沈偉民 中國電信股份有限公司上海分公司應(yīng)急通信局工程師

南極衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)和維護(hù)

沈偉民 中國電信股份有限公司上海分公司應(yīng)急通信局工程師

介紹南極長城站、中山站與上海極地中心之間衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，以及在南極特殊的地理、溫度環(huán)境下如何保障通信設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

調(diào)制解調(diào)器 網(wǎng)絡(luò)加速器 室外功率放大器 天線控制器載 波疊加

1 引言

中國極地中心位于上海浦東金橋，承擔(dān)著國家南、北極科學(xué)考察研究的重任。中國目前在南極有2個科考站，中山站和長城站。長期以來，中山站和長城站與外界都沒有建立通信連接，使許多科考數(shù)據(jù)無法及時傳回國內(nèi)進(jìn)行分析研究，科考站的科技人員長期職守在南極無法隨時與國內(nèi)的家人、同事聯(lián)系，國內(nèi)的信息也不能及時順暢地傳送到南極，南極兩站基本處于與世隔絕的狀態(tài)。

2006年，國家撥款5億元用于改造南極科考隊的各項設(shè)施，其中包括雪龍?zhí)柨瓶即木S修、南極兩站的翻新和與國內(nèi)建立通信傳輸系統(tǒng)。南極科考隊通信主要解決的是極地中心與長城站、中山站之間的通信，考慮到南極通信傳輸?shù)奶厥庑院蛷?fù)雜性，中國極地中心委托上海電信對長城站、中山站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃。衛(wèi)星信道的功能要求是：提供IP數(shù)據(jù)通信和IP語音通信的功能；衛(wèi)星信道的性能要求是：點對點IP數(shù)據(jù)通信（即長城站—上海、中山站—上海）的上下行速率均為512kbit/s。

2 系統(tǒng)概述

從地理區(qū)域觀察，極地中心和中山站在東半球，長城站在西半球，長城站位于：62°,12’,59’’s，58°,57’, 52’’w；中山站位于：69°,22’,24’’s，76°,22’,40’’e。

長城站和中山站由于地理位置的不同以及受通信衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域的限制，需要用兩顆不同的國際通信衛(wèi)星實現(xiàn)相互通信，整個系統(tǒng)可分為長城站和中山站這兩個分系統(tǒng)，采用點對點的通信方式組網(wǎng)，具體系統(tǒng)如圖1所示。

在此系統(tǒng)中，上海電信提出建立一個基于因特網(wǎng)的全I(xiàn)P方式的衛(wèi)星通信鏈路系統(tǒng)，以上海莘莊衛(wèi)星地球站作為主站，利用莘莊地球站豐富的天線資源和人力技術(shù)資源做好主站的運行維護(hù)。在中山站、長城站設(shè)立遠(yuǎn)端小站，實時與主站聯(lián)系，實現(xiàn)語音電話、圖像文件傳輸、數(shù)據(jù)傳送和因特網(wǎng)瀏覽等功能。

上海電信提供60M城域網(wǎng)光纖接入極地研究所，通過位于上海衛(wèi)星地球站的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行信號處理，將所有的語音和數(shù)據(jù)等信號打包成IP包送到Modem設(shè)備、再通過射頻設(shè)備和天線經(jīng)通信衛(wèi)星對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1 長城站—上海極地研究所

由于長城站位于西半球，而上海位于東半球，上海衛(wèi)星地球站所處的太平洋、印度洋上空的國際通信衛(wèi)星無法直接覆蓋，決定利用中國電信豐富的國際長途光纜資源，首先開通極地研究所至英國倫敦POP（中國電信線路匯接點）國際光纜專線電路，再延伸至法蘭克福地球站，通過通信衛(wèi)星進(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)與法蘭克福地球站和國際通信衛(wèi)星組織技術(shù)人員的溝通商量后確認(rèn)了方案的可行性，所以本系統(tǒng)采用長途國際光纜+通信衛(wèi)星的方式進(jìn)行組網(wǎng)，具體系統(tǒng)組成如圖2所示。

長城站上行的信號通過位于大西洋上空的Intelsat（國際衛(wèi)星通信組織）325°衛(wèi)星轉(zhuǎn)接到法蘭克福地球站，經(jīng)由法蘭克福地球站的下行設(shè)備接收，將信號送到位于UK（倫敦）的傳輸POP（電信線路匯接）點，再通過國際專線電路送到上海衛(wèi)星地球站，經(jīng)由電信ITMC（國際終端維護(hù)中心）送到極地研究所。從極地研究所上行的信號則通過反向連接到長城站。長城站的內(nèi)部系統(tǒng)鏈路如圖3所示。

