Ka宽带卫星（共7篇）
Ka宽带卫星 篇1
一、机载卫星通讯系统应用领域
客舱内无线网络系统通过机载卫星通信系统与基于Ka波段的同步轨道卫星建立数据链接, 卫星与地面卫星基站保持数据链接, 这样就形成了客舱内无线系统与地面的数据传输链路。
对于远距离飞行的客机而言, 可能需要多部同步轨道卫星进行转发数据来完成客机与地面服务器间的数据传输。这套系统不仅可以为机上的旅客提供互联网接入服务外, 也可为飞机的其它重要系统提供额外的信息备份。
二、基于卫星的机载无线网络组成及技术特点
基于卫星的机上无线网络系统主要由机载服务器、机载卫星天线、无线AP、无线网络控制器组成。在机舱上部安装有卫星天线和射频系统, 在机舱内安装一个用于接受卫星信号的调制解调器和机载服务器, 舱内无线宽带系统是由分部客舱的无线AP和无线控制器组成, 将互联网接入机舱, 从而支持乘客使用便携式终端接入互联网。
飞机到地面的通信通道:机载卫星系统通过Ku波段与上空同步卫星建立通信, 然后卫星通过转发或者直接发送信息至中国本土基站, 进行数据处理后转发至运营商服务器, 最后接入互联网。
三、基于Ka波段卫星通信的特点
1.采用高阶调制技术。基于Ka波段的卫星系统一般使用QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高阶调制技术。该技术有高频带利用率以及高传输速率的特点。
2.DVB-S2标准利用。DVB-S2相较DVB-S占用的卫星资源约少3-4成。
3.运用蜂窝状多波束特征天线。多波束蜂窝覆盖天线可以提高卫星的频道效率、有效辐射功率、系统接收性能和容量等。
4.星上使用功率动态分配器。对业务量大或者雨衰情况明显的区域加大发射功率。
5.采用透明转发器或处理转发器。
6.高效的抗雨衰技术。雨衰现象在Ka这种波段上相对显著, 为彻底处置限制Ka波段对应卫星通信过程中的雨衰情况, 运用控制上行/多波束功率、自适应、分集接受等多种技术, 以便减少雨衰造成的影响。从当前实际运用而言, 下列技术显然能够更好处理雨衰现象:
1) 控制上行功率的AUPC技术
卫星站将雨衰情况考虑在内, 适当的保留了一些上行功率, 并且持续关注上行链路上是否有雨衰现象, 如果发现有雨衰导致的信号衰落, 则增大相应上行链路的发射功率, 使卫星的接受电平处在一定的合理区间以内, 保证卫星地面站与卫星的通信质量。
2) 自适应技术
ACM——自适应编码和调制。根据天气状况自动设定编码格式。VCM——可变编码和调制。若处于单模式时, 卫星没有收到回传信号 (测试用) 时, 本技术将无法启动, 但可针对具有固定编码、施行调制业务可运用。DLA——动态链路自适应技术。根据链路信号情况改变调制/编码的格式, 以便动态消除雨衰冗余。
Ka波段将逐渐成为太空通信技术的主流, 并且已经有不少国际卫星公司都开始着手开发基于Ka波段卫星的科研项目和相关业务。将来在民航客机上采用基于Ka波段卫星的数据交互技术不仅能够拥有高带宽, 高吞吐量的优势, 还能获得较高的有效辐射功率值, 减小终端天线尺寸, 从而给航空公司的无线上网业务提供更多支持。
四、抵消机载卫星通信的多普勒频移技术
飞机的高速飞行会产生多普勒效应, 因此伴随多普勒频移量来改变接收设备频率, 使其提供的补偿量与频率漂移量应该尽量保持一致, 只有这样输出信号 (中频) 的频率才会较为稳定, 达到抵消多普勒效应的作用。
依照接收信号设备检测所得多普勒频移和波动率, 便能够用已经得知的收发频率比经过计算求解发出频率的补偿需求, 随后调整发射设备本振信号, 使得频率改变达到提前补偿多普勒频移的目的。
通过上述手段调纠频移的关键在于实现多普勒频差的精准预估, 预估此频差的方法通常有两种:
第一种, 开环检测法, 本方法充分运用多种传到设备 (机载ADIRU, GPS等) 得到其载体运动的实时姿态、所处位置等参数, 再经与地球轨道同步的卫星、飞机位移 (相对) 、信号频率等数据完成建模, 并初略核算出频移;
第二种, 导频跟踪法, 本方法利用接收设备密切跟踪某一确知其频率的载波, 通过对比载波和设备所得频率之间差值, 求解通信点位频移大小。
五、结论
基于Ka波段的卫星宽带接入技术将逐渐成为跨洋航班的上网解决方案, 我国民航班机也将利用我国自主发射的Ku/Ka卫星网络实现互联网接入, 并覆盖大部分跨洋航线, 通过飞机上机载接收机将卫星信号转化成机舱内的Wifi信号, 让乘客在飞行中也可以享受接入互联网服务。
Ka宽带卫星 篇2
K a宽带卫星多为点波束覆盖, 又称高通量卫星 (HTS) , 通过频率复用和关口站技术使卫星总容量比传统卫星增大数十倍甚至百倍。经历了第一代HTS (以Telesat的Anik F2, Thaicom的IPstar, Viasat的WildBlue1, Hughes的Spaceway3为代表) 之后, 第二代HTS卫星已进入运营多年, 以欧洲卫星公司的Ka-Sat、卫讯公司的Viasat-1、休斯卫星公司的Jupiter-1为代表, 它们全部工作于Ka频段, 系统容量分别为70Gb/s, 140Gb/s, 100Gb/s, 最新一代的HTS时代即将于2016年到来, 以Viasat-2和休斯卫星公司的Jupiter-2为代表, 系统容量将达到280Gb/s和150Gb/s以上。
全球宽带卫星通信起步于2004年, 到2010年开始进入快速发展时期, 近年来全球各地30多家卫星运营商中, 已经有20多家开展了宽带卫星通信服务, 或宣布了相应的计划。全球宽带卫星通信运营服务市场最为发达的首先要数北美, 其次为欧洲。主要运营商运营规模如图1所示 (万用户) 。
与传统C和Ku卫星运营商只出租卫星转发器、用户自建主站的运营模式相比, Ka宽带卫星通信业务的运营模式则有很大不同, 卫星运营商不再只是简单的运营空中卫星, 而是有可能要维护、管理、运营整个卫星网络, 用户只需购买或租用相应的地面终端就可快速方便地入网使用, 因此, Ka卫星运营商还需开发、建设完整的业务和运营支撑系统 (BOSS) , 为用户提供网络管理、QoS保证、计费、账单、故障申报及处理等服务。
就宽带接入业务的服务对象而言, Ka宽带卫星通信商业模式分为两种:一种是直接向最终用户提供服务 (B2C, Business to Customer) , 另一种是向企业用户提供服务 (B2B, Business to Business) 。
K a宽带卫星通信的B 2 C模式改变了传统卫星通信行业面向专业用户的格局, 扩展到直接向大众用户提供服务, 这必然要求卫星运营商改变传统的经营模式、经营流程和经营架构。例如, Ka宽带卫星通信运营商需要大规模的订购用户终端, 并建立相应的销售体系和售后服务体系, 它同时要求运营商拥有雄厚的资金实力。对于用户规模有限、地理分布较广的Ka宽带卫星运营商, 它们通常倾向于通过代理来完成这些工作, 即B2B模式。它将客户终端采购、销售、售后服务转交给了专业的运营商去完成, 这样做的好处是可以有效地规避市场经营风险, 做好自己的核心业务。
2 国外Ka卫星运营商的运营情况
从目前对国外多家Ka宽带卫星业务运营商运营模式的了解和调研, 各家均采用的是混合模式, 但是各类模式所占比例不同, 业务侧重不同。如美国的两家Ka卫星宽带运营商, 休斯和卫讯既是卫星系统提供商, 又是业务运营商, 主要采用的是B2C模式, 而欧洲的Ka宽带卫星运营商不仅服务于欧洲的用户, 也面向非洲和中东卫星通信市场, 用户所在国家差别很大, 市场情况、政策法规各不相同, 因此普遍采用B2B模式, 通过在不同国家的ISP和代理商服务于当地用户。
从卫星容量、地面系统构成, 业务应用和市场特点等方面, 欧洲Ka宽带卫星市场比北美更复杂, 与我国更类似, 因此, 以下将重点针对欧洲的几家Ka卫星运营商的运营模式和业务特点进行研究。
2.1 欧洲卫星公司 (Eutelsat)
K a-Sat是Eutel Sat的第一颗也是覆盖欧洲的第一颗Ka高通量卫星, 2010年发射, 有82个点波束, 定点于东经9度, 主要覆盖欧洲和部分非洲北部地区, 总容量约75Gb/s, 地面网络使用美国Via Sat公司的Sur Beam 2系统。
