文｜劉征遠

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

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)及其技術特點

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題的解決和大量衛(wèi)星通信新技術的應用，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信現(xiàn)已走進了成熟的實用化階段，在全球商業(yè)應用尤其是在北美地區(qū)HDTV傳輸?shù)确矫嫒〉昧丝捎^的經(jīng)濟效益。

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。位于國際衛(wèi)星通信第三區(qū)的我國其可用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)星運行軌道。在3.6萬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)星運行著，如法國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。1）寬帶高速?？値掃_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_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離Ka波段，所以不可能對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）遠端設備小巧。遠端設備體積小重量輕甚至一人即可攜帶使用，非常適合新聞記者在各種應急情況下外出采訪時使用。

5）安裝開通方便快捷。設備開通對外部安裝環(huán)境要求低，天線架設占地很小，安裝開通十分方便快捷。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術特點

1，采用高階調(diào)制技術。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標準的應用。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C、Ku波段使用賦形單波束覆蓋天線一個顯著技術特點。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，星上使用功率動態(tài)分配器。根據(jù)實時監(jiān)測情況可向業(yè)務繁忙的點波束或有雨衰區(qū)域的點波束發(fā)送較大功率。

5，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器或處理轉(zhuǎn)發(fā)器?，F(xiàn)在大多數(shù)Ka波段通信衛(wèi)星使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，近年來出現(xiàn)了少量采用比較復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)務接入需求的用戶帶來了方便。

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

1）上行功率控制技術AUPC。

衛(wèi)星通信主站為應對雨衰對信號的衰減，在主站設計時預留有一定的上行功率冗余，當降雨時對上行鏈路信號衰減進行估算，依此相應的增加發(fā)射功率，使衛(wèi)星接收電平保持在一定范圍內(nèi)。實際工作中主站還實時接收VAST小站回傳的C/N報告信息，并根據(jù)它自動控制小站上變頻功放功率的動態(tài)增加或減少。

2）自適應技術。

(1) ACM-自適應編碼和調(diào)制。自適應編碼和調(diào)制技術僅對正在遭受雨衰的VSAT小站而不針對全網(wǎng)進行編碼和調(diào)制的自動調(diào)整。在出現(xiàn)陰天或降雨時，根據(jù)小站C/N報告，動態(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為沒有衛(wèi)星回傳的測試信息，ACM功能無法使用；以及一些需要固定編碼和調(diào)制的業(yè)務應用時使用。衛(wèi)星信號強弱波動變化時可結(jié)合天線尺寸人工設定編碼和調(diào)制。

（3) DLA-動態(tài)鏈路自適應技術。DLA技術通過變化的入境鏈路信號強度來調(diào)整調(diào)制和編碼方式，可動態(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速率和編碼，下雨時自動改成較低的編碼率FEC和自動跳轉(zhuǎn)到較低符號速率的載波。它能降低小站上行20%，入境18%的帶寬資源。

著名的衛(wèi)星通信設備提供商以色列吉來特公司實驗數(shù)據(jù)顯示，在采用自適應上行鏈路功率控制、自適應編碼和調(diào)制、動態(tài)鏈路自適應技術后，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，最大的動態(tài)范圍可達23dB。

2011年10月20日,美國衛(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日開通了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入等商業(yè)服務。ViaSat-1以其140Gbps通信總?cè)萘恳I衛(wèi)星通信進入了全新的高速寬帶多媒體時代，改變了人們對寬帶衛(wèi)星服務經(jīng)濟性和質(zhì)量欠佳的認識，市場競爭能力大增。ViaSat-1猶如空中信息高速公路,在較長時期內(nèi)可滿足高速數(shù)據(jù)通信、高清電視HDTV傳輸、直接入戶DTH、衛(wèi)星新聞采集SNG、VAST、移動互聯(lián)網(wǎng)接入等帶寬密集型業(yè)務高速增長的需求。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)勢正成為各國高清電視、寬帶多媒體業(yè)務傳輸?shù)鹊氖走x。許多國家已開通或正計劃開通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。

迅猛發(fā)展的Ka波段寬帶衛(wèi)星通信

歐美發(fā)達國家在上世紀后期就開始了Ka波段衛(wèi)星通信的研究、開發(fā)和應用。后衛(wèi)星通信因受到地面光纖系統(tǒng)的沖擊，一段時期內(nèi)發(fā)展十分緩慢。近年來由于大量衛(wèi)星通信新技術的相繼采用，高頻元器件難題的攻克以及雨衰問題等的較好解決，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)展迎來了春天。

美國是世界上Ka波段衛(wèi)星通信商用化最早的國家之一，它也是全球發(fā)射Ka波段通信衛(wèi)星最多的國家。美國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、直接入戶等應用方面取得了可觀的經(jīng)濟效益。WildBlue-1、Spaceway-3、ViaSat-1等是美國在用的全Ka波段寬帶通信衛(wèi)星，相對Spaceway-3 的10Gbps通信總?cè)萘?，今年開通的ViaSat-1達到了史無前例的140Gbps，它覆蓋北美和夏威夷等地區(qū)，可為數(shù)百萬的用戶提供各種寬帶通信服務。在更高EHF頻段美國也早已進行衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開發(fā)和應用，尤其是在軍事應用領域。

加拿大是另一個Ka波段寬帶衛(wèi)星通信商業(yè)化應用較早和成功的國家，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)用戶提供HDTV、互聯(lián)網(wǎng)接入、邊遠地區(qū)遠程醫(yī)療及教育等服務。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信在歐洲的商業(yè)應用情況較北美地區(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)星通信的先進行列。Ka-Sat其70Gbps通信總?cè)萘渴钱敃r全球容量最大的通信衛(wèi)星，它可為超過100萬歐洲及大部分地中海盆地家庭用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?。Ka-Sat衛(wèi)星可提供最大上、下載流量分別為20Mbps和50Mbps的標準服務。