圖1 南極科考站通信項目系統(tǒng)圖

信號下行：從325°衛(wèi)星收下來的信號經(jīng)由6m的收發(fā)天線，送到LNB（低噪聲放大變頻模塊），將信號由C波段轉(zhuǎn)換為L波段，LNB輸出的L波段信號被送到衛(wèi)星Modem，將信號解調(diào)出基帶信號（即IP信號），因衛(wèi)星通信延時較大（一次上、下行共540ms），所以在數(shù)據(jù)信號傳輸中會遇到實際使用速率比傳輸速率有所下降的問題，并且有可能導(dǎo)致無法進(jìn)行正常的上網(wǎng)、文件傳輸?shù)葐栴}的出現(xiàn)，因此在Modem的后級需連接TCP/IP加速器以解決此問題，在加速器后可連接需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

信號上行：從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來的信號經(jīng)由TCP/IP加速器送到Modem（上、下行共用1個衛(wèi)星Modem，此衛(wèi)星Modem同時具有調(diào)制和解調(diào)功能），Modem將信號調(diào)制到L波段，送到位于室外的ODU，ODU具有內(nèi)置BUC（可將信號從L波段轉(zhuǎn)換到C頻段），并且具有信號放大功能，此次選用50W的室外型功放，可以保證512K傳輸線路功率要求和室外低溫工作環(huán)境的需要，功放等設(shè)備選用國際最優(yōu)秀的品牌，并且這些設(shè)備均為多家衛(wèi)星站和電視臺使用，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性得到了長期的驗證。

圖2 長城站—極地研究所通信組網(wǎng)圖

圖3 長城站設(shè)備系統(tǒng)圖

2.2 中山站—上海極地研究所

中山站和上海同時位于東半球，可利用位于印度洋上空的Intelsat62°國際通信衛(wèi)星與上海衛(wèi)星地球站進(jìn)行雙向通信信號傳輸。中山站—極地研究所通信組網(wǎng)如圖4所示。衛(wèi)星地球站的700W行波管放大器進(jìn)行信號放大，經(jīng)20m天線將信號送到62°衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)送往中山站，中山站的下行鏈路設(shè)備與長城站類同。

3 南極衛(wèi)星地球站設(shè)備的維護(hù)

3.1 衛(wèi)星天線

圖4 中山站—極地研究所通信組網(wǎng)圖

中山站上行：中山站的上行信號經(jīng)由62°通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到上海衛(wèi)星地球站后，通過直徑20m的天線進(jìn)行信號接收，下行采用LNA（低噪聲放大器）輸出為4G信號，所以要用BDC將信號變頻到L波段輸出送到衛(wèi)星Modem，衛(wèi)星Modem輸出的信號再經(jīng)過TCP/IP加速器送到衛(wèi)星站的匯接設(shè)備，經(jīng)電信ITMC（國際終端維護(hù)中心）送到極地研究所與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連。

中山站下行：極地研究所送來的IP信號經(jīng)ITMC送到衛(wèi)星地球站，衛(wèi)星地球站將信號送到衛(wèi)星Modem，衛(wèi)星Modem的L波段輸出信號經(jīng)過BUC（上變頻模塊）將信號轉(zhuǎn)為C波段上行信號（6G），送到上海

衛(wèi)星地球站天線放置在玻璃鋼球體內(nèi)，外界環(huán)境因素對其影響很小，同時前方又是開闊地帶，不存在阻擋現(xiàn)象，衛(wèi)星天線帶有伺服系統(tǒng)，在日常使用和維護(hù)過程中可遠(yuǎn)端遙控進(jìn)行天線方位角和俯仰角的調(diào)整。極化采用的是圓極化，因此不需要調(diào)整極化角。

衛(wèi)星天線主要的維護(hù)工作就是檢查天線控制單元、天線跟蹤接收機(jī)、天線驅(qū)動單元及其附屬電機(jī)各項指標(biāo)是否正常，方位電機(jī)和俯仰電機(jī)能否正常運轉(zhuǎn)，以及波導(dǎo)充氣機(jī)的運轉(zhuǎn)情況。