从2011年5月底开始, Eutelsat在欧洲及地中海地区用户提供以Tooway为品牌的卫星宽带互联网接入服务, 下载最高速率22Mb/s, 上传达6Mb/s, 其速率、价格和品质与地面ADSL相当。但是, Eutelsat的Ka宽带业务推出之际正赶上欧盟的光纤到户计划实施, 对卫星宽带业务造成了一定的影响。目前, Tooway宽带服务已被爱尔兰、瑞士与意大利等国家选择为国家宽带计划的支持方案之一。
Skylogic是欧洲卫星公司 (Eutelsat) 的全资子公司, 成立于2009年, 专门负责Eutel Sat的Ka卫星固定业务运营 (Ka-Sat上的移动业务是由Eutelsat总部直接运营和管理, 目前只有机载业务) 。截至2 015 年10月, S k y l o g i c约有19万余激活的终端上线, 用户的标准终端配置为77cm天线+3WODU。Sk ylog ic的所有业务现在均是通过ISP或代理商去销售和提供服务, 不直接面向最终用户, 目前已发展20余家ISP。在既有用户中:75%为消费用户, 包括个人客户及小企业等, 不提供固定IP地址 (B2C业务) ;25%为大企业、政府及广播客户等, 提供固定IP地址, 并对IP地址收费, 此类用户可设置CIR, 属于B2B业务。表1为某一ISP为消费者用户提供的Too Way卫星宽带上网的套餐和价格。
Skylog ic的企业用户有政府、军队、广播, 还包括虚拟网络运营商 (VNO) , 如电信运营商、电力公司、加油站和超市连锁店、石油公司等, 这些VNO可以选择基于二层组网, 管理自己的用户。
Skylog ic的B2B业务除了To oway用户外, 还有基于NewSpotter终端的数字新闻采集 (SNG) 业务。Newspotter是Eutelsat推出的特色卫星SNG业务, 利用Ka卫星相对空闲的回传信道容量, 提供视频回传服务。
News Sp ot t e r系统提供现场与电视台之间的双向IP连接, 可随时随地高速传输全高清实时视频等信号, 记者在现场可以利用终端设备 (SNG天线、调制解调器和视频编码解码器等) 采编制作完成的新闻节目。相对传统SNG终端, NewSpotter终端更小、更轻、更具移动性, 架设更快捷, 因而更受新闻制作人员的欢迎。NewSpotter比传统SNG服务便宜90%, 而且在欧洲大部分国家Ka频段是免费频段, 无需申请许可, 因此获得了广泛的应用。欧洲的一些广播公司, 例如丹麦TV2广播公司已将NewSpotter集成到广播基础设施之中, 以提升其新闻采集能力。除了广播公司等新闻机构, 政府、军队、警察等行业也能方便地使用New Spotter服务进行视频回传。NewSpotter使用便携式终端和静中通天线, 能自动对星, Skylogic还开发了手机App提供覆盖查询, 便捷寻星、对星等功能。
作为同时拥有Ka卫星资源与传统Ku卫星资源的卫星运营商, Eutelsat如何解决内部Ka与Ku之间的市场竞争?答案是两者基本不存在竞争, 在欧洲Ku和Ka是两个不同的市场, 鲜少有用户从Ku转到Ka卫星上, 其Ka用户绝大部分是新增的。这是因为Ku卫星主要提供电视广播和直播电视到户业务, 而K a则解决的是地面网络不发达地区的宽带互联网接入, 弥补的是地面ADSL和光纤网络的不足。
受到卫星载荷和平台的限制, 卫星上波束之间容量不可调整, 因此, Ka-Sat上有的波束容量已饱和, 而有的波束还比较空, 造成一定的浪费。对于高通量点波束卫星, 能在不同波束之间实现频率资源调配功能将大大增加了市场推广的灵活性, 期待Eutelsat的下一颗Ka卫星能够实现这一功能。
2.2 SES
S E S于2 0 0 7年成立了全资子公司S B B S (SES Broadband Services) , 专门负责为SES提供宽带通信服务。SBBS负责地面运营业务, 使用SES的卫星资源、地面资源、办公场所以及软件开发等相关服务, 并按照内部结算价支付相关费用。他们的目标是为欧洲未被地面宽带网络覆盖到的地区提供与地面网络相当的服务, 目前运营欧洲、中东地区最大的面向最终消费者的卫星宽带网络, 销售收入中85%来自欧洲, 15%来自中东地区和非洲。
SES的宽带卫星业务使用两种卫星资源:Ku频段和Ka频段, 起步于Ku卫星, 2010年鉴于Ka波段的成本优势, SBBS决定将其Ku宽带网络升级成Ka宽带网络。2012年9月SES的第一颗高通量卫星Astra2F发射, 2012年12月开始正式提供卫星宽带业务。第二颗卫星Astra 2E于2013年9月发射, 第三颗Astra2G于2014年发射。这三颗卫星携带Ka有效载荷, 共有4个大的Ka点波束, 覆盖欧洲业务相对密集的地区, 最大支持20万用户。现在的宽带卫星网络中既有Ku用户, 也有K a用户。2011年Gilat作为合作伙伴为SBBS提供90%的地面设备, 另外一家地面设备提供商是总部位于比利时的Newtec公司。
SE S的宽带卫星商业运营模式有两种, 第一种为批发模式, 第二种是全业务模式, 两者的区别在于用户服务热线和技术支持、终端安装由谁完成。批发模式下, 全部交给ISP;而全业务模式下则由S E S提供, 选择哪种运营模式取决于I S P的服务能力, 如图2所示。
图3是SES的主要业务运营模式示意图。可以看出, 卫星关口站在卢森堡, 由SBBS负责管理和运营, 直接用户为ISP, SBBS将流量批发给这些ISP, 并承担所有复杂的后台管理和维护, 使ISP能够集中精力去开发最终用户、提供服务内容, 与该ISP的其他业务进行融合利用其现有的销售渠道, 制定价格策略、提供用户服务热线和技术支持, 为用户提供计费, 收费, ISP从设备提供商处直接购买卫星终端。而主站系统的设备维护和与终端有关的服务等可以交给设备提供商负责。
SES最终用户主要是家庭用户 (85%) , 分布在法国、英国、德国、意大利、荷兰和比利时, 为他们提供宽带上网、VoIP和IPTV服务, 5%的收入来自行业用户, 如能源监控和海事应用, 10%的收入来自为非洲用户提供远程教育、投票监控等服务。SES卫星宽带上网速率为最大20Mb/s (下载) 和2Mb/s (上传) , 使用月租费参见表2。
ISP通过SBBS的统一网管系统, 可以对用户终端的参数进行直接管理和控制, 包括设置终端速率、使用量限额、超额申请、QoS定义等操作。SBBS也使用该网管对关口站和主站系统进行配置、控制和监控。
S B B S通过充分的市场调研, 认识到无论是终端产品的价格还是终端产品与应用的结合都是整个系统的决定因素, 其重要性甚至超过主站的价格和技术特点。针对欧洲的村庄等特点, SBBS定制了卫星+无线的整体解决方案, 并与合作伙伴提供了工程安装等一揽子服务, 同时在主站服务为ISP提供了包括个体用户流量检测等工具, 给小型ISP或项目初期提供支持。SBBS要求终端能实现自助式安装, 简单、方便、快捷, 设备成本和月租费要尽量低, 以提高与地面网络的竞争力。
2.3 Avanti
总部位于英国的Avanti公司目前拥有3颗Ka卫星 (Hylas 1 & 2, Artemis) , 后续有2颗Ka卫星计划 (Hylas 3 & 4, 计划2017年发射) , 主要覆盖欧洲、非洲、中东等区域, 现有工作人员215人。表3为Avanti公司的Ka在轨卫星和发射计划:
在如何选择地面系统方面, Avanti认为应该由市场驱动, 因此采用多卫星地面系统构建的平台, 主要卫星地面厂商包括Gilat, i Direct, Hughes, Newtec, Comtech等, 用户可以根据自己的需求选择不同厂商的终端设备和服务。Avanti现在英国、塞浦路斯、德国和土耳其设有关口站, 所有关口站都建设有备份站, 可以为对可靠度要求高的电信级用户提供99.99%的上行可用度。相对欧洲其他Ka卫星运营商, Avanti在系统方面投资最大, 因此带宽批发价格也相对较高。Avanti不直接面向最终用户, 而是通过各地的代理商和ISP销售, 面向不同国家、不同行业的客户提供MBPS或MHz批发服务 (B2B模式) , 再由不同国家的运营商或行业提供商提供最终大众消费用户的服务。最终用户的月租费参见表4。
