空中信息高速公路-Ka波段寬帶衛星通信系統

文｜劉征遠

空中信息高速公路-Ka波段寬帶衛星通信系統

文｜劉征遠

Ka波段寬帶衛星通信系統及其技術特點

Ka波段衛星通信特別適合寬帶數字傳輸、高速衛星通信等需求。隨著高頻元器件及工藝等問題的解決和大量衛星通信新技術的應用，Ka波段寬帶衛星通信現已走進了成熟的實用化階段，在全球商業應用尤其是在北美地區HDTV傳輸等方面取得了可觀的經濟效益。

Ka波段寬帶衛星通信系統概述

1，通信頻率范圍。Ka波段頻率范圍為17~31GHz。位于國際衛星通信第三區的我國其可用Ka波段劃分為：衛星上行頻率27.5~31GHz，下行17.7~21.2GHz；總帶寬3.5GHz。

2，通信衛星運行軌道。在3.6萬公里同步軌道及小于5千公里低軌位置都有Ka波段通信衛星運行著，如法國Ka-Sat寬帶通信衛星和“銥星”系統星間鏈路Ka波段通信系統。

3，Ka波段寬帶衛星通信的優勢。1）寬帶高速。總帶寬達到3.5GHz，而C、Ku波段則只有500~1000MHz的帶寬。ViaSat-1全Ka波段衛星通信總容量達到了140Gbps，為Ku波段衛星容量的100倍以上。

2）抗干擾性能優越。由于現在所知道的各種干擾源其頻率都遠離Ka波段，所以不可能對Ka波段衛星通信造成任何干擾。

3）天線口徑小。Ka波段衛星轉發器使用蜂窩狀多點波束具有較高的EIRP值；通信頻率高在使用相同尺寸天線接收時能獲得比C、Ku波段更高的天線增益。這些特性使Ka波段天線尺寸可以做得很小。

4）遠端設備小巧。遠端設備體積小重量輕甚至一人即可攜帶使用，非常適合新聞記者在各種應急情況下外出采訪時使用。

5）安裝開通方便快捷。設備開通對外部安裝環境要求低，天線架設占地很小，安裝開通十分方便快捷。

Ka波段寬帶衛星通信系統技術特點

1，采用高階調制技術。QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高階調制方式在Ka波段衛星通信系統中得到普遍應用。高階調制可有效提高帶寬利用率，獲得較高的通信速率。如8PSK比QPSK可提高33%帶寬利用率。

2，DVB-S2標準的應用。DVB-S2較之DVB-S可減少30~40%的衛星資源占用。如10Mbps速率時DVB-S2占用4.6MHz帶寬，DVB-S則占用8.4MHz帶寬，二者相差45%。

3，通信衛星采用多波束蜂窩狀覆蓋天線。這是相對C、Ku波段使用賦形單波束覆蓋天線一個顯著技術特點。采用多波束頻譜利用率高，可有效提高衛星的EIRP、G/T值和系統容量等。

4，星上使用功率動態分配器。根據實時監測情況可向業務繁忙的點波束或有雨衰區域的點波束發送較大功率。

5，采用透明轉發器或處理轉發器。現在大多數Ka波段通信衛星使用透明轉發器，近年來出現了少量采用比較復雜的帶交換處理功能的轉發器。帶有ATM處理器的轉發器為有多種業務接入需求的用戶帶來了方便。

6，高效實用的抗雨衰技術。雨衰對10GHz以下頻率無線信號的衰減相對較小，而對Ka波段無線信號的衰減則比較大。為解決困擾Ka波段衛星通信的雨衰問題，采用了上行功率控制技術、自適應技術、分集接收技術、多波束功率控制技術等來減少雨衰的影響。從實際應用情況來看，其中幾種技術手段用的最為普遍，效果比較理想。

1）上行功率控制技術AUPC。

衛星通信主站為應對雨衰對信號的衰減，在主站設計時預留有一定的上行功率冗余，當降雨時對上行鏈路信號衰減進行估算，依此相應的增加發射功率，使衛星接收電平保持在一定范圍內。實際工作中主站還實時接收VAST小站回傳的C/N報告信息，并根據它自動控制小站上變頻功放功率的動態增加或減少。

2）自適應技術。

(1) ACM-自適應編碼和調制。自適應編碼和調制技術僅對正在遭受雨衰的VSAT小站而不針對全網進行編碼和調制的自動調整。在出現陰天或降雨時，根據小站C/N報告，動態分配VSAT小站采用更可靠的調制和編碼模式。例如從晴天的16APSK 9/10降到陰天的8PSK 5/6或雨天的QPSK 1/2，降雨結束后自動返回到晴天帶寬效率最高的調制和編碼模式。

