南極衛星通信系統的組網和維護

沈偉民 中國電信股份有限公司上海分公司應急通信局工程師

南極衛星通信系統的組網和維護

沈偉民 中國電信股份有限公司上海分公司應急通信局工程師

介紹南極長城站、中山站與上海極地中心之間衛星通信系統的組網方式，以及在南極特殊的地理、溫度環境下如何保障通信設備及網絡的正常運行。

調制解調器 網絡加速器 室外功率放大器 天線控制器載 波疊加

1 引言

中國極地中心位于上海浦東金橋，承擔著國家南、北極科學考察研究的重任。中國目前在南極有2個科考站，中山站和長城站。長期以來，中山站和長城站與外界都沒有建立通信連接，使許多科考數據無法及時傳回國內進行分析研究，科考站的科技人員長期職守在南極無法隨時與國內的家人、同事聯系，國內的信息也不能及時順暢地傳送到南極，南極兩站基本處于與世隔絕的狀態。

2006年，國家撥款5億元用于改造南極科考隊的各項設施，其中包括雪龍號科考船的維修、南極兩站的翻新和與國內建立通信傳輸系統。南極科考隊通信主要解決的是極地中心與長城站、中山站之間的通信，考慮到南極通信傳輸的特殊性和復雜性，中國極地中心委托上海電信對長城站、中山站的衛星通信系統進行規劃。衛星信道的功能要求是：提供IP數據通信和IP語音通信的功能；衛星信道的性能要求是：點對點IP數據通信（即長城站—上海、中山站—上海）的上下行速率均為512kbit/s。

2 系統概述

從地理區域觀察，極地中心和中山站在東半球，長城站在西半球，長城站位于：62°,12’,59’’s，58°,57’, 52’’w；中山站位于：69°,22’,24’’s，76°,22’,40’’e。

長城站和中山站由于地理位置的不同以及受通信衛星波束覆蓋區域的限制，需要用兩顆不同的國際通信衛星實現相互通信，整個系統可分為長城站和中山站這兩個分系統，采用點對點的通信方式組網，具體系統如圖1所示。

在此系統中，上海電信提出建立一個基于因特網的全IP方式的衛星通信鏈路系統，以上海莘莊衛星地球站作為主站，利用莘莊地球站豐富的天線資源和人力技術資源做好主站的運行維護。在中山站、長城站設立遠端小站，實時與主站聯系，實現語音電話、圖像文件傳輸、數據傳送和因特網瀏覽等功能。

上海電信提供60M城域網光纖接入極地研究所，通過位于上海衛星地球站的相關設備進行信號處理，將所有的語音和數據等信號打包成IP包送到Modem設備、再通過射頻設備和天線經通信衛星對信號進行轉發。

2.1 長城站—上海極地研究所

由于長城站位于西半球，而上海位于東半球，上海衛星地球站所處的太平洋、印度洋上空的國際通信衛星無法直接覆蓋，決定利用中國電信豐富的國際長途光纜資源，首先開通極地研究所至英國倫敦POP（中國電信線路匯接點）國際光纜專線電路，再延伸至法蘭克福地球站，通過通信衛星進行信號轉發，經與法蘭克福地球站和國際通信衛星組織技術人員的溝通商量后確認了方案的可行性，所以本系統采用長途國際光纜+通信衛星的方式進行組網，具體系統組成如圖2所示。

長城站上行的信號通過位于大西洋上空的Intelsat（國際衛星通信組織）325°衛星轉接到法蘭克福地球站，經由法蘭克福地球站的下行設備接收，將信號送到位于UK（倫敦）的傳輸POP（電信線路匯接）點，再通過國際專線電路送到上海衛星地球站，經由電信ITMC（國際終端維護中心）送到極地研究所。從極地研究所上行的信號則通過反向連接到長城站。長城站的內部系統鏈路如圖3所示。

圖1 南極科考站通信項目系統圖

信號下行：從325°衛星收下來的信號經由6m的收發天線，送到LNB（低噪聲放大變頻模塊），將信號由C波段轉換為L波段，LNB輸出的L波段信號被送到衛星Modem，將信號解調出基帶信號（即IP信號），因衛星通信延時較大（一次上、下行共540ms），所以在數據信號傳輸中會遇到實際使用速率比傳輸速率有所下降的問題，并且有可能導致無法進行正常的上網、文件傳輸等問題的出現，因此在Modem的后級需連接TCP/IP加速器以解決此問題，在加速器后可連接需要的網絡設備。

