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ka频段--卫星宽带通信新思路

2/14/2005来源:卫星通信人气:11784

1 卫星宽带网络发展概述

  近年来,全球范围内Internet接入、交互式多媒体业务。电视会议和其他带宽密集型应用的迅速发展,人们对信息无止境的追求,刺激了企业网和Internet网的爆炸性增长,用户一直在努力寻求可给他们带来更多数据的解决方案,结果导致对带宽需求的大幅度增加。近年来,缺乏带宽的用户以惊人的速度尝试了T1线,xDSL,Cable Modem,ATM和各种无线技术。然而这些地面解决办法已不能满足用户对获取信息的渴求。在这种市场需求的冲击下,一些电信开发商把目光转向了太空,试图借助卫星Internet技术来解决应用需求与网络带宽之间的矛盾。换句话说,卫星将成为天空的虚拟交换机,大大减少部署新网络和业务所需要的时间和成本,而且将为满足未来的大量多媒体应用提供充足的网络容量。多媒体卫星通信时代的曙光已从地平线升起,并呈现出欣欣向荣的景象。

  由于Internet用户的接入业务有明显的不对称性,即用户向Internet发送(上行)的数据量很小,而从Internet接入(下行)的数据量大。在ISP运营的实际经验得出,上下行信道的速率一般比值在3:1-5:1之间,有些甚至达到9:1。如果采用对称的双向链路,无疑是以高价购置了使用率不高的上行带宽。因此,通过具有明显不对称性的卫星网络来实现用户接入Internet就成了很顺理成章而且经济的手段了。

  Internet多媒体业务是通过宽带卫星系统,为直播卫星用户提供丰富多彩的新的数据和图像业务。目前,这种业务大体有两类:个人化多媒体业务和交互式多媒体业务。从个人化多媒体业务方面看,主要是通过软件和硬件增强技术,提供“个人化电视”。例如,美国的Wink通信公司每周向用户提供1200小时的“个人化电视”节日,用户只要点击电视屏幕角上的小图标,就能立即插播体育、新闻、金融、气象和娱乐信息。如果电视台插播赛车节目,“个人化电视”可使用户在电视屏幕下方看到赛车场上领先的车手、每小时的公里数和车手的名字。再如美国加利福尼亚的一家叫Carmel的公司为用户提供硬件的收入达3.8亿美元,从1999-2002年的复合年增长率达65%,到2002年底“个人化电视”用户数将达340万。

  从交互式业务看,主要是通过宽带卫星网络提供交互式Internet电视。如美国的EchoStar公司的OpenTV系统能够向用户提供交互式节目介绍、电子邮件和网上电视、天气预报、城市交通图和各种电子商务信息。在微软和日本索尼公司的帮助下,该公司还推出WebTV机顶盒。这种机顶盒内装1台卫星接收机和8.6千兆字节的硬盘,大容量硬盘可用于存储视频和其他内容。该公司称,这种新式机顶盒与数字卫星接收技术、高级Internet多媒体业务相结合,将形成长达数小时的VCR能力。

  就多媒体而言,通过Internet提供音频、视频和音乐多媒体业务以及多媒体软件是当前业界最热门的话题,而通过卫星传送音频和视频流无疑是最有希望的应用。

2 ka波段通信系统的特点

  鉴于ka频段具有可用带宽宽,干扰少,设备体积小的特点。因此,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,对器件和工艺的需求较高,但这些都可以采取相关技术手段予以克服。总之,ka频段卫星通信系统主要是在提供双向多媒体业务方面具有较大优势。

