VSAT衛星通信技術在偏遠地區4G無線網絡部署中的應用

胡春波,余 亮,祝 昱,范吉明,史美逸

(烽火通信科技股份有限公司,湖北 武漢 430205)

0 引言

4G無線網絡主要采用地面傳輸方式已在全球大部分地區規模化部署,使得全球大部分民眾都享受到了科學技術發展帶來的便利。然而部分偏遠島嶼和山區,雖然同樣有4G無線網絡通信的需求,但由于受到地理條件限制,光通信、微波通信等地面傳輸網絡無法進行部署,而衛星通信具有廣覆蓋的特點,使得通過衛星通信部署4G網絡具備可能性。

1 不同軌道衛星通信技術方案對比

與地面傳輸網絡通信相比,衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信傳輸距離遠、組網快速靈活、抗地面災害能力強等優點。按軌道高度不同,分同步軌道衛星(Geostationary Earth Orbit,GEO)、中軌衛星(Medium Earth Orbit,MEO)和低軌衛星(Low Earth Orbit,LEO)3種,如圖1所示。本文主要聚焦于同步軌道和低軌道方案進行研究。

圖1 多個軌道衛星

1.1 同步衛星

同步軌道衛星處于約36 000 km 的固定高度,單向時延約250 ms。同步軌道衛星適用于使用一顆或幾顆衛星連續服務大范圍地區的情況,它的缺點在于所有用戶都要依賴單一來源來傳輸和管理,單個衛星故障將會直接造成業務故障。它的優點在于衛星不會相對于觀測者移動,所以衛星的通信設備只需要固定安裝和定向,且調測完成后不需要移動或調整方向。衛星接收機不必小巧緊湊,并且同步衛星在通信領域中技術相對成熟。

1.2 低軌衛星

低軌衛星處于海拔350 km至2 000 km的位置。與同步軌道衛星相比,低軌衛星更靠近地球,具有接入延遲較低、衛星體積小更容易發射、所需衛星信號傳輸功率低的特點。由于低軌衛星離地球較近,它們的“視野”也較低,而且每顆低軌衛星同時只能覆蓋地球表面的一小部分。這樣覆蓋范圍相對有限的低軌衛星,使得需要發射大量衛星維持目標覆蓋區域的連續性服務,目前網絡覆蓋和技術應用還不太成熟。

綜合考慮各類島嶼、山區等偏遠區域場景對4G無線網絡的基本需求,對時延的敏感度相對不高,優先選擇技術應用相對成熟的同步軌道衛星。

2 VSAT衛星通信技術

VSAT技術是利用高軌道衛星作為中繼,通過小型天線在兩端之間傳輸數據,可以覆蓋大面積地區,并且擁有可靠和穩定的連接。VSAT 由多個專用設備組成:碟形衛星天線(也稱為“反射器”)--一種由無線電不透材料組成的拋物面碟形天線,將進出衛星的信息反射到天線的焦點;上變頻器 (Block Up-Converter,BUC)--上變頻器能夠將低能信號轉換為高能信號,用來“發送”來自 VSAT 的信號;低噪聲下變頻器 (Low Noise Block,LNB)--低噪聲下變頻器將高能信號轉換為低能信號,將從衛星接收的數據轉換為調制解調器可用的信號;調制解調器(Modem)--專用硬件,將來自衛星的信號轉換為計算機或計算機網絡可用的數據。

VSAT技術主要使用Ku波段和C波段,是衛星通信中最常用的傳輸頻段[1]。Ku波段頻率范圍為12 GHz～18 GHz,Ku波段衛星單轉發器功率一般比較大,多采用賦形波束覆蓋,衛星EIRP較大,信號功率大使得天線口徑可以盡可能變小,從而有效地降低接收成本,方便個體接收。Ku波段連接的主要缺點是容易受干擾,陰雨天氣將會造成信號質量的下降,尤其是大暴雨的情況下,雨衰有可能超過20 dB,信號質量急劇下降,甚至會造成業務的閃斷或中斷。C波段頻率則為4 GHz～8 GHz,VSAT連接不易受干擾,可以提供更穩定的連接,暴雨情況下C波段鏈路雨衰最高一般不超過3dB。C波段連接的主要缺點是安裝和維護成本更高。

