高階調制技術在移動基站衛星中繼電騾的測試和應用

+ 陳玥 中國電信集團公司網絡運行維護部

高階調制技術在移動基站衛星中繼電騾的測試和應用

+ 陳玥 中國電信集團公司網絡運行維護部

高階調制技術在衛星通信中具有廣泛的應用前景，同時對衛星通信網絡設備等也提出了一定的要求。本文介紹了電信運營商在應急通信車采用高階調制技術開通衛星中繼的試驗，驗證高階調制技術在現有設備上的可用性，實現了在保證用戶感知和業務效果的情況下，可有效降低衛星轉發器占用帶寬，并予以全網推廣應用。

高階調制；衛星通信；應急通信

圖3-1：網絡示意圖

1 引言

衛星通信具有獨特的技術特點，具有不受地域限制和時間限制，通信成本不受傳輸距離影響等優點，電信運營商現網使用衛星通信手段進行應急通信保障。在實際運營中，衛星應用成本比較高，衛星轉發器的費用達到25萬人民幣/MHz每年，在低業務需求的情況下嚴重制約實際需求的釋放。

某電信運營商的移動網基站傳輸部分仍基于現有的TDM承載網來實現的，衛星中繼與地面傳輸一樣，也選用TDM傳輸模式，其最小傳輸單位為2M，然而在某些應急通信保障中實際業務量較小，若仍采用2M傳輸鏈路的話，衛星占用帶寬可能遠大于實際需求，從經濟角度來講，存在資源浪費問題。

衛星帶寬壓縮技術可以有效解決衛星應用成本過高的問題，有多種衛星帶寬技術，其中高階調制技術是一種成熟技術，目前主流衛星調制解調器均支持8PSK、8QAM、16QAM等調制技術。

為在有限的衛星帶寬資源上更好為應急通信服務，提升應急情況下應急衛星設備的能力及效率，某電信運營商對使用頻次最高的應急移動通信車衛星調制解調器設備和移動主設備開展研究，采用高階調制技術，降低轉發器使用帶寬。并結合各地的情況，開展測試。

2 高階調制技術

2.1 技術原理

2.1.1 調制和調制階數

數字信道的信道容量可以依據奈奎斯特準則計算。奈奎斯特準則指出：帶寬為BHz的信道，所能傳送的信號的最高碼元速率（即調制速率）為2B波特。因此，數字信道容量C可表示為C=2Blog2M（bit/s）

其中，M為碼元符號所能取的離散值個數，即指M進制，也稱為調制階數。所以在C（信道容量）一定的情況下，提高M的取值，就可以減少B（帶寬）的數量，也就起到了節約帶寬的目的。其中衛星通信中常用的調制方式包括：BPSK、QPSK、8PSK、16QAM。其中目前某電信運營商衛星通信中普遍使用的調制方式為QPSK。BPSK的M值為1，QPSK的M值為2，8PSK的M值為4，16QAM的M值為8。

2.1.2 前向糾錯編碼（FEC）

前向糾錯編碼（Forward Error Correction簡稱FEC）是增加數據通訊可信度的方法。在單向通訊信道中，一旦錯誤被發現，其接收器將無權再請求傳輸。FEC是利用數據進行傳輸冗長信息的方法，當傳輸中出現錯誤，將允許接收器再建數據。數據發送端的編碼器首先對需要發送的數據進行處理，生成一些冗余校驗比特，發送的信號中包括信息比特和校驗比特，在接收端，重新根據信息比特計算出冗余比特，并與收到的冗余比特相比較。二者不一致時，接收端使用接收到的冗余比特的值重新生成信息比特組。

前向糾錯編碼包括維特比編碼（Viterbi）、序列編碼（Sequential ）、所羅門編碼（Reed-Solomon）、Turbo 乘積碼（Turbo Product Coding -TPC）和低密度校驗碼（Low-Density Parity-Check Codes -LDPC)等。目前某電信運營商衛星通信常用的糾錯編碼主要為Turbo 乘積碼。