（1）天線控制單元（ACU）需檢查參數(shù)如表1所示。

（2）衛(wèi)星跟蹤接收機(jī)（TrackingReceiver）需檢查參數(shù)如表2所示。

（3）天線驅(qū)動單元（ADU）及方位、俯仰電機(jī)。

檢查俯仰和方位電機(jī)是否正常工作時，確保天線驅(qū)動單元（ADU）的Local按鍵彈出，紅燈亮，然后按天線控制單元（ACU）的Exit鍵，返回主菜單界面，如圖5所示。

在ACU面板鍵盤上按2鍵，執(zhí)行自動跟蹤，這時就會聽到方位和俯仰電機(jī)來回跟蹤啟動的聲音，電機(jī)工作運轉(zhuǎn)以及運動方向在天線驅(qū)動單元內(nèi)會有相應(yīng)的指示燈閃爍，這說明兩個電機(jī)工作正常。

表1 天線控制單元參數(shù)

表2 衛(wèi)星跟蹤接收機(jī)參數(shù)

3.2 衛(wèi)星Modem

衛(wèi)星Modem的日常維護(hù)工作主要是檢查告警、Eb/No、BER等性能指標(biāo)參數(shù)，這些指標(biāo)參數(shù)通過衛(wèi)星

Modem的本地面板操作或通過Web方式登錄MODEM進(jìn)行監(jiān)測。

（1）正常情況下衛(wèi)星Modem的各項主要參數(shù)如表3所示。

圖5 天線控制單元菜單

表3 衛(wèi)星Modem接收參數(shù)

（2）衛(wèi)星Modem面板指示燈含義如表4所示。

（3）通過Web方式登錄Modem進(jìn)行設(shè)備參數(shù)檢查和修改。

●登錄衛(wèi)星Modem：長城站衛(wèi)星地面站Modem的IP地址為192.168.201.2，在瀏覽器地址欄輸入http:// 192.168.201.2，出現(xiàn)衛(wèi)星MODEM登錄頁面（見圖6）。

●查看并修改Modem的IP配置：選擇IP菜單下的Interface子菜單，Modem當(dāng)前IP地址及相關(guān)配置如圖7所示。

表4 衛(wèi)星Modem面板指示燈

圖6 衛(wèi)星Modem登錄頁面

●查看并修改Modem的路由配置：選擇IP菜單下的Routes子菜單，Modem當(dāng)前路由及相關(guān)配置如圖8所示。

●查看并修改Modem的系統(tǒng)配置：選擇Modem菜單下的Modem子菜單，衛(wèi)星Modem當(dāng)前的系統(tǒng)配置如圖9所示。

注意事項：

——系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，確保如表5所示Modem發(fā)射和接收參數(shù)不被修改。

——長城站的發(fā)信/收信頻率分別為：6314.5775/ 4111.155MHz，發(fā)信的本振頻率和收信本振頻率分別為4900/5150MHz，因此混頻后，Modem配置L頻段的收發(fā)頻率分別如上表所示。

圖7 衛(wèi)星Modem接口配置

圖8 衛(wèi)星Modem路由配置

表5 衛(wèi)星Modem發(fā)射和接收參數(shù)

——功放的開關(guān)和輸出功率的調(diào)整也可以在本菜單中執(zhí)行。

——收信頻譜的反轉(zhuǎn)是由于C頻段的信號經(jīng)LNB混頻后變?yōu)長頻段信號，這時原來信號頻譜的高端變?yōu)榈投?，因此需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)。

——收信的捕獲范圍盡量設(shè)大一點，在傳輸速率為512kbit/s時，它的最大值為32kHz(+/-)。

●檢查并修改低噪聲放大器（LNB）配置：選擇Modem菜單下的LNB子菜單，LNB的當(dāng)前配置如圖10所示。

●檢查并修改Modem的Access配置：選擇Admin菜單下的Access子菜單，Modem當(dāng)前Access配置如圖11所示。

●檢查并修改Modem的Features配置：選擇Admin菜單下的Features子菜單，Modem當(dāng)前Features配置如圖12所示。

3.3 衛(wèi)星發(fā)信功率放大器（ODU）

衛(wèi)星發(fā)信功率放大器用于信號發(fā)射過程中的信號放大，放大器安裝在天線立柱的中心體中，日常維護(hù)主要通過放大器的M&CConnector（J4）端口連接到計算機(jī)進(jìn)行檢查，具體操作步驟如下：