基于云服务的用户界面使得Avanti的用户仅需最小的投资就能管理各自的网络, 成为虚拟网络运营商, 如图4所示。
Av a n t i的主要市场包括:宽带接入 (在英国尚有2%的人口需要使用卫星宽带) 、企业数据、电信运营商的3G和4G回传 (欧洲、中东地区和非洲有15, 000个需要基于卫星传输的移动基站) 、政府应用 (远程教育、远程医疗) 。Avanti公司是欧洲一个比较封闭的公司, 市场重点放在中东和非洲, 主要竞争对手在欧洲是KA-Sat和SES, 在中东是Yahsat’s Y1B卫星。另外与Ku卫星系统相比, Avant i的高通量卫星能提供更具竞争力的价格, 因此希望从传统Ku卫星通信市场获得更多的用户。在移动业务上与Inmasat存在竞争, 在IP中继上与O3B存在竞争。
2.4 NBN
澳洲的国家宽带计划 (NBN) 项目于2009年发布, 为澳大利亚境内的家庭和企业提供宽带上网服务, 具有普遍服务的性质。项目涉及的总金额为420亿美元左右, 其中, 93%的用户使用光纤技术接入互联网, 4%的用户通过固网长期演进LTE技术提供宽带服务, 另外3%的用户的宽带服务则通过卫星提供。对于这3%的家庭, 2009年政府决定成立NBNCo公司。
通过卫星提供宽带服务的过程分成两期:第一期使用IPSTAR澳洲Ku点波束及OPTUS Ku大波束的卫星资源, 由Gilat提供地面设备, 向客户提供6Mb/s/1Mb/s速率的宽带接入服务, 第一期用户目前发展已经饱和, 用户现已感受到网络拥塞的问题;项目的第二期, NBN Co购买了两颗高吞吐量的K a卫星, 覆盖澳大利亚及周边各岛屿, 两颗星分别位于140E和145E, 点波束数量达到101个, 吞吐量为10 0Gb/s。卫星及系统投入使用后, 第一期的客户将免费升级到Ka网络, 使用Ka宽带上网, 网速可达到12M /s /3M /s级别。
澳大利亚NBN公司的宽带卫星通信在批发层面提供的上网速率和月服务价格与当地光纤、地面无线宽带相同, 月服务费仅20余美元。
3 我国卫星通信市场特点及欧洲Ka运营模式带来的启发
与欧洲的Ka卫星通信市场相比, 我国发展Ka应用可以借鉴其业务模式, 初期将会以B2B模式为主, 不直接向最终用户销售, 但是在具体应用上与欧洲将有所不同。
“宽带互联网接入”是欧洲Ka卫星固定业务的主要应用类型。欧洲大约有10%的地区没有宽带网络接入或根本没有地面线路到达, 一些地方仅有ADSL线路, 这些地区不仅指那些偏远的农村地区, 即使离城区很近的一些郊区, 也仅有ADSL而没有光纤线路, ADSL服务不仅速率慢而且费用高。如意大利某大城市近郊, 2Mb/s上行/512kb/s下行的A D SL线路就需要支付每月达几百欧元, 相对来说K a卫星既便宜而且开通迅速, 也就不难理解K a卫星通信会受到消费者的欢迎, 在宽带接入市场占有一席之地。
但是这类应用在我国推广起来会困难很多, 欧洲由于土地私有化, 铺设地面网络成本很高, 而我国的情况则有很大不同, 据电信运营商称, 地面光纤网络要实现光纤到行政村, 2015年已有1.4万个行政村通了光纤, 10年内全国所有乡的单用户接入速率将达到12Mb/s, 在这样的形势下, 留给卫星通信施展的空间就很有限了。尽管国家提出了“宽带中国”计划并有1, 400亿元的投资计划, 但各大运营商依然立足于铺设光纤作为各自的解决手段。
造成这种局面除了国家政策对国内卫星通信应用方面的限制, 另一方面则是卫星通信长期以来给国内用户形成了费用高、速率慢的印象。卫星通信一直作为地面网络的补充和延伸, 面向受地理环境限制而没法铺设光纤的地区, 而这些地方往往经济不发达, 传统卫星的使用成本又相对较高, 常住人口以老人和儿童为主, 需求有限, 因此, 导致卫星通信宽带接入市场长期得不到较快发展。
而Ka卫星的出现有望能扭转这一局面, 在网络的建设成本和周期方面, Ka卫星依然具有传统卫星通信的优势, 并且Ka卫星无论从容量、业务模式、资费等方面, 都与传统卫星系统有很大不同, 预计能大大降低终端用户的使用费, 以接近地面宽带服务费用为目标。普通用户接入速率可以最大达到2 0 M b /s下行, 媲美地面光纤网络, 在收费模式方面与地面宽带类似, 可以按速率和月使用流量计费。然而最大的问题还是业务模式, 宽带接入是惠及百姓的普遍服务, 从来都不是一个纯商业的项目, 即便在欧洲大多数国家和澳大利亚等经济发达国家, 卫星宽带接入都是有国家补贴和资金投入的, 在中国这样经济发展极不均衡的国家, 发展Ka宽带接入业务更加离不开政府的政策扶持。如果国家补贴终端设备费用和安装费用, 卫星运营商就可与当地运营商和ISP合作, 探讨出一个多赢的服务模式, 共同推动我国卫星宽带接入的发展。
同样需要国家财政补贴和资金投入的还有远程教育和远程医疗等政府项目, 这些业务都有一个共同点是, 前期建设成本较大, 但是要求运营成本一定要低, 当地用户才能用得起, 只有Ka卫星才有可能实现。
从以上分析可以看出, 宽带接入将作为我国未来Ka应用的一个重要市场, 然而受到来自地面网络的竞争, 不会如欧洲Ka宽带应用一样普及。
移动应用也将是我国Ka宽带卫星通信市场的主要业务类型, 包括机载、高铁和船载应用。Ka卫星大容量的优势可以提供宽带上网、流媒体和视频服务, 突破传统卫星的速率瓶颈, 尤其在机载通信方面不受雨衰影响, 用户体验效果好;高铁上网服务在国内有相当大的用户基础, 目前两大市场都已进入测试阶段;卫星通信对船载用户是最重要的通信手段, 以前一直依赖于海事卫星电话, 近年来船载VSAT业务得到了很大发展, 但是价格高、速率低、用户使用门槛高, Ka宽带卫星通信的出现有望吸引更多地船舶用户, 带来更好的使用体验。
在企业专网应用方面, 欧洲的企业应用涉及民生的多个领域, 包括连锁酒店、超市、加油站等, 希望Ka卫星能降低我国普通企业的使用门槛, 吸引新的用户开始使用卫星。此外, 为降低企业运营成本, 也必然会吸引部分传统卫星专网用户使用Ka系统。即传统卫星用户额外建立一个Ka宽带互联网接入的网络, 与原有网络并行, 既能缓解企业发展对带宽的需求, 又无需自建主站, 专网用户可以作为虚拟网络运营商 (VNO) 来管理自己的用户, 以最小的投资带来最大的效益。
在欧洲, 由于地面网络和卫星网络的竞争关系, 电信运营商不担任卫星ISP的角色, 作为卫星分销和代理商的ISP负责向最终用户销售服务套餐, 提供设备安装和售后服务, 面向用户提供一层技术支持, 可以解决大部分问题, 如果解决不了, 则由ISP将问题上报给K a卫星运营商, 提供二层和三层技术支持。而在中国发展Ka卫星应用则需要寻求与各地电信运营商的合作, 利用运营商的营销和售后支持网络。此外, 培养和发展专业的卫星ISP也非常重要。
未来Ka业务将采用多样化的运营模式, 分为以下几类:
⊙可面向虚拟运营商 (VNO) 或互联网业务提供商 (ISP) 进行流量批发, 由VNO或ISP去发展和管理各自的用户, 可以提供多种服务套餐。按优先级提供服务质量保障。
⊙可直接面向用户或渠道分销商, 不同于传统卫星通信组网方式, 用户无需自建主站, 按保证速率或流量计费。
⊙用户可以按带宽 (MHz) 租用, 单独使用某一频段, 租用或购买调制解调设备, 在卫星运营商关口站进行托管。
⊙商业领域的合作伙伴也可以另建适合其应用的地面通信系统。
4 结束语
我国在Ka宽带卫星网络运营管理方面还是空白, 既无经验可以参考, 也没有市场数据积累, 在我国第一颗商用Ka宽带卫星和系统建设的同时, 深入了解国外其业务运营经验和模式, 借鉴其积累的运营经验, 相信对未来开展Ka宽带服务会有一定的启发和帮助。同时需要与国内卫星通信各个领域的用户就Ka各自的应用和业务模式进行深入探讨和沟通, 为2017年Ka卫星的正式商用打好基础。
Ka宽带卫星 篇3