(2) VCM-可變編碼和調制。VCM是一種人為改變編碼和調制的方式。主要在單向接收模式下因為沒有衛星回傳的測試信息，ACM功能無法使用；以及一些需要固定編碼和調制的業務應用時使用。衛星信號強弱波動變化時可結合天線尺寸人工設定編碼和調制。

（3) DLA-動態鏈路自適應技術。DLA技術通過變化的入境鏈路信號強度來調整調制和編碼方式，可動態地消除不必要的雨衰冗余。晴天使用帶寬效率最高的符號速率和編碼，下雨時自動改成較低的編碼率FEC和自動跳轉到較低符號速率的載波。它能降低小站上行20%，入境18%的帶寬資源。

著名的衛星通信設備提供商以色列吉來特公司實驗數據顯示，在采用自適應上行鏈路功率控制、自適應編碼和調制、動態鏈路自適應技術后，即使在有雨衰情況下，這些功能結合在一起仍可以保證最高系統可用度，最大的動態范圍可達23dB。

2011年10月20日,美國衛訊公司全球通信容量最大的ViaSat-1全Ka波段通信衛星發射成功，今年1月16日開通了衛星互聯網接入等商業服務。ViaSat-1以其140Gbps通信總容量引領衛星通信進入了全新的高速寬帶多媒體時代，改變了人們對寬帶衛星服務經濟性和質量欠佳的認識，市場競爭能力大增。ViaSat-1猶如空中信息高速公路,在較長時期內可滿足高速數據通信、高清電視HDTV傳輸、直接入戶DTH、衛星新聞采集SNG、VAST、移動互聯網接入等帶寬密集型業務高速增長的需求。因C、Ku波段轉發器帶寬資源的限制，Ka波段寬帶衛星通信以其優勢正成為各國高清電視、寬帶多媒體業務傳輸等的首選。許多國家已開通或正計劃開通Ka波段寬帶衛星通信系統，Ka波段寬帶衛星通信在全球正呈現出蓬勃發展之勢。

迅猛發展的Ka波段寬帶衛星通信

歐美發達國家在上世紀后期就開始了Ka波段衛星通信的研究、開發和應用。后衛星通信因受到地面光纖系統的沖擊，一段時期內發展十分緩慢。近年來由于大量衛星通信新技術的相繼采用，高頻元器件難題的攻克以及雨衰問題等的較好解決，使得寬帶衛星通信得到了迅猛發展，尤其是最近兩年多來隨著超大容量高速寬帶Ka波段通信衛星的相繼發射升空，Ka波段寬帶衛星通信的發展迎來了春天。

美國是世界上Ka波段衛星通信商用化最早的國家之一，它也是全球發射Ka波段通信衛星最多的國家。美國Ka波段寬帶衛星通信在高清電視HDTV、互聯網接入、寬帶多媒體通信、直接入戶等應用方面取得了可觀的經濟效益。WildBlue-1、Spaceway-3、ViaSat-1等是美國在用的全Ka波段寬帶通信衛星，相對Spaceway-3 的10Gbps通信總容量，今年開通的ViaSat-1達到了史無前例的140Gbps，它覆蓋北美和夏威夷等地區，可為數百萬的用戶提供各種寬帶通信服務。在更高EHF頻段美國也早已進行衛星通信系統的開發和應用，尤其是在軍事應用領域。

加拿大是另一個Ka波段寬帶衛星通信商業化應用較早和成功的國家，它使用搭載有Ka波段轉發器的Anik-F2、Anik-F3等通信衛星為北美地區用戶提供HDTV、互聯網接入、邊遠地區遠程醫療及教育等服務。

Ka波段寬帶衛星通信在歐洲的商業應用情況較北美地區存在差距，但EUTELSAT公司于2010年12月27日發射的Ka-Sat全Ka波段通信衛星則使歐洲一步跨入了全球Ka寬帶衛星通信的先進行列。Ka-Sat其70Gbps通信總容量是當時全球容量最大的通信衛星，它可為超過100萬歐洲及大部分地中海盆地家庭用戶提供寬帶互聯網接入和數據傳輸等服務。Ka-Sat衛星可提供最大上、下載流量分別為20Mbps和50Mbps的標準服務。

日本上世紀70年代就開始了Ka波段通信衛星的研制試驗，SuperBird等通信衛星現可提供Ka波段衛星通信國內服務，但日本始終沒有形成有規模的商業應用。以色列是亞洲及全球Ka波段衛星通信技術領先的國家，Gilat公司將為澳大利亞建設NBN多點波束Ka寬帶衛星項目，使用IPSTAR的多點波束Ka/Ku波段衛星。韓國、印度、沙特、阿聯酋、俄羅斯等許多國家都已進行或計劃進行Ka波段衛星通信應用或試驗。