綜合考慮島嶼、山區等偏遠區域對4G無線網絡的穩定性要求不高,結合C波段和Ku波段不同的建設成本以及衛星帶寬的資源滿足度情況,本方案優先選用Ku波段。

3 4G無線網絡與VSAT衛星系統適配

4G網絡采用扁平化全IP分布式結構,網絡主要構架分為用戶設備(User Equipment,UE)、基站(eNodeB)、核心網(Evolved Packet Core,EPC)。基站主要負責同UE建立通信連接,并提供網絡覆蓋。eNodeB和EPC之間通過傳輸網絡互連,相關業務有3種:操作與維護(Operations and Maintenance,OAM)、S1、X2。

4G基站通過控制業務帶寬以及優先級調度策略,確保各類信息能夠根據4G無線網絡需求合理地通過衛星系統。4G基站上行限制在2 Mbps,下行限制在6 Mbps,確保無線基站單站點帶寬需求量與衛星系統單站點傳輸能力匹配。

基于4G無線網絡實際需求,衛星傳輸鏈路使用QoS[2]策略,優先保證站點在線可管控。

衛星系統基于不同業務類型虛擬局域網(Virtual Local Area Network,VLAN)設置優先級,保障高優先級接口數據優先通過,其中基站交換機、電源、eNodeB的OAM鏈路接口優先級最高,S1-C優先級第2,S1-U優先級第3,其他類業務優先級最低。

4 衛星和地面網絡系統組網及業務部署

4G無線網絡應用同步衛星通信技術承載,每個衛星波束覆蓋一定的地域范圍,規劃一批站點共享同一個衛星傳輸通道帶寬資源。衛星關口站、衛星和基站側衛星設備共同組成端到端的L2層通信網絡,規劃多個4G無線基站共同接入一個衛星關口站,如圖2所示。

圖2 衛星和地面網絡系統組網

每個基站上下行總和承諾信息速率(Committed Information Rate,CIR)為2 Mbps,峰值信息速率(Max Information Rate,MIR)為8 Mbps,N個無線基站組成無線基站群,帶寬共享充分使用VSAT網絡資源[3]。無線基站設備包括無線BTS設備、能源設備、交換設備、衛星設備、視頻監控設備等,所有基站設備都通過交換機進行業務匯聚后上行至衛星Modem。衛星關口站和4G通信基站之間,端到端采用L2通信[4]。

4G信號通過同步衛星通信系統后的雙向時延,平均值在530 ms左右。上行帶寬為2 Mbps,下行帶寬為6 Mbps。4G手機用戶能夠滿足網頁瀏覽,也能使用微信/WhatsApp等文字消息、語音這些低流量需求的應用程序。

5 結語

通過對同步衛星通信技術與4G無線網絡相結合的相關技術研究、場景匹配測試驗證,本文最終形成一套使用VSAT衛星通信作為傳輸媒介來承載偏遠地區4G無線網絡的可行方案。與光網絡傳輸相比,本方案存在3個明顯的劣勢:(1)雙向時延增加約500 ms;(2)Ku波段容易受雨衰的影響;(3)同步衛星帶寬價格昂貴,帶寬低。盡管如此,本方案在偏遠島嶼和山區等場景中仍有一定的應用價值,已在東南亞印尼全境部署,衛星基站規模達到上千,較好地解決了偏遠鄉村4G無線網絡的基本需求。同樣,在國內新疆、西藏等偏遠地區以及東南沿海偏遠島嶼,本方案也具有一定的應用價值。