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Ku频段卫星通信车载地球站的技术

2/14/2005来源:卫星通信人气:13077

李文铎
  本文作者李文铎先生,信息产业部电子第54研究所副总工程师、研究员、首席专家,中国电子学会卫星与微波通信专业委员会主任委员。

  关键词:Ku频段卫星通信 车载地球站 动中通

  最近,国内外都提出了如何在运动中完成远距离、大容量数字码流传输问题,这自然寄希望于具有“动中通”能力的车载地球站。西方已有人提出用SHF频段同步轨道卫星实现“动中通”较高速率码流的问题。国内为满足这一需要,已有用Ku频段车载地球站实现“动中通”的举措。与中低轨道卫星移动通信相比较,这一新的需求方向,在使用卫星转发和运动中可以通信这两点是相同的,但在传输容量和用户站设备规模上差距是很大的。

  本文将以Ku频段卫星通信车载地球站为例,分析“动中通”条件下其使用性能和系统设计中的一些问题。它也适用于SHF及其他频率的“动中通”车载站。

  一 “动中通”车载站使用性能分析

  从使用需求看,Ku频率卫星通信车载站应具有高的传输速率、高的通信质量和行进间进行通信的功能。具体要求如下:

  (1)传输速率应明显高于低轨道卫星移动通信用户间的传输速率,且应是可变的,需求的范围为64~2048kb/s;

  (2)除多路数字、话音之外,还要兼传数字动态图像和N×64kb/s的高速数据,信号质量应等同于静止通信状态,即(误码率)BER<1×10-5;

  (3)在载体车型和路面状况共同决定的运动速度下,在天线与通信卫星具有通视条件下,动中通应保证通信业务速率和质量,但不宜对动中通提出通信有效度或传播可靠度的过高要求,因为,载车受隧道、桥洞、树林、山体遮挡,会出现电波中断进而导致的通信中断。在行进路线是随机的条件下是很难预计中断时间的。

  二 系统设计中所遇到的新问题

  1. 天伺系统

  载车在行进中可能遇到的各种路况,包括崎岖路面造成的车体颠摇和振动冲击;隧道、桥洞、树林、山体遮挡造成电波的中断等,都是静止状态卫通地球站不会遇到的工作条件。

  因此,具有动中通功能的天伺系统要具有一些新的功能:

  (1)为适应载车在不同方向、不同坡度的路面行驶,天伺系统的跟踪范围要大,方位在0~N×360°、俯仰在0~90°范围,天伺系统都能进行跟踪;

  (2)载车可能在各种不同路况下行驶,因而要求伺服系统对路面和车速共同造成的载车颠摇与冲击的隔离度要足够大,以保证天线主瓣指向卫星;

  (3)遮挡消失后伺服系统再捕的最大捕获时间要小,载车进入信号中断地带后,伺服系统无信号跟踪卫星,且通信中断,载车驶出中断区信号恢复后,从使用方看,要求立即恢复通信,但由于某些原因天线指向有可能不在主波束范围之内,因此,伺服系统有重新使天线主波束对准卫星的最大捕获时间的设计要求;

  (4)具有信号中断后天线指向的记忆功能,经过短时间的电波中断后,天伺系统不需要重新捕获,即可恢复通信;

  (5)动中通天伺系统的跟踪精度,可略劣于静止通信,可选择跟踪精度≤1/8天线波束宽度;

  (6)能耐受车型、车速与路况共同造成的冲击震动环境。

2. 通信设备

  动中通信与静中通信相比,通信信号会有新的变化,因而,通信设备的设计要适应这些新变化,否则通信效果会劣化。

a. 附加的多卜勒频移

  载车与卫星之间有相对运动时,载频产生多卜勒频移。与静中通信相比,动中通要能适应更大的多卜勒漂移,系统设计时必须考虑附加的多卜勒频移影响。

b. 载车运动过程中出现的信号电平衰落问题

  树林、山体、建筑物对车载站天线与卫星之间电波传输会造成某种程度的遮蔽,进而导致信号电平的衰落。完全遮蔽将造成信号中断。

  载车周围地物、地貌造成的多径传播,因其相位各异且时变,使信号受到干涉衰落。无论是遮蔽衰落还是多径衰落,都会使“动中通”产生电平变化。静止通信一般来说只要选择合理站址,不存在遮蔽衰落和多径干扰,因而可把信道看成近似恒参信道;而有遮蔽衰落和多径影响时,“动中通”信道应按广义瑞利信道处理。为此,通信系统设计时要考虑一些有别于静止状态通信的新因素,包括:

  (1)为适应衰落现象的出现,系统余量要加大;

  (2)衰落会造成SNR的降低,进而导致误码增加,因此要有较强的纠错能力;

  (3)频带信号检测过程中,要扩大SNR适应范围,即使衰落使SNR低到相应的BER=1×10-1的程度,也应能正常进行载波提取、比特同步提取;

  (4)数字信号处理过程要能抵抗住瞬时高误码的冲击,例如保密设备的密码同步、分接器的帧同步等不因瞬间(如几秒钟)的高误码而失去同步。

c. 对中断的有序处理设计

  当动中通车载站天线与卫星之间的直视条件被遮蔽,致使通信质量恶化到用户不能容忍的程度,视为通信中断。这既包括车通过隧道收不到信号状态,也包括直射成分为零,仅由多径构成的瑞利衰落状态(要想利用瑞利分布的信号有效通信,将使车载站成本明显提高)。为使信宿受信号中断影响最小,车载站应具备信道质量指示功能,一旦信号降至警示门限,即向对方发出停止发送信号指令,待信道质量恢复后,重新发送起动信号以继续发送可衔接的信息。

d. 动中无线引接

  在应用中,信源信宿不在“动中通”卫通站载车上怎么办?

  例如声像源的产生、大于256kb/s码流的信源信宿终端,都有可能装载在另一辆载车上。这种情况下,车载卫通站完成的仅仅是运动中信息的透明传输,它必须在运动中将信息码流无误地与信源信宿车互送,这就是动中通引接技术。可行的是动中无线引接,主要要求是:

  (1)卫通车与信源信宿车相距≤200米,运动中完成无线信息传输;

  (2)低于2048kb/s码速下,行进间无损伤传输。

  近年来SHF频段车载地球站“动中通”的需求有增长的势头。

  本文从具有伺服跟踪车载站“动中通”有别于静中通信的特点出发,分析了这种通信系统设计应注意解决的问题,以期有助于推动该领域的技术发展。

(全文完)

来源:《世界电信网络》