北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院衛(wèi)星與無線通信實(shí)驗(yàn)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(shí)，服務(wù)于多媒體業(yè)務(wù)以及寬帶業(yè)務(wù)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(wù)的要求。鑒于上述原因，衛(wèi)星通信逐漸向高頻段擴(kuò)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。EHF頻段一般指30GHz～300GHz。參考世界組織對(duì)頻段的分配、目前電磁波應(yīng)用的階段以及有關(guān)文獻(xiàn)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)：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(wù)和寬帶業(yè)務(wù)；系統(tǒng)天線尺寸小，波束窄，抗干擾能力強(qiáng)，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(qiáng)，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(diǎn)，但相對(duì)于C波段和Ku波段衛(wèi)星系統(tǒng)而言存在一個(gè)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(dòng)態(tài)的抗衰減對(duì)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(hào)在地球大氣層中傳播時(shí)，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(huì)引起信號(hào)幅度、相位、極化等變化，從而導(dǎo)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(shí)，頻率高于20GHz即在EHF頻段內(nèi)大氣損耗主要是由對(duì)流層吸收造成。圖1中的(a)和(b)分別表示在95GHz時(shí)，根據(jù)不同的相對(duì)濕度和海拔高度，信號(hào)衰減情況和信號(hào)衰減累積情況。從圖中可以看到，衰減主要發(fā)生在對(duì)流層的5～6km高度范圍。

圖1 信號(hào)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(dāng)電波頻率與其固有的諧振頻率相同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)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(duì)電波信號(hào)的吸收和散射造成的。衰減值與降雨強(qiáng)度、地球站的位置、信號(hào)強(qiáng)度、電波極化方式等有關(guān)。降雨會(huì)引起信號(hào)電平衰落，降低到達(dá)接收端的信號(hào)電平；降低信號(hào)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(yù)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(duì)雨衰的分析尤為重要。

對(duì)于EHF頻段，信號(hào)傳播路徑中的雪、云、霧等均會(huì)使之受到衰減，衰減量與水的含量及溫度有關(guān)，相對(duì)降雨衰減要小很多，但是對(duì)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(huì)對(duì)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(dá)到EHF頻段，這種影響會(huì)急劇惡化，EHF信號(hào)之所以遭受嚴(yán)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(duì)低頻段衛(wèi)星系統(tǒng)要多，硬件工藝標(biāo)準(zhǔn)也要相對(duì)嚴(yán)格很多。

有關(guān)文獻(xiàn)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(qiáng)，天線精度對(duì)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(dāng)載頻低于15GHz時(shí)，(G/T)S和θ是不相關(guān)的；當(dāng)載頻處于18～30GHz時(shí)，(G/T)S下降低于2dB；當(dāng)載頻處于75～110GHz時(shí)，(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(fù)雜，對(duì)元器件制造工藝水平要求高，硬件特別容易對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生大的影響，必須作為一個(gè)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(dāng)功率很大時(shí)，則必須使用行波管放大器。為了解決通信鏈路預(yù)算約束問題，EHF衛(wèi)星系統(tǒng)的HPA（高功率放大器）應(yīng)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(shí)便會(huì)發(fā)生信號(hào)畸變和交調(diào)干擾，這意味著增加的功率要為非線性信號(hào)失真付出代價(jià)。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(dǎo)致功率增益不像在線性放大器中是一個(gè)常量，圖4很好地說明了這點(diǎn)，該圖展示了一個(gè)為地面站設(shè)計(jì)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(hào)的包絡(luò)失真；輸入輸出信號(hào)的非均勻相移；射頻信號(hào)的頻譜再生會(huì)引起相鄰信道干擾；多載波同時(shí)在非線性放大器進(jìn)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(huì)降低通信鏈路的性能和容量。MSK和矩形波QPSK等恒包絡(luò)調(diào)制方式比較適合衛(wèi)星通信，但是幅頻轉(zhuǎn)換特性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重減弱相干解調(diào)的相位抖動(dòng)。為避免非線性失真，在衛(wèi)星物理層設(shè)計(jì)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(yuǎn)離飽和點(diǎn)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(bǔ)償IBO需要4dB，OBO需要2dB(IBO為放大器在飽和狀態(tài)工作時(shí)平均輸入功率同實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)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(shí)際上，OBO導(dǎo)致的信號(hào)功率降低會(huì)產(chǎn)生額外損耗，而這種損耗會(huì)被添加到已經(jīng)受限的鏈路預(yù)算中，進(jìn)一步犧牲功率盡管會(huì)保證鏈路性能，但很大程度上會(huì)降低鏈路容量，尤其是在高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用時(shí)。