信號上行：從網絡設備來的信號經由TCP/IP加速器送到Modem（上、下行共用1個衛星Modem，此衛星Modem同時具有調制和解調功能），Modem將信號調制到L波段，送到位于室外的ODU，ODU具有內置BUC（可將信號從L波段轉換到C頻段），并且具有信號放大功能，此次選用50W的室外型功放，可以保證512K傳輸線路功率要求和室外低溫工作環境的需要，功放等設備選用國際最優秀的品牌，并且這些設備均為多家衛星站和電視臺使用，設備的可靠性和穩定性得到了長期的驗證。

圖2 長城站—極地研究所通信組網圖

圖3 長城站設備系統圖

2.2 中山站—上海極地研究所

中山站和上海同時位于東半球，可利用位于印度洋上空的Intelsat62°國際通信衛星與上海衛星地球站進行雙向通信信號傳輸。中山站—極地研究所通信組網如圖4所示。衛星地球站的700W行波管放大器進行信號放大，經20m天線將信號送到62°衛星，由衛星轉發送往中山站，中山站的下行鏈路設備與長城站類同。

3 南極衛星地球站設備的維護

3.1 衛星天線

圖4 中山站—極地研究所通信組網圖

中山站上行：中山站的上行信號經由62°通信衛星轉發到上海衛星地球站后，通過直徑20m的天線進行信號接收，下行采用LNA（低噪聲放大器）輸出為4G信號，所以要用BDC將信號變頻到L波段輸出送到衛星Modem，衛星Modem輸出的信號再經過TCP/IP加速器送到衛星站的匯接設備，經電信ITMC（國際終端維護中心）送到極地研究所與網絡設備相連。

中山站下行：極地研究所送來的IP信號經ITMC送到衛星地球站，衛星地球站將信號送到衛星Modem，衛星Modem的L波段輸出信號經過BUC（上變頻模塊）將信號轉為C波段上行信號（6G），送到上海

衛星地球站天線放置在玻璃鋼球體內，外界環境因素對其影響很小，同時前方又是開闊地帶，不存在阻擋現象，衛星天線帶有伺服系統，在日常使用和維護過程中可遠端遙控進行天線方位角和俯仰角的調整。極化采用的是圓極化，因此不需要調整極化角。

衛星天線主要的維護工作就是檢查天線控制單元、天線跟蹤接收機、天線驅動單元及其附屬電機各項指標是否正常，方位電機和俯仰電機能否正常運轉，以及波導充氣機的運轉情況。

（1）天線控制單元（ACU）需檢查參數如表1所示。

（2）衛星跟蹤接收機（TrackingReceiver）需檢查參數如表2所示。

（3）天線驅動單元（ADU）及方位、俯仰電機。

檢查俯仰和方位電機是否正常工作時，確保天線驅動單元（ADU）的Local按鍵彈出，紅燈亮，然后按天線控制單元（ACU）的Exit鍵，返回主菜單界面，如圖5所示。

在ACU面板鍵盤上按2鍵，執行自動跟蹤，這時就會聽到方位和俯仰電機來回跟蹤啟動的聲音，電機工作運轉以及運動方向在天線驅動單元內會有相應的指示燈閃爍，這說明兩個電機工作正常。

表1 天線控制單元參數

表2 衛星跟蹤接收機參數

3.2 衛星Modem

衛星Modem的日常維護工作主要是檢查告警、Eb/No、BER等性能指標參數，這些指標參數通過衛星

Modem的本地面板操作或通過Web方式登錄MODEM進行監測。

（1）正常情況下衛星Modem的各項主要參數如表3所示。

圖5 天線控制單元菜單

表3 衛星Modem接收參數

（2）衛星Modem面板指示燈含義如表4所示。

（3）通過Web方式登錄Modem進行設備參數檢查和修改。

●登錄衛星Modem：長城站衛星地面站Modem的IP地址為192.168.201.2，在瀏覽器地址欄輸入http:// 192.168.201.2，出現衛星MODEM登錄頁面（見圖6）。