Ka波段衛星通信在我國已完成了星載處理交換機和Ka波段多波束天線等關鍵設備的研制工作，2008年10月30日發射的我國制造的委內瑞拉一號通信衛星除搭載C、Ku波段轉發器外，還搭載了2個Ka波段轉發器。我國已向國際電信聯盟ITU申請Ka波段通信衛星軌道位置。國內一些單位如中央電視臺已開展了Ka波段SNG業務，新華社也在巴黎分社進行了Ka波段衛星通信的應用試驗。在軍事通信一些方面Ka波段衛星通信我軍已有所應用。總的來說我國處在Ka波段寬帶衛星通信應用的初級階段，隨著寬帶多媒體業務傳輸需求的高速增長，我國將很快進入Ka波段寬帶衛星通信應用的快速增長期。

前景光明的Ka波段寬帶衛星通信

寬帶通信衛星正引領著衛星通信的重大變革，而多業務覆蓋的寬帶高效率智能的衛星通信平臺是衛星通信總的發展趨勢，Ka波段寬帶衛星通信則代表了這種發展趨勢。2015年Ka波段寬帶通信衛星將覆蓋全球，Ka波段寬帶衛星通信有著光明的發展前景。

根據掌握的資料得知，近幾年內全球將有多顆全Ka波段通信衛星發射升空。今年計劃發射的有：英國Avanti公司的Hylas-2及休斯網絡公司的Jupiter通信衛星，它們都是同步衛星，其中Jupiter通信總容量在100Gbps以上。明、后年計劃發射的有：Inmarsat公司的Inmarsat-5 F1/F2/F3三顆低軌移動通信衛星。今年還有O3b公司的多顆O3b中軌通信衛星計劃發射。如此密集的發射計劃預示著Ka衛星通信在全球已進入高速增長期。

Ka波段寬帶衛星通信現主要應用在傳統的高清電視HDTV傳輸、寬帶數字通信等方面，隨著多顆不同軌道Ka波段通信衛星的陸續發射升空以及各種大帶寬新業務需求的出現，Ka波段寬帶衛星通信必將在這些新領域得到應用：

1，3D電視信號傳輸。據報道，今年夏季倫敦奧運會上將有超過200小時的開閉幕式、比賽項目等進行3D電視轉播，利用寬帶衛星系統傳輸將是最佳選擇。國內CCTV等六家電視臺已在2012年1月1日開辦了3D電視試驗頻道，廣電總局提出了十二五末期將開通10個3D頻道的發展目標。我國現階段HDTV、標清等電視信號是利用C、Ku波段通信衛星進行傳輸的，而C、Ku波段資源已難以滿足3D電視信號的大量上星傳輸，而擁有更大帶寬資源的Ka通信衛星將是不錯的選擇。

2，Ka波段衛星移動通信。在低軌衛星移動通信方面，隨著近幾年Inmarsat-5 F1/F2/F3衛星的陸續發射升空，Ka波段衛星移動通信將得到廣泛應用。在FSS衛星頻段上，美國衛訊ViaSat公司推出了使用30厘米以下小型天線的ArcLight衛星移動寬帶系統，它是迄今全球技術領先唯一獲準在FSS中使用的Ka波段衛星移動寬帶系統。

3，空中Ka寬帶WI-FI。在民航班機上配備Ka波段機載雙向衛星通信設備，通過ViaSat-1號通信衛星為乘客提供空中電視和機上WI-FI寬帶互聯網接入等服務。據報道美國聯合大陸及捷藍航空公司就有370多架客機擁有這種服務。我國國航正在嘗試這種服務，但還沒有做到真正意義上的空中Ka寬帶WI-FI。

4，其它應用。衛星應急通信、海事移動通信、突發事件新聞報道、地面傳輸系統容災備份等都可以成為Ka波段寬帶衛星通信應用的新領域。

結束語

近年來，衛星通信技術的進步及全球多媒體業務傳輸需求的高速增長促進了寬帶衛星通信的不斷發展，全球寬帶衛星通信正從C/Ku波段透明轉發器賦形波束通信系統向Ku/Ka及全Ka波段透明或處理轉發器蜂窩狀多點波束通信系統發展。固定衛星業務FSS、廣播衛星業務BSS及移動衛星業務MSS之間的界限已不再那么清晰，衛星通信也不再是獨立的通信網絡，它與地面各種通信信息網絡的聯系更加緊密，出現了天地一體相互融合的趨勢。如今衛星通信系統已是全球信息化網絡設施的重要組成部分，Ka波段寬帶衛星通信系統作為空中信息高速公路有著廣闊的發展前景。

新華社技術局）