  (1)网状和星状拓扑结构:为了提高频段利用率,减少时延,直接到用户(DTU)链路一般采用网状网,与公网(PSTN、ISDN等)互连的链路则优先采用星状网。

  (2)开网和闭网:开网一般用于公网,闭网则用于特殊用户的专网。

  (3)标准协议:多种传输协议共存,尤其是当同一用户需要多种业务时,大多数ka频段系统选择ATM或准ATM协议。

  (4)多波束覆盖:为了提高卫星等效全向辐射功率(EIRP),ka频段卫星波束一般较窄。因此,若要覆盖一个国家或地区,需要设置多波束。

  (5)频谱可多次利用:由于是多波束使用,频谱利用率高。

  (6)星上处理及交换。

  (7)传输速率范围宽。

  (8)小用户终端:在同等条件下,其用户终端要比C/Ku频段的小。对DTU链路来说,典型的无线口径为0.6-2m,具体取决于链路余量及所处雨区。

  3 ka波段已经具备的技术基础

  卫星通信的可用频谱资源很有限,建设宽带网必然要采用更高频率。目前的宽带卫星业务基本是使用ka频段,尽管与以往的C波段卫星模拟通信相比,使用较高频率的ku波段及先进的数字压缩技术,大大提高了通信效率,尤其是在数据、视频传输方面,Ku波段提供了更加方便可靠的传输手段,但Ku频段的应用已经非常拥护,故计划中的宽带卫星通信网基本是采用ka频段,通过同步轨道卫星、非静止轨道卫星或两者的混合卫星群系统提供多媒体交互式业务和广播业务。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;

  (4)保持星座中有关卫星之间的有效通信;

  (5)通过星上交换进行数据包的路由选择。

  国际上特别是欧洲、美国有关ka频段卫星通信概念和关键技术的试验工作已做了不少,例如美国国家宇航局领导工业界执行的ACTS计划,就对有关的多项先进技术进行了试验。可以说,现代卫星通信技术的发展已为解决后四项关键技术打下了基础,而降雨对信号的衰减是波长在1-1.5cm之间的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。目前正在设计的ka频段的卫星通信系统,因降雨衰减而引起的通信中断平均每月要超过3小时。这就难于满足一般电信用户和广播电视受众通信可利用率达到99.9%的要求。目前,为了克服雨衰问题已提出几个解决方法:

  (1)加大天线尺寸和信号功率,但这会增加卫星的成本。

  (2)设立更多的地面终端站,从而使信号能沿多条路径传送,但这会增加地面系统的成本。

  (3)通过控制功率分配,增大对降雨地区的传输功率。采用这个措施会增加卫星的复杂性,特别是提高了对控制软件的要求。

  (4)发展对信号畸变的校正技术

  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。但这种余量在正常的天气情况下却是一种浪费,会导致整个系统的成本增加和终端的价格上升。

  4 我国ka频段静止卫星通信系统的频段选取

  根据目前国际无线电频率划分状态,我国ka频段静止轨道卫星通信系统具体频段选取有一个初步的方案,同时对于可能影响具体频段选取的其它因素也在考虑之列。

  4.1静止轨道ka频段卫星通信频率划分概况

  根据1998年版的《无线电规则》及2000年世界无线电通信大会(WRC-2000)通过的最后法案规定,静止轨道ka频段卫星通信可使用的具体频段是:上行27.5-31GHz(带宽3500Mhz);下行17.7-21.2GHz(带宽3500MHz)。然而,这些频段并非唯一划分给静止轨道卫星通信(包括卫星固定业务和卫星移动业务),其它业务(如固定业务、移动业务、卫星地球探测(无源)业务、非静止轨道卫星固定业务等等)也都或多或少在其中部分频段上划分频率。因此,在上述频段存在极其复杂的频率共用状态下,必须为我国未来的ka频段卫星通信系统建立一个相对良好的频率共用工作环境。在现有卫星平台有效载荷的研制水平下,这种相对较好的频率共用工作环境对于保障卫星通信系统的正常连续运营很有必要。下面介绍包括我国在内的第三区ka频段静止轨道卫星通信频率共用状况。

  4.4.4下行频段

  (1)17.7-17.8GHz:固定、移动、卫星广播业务的上行馈线链路和非静止卫星固定业务的上行链路。一般情况下,频率共用不存在困难。

  (2)17.8-18.1GHz:固定、移动、卫星广播业务的上行债线链路、非静止卫星固定业务的上行和下行链路。在WRC-2000大会后,非静止卫星固定业务(下行)应遵循不应要求得到静止轨道卫星固定业务的保护,在工作期间,一旦产生任何不可接受的干扰,应快速消除。由于该业务目前尚未正式启用,实际情况不可预期。因此对于静止卫星固定业务而言,须承担一定的风险。

  (3)18.1-18.3GHz:固定、移动、静止卫星广播业务的上行馈线链路、静止卫星气象业务(下行)和非静止卫星固定业务的下行链路。对静止轨道卫星通信的主要约束同(2)。