●查看并修改Modem的IP配置：選擇IP菜單下的Interface子菜單，Modem當前IP地址及相關配置如圖7所示。

表4 衛星Modem面板指示燈

圖6 衛星Modem登錄頁面

●查看并修改Modem的路由配置：選擇IP菜單下的Routes子菜單，Modem當前路由及相關配置如圖8所示。

●查看并修改Modem的系統配置：選擇Modem菜單下的Modem子菜單，衛星Modem當前的系統配置如圖9所示。

注意事項：

——系統正常運行狀態下，確保如表5所示Modem發射和接收參數不被修改。

——長城站的發信/收信頻率分別為：6314.5775/ 4111.155MHz，發信的本振頻率和收信本振頻率分別為4900/5150MHz，因此混頻后，Modem配置L頻段的收發頻率分別如上表所示。

圖7 衛星Modem接口配置

圖8 衛星Modem路由配置

表5 衛星Modem發射和接收參數

——功放的開關和輸出功率的調整也可以在本菜單中執行。

——收信頻譜的反轉是由于C頻段的信號經LNB混頻后變為L頻段信號，這時原來信號頻譜的高端變為低端，因此需要進行反轉。

——收信的捕獲范圍盡量設大一點，在傳輸速率為512kbit/s時，它的最大值為32kHz(+/-)。

●檢查并修改低噪聲放大器（LNB）配置：選擇Modem菜單下的LNB子菜單，LNB的當前配置如圖10所示。

●檢查并修改Modem的Access配置：選擇Admin菜單下的Access子菜單，Modem當前Access配置如圖11所示。

●檢查并修改Modem的Features配置：選擇Admin菜單下的Features子菜單，Modem當前Features配置如圖12所示。

3.3 衛星發信功率放大器（ODU）

衛星發信功率放大器用于信號發射過程中的信號放大，放大器安裝在天線立柱的中心體中，日常維護主要通過放大器的M&CConnector（J4）端口連接到計算機進行檢查，具體操作步驟如下：

（1）軟件安裝和設備連接：在計算機中安裝Paradise Datacom光盤提供的監測和控制軟件：Compact Outdoor M&C Software（ID 100000+)，然后用RS232電纜（設備配置的纜線）連接放大器的J4端口和計算機的串口（如沒有串口，可通過RS232與USB轉換后連接到計算機的USB端口）。

圖10 衛星Modem低噪聲放大器配置

圖11 衛星Modem權限配置

圖12 衛星ModemFeatures配置

（2）軟件的連接：打開Compact Outdoor M&C程序，選擇如圖13所示的File下拉菜單；在File下拉菜單中選擇如圖14所示的AddNewSSPA；選擇本地COM端口和連接波特率（9600 Baud），確認后即成功連接到如圖15所示的發信功率放大器控制界面；點擊SSPAOperation選項卡，顯示發信功率放大器的各項運行參數。

圖13 File下拉菜單

圖14 添加新固態放大器菜單

（3）發信功率放大器正常運行，參數如表6所示。

（4）信號發射功率的更改：信號發射功率的增加或減小，通過信號發射消耗衰耗值的更改來實現，可以在如圖16所示的衰耗值設置區域（Attenuation）中通過鼠標點擊左右箭頭進行衰耗值的增加或減小，也可以通過鼠標拖動衰耗指示表的指針進行衰耗值的更改，這時左邊信號發射功率指示刻度表（RFPower）也會隨之相應變化。

3.4 衛星接收信號放大器（LNB）

衛星接收信號放大器（LNB）用于信號接收過程中的信號放大，放大器安裝在天線中心體內，通過硬波導與衛星天線的RFOutput（RHCP）端口連接，LNB的日常維護主要通過衛星Modem來實現。

LNB的工作電壓由衛星Modem提供，電壓范圍為-15～-24V，Modem可提供-13V、-18V、-24V3種電壓，長城站LNB的電壓選擇-18V。

3.5 衛星TCP加速器（TurboIP）

衛星TCP加速器的日常維護主要包括檢查設備的加速設置和IP地址設置，即使加速器出現故障或電源關閉也不會影響正常的通信傳輸，這時TCP加速器的WAN和LAN端口相當于直通端口。

（1）登錄衛星TCP加速器：長城站衛星地面站TCP加速器的IP地址為192.168.201.3，只有192.168.201.0網段內的計算機才可以訪問。在瀏覽器地址欄輸入http://192.168.201.3，出現如圖17所示的衛星TCP加速器的登錄頁面。