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(bǔ)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(shí)，傳統(tǒng)預(yù)失真線性化電路可以有效減弱非線性失真效應(yīng)。根據(jù)對(duì)非線性的理論補(bǔ)償，典型預(yù)失真線性化電路存在一個(gè)缺點(diǎn)，即它工作在飽和或者超過飽和狀態(tài)時(shí)會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)更加復(fù)雜精細(xì)的線性化電路，典型辦法就是利用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)失真線性化電路與限幅器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)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?yàn)榉糯笃鞯脑鲆婧拖辔辉诓煌l率會(huì)發(fā)生變化，這種影響在高頻寬帶信號(hào)傳輸時(shí)比較明顯，由此產(chǎn)生的增益波動(dòng)造成一個(gè)嚴(yán)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(bǔ)償可以彌補(bǔ)或者抵消，但是不能避免。我們能達(dá)到的目標(biāo)就是保持放大器的增益盡可能的高，同時(shí)不降低頻譜效率。這僅僅是個(gè)折衷，實(shí)用的物理層設(shè)計(jì)方案將在下面進(jìn)行討論。

四、物理層設(shè)計(jì)方案

EHF衛(wèi)星系統(tǒng)射頻和基帶部分的設(shè)計(jì)應(yīng)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(gè)因素需要特殊設(shè)計(jì)方案來彌補(bǔ)，這些方案都要基于高頻譜效率、高功率效率、低復(fù)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(diǎn)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(diǎn)。

（1）星上采用動(dòng)態(tài)功率分配管理技術(shù)，根據(jù)天氣變化優(yōu)化每個(gè)波束的功率輸出，實(shí)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(shí)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(yīng)功率控制技術(shù)，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償通信鏈路受降雨帶來的衰減。

（2）采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，根據(jù)瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)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(huì)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(luò)調(diào)制方式更為合適。由于GMSK具有快速滾降特性，對(duì)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(yīng)當(dāng)今寬帶業(yè)務(wù)迅速發(fā)展的新形勢，為了在不浪費(fèi)頻譜效率的前提下保持調(diào)制信號(hào)包絡(luò)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(shè)計(jì)方法。

（2）采用預(yù)失真技術(shù)

近年來不同的預(yù)失真方案被研究應(yīng)用，其中包括基于“即時(shí)評(píng)估”的自適應(yīng)靜態(tài)預(yù)失真，以及基于“記憶效應(yīng)”的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)預(yù)失真。在發(fā)送端采用自適應(yīng)星座預(yù)失真技術(shù)是一種有效減弱非線性失真的方法。預(yù)失真意味著有意修改數(shù)據(jù)符號(hào)在復(fù)平面上的位置，這種技術(shù)只需要修正發(fā)送的星座點(diǎn)，完全不需要依靠模擬設(shè)備。這是一種特別直接有效的預(yù)失真技術(shù)，尤其是對(duì)于APSK這種圓形星座調(diào)制方式。通過這些預(yù)失真技術(shù)，HPA能夠很好地在近飽和點(diǎn)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(wù)，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(luò)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(jì)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(wù)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(shí)間2005年8月11日發(fā)射升空。IPSTAR-1裝有114臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)器，提供Ku頻段84個(gè)點(diǎn)波束、3個(gè)成型波束和7個(gè)區(qū)域廣播波束，以及18個(gè)Ka頻段關(guān)口站點(diǎn)波束。系統(tǒng)采用了“蜂窩”多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了頻譜的有效利用。IPSTAR系統(tǒng)容量高達(dá)45Gb/s，可提供包括數(shù)據(jù)、會(huì)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(wù)。

（2）WildBlue系統(tǒng)建立在WildBlue-1和Anik-F2基礎(chǔ)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(diǎn)波束商業(yè)通信衛(wèi)星，具有35個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)波束，其中30個(gè)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(wù)。

（3）ViaSat系統(tǒng)由ViaSat-1及SurfBeam-2寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(wù)。它采用Ka頻段多點(diǎn)波束和頻率復(fù)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(luò)技術(shù)對(duì)ViaSat-1和地面系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將衛(wèi)星的容量提高了10倍以上，達(dá)到140Gb/s，是歐洲首顆全Ka波段高容量寬帶衛(wèi)星Ka-Sat總?cè)萘康膬杀叮^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(jià)格卻等同于現(xiàn)有的寬帶衛(wèi)星服務(wù)，該系統(tǒng)的應(yīng)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(jìn)行保密性很高的軍事通信。同時(shí)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(diǎn)波束來防止干擾，在增強(qiáng)抗干擾、獲得低截獲率方面，EHF頻段具有很大優(yōu)勢。相對(duì)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(jìn)極高頻衛(wèi)星系統(tǒng)，計(jì)劃由三顆星組成。AEHF-1于2010年8月14日用宇宙神-5運(yùn)載火箭發(fā)射升空，衛(wèi)星發(fā)射不久因推進(jìn)系統(tǒng)異常將軌道提升計(jì)劃作出修正，2011年10月24日衛(wèi)星完成軌道修正進(jìn)入預(yù)定運(yùn)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(gè)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(huì)議和圖像傳感業(yè)務(wù)。

六、結(jié)束語

衛(wèi)星通信網(wǎng)作為地面通信網(wǎng)的重要補(bǔ)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(yīng)用研究對(duì)通信領(lǐng)域的發(fā)展起著極大的促進(jìn)作用。無論在商用還是軍用領(lǐng)域，EHF衛(wèi)星都有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。目前Ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但更高頻段的EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍是一個(gè)尚待研究的領(lǐng)域。

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