日本上世紀70年代就開始了Ka波段通信衛(wèi)星的研制試驗，SuperBird等通信衛(wèi)星現(xiàn)可提供Ka波段衛(wèi)星通信國內(nèi)服務，但日本始終沒有形成有規(guī)模的商業(yè)應用。以色列是亞洲及全球Ka波段衛(wèi)星通信技術領先的國家，Gilat公司將為澳大利亞建設NBN多點波束Ka寬帶衛(wèi)星項目，使用IPSTAR的多點波束Ka/Ku波段衛(wèi)星。韓國、印度、沙特、阿聯(lián)酋、俄羅斯等許多國家都已進行或計劃進行Ka波段衛(wèi)星通信應用或試驗。

Ka波段衛(wèi)星通信在我國已完成了星載處理交換機和Ka波段多波束天線等關鍵設備的研制工作，2008年10月30日發(fā)射的我國制造的委內(nèi)瑞拉一號通信衛(wèi)星除搭載C、Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器外，還搭載了2個Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器。我國已向國際電信聯(lián)盟ITU申請Ka波段通信衛(wèi)星軌道位置。國內(nèi)一些單位如中央電視臺已開展了Ka波段SNG業(yè)務，新華社也在巴黎分社進行了Ka波段衛(wèi)星通信的應用試驗。在軍事通信一些方面Ka波段衛(wèi)星通信我軍已有所應用。總的來說我國處在Ka波段寬帶衛(wèi)星通信應用的初級階段，隨著寬帶多媒體業(yè)務傳輸需求的高速增長，我國將很快進入Ka波段寬帶衛(wèi)星通信應用的快速增長期。

前景光明的Ka波段寬帶衛(wèi)星通信

寬帶通信衛(wèi)星正引領著衛(wèi)星通信的重大變革，而多業(yè)務覆蓋的寬帶高效率智能的衛(wèi)星通信平臺是衛(wèi)星通信總的發(fā)展趨勢，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信則代表了這種發(fā)展趨勢。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。今年計劃發(fā)射的有：英國Avanti公司的Hylas-2及休斯網(wǎng)絡公司的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、后年計劃發(fā)射的有：Inmarsat公司的Inmarsat-5 F1/F2/F3三顆低軌移動通信衛(wèi)星。今年還有O3b公司的多顆O3b中軌通信衛(wèi)星計劃發(fā)射。如此密集的發(fā)射計劃預示著Ka衛(wèi)星通信在全球已進入高速增長期。

Ka波段寬帶衛(wèi)星通信現(xiàn)主要應用在傳統(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)務需求的出現(xiàn)，Ka波段寬帶衛(wèi)星通信必將在這些新領域得到應用：

1，3D電視信號傳輸。據(jù)報道，今年夏季倫敦奧運會上將有超過200小時的開閉幕式、比賽項目等進行3D電視轉(zhuǎn)播，利用寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸將是最佳選擇。國內(nèi)CCTV等六家電視臺已在2012年1月1日開辦了3D電視試驗頻道，廣電總局提出了十二五末期將開通10個3D頻道的發(fā)展目標。我國現(xiàn)階段HDTV、標清等電視信號是利用C、Ku波段通信衛(wèi)星進行傳輸?shù)模鳦、Ku波段資源已難以滿足3D電視信號的大量上星傳輸，而擁有更大帶寬資源的Ka通信衛(wèi)星將是不錯的選擇。

2，Ka波段衛(wèi)星移動通信。在低軌衛(wèi)星移動通信方面，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)星移動通信將得到廣泛應用。在FSS衛(wèi)星頻段上，美國衛(wèi)訊ViaSat公司推出了使用30厘米以下小型天線的ArcLight衛(wèi)星移動寬帶系統(tǒng)，它是迄今全球技術領先唯一獲準在FSS中使用的Ka波段衛(wèi)星移動寬帶系統(tǒng)。

3，空中Ka寬帶WI-FI。在民航班機上配備Ka波段機載雙向衛(wèi)星通信設備，通過ViaSat-1號通信衛(wèi)星為乘客提供空中電視和機上WI-FI寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等服務。據(jù)報道美國聯(lián)合大陸及捷藍航空公司就有370多架客機擁有這種服務。我國國航正在嘗試這種服務，但還沒有做到真正意義上的空中Ka寬帶WI-FI。

4，其它應用。衛(wèi)星應急通信、海事移動通信、突發(fā)事件新聞報道、地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)容災備份等都可以成為Ka波段寬帶衛(wèi)星通信應用的新領域。

結(jié)束語

近年來，衛(wèi)星通信技術的進步及全球多媒體業(yè)務傳輸需求的高速增長促進了寬帶衛(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)器蜂窩狀多點波束通信系統(tǒng)發(fā)展。固定衛(wèi)星業(yè)務FSS、廣播衛(wèi)星業(yè)務BSS及移動衛(wèi)星業(yè)務MSS之間的界限已不再那么清晰，衛(wèi)星通信也不再是獨立的通信網(wǎng)絡，它與地面各種通信信息網(wǎng)絡的聯(lián)系更加緊密，出現(xiàn)了天地一體相互融合的趨勢。如今衛(wèi)星通信系統(tǒng)已是全球信息化網(wǎng)絡設施的重要組成部分，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。

新華社技術局）