前向糾錯的碼率是指碼流中有用編碼與全部編碼的比例，以7/8碼率為例，是指在一個碼流中，只有7/8的內容是有用的，另外1/8的內容是用于保護數據流不變異的糾錯碼。前向糾錯碼碼率越低，則糾錯碼占據的比例越高；同樣功率時，對解碼的門限要求越低，要求天線口徑越小，接收越容易；前向糾錯碼碼率越高，則糾錯碼比例越低，解碼門限值越高，天線口徑要求越大，接收越困難。

Eb/No為每赫茲帶寬內，信號能量與噪聲能量的比值；在相同的調制方式和FEC速率下，Eb/No越低，相當于所需要的載波功率越小，相當于需要對端發射的功率越低，即糾錯性能越好。相當于所需要的載波功率越小，相當于需要對端發射的功率越低，即糾錯性能越好。

2.1.3 載波間隔

載波間隔是指衛星轉發器上兩個數據載波之間的間隔，衛星轉發器上相鄰的2個載波會互相產生一些“干擾”，從頻譜上講，由于載波的頻譜不是理想的“陡降”形狀，而是有“拖尾”，所以拖尾有可能進入旁邊的載波，從而對旁邊載波造成影響，同理，旁邊的載波也會對本載波造成影響。載波之間越近，影響越大。載波間隔系數是用于描述相鄰載波間隔的參數，在衛星通信中取值為1.2至1.4。

2.2 衛星轉發器理論占用帶寬

衛星轉發器帶寬與編碼的數據速率與數據速率、前向糾錯編碼、調制階數和載波間隔系數有關。衛星轉發器占用帶寬的公式如下：

衛星轉發器占用帶寬（BW）= 數據速率/FEC/調制階數＊載波間隔系數

其中： FEC 為前向糾錯的碼率調制階數：BPSK為1，QPSK為2，8PSK/8QAM為3，16QAM為4載波間隔系數：1.2到1.4之間

例如：2048kbps數據速率，采用TPC ? FEC和QPSK，載波間隔系數為1.4

則實際占星帶寬為： 2048 / 0.75 / 2 × 1.4 = 1911.47 (KHz)

由此可見，通過采用不同的調制階數的調制方式，結合效率更高的前向糾錯編碼和采用合理的載波間隔?？梢赃_到提高衛星轉發器帶寬利用率的效果。

3 高階調制技術驗證測試

3.1 某電信運營商移動應急車組網

某電信運營目前裝備的移動應急車分為大型和小型車輛，其中小型車輛均采用小型越野車，車內只安裝BTS設備，因此在組網時，車內的BTS 通過SCPC（單路單載波）方式經過衛星接入衛星地面站，應通過地面傳輸接入各省指定的相應型號的BSC。

應急通信車所載BTS 通過衛星電路回傳到衛星地面站，再通過地面電路調度送回本省，應急車輛中均配備有衛星調制解調器，其中小型移動應急通信車，配備CDM625開放衛星調制解調器。該衛星調制解調器設備支持多種調制方式。

3.2 某電信運營商高階調試測試

測試主要針對衛星調制解調器采用不同的高階調制與編碼方式（包括8PSK 7/8，16QAM 3/4，16QAM 7/8）時，測試衛星鏈路指標的變化，以及對移動應急通信車工作的影響，根據應急通信車目前的設備能力，在滿足基站正常應用的前提下,結合帶寬壓縮一半,功放余量等綜合考慮，找出最優的高階調制與編碼組合方式。地面衛星站現有KU頻段 2.4米和6米天線，測試對應急車衛星鏈路收發指標的影響。

3.2.1 衛星設備配置

在衛星地面站開展測試，地面衛星站設備包括為：CDM625衛星調制解調器；KU頻段 2.4米天線系統，125W Paradise ODU，Norsat 1009XHB；KU頻段6米天線系統，125W Paradise HPA。使用中衛一號12A轉發器應急衛星頻帶資源 （使用KU頻段2.4米天線）和亞洲五號K8H衛星資源（使用KU頻段 6米天線）。測試天氣為晴天。

3.2.2 應急通信車衛星設備配置

使用小型移動應急通信車，衛星天線口徑為1.35米，CDM625衛星調制解調器；40瓦功率放大器。

3.3 測試結果

（1）不同高階調制與編碼方式下載波的占用帶寬

?

