胡春波,余 亮,祝 昱,范吉明,史美逸

(烽火通信科技股份有限公司,湖北 武漢 430205)

0 引言

4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要采用地面?zhèn)鬏敺绞揭言谌虼蟛糠值貐^(qū)規(guī)?；渴?使得全球大部分民眾都享受到了科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的便利。然而部分偏遠(yuǎn)島嶼和山區(qū),雖然同樣有4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的需求,但由于受到地理?xiàng)l件限制,光通信、微波通信等地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)無(wú)法進(jìn)行部署,而衛(wèi)星通信具有廣覆蓋的特點(diǎn),使得通過(guò)衛(wèi)星通信部署4G網(wǎng)絡(luò)具備可能性。

1 不同軌道衛(wèi)星通信技術(shù)方案對(duì)比

與地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)通信相比,衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)快速靈活、抗地面災(zāi)害能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。按軌道高度不同,分同步軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit,GEO)、中軌衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,MEO)和低軌衛(wèi)星(Low Earth Orbit,LEO)3種,如圖1所示。本文主要聚焦于同步軌道和低軌道方案進(jìn)行研究。

圖1 多個(gè)軌道衛(wèi)星

1.1 同步衛(wèi)星

同步軌道衛(wèi)星處于約36 000 km 的固定高度,單向時(shí)延約250 ms。同步軌道衛(wèi)星適用于使用一顆或幾顆衛(wèi)星連續(xù)服務(wù)大范圍地區(qū)的情況,它的缺點(diǎn)在于所有用戶都要依賴單一來(lái)源來(lái)傳輸和管理,單個(gè)衛(wèi)星故障將會(huì)直接造成業(yè)務(wù)故障。它的優(yōu)點(diǎn)在于衛(wèi)星不會(huì)相對(duì)于觀測(cè)者移動(dòng),所以衛(wèi)星的通信設(shè)備只需要固定安裝和定向,且調(diào)測(cè)完成后不需要移動(dòng)或調(diào)整方向。衛(wèi)星接收機(jī)不必小巧緊湊,并且同步衛(wèi)星在通信領(lǐng)域中技術(shù)相對(duì)成熟。

1.2 低軌衛(wèi)星

低軌衛(wèi)星處于海拔350 km至2 000 km的位置。與同步軌道衛(wèi)星相比,低軌衛(wèi)星更靠近地球,具有接入延遲較低、衛(wèi)星體積小更容易發(fā)射、所需衛(wèi)星信號(hào)傳輸功率低的特點(diǎn)。由于低軌衛(wèi)星離地球較近,它們的“視野”也較低,而且每顆低軌衛(wèi)星同時(shí)只能覆蓋地球表面的一小部分。這樣覆蓋范圍相對(duì)有限的低軌衛(wèi)星,使得需要發(fā)射大量衛(wèi)星維持目標(biāo)覆蓋區(qū)域的連續(xù)性服務(wù),目前網(wǎng)絡(luò)覆蓋和技術(shù)應(yīng)用還不太成熟。

綜合考慮各類島嶼、山區(qū)等偏遠(yuǎn)區(qū)域場(chǎng)景對(duì)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本需求,對(duì)時(shí)延的敏感度相對(duì)不高,優(yōu)先選擇技術(shù)應(yīng)用相對(duì)成熟的同步軌道衛(wèi)星。

2 VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)

VSAT技術(shù)是利用高軌道衛(wèi)星作為中繼,通過(guò)小型天線在兩端之間傳輸數(shù)據(jù),可以覆蓋大面積地區(qū),并且擁有可靠和穩(wěn)定的連接。VSAT 由多個(gè)專用設(shè)備組成:碟形衛(wèi)星天線(也稱為“反射器”)--一種由無(wú)線電不透材料組成的拋物面碟形天線,將進(jìn)出衛(wèi)星的信息反射到天線的焦點(diǎn);上變頻器 (Block Up-Converter,BUC)--上變頻器能夠?qū)⒌湍苄盘?hào)轉(zhuǎn)換為高能信號(hào),用來(lái)“發(fā)送”來(lái)自 VSAT 的信號(hào);低噪聲下變頻器 (Low Noise Block,LNB)--低噪聲下變頻器將高能信號(hào)轉(zhuǎn)換為低能信號(hào),將從衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為調(diào)制解調(diào)器可用的信號(hào);調(diào)制解調(diào)器(Modem)--專用硬件,將來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可用的數(shù)據(jù)。

VSAT技術(shù)主要使用Ku波段和C波段,是衛(wèi)星通信中最常用的傳輸頻段[1]。Ku波段頻率范圍為12 GHz～18 GHz,Ku波段衛(wèi)星單轉(zhuǎn)發(fā)器功率一般比較大,多采用賦形波束覆蓋,衛(wèi)星EIRP較大,信號(hào)功率大使得天線口徑可以盡可能變小,從而有效地降低接收成本,方便個(gè)體接收。Ku波段連接的主要缺點(diǎn)是容易受干擾,陰雨天氣將會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量的下降,尤其是大暴雨的情況下,雨衰有可能超過(guò)20 dB,信號(hào)質(zhì)量急劇下降,甚至?xí)斐蓸I(yè)務(wù)的閃斷或中斷。C波段頻率則為4 GHz～8 GHz,VSAT連接不易受干擾,可以提供更穩(wěn)定的連接,暴雨情況下C波段鏈路雨衰最高一般不超過(guò)3dB。C波段連接的主要缺點(diǎn)是安裝和維護(hù)成本更高。