Ka波段卫星通信特别适合宽带数字传输、高速卫星通信等需求。随着高频元器件及工艺等问题的解决和大量卫星通信新技术的应用, Ka波段宽带卫星通信现已走进了成熟的实用化阶段, 在全球商业应用尤其是在北美地区HDTV传输等方面取得了可观的经济效益。
Ka波段宽带卫星通信系统概述
1, 通信频率范围。Ka波段频率范围为17~31GHz。位于国际卫星通信第三区的我国其可用Ka波段划分为:卫星上行频率27.5~31GHz, 下行17.7~21.2GHz;总带宽3.5GHz。
2, 通信卫星运行轨道。在3.6万公里同步轨道及小于5千公里低轨位置都有Ka波段通信卫星运行着, 如法国Ka-Sat宽带通信卫星和“铱星”系统星间链路Ka波段通信系统。
3, K a波段宽带卫星通信的优势。1) 宽带高速。总带宽达到3.5 G H z, 而C、K u波段则只有500~1000MHz的带宽。Via Sat-1全K a波段卫星通信总容量达到了140Gbps, 为Ku波段卫星容量的100倍以上。
2) 抗干扰性能优越。由于现在所知道的各种干扰源其频率都远离Ka波段, 所以不可能对Ka波段卫星通信造成任何干扰。
3) 天线口径小。Ka波段卫星转发器使用蜂窝状多点波束具有较高的EIRP值;通信频率高在使用相同尺寸天线接收时能获得比C、Ku波段更高的天线增益。这些特性使Ka波段天线尺寸可以做得很小。
4) 远端设备小巧。远端设备体积小重量轻甚至一人即可携带使用, 非常适合新闻记者在各种应急情况下外出采访时使用。
5) 安装开通方便快捷。设备开通对外部安装环境要求低, 天线架设占地很小, 安装开通十分方便快捷。
Ka波段宽带卫星通信系统技术特点
1, 采用高阶调制技术。QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高阶调制方式在Ka波段卫星通信系统中得到普遍应用。高阶调制可有效提高带宽利用率, 获得较高的通信速率。如8PSK比QPSK可提高33%带宽利用率。
2, D V B-S 2标准的应用。DVB-S2较之DVB-S可减少30~40%的卫星资源占用。如10Mbps速率时DVB-S2占用4.6MHz带宽, DVB-S则占用8.4MHz带宽, 二者相差45%。
3, 通信卫星采用多波束蜂窝状覆盖天线。这是相对C、Ku波段使用赋形单波束覆盖天线一个显著技术特点。采用多波束频谱利用率高, 可有效提高卫星的EIRP、G/T值和系统容量等。
4, 星上使用功率动态分配器。根据实时监测情况可向业务繁忙的点波束或有雨衰区域的点波束发送较大功率。
5, 采用透明转发器或处理转发器。现在大多数Ka波段通信卫星使用透明转发器, 近年来出现了少量采用比较复杂的带交换处理功能的转发器。带有ATM处理器的转发器为有多种业务接入需求的用户带来了方便。
6, 高效实用的抗雨衰技术。雨衰对10GHz以下频率无线信号的衰减相对较小, 而对Ka波段无线信号的衰减则比较大。为解决困扰Ka波段卫星通信的雨衰问题, 采用了上行功率控制技术、自适应技术、分集接收技术、多波束功率控制技术等来减少雨衰的影响。从实际应用情况来看, 其中几种技术手段用的最为普遍, 效果比较理想。
1) 上行功率控制技术AUPC。
卫星通信主站为应对雨衰对信号的衰减, 在主站设计时预留有一定的上行功率冗余, 当降雨时对上行链路信号衰减进行估算, 依此相应的增加发射功率, 使卫星接收电平保持在一定范围内。实际工作中主站还实时接收VAST小站回传的C/N报告信息, 并根据它自动控制小站上变频功放功率的动态增加或减少。
2) 自适应技术。
(1) ACM-自适应编码和调制。自适应编码和调制技术仅对正在遭受雨衰的VSAT小站而不针对全网进行编码和调制的自动调整。在出现阴天或降雨时, 根据小站C/N报告, 动态分配VSAT小站采用更可靠的调制和编码模式。例如从晴天的16APSK 9/10降到阴天的8PSK 5/6或雨天的QPSK1/2, 降雨结束后自动返回到晴天带宽效率最高的调制和编码模式。
(2) VCM-可变编码和调制。VCM是一种人为改变编码和调制的方式。主要在单向接收模式下因为没有卫星回传的测试信息, ACM功能无法使用;以及一些需要固定编码和调制的业务应用时使用。卫星信号强弱波动变化时可结合天线尺寸人工设定编码和调制。
(3) DLA-动态链路自适应技术。DLA技术通过变化的入境链路信号强度来调整调制和编码方式, 可动态地消除不必要的雨衰冗余。晴天使发射Ka波段通信卫星最多的国家。美国Ka波段宽带卫星通信在高清电视HDTV、互联网接入、宽带多媒体通信、直接入户等应用方面取得了可观的经济效益。Wild Blue-1、Spaceway-3、Via Sat-1等是美国在用的全Ka波段宽带通信卫星, 相对Spaceway-3的10Gbps通信总容量, 今年开通的Via Sat-1达到了史无前例的140Gbps, 它覆盖北美和夏威夷等地区, 可为数百万的用户提供各种宽带通信服务。在更高EHF频段美国也早已进行卫星通信系统的开发和应用, 尤其是在军事应用领域。
加拿大是另一个Ka波段宽带卫星通信商业化应用较早和成功的国家, 它使用搭载有Ka波段转发器的Anik-F2、Anik-F3等通信卫星为北美地区用户提供HDTV、互联网接入、边远地区远程医疗及教育等服务。
Ka波段宽带卫星通信在欧洲的商业应用情况较北美地区存在差距, 但EUTELSAT公司于2010年12月27日发射的Ka-Sat全Ka波段通信卫星则使欧洲一步跨入了全球Ka宽带卫星通信的先进行列。Ka-Sat其70Gbps通信总容量是当时全球容量最大的通信卫星, 它可为超过100万欧洲及大部分地中海盆地家庭用户提供宽带互用带宽效率最高的符号速率和编码, 下雨时自动改成较低的编码率FEC和自动跳转到较低符号速率的载波。它能降低小站上行20%, 入境18%的带宽资源。
著名的卫星通信设备提供商以色列吉来特公司实验数据显示, 在采用自适应上行链路功率控制、自适应编码和调制、动态链路自适应技术后, 即使在有雨衰情况下, 这些功能结合在一起仍可以保证最高系统可用度, 最大的动态范围可达23d B。
迅猛发展的Ka波段
宽带卫星通信
欧美发达国家在上世纪后期就开始了Ka波段卫星通信的研究、开发和应用。后卫星通信因受到地面光纤系统的冲击, 一段时期内发展十分缓慢。近年来由于大量卫星通信新技术的相继采用, 高频元器件难题的攻克以及雨衰问题等的较好解决, 使得宽带卫星通信得到了迅猛发展, 尤其是最近两年多来随着超大容量高速宽带Ka波段通信卫星的相继发射升空, Ka波段宽带卫星通信的发展迎来了春天。
美国是世界上Ka波段卫星通信商用化最早的国家之一, 它也是全球
2011年10月20日, 美国卫讯公司全球通信容量最大的Via Sat-1全Ka波段通信卫星发射成功, 今年1月16日开通了卫星互联网接入等商业服务。Via Sat-1以其140Gbps通信总容量引领卫星通信进入了全新的高速宽带多媒体时代, 改变了人们对宽带卫星服务经济性和质量欠佳的认识, 市场竞争能力大增。Via Sat-1犹如空中信息高速公路, 在较长时期内可满足高速数据通信、高清电视HDTV传输、直接入户DTH、卫星新闻采集SNG、VAST、移动互联网接入等带宽密集型业务高速增长的需求。因C、Ku波段转发器带宽资源的限制, Ka波段宽带卫星通信以其优势正成为各国高清电视、宽带多媒体业务传输等的首选。许多国家已开通或正计划开通Ka波段宽带卫星通信系统, Ka波段宽带卫星通信在全球正呈现出蓬勃发展之势。
联网接入和数据传输等服务。Ka-Sat卫星可提供最大上、下载流量分别为20Mbps和50Mbps的标准服务。
日本上世纪7 0年代就开始了K a波段通信卫星的研制试验, Super Bird等通信卫星现可提供Ka波段卫星通信国内服务, 但日本始终没有形成有规模的商业应用。以色列是亚洲及全球Ka波段卫星通信技术领先的国家, Gilat公司将为澳大利亚建设NBN多点波束Ka宽带卫星项目, 使用IPSTAR的多点波束Ka/Ku波段卫星。韩国、印度、沙特、阿联酋、俄罗斯等许多国家都已进行或计划进行Ka波段卫星通信应用或试验。