  (4)18.3-18.4GHz:固定、移动、静止卫星广播业务的上行债线链路和非静止卫星固定业务的下行链路。以静止轨道卫星通信的主要约束同(2)。

  (5)18.4-18.6GHz:固定、移动和非静止卫星固定业务的下行链路。对静止轨道卫星通信的主要约束同(2)。

  (6)18.6-18.8GHz:固定、移动(除航空移动)、卫星地球探测(无源)和空间研究(无源)业务。静止卫星固定业务应尽量采取措施,保护卫星地球探测(无源)和空间研究(无源)业务,但这会导致其使用条件受限制。

  (7)18.8-19.3GHz:固定、移动和非静止卫星固定业务的下行链路。非静止卫星固定业务(下行)的使用,取得了一定的协调地位。对于静止卫星固定业务而言,须承担相当风险。

  (8)19.3-19.7GHz:固定、移动和非静止卫星移动业务的上行和下行债线链路。非静止卫星移动业务的馈线链路与卫星固定业务之间存在同步共用(包括同向和反向),且协调地位各有差异,须留意。

  (9)19.7-20.2GHz:固定、移动和非静止卫星固定业务的下行链路。卫星固定业务和卫星移动业务都可以使用该频段。使用非静止卫星固定业务(下行),对于静止卫星固定业务具有一定风险,与在17.8-18.6GHz频段类似。

  (10)20.2-21.2GHz:固定和移动业务。卫星固定和卫星移动业务是主要业务,卫星标准频率和时间业务是次要业务。

  4.1.2 上行频段

  (1)27.5-28.6GHz:固定、移动、卫星广播业务的上行债线链路和非静止卫星固定业务的上行链路。使用非静止卫星固定业务(上行),对于静止卫星固定业务(上行),对于静止卫星固定业务具有一定风险,与在17.8-18.6GHz频段类似。

  (2)28.6-29.1GHz:固定、移动、卫星广播业务的上行债线链路和非静止卫星固定业务的上行链路。使用非静止卫星固定业务(上行),下行对应于18.8-19.3GHz频段。对于静止卫星固定业务而言,须承担相当风险,与在18.8-19.3GHz频段类似。

  (3)29.1-29.5GHz:固定、移动、卫星广播业务的上行债线链路和非静止卫星移动业务的债线链路。非静止卫星移动业务的馈线链路与卫星固定业务之间存在同频共用,且协调地位各有差异,须留意。

  (4)29.5-30.0GHz:固定、移动、卫星广播业务的上行债线链路和非静止卫星固定业务的上行链路。卫星固定业务和卫星移动业务都可使用该频段,使用非静止卫星固定业务(上行),对于静止卫星固定业务具有一定风险,与在27.5-28.6GHz频段类似。

  (5)30.0-31.0GHz:固定和移动业务。卫星固定业务和卫星移动业务是主要业务,卫星标准频率和时间业务是次要业务。

  4.2 具体频段选取

  4.2.1 上行30-31GHz,下行20.2-21.2GHz

  根据以上分析,如果我国Ka频段卫星通信系统考虑涵盖卫星移动通信的范畴,这种考虑是基于充分利用在Ka频段因频率高而带来的地球站天线终端小型化和便携化的特点,首选的具体频段应该为:上行30-31GHz(可用频带1GHz),下行20.2-21.2GHz(可用频带1GHz)。理由是:上述频段可同时满足我国Ka频段卫星通信系统两种业务类型(卫星固定业务和卫星移动业务)的要求,且其中卫星标准频率和时间业务还可用于未来功能扩展(如授时业务)。同时,就频率共用状态而言,上述频段目前还未明确引入非静止卫星固定业务或非静止卫星移动业务,而涉及这两种业务的国际频率协调还相当困难。因此,选择该频段有利于国际频率协调,有利于取得合法的国际地位,对于我国Ka频段卫星通信系统的正常连续运营意义重大。