綜合考慮島嶼、山區(qū)等偏遠(yuǎn)區(qū)域?qū)?G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求不高,結(jié)合C波段和Ku波段不同的建設(shè)成本以及衛(wèi)星帶寬的資源滿足度情況,本方案優(yōu)先選用Ku波段。

3 4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)適配

4G網(wǎng)絡(luò)采用扁平化全I(xiàn)P分布式結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)架分為用戶設(shè)備(User Equipment,UE)、基站(eNodeB)、核心網(wǎng)(Evolved Packet Core,EPC)?；局饕?fù)責(zé)同UE建立通信連接,并提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋。eNodeB和EPC之間通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)互連,相關(guān)業(yè)務(wù)有3種:操作與維護(hù)(Operations and Maintenance,OAM)、S1、X2。

4G基站通過(guò)控制業(yè)務(wù)帶寬以及優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略,確保各類信息能夠根據(jù)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求合理地通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)。4G基站上行限制在2 Mbps,下行限制在6 Mbps,確保無(wú)線基站單站點(diǎn)帶寬需求量與衛(wèi)星系統(tǒng)單站點(diǎn)傳輸能力匹配。

基于4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需求,衛(wèi)星傳輸鏈路使用QoS[2]策略,優(yōu)先保證站點(diǎn)在線可管控。

衛(wèi)星系統(tǒng)基于不同業(yè)務(wù)類型虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network,VLAN)設(shè)置優(yōu)先級(jí),保障高優(yōu)先級(jí)接口數(shù)據(jù)優(yōu)先通過(guò),其中基站交換機(jī)、電源、eNodeB的OAM鏈路接口優(yōu)先級(jí)最高,S1-C優(yōu)先級(jí)第2,S1-U優(yōu)先級(jí)第3,其他類業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。

4 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)及業(yè)務(wù)部署

4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步衛(wèi)星通信技術(shù)承載,每個(gè)衛(wèi)星波束覆蓋一定的地域范圍,規(guī)劃一批站點(diǎn)共享同一個(gè)衛(wèi)星傳輸通道帶寬資源。衛(wèi)星關(guān)口站、衛(wèi)星和基站側(cè)衛(wèi)星設(shè)備共同組成端到端的L2層通信網(wǎng)絡(luò),規(guī)劃多個(gè)4G無(wú)線基站共同接入一個(gè)衛(wèi)星關(guān)口站,如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)

每個(gè)基站上下行總和承諾信息速率(Committed Information Rate,CIR)為2 Mbps,峰值信息速率(Max Information Rate,MIR)為8 Mbps,N個(gè)無(wú)線基站組成無(wú)線基站群,帶寬共享充分使用VSAT網(wǎng)絡(luò)資源[3]。無(wú)線基站設(shè)備包括無(wú)線BTS設(shè)備、能源設(shè)備、交換設(shè)備、衛(wèi)星設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等,所有基站設(shè)備都通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行業(yè)務(wù)匯聚后上行至衛(wèi)星Modem。衛(wèi)星關(guān)口站和4G通信基站之間,端到端采用L2通信[4]。

4G信號(hào)通過(guò)同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)后的雙向時(shí)延,平均值在530 ms左右。上行帶寬為2 Mbps,下行帶寬為6 Mbps。4G手機(jī)用戶能夠滿足網(wǎng)頁(yè)瀏覽,也能使用微信/WhatsApp等文字消息、語(yǔ)音這些低流量需求的應(yīng)用程序。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)同步衛(wèi)星通信技術(shù)與4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的相關(guān)技術(shù)研究、場(chǎng)景匹配測(cè)試驗(yàn)證,本文最終形成一套使用VSAT衛(wèi)星通信作為傳輸媒介來(lái)承載偏遠(yuǎn)地區(qū)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可行方案。與光網(wǎng)絡(luò)傳輸相比,本方案存在3個(gè)明顯的劣勢(shì):(1)雙向時(shí)延增加約500 ms;(2)Ku波段容易受雨衰的影響;(3)同步衛(wèi)星帶寬價(jià)格昂貴,帶寬低。盡管如此,本方案在偏遠(yuǎn)島嶼和山區(qū)等場(chǎng)景中仍有一定的應(yīng)用價(jià)值,已在東南亞印尼全境部署,衛(wèi)星基站規(guī)模達(dá)到上千,較好地解決了偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本需求。同樣,在國(guó)內(nèi)新疆、西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)以及東南沿海偏遠(yuǎn)島嶼,本方案也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。