通過對各種高階調制與編碼方式的理論與實際占用帶寬的分別計算和測量，從測試結果來看: 若要實現在2MHZ分配帶寬基礎上壓縮一半帶寬以上，在載波間隔系數選用1.35的情況下, 就必須采用16QAM的調制方式才能滿足。

（2）不同高階調制與編碼方式在基站應用中對應急通信車發射指標的要求

?

在滿足應急通信車基站無誤碼正常應用場景下，小型應急通信車調制與編碼方式隨著QPSK 3/4至16QAM 7/8的改變，發射功率相應從27.3dBm提升至32.7dBm，提高了5.4dB。也就是說，選用的調制與編碼方式階數越高，對衛星端站所需的發射功率要求也越高。目前，某電信運營商小型移動應急通信車統一配備的是飽和功率40W的BUC，移動應急通信車在不同高階調制與編碼方式工作時功放余量均在7dB以上。

（3）不同高階調制與編碼方式在基站實際應用中對衛星主站發射指標的要求

?

目前衛星地面站KU頻段 2.4米與KU頻段6米天線系統均配備的是125W功放，結合測試所得數據，對比采用以上不同高階調制與編碼方式時，衛星地面站KU頻段 2.4米天線系統發射功率最高僅需35.1dBm（即采用8PSK 7/8），不到4W，因此衛星地面站的發射余量是充裕的。

3.4 測試結論

經過測試，某電信運營商發現采用16QAM 3/4（滾降0.35）, 16QAM 7/8（滾降0.35）高階調制與編碼方式均可以有效將移動應急通信車在開通一條雙向衛星電路時的星上占用帶寬壓縮到2MHZ以內，滿足帶寬壓縮一半的要求。目前某電信運營商使用的小型移動應急通信車配備的40W BUC能夠滿足在各種高階調制與編碼方式下的基站正常應用, 且衛星系統功放在滿足功帶平衡時的余量在7dB以上。

4 現網應用

在衛星帶寬壓縮技術研究和實驗的基礎上，某電信運營商在2013年組織全網實施，所有應急衛星資源都采用衛星帶寬壓縮技術。在2013年4月20日，四川雅安地區發生七級地震，給當地造成重大人員財產損失。衛星地面站在某電信運營商的指揮下，充分利用衛星帶寬壓縮新技術為災區提供通信保障，為災區盡可能地多開一些衛星救災通道，利用28兆衛星帶寬提供了10條衛星遠程中繼，共為災區現場提供緊急通信保障50次，共計23200分鐘。地震當天的13時35分，某電信運營商四川分公司完成移動應急通信車站車現場定位，某電信運營商地面衛星接入主站順利開通到地震災區的首條衛星中繼，協助災區現場開通了移動基站。21日中午，配合空降的衛星基站在通信孤島寶興縣開通一個應急基站，實現了搶險救災現場的移動網絡信號覆蓋。

某電信運營商衛星帶寬壓縮技術從2013年4月開始試運行測試并隨后正式使用至今，全國共有31省使用多種衛星帶寬壓縮技術，實現移動應急基站衛星入網，在原有帶寬的基礎上提升了一倍的帶寬利用率，根據測算，2013年高階調制帶寬壓縮技術共計使用1745.5小時，2014年高階調制帶寬壓縮技術共計588.5小時。

5 結束語

某電信運營商目前在全國應急通信保障工作大規模采用高階調制技術，有效降低衛星轉發器的帶寬占用率。高階調制技術可以在不改動和新增衛星設備的情況下，低成本實現衛星帶寬壓縮，同時保障用戶正常業務使用。

1斯國新，衛星通信系統[M]，宇航出版社，1993

2曹志剛，錢亞生，現代通信原理[M] ，清華大學出版社，2012

3黃平，編碼調制技術[M]，北京大學出版社，2012

4劉國梁，衛星通信[M]，西安電子科技大學出版社，2009

5楊毅明，數字信號處理[M]，機械工業出版社，2012