  4.2.2 上行259.1-29.5GHz,下行19.3-19.7GHz

  若上述首选频段不能落实,降而求其次可选上行29.1-29.5GHz(可用频带400Mhz),下行19.3-19.7GHz(可用频带400MHz)。理由是:就频率共用状态而言,上述频段可避开与非静止卫星固定业务的国际频率协调问题,只需与非静止卫星移动业务的馈线链路协调。非静止卫星移动业务和馈线链路涉及的都是关口大站,协调难度相对降低,选择该频段是一种“两权相害取其轻”的办法。

  4.2.3 上行27.5-28.6GHz/29.5-30.0GHz,下行17.8-18.6GHz/19.7-20.2GHz

  在上述两个频段都不能落实的情形下,第三种可选上行27.5-28.6GHz/29.5-30.0GHz(可用频带1660MHz)。理由是:在无法避免与非静止卫星固定业务协调的场合,应选择静止卫星固定业务稍有优先地位的频段。在WRC-2000之后,该频段中的非静止卫星固定业务与静止卫星固定业务的频率共用研究理论上已大致完成,并已通过了有关功率限值。但由于非静止卫星固定业务目前没有实际启用,其所承诺的解决干扰问题的先进技术(如卫星分集技术等)有待实践检验。因此,对于静止卫星固定业务而言,须承担一定风险,选择该频段是“没有办法的办法”。

  4.3 影响频段选取的其它因素

  4.3.1 远器件选择

  选择符合上述具体频段的Ka频段元器件(高功放、接收机等),对于上述具体频段的选取有根本的影响。   4.3.2 频率划分和频率共用的发展

  目前看起来最合适的频段,在未来若干年后未必仍是最合适的。Ka频段属于新频段,新系统和新业务会不断在该频段上涌现,往往会带来一系列的频率划分和频率共用的发展和变动。因此,需根据具体情况适时调整,这种调整有时会严重影响具体频段选取。

  4.3.3 国际频率协调情况

  对于想要取得国际合法地位的卫星网络而言,国际频率协调极其繁琐且困难。目前,各国根据国际频率协调情况而改变频段选取的例子已越来越多。为了避免造成严重损失,欧美等发达国家的做法是:成立无线电规则和协调小组,在立项前,事选 进行国际频率协调,视国际频率协调情况,确定具体频段选取。在我国,因国际频率协调而改变卫星频率配置的事件也已发生。由于不能完全准确预期国际频率协调结果,必将导致频段选取的不准确性。

  4.3.4 不可预见性

  对于我国卫星设计和生产而言,Ka频段是全新频段。在设计和生产过程中,不可预见必然存在。这种不可预见性有时也会影响具体的频段选择。

  5 我国发展Ka频段卫星通信任重道远

  我国的Ka频段卫星通信技术目前还处于研究阶段,地面相关设备及星上转发器的研究工作在九五期间已经展开,部分专题已取得突破。但在功放、体积、重量等方面,因受器件、工艺、仪器等因素制约,与国外先进水平仍有较大差别,离实用化有较大距离,以下是目前正在进行或将要进行的关键工作。

  (1)加快Ka频段星上/地面关键技术及关键设备的研制,尽快形成试验样机。除秀明转发器外,对星上处理转发器的关键技术也需抓紧立项研制。具体项目主要有:20/30GHz低噪声放大器、变频器及SSPA和TWTA放大器等;固定及扫描多波束无线;基带处理及交换矩阵;低成本地球站终端。

  (2)尽快安排Ka频段转发器(哪怕是透明转发器)的搭载技术试验,以便开展相关试验工作。如近期不能实现,将利用外星Ka转发器(同步星或低轨星)开展试验工作,逐步积累使用及设计经验。

  (3)进一步重视Ka频段卫星通信系统仿真及专题仿真设计工作。在设备全面开展应用之前,利用先进的仿真设计可以最大限度地发现问题,并为提出解决问题的措施提供依据。

  (4)抓紧Ka频段传播试验工作,建立我国自己的Ka频段雨衰模型。由于Ka频段的最大缺点是雨衰较大,要有效克服这一问题,首先必须了解各地区的雨衰情况,建立准确的雨衰模型。

  (5)Ka频段的另一个重要特征是军事应用前景巨大。国家有关部门将尽快立项,研究如何进一步拓宽Ka频段的军事应用。

  (6)从长远发展考虑,国家将尽快开展相应的Ka频段仪器设备、测量方法以及关键元部件的配套研究。

摘自《广播电视信息》2002.4