Ka波段卫星通信在我国已完成了星载处理交换机和Ka波段多波束天线等关键设备的研制工作, 2008年10月30日发射的我国制造的委内瑞拉一号通信卫星除搭载C、Ku波段转发器外, 还搭载了2个Ka波段转发器。我国已向国际电信联盟ITU申请Ka波段通信卫星轨道位置。国内一些单位如中央电视台已开展了Ka波段SNG业务, 新华社也在巴黎分社进行了Ka波段卫星通信的应用试验。在军事通信一些方面Ka波段卫星通信我军已有所应用。总的来说我国处在Ka波段宽带卫星通信应用的初级阶段, 随着宽带多媒体业务传输需求的高速增长, 我国将很快进入Ka波段宽带卫星通信应用的快速增长期。
前景光明的Ka波段
宽带卫星通信
宽带通信卫星正引领着卫星通信的重大变革, 而多业务覆盖的宽带高效率智能的卫星通信平台是卫星通信总的发展趋势, Ka波段宽带卫星通信则代表了这种发展趋势。2015年Ka波段宽带通信卫星将覆盖全球, Ka波段宽带卫星通信有着光明的发展前景。
根据掌握的资料得知, 近几年内全球将有多颗全Ka波段通信卫星发射升空。今年计划发射的有:英国Avanti公司的Hylas-2及休斯网络公司的Jupiter通信卫星, 它们都是同步卫星, 其中Jupiter通信总容量在100Gbps以上。明、后年计划发射的有:Inmarsat公司的Inmarsat-5F1/F2/F3三颗低轨移动通信卫星。今年还有O3b公司的多颗O3b中轨通信卫星计划发射。如此密集的发射计划预示着Ka卫星通信在全球已进入高速增长期。
Ka波段宽带卫星通信现主要应用在传统的高清电视HDTV传输、宽带数字通信等方面, 随着多颗不同轨道Ka波段通信卫星的陆续发射升空以及各种大带宽新业务需求的出现, Ka波段宽带卫星通信必将在这些新领域得到应用:
1, 3 D电视信号传输。据报道, 今年夏季伦敦奥运会上将有超过200小时的开闭幕式、比赛项目等进行3D电视转播, 利用宽带卫星系统传输将是最佳选择。国内CCTV等六家电视台已在2012年1月1日开办了3D电视试验频道, 广电总局提出了十二五末期将开通10个3D频道的发展目标。我国现阶段HDTV、标清等电视信号是利用C、Ku波段通信卫星进行传输的, 而C、Ku波段资源已难以满足3D电视信号的大量上星传输, 而拥有更大带宽资源的Ka通信卫星将是不错的选择。
2, Ka波段卫星移动通信。在低轨卫星移动通信方面, 随着近几年Inmarsat-5 F1/F2/F3卫星的陆续发射升空, Ka波段卫星移动通信将得到广泛应用。在FSS卫星频段上, 美国卫讯Via Sat公司推出了使用30厘米以下小型天线的Arc Light卫星移动宽带系统, 它是迄今全球技术领先唯一获准在FSS中使用的Ka波段卫星移动宽带系统。
3, 空中Ka宽带WI-FI。在民航班机上配备Ka波段机载双向卫星通信设备, 通过Via Sat-1号通信卫星为乘客提供空中电视和机上WI-FI宽带互联网接入等服务。据报道美国联合大陆及捷蓝航空公司就有370多架客机拥有这种服务。我国国航正在尝试这种服务, 但还没有做到真正意义上的空中Ka宽带WI-FI。
4, 其它应用。卫星应急通信、海事移动通信、突发事件新闻报道、地面传输系统容灾备份等都可以成为Ka波段宽带卫星通信应用的新领域。
结束语
近年来, 卫星通信技术的进步及全球多媒体业务传输需求的高速增长促进了宽带卫星通信的不断发展, 全球宽带卫星通信正从C/Ku波段透明转发器赋形波束通信系统向Ku/Ka及全Ka波段透明或处理转发器蜂窝状多点波束通信系统发展。固定卫星业务FSS、广播卫星业务BSS及移动卫星业务MSS之间的界限已不再那么清晰, 卫星通信也不再是独立的通信网络, 它与地面各种通信信息网络的联系更加紧密, 出现了天地一体相互融合的趋势。如今卫星通信系统已是全球信息化网络设施的重要组成部分, Ka波段宽带卫星通信系统作为空中信息高速公路有着广阔的发展前景。■
(作者单位:新华社技术局)
Ka宽带卫星 篇4
多址接入体制是带宽资源有效利用的关键。目前宽带卫星系统的多址接入体制主要是以TDMA (或MF-TDMA) 及CDMA为主, 然而TDMA体制的宽带卫星具有自身难以克服的几个问题:帧同步要求精度高, 抗干扰性能较差, 时隙调度算法复杂, 容量难以扩展。尽管CDMA技术与TDMA相比, 具有抗干扰性能好、系统容量大、频率利用率高、安全保密性好等优点, 在地面移动蜂窝网中得到了广泛的应用, 但如果应用到卫星环境中, 复杂的多用户检测技术将严重增加星上处理的负担。分析CDMA体制的优缺点, 可以设想, 如果能够以较低的复杂度解决星上多用户检测问题, 则为新一代宽带卫星系统提供了一种合理的解决途径, 这一思路随着交织区分多址接入 (IDMA) 技术的出现而逐渐清晰起来。IDMA技术是由香港大学的李平教授首次提出的, 其核心思想是利用不同交织器来区分不同的用户[2]。由于采用了非常简单的码片级迭代译码方法, IDMA能够以远低于CDMA多用户检测的代价支持多址接入, 该方案的归一化复杂度与系统总用户数无关。此外, 在IDMA系统中, 可以使用低速率码最大化编码增益, 把CDMA系统中的扩频码所占用的带宽释放出来用于信道编码, 使整个系统的性能接近多址接入的信道容量限[3—6]。在带宽和星上处理能力受限的卫星通信系统中, IDMA的上述技术优势尤为值得关注。将IDMA引入新一代宽带卫星通信系统, 有望突破现有卫星多址接入方案的技术瓶颈。
然而, 目前对IDMA技术的研究主要针对加性高斯白噪声 (AWGN) 环境, 其在卫星通信环境中的优势还没有得到充分挖掘。鉴于上述分析, 本文充分考虑Ka频段卫星信道特点, 首先建立了Ka频段宽带IDMA卫星系统模型;在此基础上, 与CDMA体制下宽带卫星系统的性能与容量进行了仿真对比, 给出定量的数值结果。
1 Ka频段宽带IDMA卫星系统模型
1.1 Ka频段宽带卫星信道模型建立
Ka频段卫星信道中主要有以下几种衰落[7,8]:
1.1.1雨衰Ar
由于降雨引起的信号衰落, 是载波频率和系统可行性的函数。
(1) 大仰角下:
(2) 小仰角下:
式中f为载波频率, C1、C2、δ1、δ2是系统可行性的函数, θ为地球站仰角, θ0为参考仰角。
1.1.2大气吸收
由氧气吸收和水蒸气吸收引起的损耗。ITU-R给出的表达式如下:
(1) 氧气吸收损耗
(2) 水蒸气吸收损耗
式中h和r代表高度和损耗系数。
1.1.3云雾衰落Ac
传播信号由于云雾而受到的衰落。与液体水含量和温度有关。
式中L为云雾厚度, 可近似为1 km, ε'和ε″分别为水的介电常数的实部和虚部, f为载波频率, η= (2+ε') /ε″。
1.1.4大气闪烁As
由于大气层折射率时变性引起的衰落。
因此, 卫星信道中总的衰落值At计算公式如下:
将式 (1) 代入卫星通信自由空间传播公式中可得:
式 (2) 中PR和PT分别表示接收和发送载波平均功率, l为通信距离, c为光速, AT和AR分别为接收和发射天线的有效面积, Po为系统不可用率。
由文献[9]中的分析可以得到式 (2) 中乘法因子m (f, Po) =f2/At随f的增大而增大, 但同时信道总衰落At随f增大而迅速增大又造成乘法因子的减小。数值计算表明在系统可行性较低时, 乘法因子在很宽的频率范围内基本不变。因此Ka频段卫星通信信道总衰落可认为是非频率选择性衰落, 由“平坦”的衰落与加性高斯白噪声 (AWGN) 组成, 且这种平坦衰落只与天气有关。
综上所述, 由式 (2) 可得Ka频段卫星信道模型可等效为一个信道乘性衰落过程, 可表示为:C (t) =a (t) exp[jφ (t) ], 其中a (t) 和φ (t) 都是实随机过程, 其概率密度函数如下:
式中σ'和σ″为包络和相位的方差, 而m'和m″分别包络和相位的均值。其具体值在各种天气条件下已被测得[10]。因此可以建立Ka频段卫星信道仿真模型如图1:
1.2 Ka频段宽带IDMA卫星系统模型建立
结合上一节中建立的Ka频段信道模型与ID-MA系统结构可以建立如图2所示的Ka频段宽带IDMA卫星系统的模型。