（2）檢查TCP加速器的加速設置：登錄TCP加速器后，選擇Acceleration選項卡，TCP加速器的當前加速及相關設置如圖18所示。

（3）檢查TCP加速器的IP地址設置：登錄TCP加速器后，選擇Interface選項卡，TCP加速器的當前IP地址及相關設置如圖19所示。

3.6 南極專線電路系統優化

2009年1月相繼開通南極長城站、中山站至極地中心的衛星專線電路，兩站通過衛星鏈路及相應的地面線路實現南極長城站、中山站局域網與極地中心研究所局域網的互聯。衛星鏈路提供端到端IP接口，兩端分別與網絡交換機相連，網絡交換機提供業務接入，不同的業務共享衛星信道提供的傳輸帶寬，目前已開通的業務主要是語音和低速數據。但由于衛星帶寬資源受限（目前僅開通雙向512k），當語音通話、網絡瀏覽或數據傳送集中于某一時刻時，會出現網絡擁塞現象，因此必須通過交換機對不同業務類型制定相應的QoS策略，保證各類業務不發生沖突。為了解決衛星帶寬瓶頸，經與極地中心協商，上海電信負責將衛星帶寬資源由現在的雙向512k擴容至雙向1M，并采用最新的載波疊加技術，最終為用戶提供雙向2M的衛星通信應用。

表6 發信功率放大器運行參數

圖15 固態放大器控制界面

圖16 固態放大器發射功率的更改

圖17 衛星TCP加速器登錄界面

圖18 衛星TCP加速器配置

載波疊加：以Modem廠家Comtech EF Data公司為代表擁有的Carrier-in-Carrier載波疊加技術，其特點是站點間采用SCPC方式進行通信時，A、B站原本需為兩個載波租用一定的衛星帶寬，現在通過載波疊加技術不需要了，只需要租用帶寬大的一方即可。如A、B站對通，每個載波帶寬2MHz，原本需要租用4MHz帶寬，現在只需租用一個2MHz帶寬就可以了，如圖20所示。

申請租用亞太6號衛星，APSTAR6-C11A-4055/ 6280MHz，6MHz帶寬，上行垂直極化、下行水平極化，使用兩套ComtechEFData公司的Comtech625Modem進行載波疊加測試。假設第一套CDM625Modem為上海莘莊衛星地球站，第二套CDM625為南極中山站，根據1M帶寬的要求，兩套Modem發信頻率分別為6280、6281MHz，接收頻率分別為4056、4055MHz。

●使用兩套CDM625Modem140MHz中頻輸出合路后公用一套U/C和D/C，U/C頻率為6280MHz，加10dB衰減器，D/C頻率為4055MHz。第一套Modem TX FREQ：140MHz、RX FREQ：141MHz、Data Rate：1024kHz；第二套Modem TX FREQ：141MHz、RX FREQ：140MHz、DataRate：1024kHz。

圖19 衛星TCP加速器網絡配置

●使用載波疊加技術：兩套CDM625Modem使用相同的發信和收信頻率，即第一套ModemTXFREQ：140MHz、RX FREQ：140MHz、Data Rate：1024kHz；第二套ModemTX FREQ：140MHz、RX FREQ：140MHz、 DataRate：1024kHz。將第一套Modem載波疊加cnc設置為On，Delay Research設置為Min：200ms，Max：260ms。第二套Modem載波疊加cnc設置為On，Delay Research設置為Min：200ms，Max：260ms。此時載波疊加工作完成，在頻譜儀上監測到兩個載頻已疊加在一起，功率增加了3dB。

圖20 載波疊加頻譜

采用載波疊加技術后空余一個1024kHz的帶寬，將第一、第二套Modem的TX和RX中的DataRate修改為2048kHz，就實現了衛星帶寬從1024～2048kbit/s的升級。

4 結束語

為了更好地支持南極科考事業的發展，滿足南極通信應用需求，提高用戶對電信業務的感知度，中國電信對衛星帶寬進行升級擴容后，能更好地滿足用戶各類業務應用需求；為擴展在南極通信應用的覆蓋范圍，在南極地區建立CDMA基站，通過提供C網無線信號覆蓋，使科考隊員可通過天翼手機擴大科考隊員工作活動的通信范圍，同時可實現與國內任何地點的通訊聯絡，進一步拉近極地與國內的距離。總之，衛星通信作為傳輸中繼節點解決了南極長城站、中山站與極地中心之間的的通信連接，實現了VoIP話音通信和南極長城站、中山站與極地中心局域網的互聯。

1 CDM－570/570L Installation and Operation Manual

2015-08-28）