（1）軟件安裝和設(shè)備連接：在計算機(jī)中安裝Paradise Datacom光盤提供的監(jiān)測和控制軟件：Compact Outdoor M&C Software（ID 100000+)，然后用RS232電纜（設(shè)備配置的纜線）連接放大器的J4端口和計算機(jī)的串口（如沒有串口，可通過RS232與USB轉(zhuǎn)換后連接到計算機(jī)的USB端口）。

圖10 衛(wèi)星Modem低噪聲放大器配置

圖11 衛(wèi)星Modem權(quán)限配置

圖12 衛(wèi)星ModemFeatures配置

（2）軟件的連接：打開Compact Outdoor M&C程序，選擇如圖13所示的File下拉菜單；在File下拉菜單中選擇如圖14所示的AddNewSSPA；選擇本地COM端口和連接波特率（9600 Baud），確認(rèn)后即成功連接到如圖15所示的發(fā)信功率放大器控制界面；點擊SSPAOperation選項卡，顯示發(fā)信功率放大器的各項運行參數(shù)。

圖13 File下拉菜單

圖14 添加新固態(tài)放大器菜單

（3）發(fā)信功率放大器正常運行，參數(shù)如表6所示。

（4）信號發(fā)射功率的更改：信號發(fā)射功率的增加或減小，通過信號發(fā)射消耗衰耗值的更改來實現(xiàn)，可以在如圖16所示的衰耗值設(shè)置區(qū)域（Attenuation）中通過鼠標(biāo)點擊左右箭頭進(jìn)行衰耗值的增加或減小，也可以通過鼠標(biāo)拖動衰耗指示表的指針進(jìn)行衰耗值的更改，這時左邊信號發(fā)射功率指示刻度表（RFPower）也會隨之相應(yīng)變化。

3.4 衛(wèi)星接收信號放大器（LNB）

衛(wèi)星接收信號放大器（LNB）用于信號接收過程中的信號放大，放大器安裝在天線中心體內(nèi)，通過硬波導(dǎo)與衛(wèi)星天線的RFOutput（RHCP）端口連接，LNB的日常維護(hù)主要通過衛(wèi)星Modem來實現(xiàn)。

LNB的工作電壓由衛(wèi)星Modem提供，電壓范圍為-15～-24V，Modem可提供-13V、-18V、-24V3種電壓，長城站LNB的電壓選擇-18V。

3.5 衛(wèi)星TCP加速器（TurboIP）

衛(wèi)星TCP加速器的日常維護(hù)主要包括檢查設(shè)備的加速設(shè)置和IP地址設(shè)置，即使加速器出現(xiàn)故障或電源關(guān)閉也不會影響正常的通信傳輸，這時TCP加速器的WAN和LAN端口相當(dāng)于直通端口。

（1）登錄衛(wèi)星TCP加速器：長城站衛(wèi)星地面站TCP加速器的IP地址為192.168.201.3，只有192.168.201.0網(wǎng)段內(nèi)的計算機(jī)才可以訪問。在瀏覽器地址欄輸入http://192.168.201.3，出現(xiàn)如圖17所示的衛(wèi)星TCP加速器的登錄頁面。

（2）檢查TCP加速器的加速設(shè)置：登錄TCP加速器后，選擇Acceleration選項卡，TCP加速器的當(dāng)前加速及相關(guān)設(shè)置如圖18所示。

（3）檢查TCP加速器的IP地址設(shè)置：登錄TCP加速器后，選擇Interface選項卡，TCP加速器的當(dāng)前IP地址及相關(guān)設(shè)置如圖19所示。

3.6 南極專線電路系統(tǒng)優(yōu)化

2009年1月相繼開通南極長城站、中山站至極地中心的衛(wèi)星專線電路，兩站通過衛(wèi)星鏈路及相應(yīng)的地面線路實現(xiàn)南極長城站、中山站局域網(wǎng)與極地中心研究所局域網(wǎng)的互聯(lián)。衛(wèi)星鏈路提供端到端IP接口，兩端分別與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供業(yè)務(wù)接入，不同的業(yè)務(wù)共享衛(wèi)星信道提供的傳輸帶寬，目前已開通的業(yè)務(wù)主要是語音和低速數(shù)據(jù)。但由于衛(wèi)星帶寬資源受限（目前僅開通雙向512k），當(dāng)語音通話、網(wǎng)絡(luò)瀏覽或數(shù)據(jù)傳送集中于某一時刻時，會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，因此必須通過交換機(jī)對不同業(yè)務(wù)類型制定相應(yīng)的QoS策略，保證各類業(yè)務(wù)不發(fā)生沖突。為了解決衛(wèi)星帶寬瓶頸，經(jīng)與極地中心協(xié)商，上海電信負(fù)責(zé)將衛(wèi)星帶寬資源由現(xiàn)在的雙向512k擴(kuò)容至雙向1M，并采用最新的載波疊加技術(shù)，最終為用戶提供雙向2M的衛(wèi)星通信應(yīng)用。