图2上半部分是该系统的发射机部分, 仿真中有K个用户, 各个用户数据数据dk先经过扩频, 生成序列ck≡[ck (1) , …, ck (j) , …, ck (L) ]T, 其中L是一个数据帧的长度, 然后ck经过交织器πk生成xk≡[xk (1) , …, xk (j) , …, xk (L) ]T。参照CDMA将xk中的元素成为“码片”, 则L也被称为码片的个数。其次xk经过Ka频段卫星信道进入接收机。接收机就是IDMA系统的接收机即逐码片 (CBC) 迭代接收机, 由一个基本信号估计器 (ESE) 和K个交织器、K个解交织器、K个译码器 (DEC) 组成。IDMA的核心思想就是不同用户数据通过不同交织器区分, 即图2中πk对于不同用户的数据是不一样的。
2 Ka频段宽带IDMA卫星系统性能
为了验证IDMA体制宽带卫星系统的性能, 并与传统CDMA体制进行对比, 本节将利用上面建立的系统模型开展仿真分析。仿真中码片速率Rc的选取是参照欧洲ESA的宽带CDMA卫星系统SW-CDMA设定的, 分别取2.048Mchip/s和4.096 Mchip/s。
其他共用参数设置如下:卫星转发器带宽Bw等于500 MHz, 用户数据长度Ld等于100 bits, 重复编码长度Rp等于2, 迭代次数It等于3, 信息速率Rb分别取100 Kbit/s (参考3GPP标准, 会话类业务平均比特率) 和128 Kbit/s (交互类业务平均比特率) , 调制方式采用BPSK调制。
(Rc=4.096 Mchip/s, Rb=128 Kbps, M=32, Rp=2)
图3给出了晴天状况下, Ka频段IDMA和CD-MA卫星通信系统的性能比较, 其中信息帧长均为3 200, CDMA的扩频码采用m序列, IDMA采用扩频序列[+1, -1, +1, -1, …]。其中扩频序列的长度用M表示。
从图3的结果可以看出在同等条件下IDMA体制宽带卫星多用户性能要远优于CDMA体制 (例如用户数K=15, Eb/N0=10 d B情况下, IDMA的误码率远低于CDMA系统的误码率) 。这是由于, IDMA中交织是逐码片完成的, 交织器的深度是整个数据分组的长度, 由于这种随机交织的存在导致了数据之间的相关性大大的降低了, 这样就会使误码性能变好。而传统CDMA体制交织器工作在比特级, 相同码片在信道中传输其相关性不会得到改善, 从而造成较严重的误码。
图4给出了不同天气状况下的Ka频带卫星通信IDMA与CDMA性能比较。从仿真结果可以看出当天气状况为晴天、小雨、小雪时误码相当, 但当天气为黑云时误码率明显增加。图4的结果也可以看出同等条件下IDMA抵抗较差环境能力要优于CD-MA。
(Rc=2.048 Mchip/s, Rb=128 bps, K=7, It=3)
3系统容量分析
将IDMA引入宽带卫星系统的根本目的是为了大幅度提升系统容量, 为了验证这一问题, 本节对宽带IDMA卫星系统的容量分析方法进行阐述, 并给出与CDMA体制对比的定量数值结果。这里的系统容量定义为给定误码率要求下宽带卫星系统可提供的信道链路数。仿真考虑GEO多波束卫星系统, 每个卫星点波束覆盖一个蜂窝小区。图5给出了给定卫星的干扰仿真示意图。设Bsat为卫星可利用的总的带宽, Bc为每个点波束覆盖小区的带宽, q为小区内频率复用因子, N为子频带个数, Bb为子频带带宽, 则对于CDMA和IDMA体制下q=1, 因此Bc=Bsat/q=Bsat=NBb (这里忽略了保护频宽) 。
3.1基于解调器门限的信道链路数分析
首先来分析下子频带内可提供的信道数Lc。对于BPSK调制方式, Bb=Rc (1+α) , 其中α为升余弦滚降因子。则扩频增益G=Rc/Rb=Bb/[ (1+α) Rb]。设Eb为任意信道信号每比特的能量, 则传输信号每个码片的功率谱密度表示为
假定Itot为子频带内的用户i受到干扰的功率谱密度, N0为噪声功率谱密度, 则由式 (3) 可得Itot为
进而信干噪比SINR为
从而由式 (5) 可推得Lc为
则给定接收端的解调门限 (Eb/Itot) req和发射端的Eb/N0, 在传统CDMA系统中, 可以通过式 (6) 计算出子频带可提供的信道数。
然而IDMA系统由于采用CBC迭代译码技术, 以极低的复杂度抑制了多址干扰, 从而得到SINR性能的提升, 这称为SINR Evolution技术[11]。设SINR Evolution技术得到的干扰功率改善因子为f (γ) , 其中γ为初始SINR的值。则式 (5) 改写为
进而Lc可推得
由文献[12]可得功率控制因子为
式 (9) 中Yγk是一个均值和方差分别为2 (M-1) γk和4 (M-1) γk的Gauss型随机变量, γk为第k用户的SINR值[11]。
图6给出f (γ) 的性能曲线, 可看出f (γ) ∈ (0, 1) , 由式 (8) 可知, 采用IDMA技术后, 相同的 (Eb/Itot) req下Lc会增加。
结合式 (8) 和式 (9) 和图6的曲线, 图7给出了相同条件下, 一个子频带内分别采用IDMA和CD-MA体制而得到的容量理论分析结果。仿真中 (Eb/Itot) req取5 d B, 未采用差错控制编码。
从图7的结果可以看出相同条件下IDMA系统可提供的信道数要超过CDMA系统1倍以上。
3.2基于误码率要求的信道链路数分析
(Rc=2.048 Mchip/s, Rb=100 bps, f (γ) =0.4)
对用户而言, 解调器门限并不是非常直观的技术指标, 因此本小节对给定用户误码率要求下ID-MA体制与CDMA体制的系统容量进行了仿真分析和比较, 结果如图8所示。仿真中扩频长度M=35, Eb/N0=8 d B。同时两系统都使用了码率为1/2的重复码。
从图8可看出, 误码率要求为10-2时, 采用ID-MA体制得到的Lc约为20, 而采用CDMA体制得到的Lc约为9, 充分显示了IDMA在Ka频段宽带卫星系统中的巨大优势。
下面对整个卫星系统的容量进行仿真计算。假定一个GEO卫星系统可提供点波束J=200, 根据图5的卫星干扰示意图, 则系统提供的总的链路数C可由下式计算
式 (10) 中Lc为一个子频带提供的链路数, N为一个波束内的子频带个数。
通常情况下宽带卫星转发器带宽Bw频率等于500 MHz, 将其划分为N个子频带, 每个子频带带宽为Bb, 则表示取整。又因为Bb=Rc (1+α) , 若取α=0.22, Rc=4.096 Mchip/s, 则N=100。基于图8的思想先仿真求出Lc, 则C可被求出。表1给出了该系统分别采用IDMA和CDMA体制可提供的系统容量C的仿真结果。其中C_I表示IDMA系统的总的链路数, C_C表示CDMA系统的总链路数, “—”表示给定条件下无法达到误码率要求。需要说明的是, 本文重点分析IDMA在卫星系统中的优势, 而并未考虑Ka频段卫星信道的衰减补偿和差错控制问题, 因而误码率较高。
从表1结果可以看出:①C随着Eb/N0的增加而增加, 此原因由公式 (8) 可知;②相同条件下, 采用IDMA体制的Ka频段宽带卫星系统容量要远大于同等条件下CDMA系统。产生此结果的原因为:当以相同的SINR进入接收机时, 由于IDMA系统以极低的复杂度抑制掉部分多址干扰, 即存在SINR Evolution技术, 从而导致了IDMA接收机输出的SINR提高。这样当CDMA系统的SINR低于解调门限时, IDMA系统的SINR仍可能高于此门限, 从而导致系统容量的大幅提升。
4结论
考虑到IDMA的技术优势与现有卫星通信多址技术的瓶颈, 本文将IDMA技术引入到Ka频段宽带卫星系统中, 并通过理论分析和仿真计算详细比较了IDMA与传统CDMA体制在Ka频段宽带卫星系统中的性能和容量。仿真结果可看出, 与传统CD-MA体制相比, 在宽带卫星系统中采用IDMA多址接入体制可以更好地利用有限的带宽资源和功率资源, 在相同的条件下, 系统容量提升1倍左右。这就为下一代宽带卫星系统的发展提供了新的思路和依据。
摘要：为了解决当前Ka频段宽带卫星接入体制难以克服的技术瓶颈, 将交织区分多址接入 (IDMA) 技术引入宽带卫星通信系统, 充分利用IDMA接入方式在低复杂度和高频谱效率等方面的优势, 以期在资源受限的卫星系统中获得更高的用户容量和服务质量。结合Ka频段卫星信道特点建立了宽带IDMA卫星系统仿真模型, 阐述了其系统容量计算方法及推导了相关的表达式。仿真和分析表明, 与传统CDMA方式相比, 宽带卫星IDMA传输机制以较低的星上处理复杂度获得通信性能和用户容量的大幅提高, 为下一代多业务、高容量、高速率的宽带卫星通信系统提供了一种有价值的参考方案。
