(diǎn)之間的多方通信，確保整個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)組成的靈活性和高效性。最后，衛(wèi)星通信的鏈路比較穩(wěn)定，信號(hào)傳輸質(zhì)量也比較高。衛(wèi)星信號(hào)不是在地球上進(jìn)行傳輸?shù)?，而是在大氣層之外的空間中進(jìn)行傳輸，因此可以將整個(gè)宇宙視為均勻傳輸空間，整個(gè)空間是均勻介質(zhì)，不會(huì)受到其他條件的影響，傳輸信號(hào)比較穩(wěn)定[3]。因此，可以說衛(wèi)星通信是海洋石油開發(fā)工程中遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)氖走x通信方式。

本文將C頻段（4G～6G）寬帶衛(wèi)星通信作為研究對(duì)象，探討載波疊加技術(shù)在海洋石油平臺(tái)衛(wèi)星通信中的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，對(duì)于基于高軌衛(wèi)星的業(yè)務(wù)來說，轉(zhuǎn)發(fā)器的運(yùn)行成本通常是最主要的一項(xiàng)支出，目前租費(fèi)大約在3.5-4萬美元/年MHz，這直接影響著該業(yè)務(wù)的可行性和盈利能力，而衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的成本又取決于其占用的帶寬和使用的功率。

海洋石油平臺(tái)建站，首先需要考慮的因素是天線的大小，幅面更大的天線可以提高收發(fā)增益，降低功放功率的需求，但是由于平臺(tái)空間緊湊，一味追求大幅面的天線是不切實(shí)際的，因此需要提高功率預(yù)算。當(dāng)確定了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面站的參數(shù)，我們就在調(diào)制方式和編碼方式之間作出折中的選擇，新的前向糾錯(cuò)（FEC）方式可以增加鏈路的可靠性，并同時(shí)降低功率需求，載波疊加技術(shù)正是把轉(zhuǎn)發(fā)器過剩功率利用起來的技術(shù)之一，能極大解決海洋石油平臺(tái)衛(wèi)星通信運(yùn)營(yíng)費(fèi)用或提升數(shù)據(jù)吞吐量。

3 載波疊加技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)

衛(wèi)星通信可以為海洋石油平臺(tái)提供語音、數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)急救援、遠(yuǎn)程維護(hù)等多種服務(wù)，除了為平臺(tái)日常安全生產(chǎn)和生活提供通信支撐，還在臺(tái)風(fēng)、遇險(xiǎn)、火災(zāi)等情況下提供應(yīng)急服務(wù)。

傳統(tǒng)的雙向鏈路，發(fā)送信號(hào)和返回信號(hào)在不同的載波頻率上發(fā)射，也就是占用了轉(zhuǎn)發(fā)器兩段不同的頻譜位置。載波疊加技術(shù)的初衷是進(jìn)行帶寬壓縮，理論上可以使雙向衛(wèi)星鏈路在轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的同一頻段內(nèi)同時(shí)發(fā)射業(yè)務(wù)載波，發(fā)送信號(hào)和返回信號(hào)在相同的載波頻率上發(fā)射，占用的是轉(zhuǎn)發(fā)器的同一位置，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器廣播這一復(fù)合信號(hào)，再由地面信號(hào)處理單元把需要的信號(hào)從復(fù)合信號(hào)中分離出來，發(fā)送到后端做進(jìn)一步的解調(diào)處理，從而使占用帶寬減少50%，具體的減少幅度取決于最初的鏈路預(yù)算。

常見的海洋石油平臺(tái)衛(wèi)星站使用3.7米天線，地面站使用4.5米甚至更大口徑天線，兩端均使用100W功放，在實(shí)際應(yīng)用過程中必須使用“彎管轉(zhuǎn)發(fā)器”的標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星，不能做“轉(zhuǎn)發(fā)器跳躍”，盡可能保證兩端站點(diǎn)的頻偏小，在配置時(shí)延搜索范圍時(shí)盡可能接近于真實(shí)值，載波疊加對(duì)調(diào)制解調(diào)器的載噪比存在有限的影響，對(duì)于收發(fā)相等載波在16-QAM調(diào)制情況下，應(yīng)考慮約0.6dB的鏈路余量。原本需要收發(fā)各租用2MHz來滿足上下行2MHz傳輸帶寬的需求，現(xiàn)在通過載波疊加技術(shù)只需租用一個(gè)2MHz帶寬就可以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于老舊海洋石油平臺(tái)，選用此技術(shù)應(yīng)充分考慮天線口徑、功放功率大小和調(diào)制解調(diào)器是否具備載波疊加功能，如原衛(wèi)星鏈路已達(dá)到飽和運(yùn)行狀態(tài)，則一般建議更換比原天線大1.4倍幅面的新天線。

在實(shí)際應(yīng)用中，載波疊加技術(shù)能夠明顯的節(jié)省衛(wèi)星業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)成本和提升服務(wù)質(zhì)量，平均來講，與維特比編碼相比，節(jié)省約39.5%；與8-PSK相比，節(jié)省約51.5%；與TPC相比，節(jié)省約27.2%；與LDPC相比，節(jié)省約26%?？梢栽跀?shù)月內(nèi)收回改造的投資成本。

“油氣+IT”的合作將逐步加深，數(shù)字信息技術(shù)在油氣田開發(fā)過程中可以使油田產(chǎn)量提高、采收率提升，同時(shí)還能有效在增儲(chǔ)上產(chǎn)、降本增效方面發(fā)揮重要作用。而數(shù)據(jù)又是數(shù)字信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，只有具備足夠充分、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，才能為油田智能化的分析、改進(jìn)作好支撐，可以說數(shù)據(jù)被準(zhǔn)且及時(shí)地收集、高效地傳輸是未來油氣勘探開發(fā)的技術(shù)發(fā)展中的第一步。在油價(jià)持續(xù)低位的新常態(tài)下，繼續(xù)深水資源的開發(fā)，勢(shì)必要對(duì)傳統(tǒng)無線通信技術(shù)進(jìn)行升級(jí)換代，使其可以承載更多的數(shù)據(jù)，包括視頻、圖像等，可以增加更多的應(yīng)用，也可以附加更多的現(xiàn)場(chǎng)傳感器，有助于更全面地采集數(shù)據(jù)。

在國(guó)外某衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)和某電信公司利用載波疊加技術(shù)，在C頻段高通量有效載荷上僅使用62.8MHz，就建立了一個(gè)對(duì)稱的270Mbps/270Mbps鏈路，在大容量C頻段鏈路中實(shí)現(xiàn)了8.6bit/Hz的頻譜效率。PING測(cè)試顯示，這條鏈路的往返延遲小于常規(guī)的500毫秒，該時(shí)延已包括了衛(wèi)星鏈路、調(diào)制解調(diào)器和外部路由器設(shè)備的時(shí)延，C頻段高通量衛(wèi)星的高可靠性和低時(shí)延結(jié)合，也必將使載波疊加這項(xiàng)技術(shù)成為數(shù)字化油田在深海延伸的理想選擇。

綜上所述，作為科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，載波疊加技術(shù)打破了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的局限，采取了更先進(jìn)的技術(shù)，提升了自身的應(yīng)用性能，降低了應(yīng)用成本，將其應(yīng)用在海洋石油平臺(tái)中，可以進(jìn)一步提高海洋石油勘探和開采的工作質(zhì)量和效率，進(jìn)而推進(jìn)我國(guó)海洋石油行業(yè)的發(fā)展。