表6 發(fā)信功率放大器運行參數(shù)

圖15 固態(tài)放大器控制界面

圖16 固態(tài)放大器發(fā)射功率的更改

圖17 衛(wèi)星TCP加速器登錄界面

圖18 衛(wèi)星TCP加速器配置

載波疊加：以Modem廠家Comtech EF Data公司為代表擁有的Carrier-in-Carrier載波疊加技術(shù)，其特點是站點間采用SCPC方式進(jìn)行通信時，A、B站原本需為兩個載波租用一定的衛(wèi)星帶寬，現(xiàn)在通過載波疊加技術(shù)不需要了，只需要租用帶寬大的一方即可。如A、B站對通，每個載波帶寬2MHz，原本需要租用4MHz帶寬，現(xiàn)在只需租用一個2MHz帶寬就可以了，如圖20所示。

申請租用亞太6號衛(wèi)星，APSTAR6-C11A-4055/ 6280MHz，6MHz帶寬，上行垂直極化、下行水平極化，使用兩套ComtechEFData公司的Comtech625Modem進(jìn)行載波疊加測試。假設(shè)第一套CDM625Modem為上海莘莊衛(wèi)星地球站，第二套CDM625為南極中山站，根據(jù)1M帶寬的要求，兩套Modem發(fā)信頻率分別為6280、6281MHz，接收頻率分別為4056、4055MHz。

●使用兩套CDM625Modem140MHz中頻輸出合路后公用一套U/C和D/C，U/C頻率為6280MHz，加10dB衰減器，D/C頻率為4055MHz。第一套Modem TX FREQ：140MHz、RX FREQ：141MHz、Data Rate：1024kHz；第二套Modem TX FREQ：141MHz、RX FREQ：140MHz、DataRate：1024kHz。

圖19 衛(wèi)星TCP加速器網(wǎng)絡(luò)配置

●使用載波疊加技術(shù)：兩套CDM625Modem使用相同的發(fā)信和收信頻率，即第一套ModemTXFREQ：140MHz、RX FREQ：140MHz、Data Rate：1024kHz；第二套ModemTX FREQ：140MHz、RX FREQ：140MHz、 DataRate：1024kHz。將第一套Modem載波疊加cnc設(shè)置為On，Delay Research設(shè)置為Min：200ms，Max：260ms。第二套Modem載波疊加cnc設(shè)置為On，Delay Research設(shè)置為Min：200ms，Max：260ms。此時載波疊加工作完成，在頻譜儀上監(jiān)測到兩個載頻已疊加在一起，功率增加了3dB。

圖20 載波疊加頻譜

采用載波疊加技術(shù)后空余一個1024kHz的帶寬，將第一、第二套Modem的TX和RX中的DataRate修改為2048kHz，就實現(xiàn)了衛(wèi)星帶寬從1024～2048kbit/s的升級。

4 結(jié)束語

為了更好地支持南極科考事業(yè)的發(fā)展，滿足南極通信應(yīng)用需求，提高用戶對電信業(yè)務(wù)的感知度，中國電信對衛(wèi)星帶寬進(jìn)行升級擴(kuò)容后，能更好地滿足用戶各類業(yè)務(wù)應(yīng)用需求；為擴(kuò)展在南極通信應(yīng)用的覆蓋范圍，在南極地區(qū)建立CDMA基站，通過提供C網(wǎng)無線信號覆蓋，使科考隊員可通過天翼手機(jī)擴(kuò)大科考隊員工作活動的通信范圍，同時可實現(xiàn)與國內(nèi)任何地點的通訊聯(lián)絡(luò)，進(jìn)一步拉近極地與國內(nèi)的距離?？傊?，衛(wèi)星通信作為傳輸中繼節(jié)點解決了南極長城站、中山站與極地中心之間的的通信連接，實現(xiàn)了VoIP話音通信和南極長城站、中山站與極地中心局域網(wǎng)的互聯(lián)。

1 CDM－570/570L Installation and Operation Manual

2015-08-28）