关键词：宽带卫星,交织区分多址接入,Ka频段,信道特性
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Ka宽带卫星 篇5
随着对卫星通信信道容量需求的增加以及C、Ku频段业务的日益拥挤,越来越需要工作于更高频段、具有较大带宽和较高频谱效率的卫星通信系统,传统的C、Ku频段卫星通信系统已不能满足发展中的各种宽带卫星通信业务的需求,Ka频段卫星通信因其具有可提供的带宽大(3.5 GHz)、通信容量大、波束窄、终端尺寸小,轨道平面内可容纳的卫星多和抗干扰能力强等优势成为未来卫星通信的必然趋势。
Ka波段卫星被认为是新一代通信卫星,这样的卫星也可以称为多媒体卫星、宽带交互卫星。新一代Ka波段卫星平台支持DVB/IP,将卫星电视和高速 Internet组合一起,可以直接为最终用户提供宽带和窄带IP业务,卫星宽带可以把接入和互连、移动和固定相结合,卫星更具有覆盖面大、业务快速开展、便于扩展和升级、可以绕过拥挤的地面网络、支持非对称数据率等优点。
由于Ka波段的频率比较高,也带来下面的缺点:降雨衰减大。Ka波段电波比Ku波段、C波段受更大的降雨衰减、去极化和噪声等的影响。降雨衰减将成为制约系统工作性能、影响卫星通信网络成本费用的重要因素之一。
1 Ka频段卫星通信系统的特点
鉴于Ka频段具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小的特点,Ka 频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT 业务、直接到家庭(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka频段的缺点是雨衰较大,对器件和工艺的要求较高,但这些都可以采取相关技术手段予以克服。
卫星通信要利用 Ka 频段必须解决下列关键技术问题:
① 克服信号雨衰;② 研制复杂的Ka频段星上处理器;③ 保证高速传输的数据没有明显的时延。
现代卫星通信技术的发展已为解决后4项关键技术打下了基础,而降雨对信号的衰减是Ka频段的特殊问题。由于使用的波长和雨滴的大小相仿,雨滴将使信号发生畸变。
Ka频段的卫星通信系统雨衰问题的解决,在一定程度上是服务质量和费用的折衷。若要保证Ka频段卫星通信业务的高可靠性和高利用率,就必须在链路设计中有一定余量来避免暴雨造成的通信中断。
2 雨衰的原理及影响
2.1 雨衰对卫星通信的影响
当电波穿过降雨的区域时,雨滴会对电波产生吸收和散射,故而造成衰减。雨衰减的大小和雨滴半径与波长的比值有着密切的关系,而雨滴的半径则与降雨率有关。雨衰的大小与雨滴的物理模型、电波的极化方向、工作波长,接收地点的位置及海拔高度等诸多因素有关,而雨滴的模型在世界各国乃至国内各地是不大相同的,故雨衰数值的估算是一项十分复杂的工作。
与C波段相比,Ka波段和Ku波段的降雨衰减现象对卫星电视广播产生的影响是十分显著的。根据实测和估算在Ka波段短时间内(数分钟)降雨的衰减可高达40 dB,显然如此大的衰减量将使广播线路暂时中断,因此在Ka波段设计中,应该考虑雨衰减的影响,对转发器天线的波束图进行优化设计,同时采用较大口径的接收天线可在一定程度上解决雨衰减的问题。
2.2 Ka频段降雨衰减特性分析
根据Ka频段的降雨衰减预测值和雨衰减等值分布图,对我国的降雨衰减特性分析如下:
① 降雨强度的大小是影响降雨衰减值的主要因素:我国幅员辽阔,按不同的降雨气候可分为北温带、中温带、南温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带及高原气候区。不同的气候区,降雨强度的大小有很大差异。这也最终导致了降雨衰减值的区域性分布。
如图1所示,可以看出降雨强度的大小对降雨衰减值起决定性的作用。
② 不同的地球站天线仰角值决定了电波通过雨区时,斜路径长度的大小不同。地球站天线仰角的不同也有2个影响因素,一是地球站的海拔高度和经纬度;二是卫星的位置。
卫星仰角对降雨衰减的影响非常大:其一,在海拔高度相差较小的情况下,仰角越大,通过雨区的斜路径长度就越短,降雨衰减就越小;反之,仰角越小则降雨衰减就越大。其二,在地球站的经纬度相差较小的情况下,仰角越大,通过雨区的斜路径长度就越长,降雨衰减就越大;反之,仰角越小则降雨衰减就越小。
③ 在ITU-R的雨衰减预报模式中,另一个影响降雨衰减的重要因素就是频率。以某地区对于92°E 星的上下行线路为例,上行频率为30 GHz,下行频率为20 GHz,计算出在不同时间概率情况下的雨衰减值,如图2所示。从图中可以看出,频率的增高使降雨衰减值也随之加大。其主要原因是随着频率的增高,其波长越来越接近于雨滴的尺寸。这样就加大了雨滴对电磁波的吸收和散射,继而增大了降雨衰减。
3 雨衰减补偿方法
3.1 位置分集技术
在多雨地区或地球站天线仰角很低的地区,降雨衰减非常大,在这类情况下,采用空间分集是一种行之有效的方法。该方法就是在相隔一定距离的2个地点设置地球站,并切换到降雨衰减小的地球站进行通信。
位置分集将一条通信链路分配给2个地球站,利用地面链路的分集处理器,对2个终端进行择优。如果其中有一个站的衰减超过了功率储备,那么至少还有另一个站可以使用,这样使得链路可用度得到了保障。这2个站之间的距离应尽可能使它们统计独立,即统计上也能保证系统可用度。
3.2 频率分集技术
随着频率的增加,雨衰减也就越大。频率分集技术正是利用了这样的特点。它使用高波段来传输大部分业务,而使用低频段来协助那些受降雨衰减影响并超过一定门限的链路(通常仅仅为前者的一定百分比)。比如说,常用的高频段,当有降雨事件且使该频段的储备余量不足以克服雨衰减时,系统则自动切换到另一较低频段,其中低频段的容量是为整个系统所共享。因此,频率分集技术只能应用于每条链路既可以工作于高频段也可工作于较低频段的通信系统。
3.3 上行功率控制(UPC)
上行功率控制(Up Link Power Control)就是根据所获得卫星通信上行链路的降雨衰耗来相应地调整地球站的发射电平,以抵消降雨对电波信号所形成的衰耗,使卫星转发器接收到地球站发射的信号电平与晴空时基本相同。上行功率控制,从一般意义上讲,是指在上行链路衰减时仍保持输入到卫星转发器上的功率恒定,这样减小了上行衰减对整个链路工作的影响。上行功率控制是最经济的抗雨衰对策之一。
3.4 自适应编码
在自适应编码调制系统中,发射机由可调的信道编码器和可调速率调制器构成。接收机利用信道估计器可以得到信道的状态信息,并通过反馈信道将该衰落信道信息传递回发射端。发射机依据自适应算法,改变发射机的传输功率、符号速率、大小及形状、编码速率、编码结构等参数以保证接收端具有恒定信噪比Eb/N0,从而获得最大的系统平均频谱利用率。同时,接收机通过解调器和译码器获得所需的信息序列。
在第2代数字广播电视系统(DVB-S2)中,采用了自适应编码调制技术(ACM),与回传信道相结合,不必为最坏情况的传输预留额外的余量,可以有效地改善Ka频段卫星通信系统由于降雨衰减所带来的链路性能恶化。
4 结束语
通过分析Ka频段卫星通信的雨衰特性,本文介绍了几种雨衰减补偿方法,如位置分集技术、频率分集技术、上行功率控制技术和自适应编码技术等,应该指出的是,仅仅依靠补偿Ka频段由降雨所带来的衰减是不全面的,在卫星转发器功率得到优化分配的前提下,配合其他雨衰减补偿方法,如自适应编码技术,才能有效地对抗降雨所带来的衰减。这些技术的应用,可以补偿Ka频段卫星通信系统的降雨衰减,从而保证了Ka频段链路在降雨时的可用性。
参考文献
[1]陈道明.新一代Ka频段通信卫星[J].国际太空,2002(5):8-11.
[2]车晴.Ku波段卫星广播中雨衰现象的研究[J].电波科学学报,1999,14(2):196-201.
Ka宽带卫星 篇6
随着卫星业务的推广应用, 从上世纪80年代开始, 国外卫星频段已经向频率资源更丰富的Ka频段迈进。在不同的应用领域, 该频段具有信息容量大、传输质量高和终端站设备体积小等优势, 可以为千兆比特级宽带数字传输、高清晰电视、卫星新闻采集、VSAT业务及个人卫星数据传输等新业务提供一种崭新的手段。与此同时, 该频段还具有波束窄、抗干扰能力强和安全保密性好的特点, 可以提供强有力的指挥控制能力, 通过及时、准确的信息传输, 执行从后勤保障到目标探测、攻击等各种任务, 可为不同的业务需求提供支援保证。
宽带Ka频段下变频器是卫星地面站接收系统中的一个重要组成部分, 其作用是将Ka频段 (19.2～21.2 GHz) 下行信号变换为中频信号并提供一定的变频增益, 中频输出采用L频段 (950～1 450 MHz) 接口, 可方便地与当前在用的调制解调器连接, 提高了设备的通用化程度。
1下变频器设计
1.1二次变频的中频设计
在射频下变频器设计中通常采用超外差体制, 其优点是可以在较低中频上实现相对带宽较窄、矩形系数较高的中频滤波器, 有效滤除杂散干扰成分, 同时第一混频器的本振源采用频率合成技术增加了变频器的信道选择性。当射频频率升高至毫米波频段时, 通过二次变频处理既可实现接收信道的灵活配置, 又可获得较好的镜频抑制比。
宽带Ka频段下变频器采用二次变频技术, 本振源均采用低本振, 变频过程无频谱倒置。变频器的二次变频是通过混频器实现频率转换的, 由于混频器是一个非线性器件, 混频过程中射频频率和中频频率通过与本振的加减运算实现频率变换, 在此过程中由于非线性作用除有效信号外, 还将产生许多交调产物, 如组合频率、本振谐波、镜频干扰和邻道干扰等。为防止这些频率成分形成干扰, 实现如期的接收功能, 最优的方法是保证组合频率产物不落入中频范围内, 根据混频理论可知, 当采用低本振的变频方案时, 混频产生的组合频率成分fmn为:
式中, fL为第一本振频率,
混频产物不落入中频带内的条件为:
1.2杂散分析
当第一中频滤波器带宽选择为500 MHz时, 按上述条件计算如果所有混频产物均不落入中频带内, 则第一中频将无法实现。考虑到实际工程应用, 在兼顾本振可实现性的前提下, 在此选择中频中心频率为8 350 MHz, 由式 (1) 和式 (2) 可计算出组合干扰结果如表1所示。
按照接收信道电平的动态变化范围, 在下变频器最大入口电平为-30 dBm的条件下, 根据第一混频器的混频特性, 当该混频器射频输入电平不大于-15 dBm时, 其5阶混频干扰产物最大输出电平为-82 dBm, 如果选择变频器第一混频前链路增益为15 dB, 变频总增益设计为30 dB时, 则第一混频之后仍有15 dB增益, 此时第一混频引入的最大带内输出干扰电平为-67 dBm。
变频器第二次混频采用点频本振源, 当中频中心频率为8 350 MHz时, 则二本振频率为7 150 MHz, 此时混频产物如图1所示。
由图1可见, 落入带内的干扰产物为9次和11次组合干扰, 设计一、二混频器之间增益为10 dB, 则二混频器入口电平最大为-5 dBm, 当第二混频器采用HMC412时, 根据混频器自身特性其高阶 (m+n>7) 产物电平值均低于-85 dBm, 由于该混频器变频损耗为8 dB, 依据前述电平分配设计结果可知二混频后链路增益应为13 dB, 则第二次混频引入的最大带内输出干扰电平为-72 dBm。
2下变频器实现
2.1变频链路实现方案
宽带Ka频段下变频器采用二次变频技术, 变频器方案组成如图2所示。
Ka频段 (19.2～21.2 GHz) 下行信号首先经过一个隔离器, 以改善下变频器输入端口的回波特性, 便于和外接设备实现阻抗匹配, 减小信号的反射损耗;之后信号经过滤波、放大、再滤波进入第一混频器, 二级滤波器均采用相同的微带平行耦合线带通滤波器, 对镜频干扰和带外杂散进行抑制, 经组合滤波后镜像抑制比大于85 dB;放大器采用低噪声MMIC裸芯片电路HMC517实现, 该器件在2 GHz工作频带内幅频特性优于1.0 dB, 增益为19 dB, 电路制作采用键合工艺, 安装盒体内部宽度 (A) 满足A<λH/2以防在盒内产生波导型传播, 导致幅频特性恶化甚至产生自激, λH为工作频率高端频率的波长。
输入频率经一次混频后变换为X频段信号, 该信号经滤波、放大和衰减匹配后进入第二混频器, 该段链路采用2只NBB-300放大器级联放大, 链路增益为10 dB, 滤波器采用微带带通滤波器, 用于滤除第一次混频后的带外组合干扰频率和一本振泄露, 一本振采用频率合成技术, 频率步进为10 MHz;第二次混频采用点频本振源实现信号频谱的二次搬移, 该段链路增益为5 dB, 放大器选用gali-4F, 在输出端采用π型电阻衰减器降低端口的反射损耗。
图2中Ka频段滤波器采用陶瓷微带滤波器, 单只插损为2.5 dB, 隔离器损耗为0.5 dB, 第一混频器变频损耗为9.0 dB, 则根据有关理论可计算出变频器的噪声系数为7.9 dB。
2.2本振源实现方案
变频器第一本振源采用双环频率合成技术, 主环输出频率为11.1～12.6 GHz, 附环输出频率为10 GHz, 其组成如图3所示。
图3中, 附环采用50 MHz鉴相频率, 锁相环电路为AD4106, 其噪声基底可达-219 dBc/Hz, VCO为陶瓷介质振荡器 (CRO) , 环路分频比N2=50, 经过ADI simPLL软件仿真, 当环路带宽取值为4.5 kHz时, 附环输出噪声在偏离载频10 kHz时为-108 dBc/Hz, 经过四倍频后在10 GHz输出频率上相噪为-96 dBc/Hz。
附环输出信号直接与主环VCO输出频率混频, 输出1.1～2.6 GHz的差频信号经程序分频器N1后进入鉴相器与10 MHz参考信号鉴相, 主环分频比N1=111～260。由锁相环理论可知, 当环路带宽取值250 kHz时, 环路内偏离载频10 kHz的噪声将主要由附环噪声和N1确定, 在环路其他条件不变的前提下, 由于N1变换范围高低端相差2.4倍, 这将使得主环最终输出噪声高低端相差达7.6 dB, 为抵消这一影响, 在环路参数设计时根据实际工作频率通过分段设置鉴相器电荷泵电流ID, 从而保证了高低端噪声的基本一致。
变频器第二本振源采用单环频率合成技术, 锁相环路采用与一本振附环完全相同的电路, CRO输出频率为3 575 MHz, 鉴相频率为25 MHz, CRO输出二次倍频输出7 150 MHz的二本振频率, 倍频器采用有源倍频器HMC575。
2.3测试结果
宽带Ka频段下变频器采用二次变频与频率合成技术, 通过合理的频率配置和电平分配, 达到了预期目标, 经整机测试, 基本指标如下:
输入频率:19.2～21.2GHz;
输出频率:950～1 450 MHz;
变频方式:二次变频, 无频谱倒置;
噪声系数:≤10 dB;
变频增益:30 dB±2 dB;
镜频抑制:≥85 dB;
输出杂散:≤-65 dBm;
相位噪声:100 Hz:≤-65 dBc/Hz;
1 kHz:≤-80 dBc/Hz;
10 kHz:≤-85 dBc/Hz;
100 kHz:≤-95 dBc/Hz;
输入驻波:≤1.35∶1;
输出驻波:≤1.5∶1。
3结束语
宽带Ka频段下变频器采用通用的标准结构设计, 外形尺寸为482.6 mm×480 mm×44 mm, 内部电路采用了模块化设计技术, 方便调试、故障判断及维修。整机设计共分为监控、电源、一本振、变频链路 (含二本振) 和参考晶振5个功能模块, 设备操作使用采用了液晶显示和按键互动的方式, 具有良好的人机界面, 可广泛适用于Ka频段卫星地面站建设。
参考文献
[1]吴世杰.二次变频通信系统中的频率配置设计[J].无旋电通信技术, 1999, 25 (6) :7-10.
[2]杨远望.X～Ku波段宽覆盖捷变频频率合成器研制[J].电子科技大学学报, 2007, 36 (4) :709-712.
Ka宽带卫星 篇7
近日, Qorvo, Inc.宣布推出一款极具成本效益的高性能Ka波段3W Ga N功率放大器, 用于传输高速互联网数据的商用VSAT卫星地面终端。Qorvo传输业务部总经理Gorden Gook表示:“Qorvo的0.15μm高频Ga N工艺所能够传输的功率密度是上一代Ga As p H EM T解决方案的三倍。这项技术具有非凡的功率、设备增益以及可靠性, 非常适合用于K a波段卫星地面终端传输应用的饱和及线性高功率放大器。TGA2636-SM支持饱和及线性应用, 可以为传统饱和功率VSAT地面终端应用传递3W的峰值输出功率。当它在高阶调制系统所需的‘线性功率回退模式’下工作时, 能够更有效地利用Ka波段频谱, 从而提高传输给用户的数据速率。”
TGA 2636-SM Ga N PA采用Qor vo的0.15μm碳化硅基氮化镓 (Ga N on Si C) 工艺制造, 工作在28–31GH z频率范围, 采用小巧的5mm×5mm表贴封装, 提供3W的饱和输出功率和25d B线性增益, 功率附加效率 (PAE) 为30%。据悉, Qorvo的这款新的Ga N VSAT功率放大器将从2015年本季度开始提供样片, 并于2016年第1季度量产。