關(guān)于衛星信號覆蓋弱地區雙向通信解決方案的討論

近年來(lái)，隨著(zhù)數字他信息技術(shù)的發(fā)展和社會(huì )公眾對于多媒體信息量的需求突增，除卻電子商務(wù)、遠程醫療、遠程教育、電視節目中繼轉發(fā)等衛星通信傳統業(yè)務(wù)領(lǐng)域，多媒體、ISD業(yè)務(wù)(利用VSAT構成廣域網(wǎng))以及流媒體、數字廣播等新興數字業(yè)務(wù)也紛紛將衛星通信選作廣域組網(wǎng)的重要通信手段。這是由于相比較近幾年迅猛發(fā)展的地區有線(xiàn)光纖網(wǎng)及公用移動(dòng)通信網(wǎng)而言，衛星通信擁有非常突出的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)縫隙覆蓋及寬域的復雜網(wǎng)絡(luò )拓撲構成能力。困此在組建廣域的通信網(wǎng)時(shí)，或無(wú)法預估的突發(fā)事件：(如最大自然災害：洪水、地震、泥石流等)發(fā)生時(shí)，衛星通信是不可或缺的重要道訊保障手段。

但是，在區域無(wú)線(xiàn)通信中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題是：由于地點(diǎn)或地理位置不同，信號覆蓋強度各有不同。如何保障位處不同信號覆蓋區的衛星站點(diǎn)同樣住網(wǎng)通信且業(yè)務(wù)質(zhì)量良好?能否使用傳統衛星電視的優(yōu)化方法挪決雙向通信的問(wèn)題?下文將一一分析。

人造地球衛星的通信覆蓋區

眾所周知，衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發(fā)或反射無(wú)線(xiàn)電信號，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。作為一種特殊的微波中繼，通信衛星的性能和工作狀態(tài)是整個(gè)衛星通信系統的決定性因素。

衛星上使用的天線(xiàn)有定向天線(xiàn)和全向天線(xiàn)，天線(xiàn)系統的選擇決定于地面覆蓋區的大小和形狀。衛星的通信覆蓋區，通常用地面上相對下發(fā)天線(xiàn)波束中心，具有固定接收功率的輪廓線(xiàn)來(lái)表示，一般分為全球波束覆蓋、點(diǎn)波束覆蓋、區域波束(賦性波束)覆蓋。

如果在靜止軌道上看向整個(gè)地球，則覆蓋區就是全球波束。這種全球波束覆蓋，主要用于

國際通信，使相距很遠的各個(gè)地球站建立通信鏈路。一般衛星服務(wù)區只限于一個(gè)國家或一個(gè)地區，就衛星的發(fā)送功率和頻譜使用而言，將它們發(fā)送到服務(wù)區之外是很不值得的。這種系統的覆蓋區，最好使用點(diǎn)波束或賦性波束天線(xiàn)提供。

在上行鏈路中，若在衛星上采用能產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)指向上行發(fā)射地球站所在區域的“針狀”窄波束的接收天線(xiàn)，在相同輻射功率情況下，可使接收點(diǎn)的信號功率電平遠大于全球波束覆蓋時(shí)的信號功率電平，因而對直播衛星和移動(dòng)通信衛星，就功率和頻譜利用而言。采用點(diǎn)波束天線(xiàn)覆蓋極為有效。

所謂賦性波束覆蓋，是指衛里天線(xiàn)系統通過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生與地面通信區域形狀相匹配的天線(xiàn)波束，如圖I所示。

覆蓋區內各點(diǎn)接收到的衛星功率，一般是中心區比較大，靠近區域邊緣時(shí)功率遞減，例如表l給出的是亞洲3s衛星Ku波段東亞波束EIRP、G/T及SPD參考值表，由表中不難看出，西北地區的通信覆蓋明顯弱于東南沿海等經(jīng)濟發(fā)達地區。

通信衛星在設計時(shí)，不但要考慮通信容量、運行時(shí)的空間環(huán)境和技術(shù)狀態(tài)要求，同時(shí)必須重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題便是服務(wù)的地理區域。通常，根據衛星的任務(wù)要求，通信覆蓋區的選擇也各有側重。例如，科學(xué)衛星的目標是收集科學(xué)數據，通信覆蓋區內信號強度力求平均;商業(yè)衛星的目標是盈利，通信覆蓋區內信號強度則是按照業(yè)務(wù)需求量的分布來(lái)分配，東南沿海發(fā)達地區的信號覆蓋明顯優(yōu)于西北等偏遠地區。

一般組建的廣域衛星通信網(wǎng)，使用的都是商業(yè)衛星.如何解決衛星信號覆蓋弱的偏遠地區站點(diǎn)正常在網(wǎng)運行，是大多數通信網(wǎng)絡(luò )設計必須考慮的問(wèn)題。

實(shí)例分析

在衛星通信傳統應用中，按照業(yè)務(wù)傳輸方向，一般采用提高上行站發(fā)射功率從而提高接收站接收信號質(zhì)量，這種解決方案在衛星電視節目中繼轉發(fā)中應用較多。衛星信號覆蓋強的上行站采用大口徑天線(xiàn)及高功率射頻功放，通過(guò)上行站提高EIRp值提高衛星信號覆蓋弱地區站點(diǎn)接收信號強度。由于衛星電視業(yè)務(wù)是單向傳輸，這樣的方案不僅解決了衛星信號覆蓋弱的站點(diǎn)接收問(wèn)題，并且可以大大降低小站的硬件成本。但對于需要進(jìn)行雙向業(yè)務(wù)通信的VSAT衛星網(wǎng)來(lái)說(shuō)，提高所有通信站點(diǎn)的發(fā)射功率是不現實(shí)的，受到經(jīng)濟條件、站點(diǎn)環(huán)境等多方面因素的限制。

下文將以某西北區域VSAT衛星專(zhuān)網(wǎng)為例進(jìn)行具體分析。

1. VSAT'D星網(wǎng)系統參數

衛星轉發(fā)器資源：亞洲四號Ku頻段水平極化轉發(fā)器

站點(diǎn)類(lèi)型：靜中通車(chē)載站(1.2米天線(xiàn)/40W功放)、固定站(4.5米天線(xiàn)/8w功放)

業(yè)務(wù)類(lèi)型：實(shí)時(shí)視頻通信

業(yè)務(wù)終端：視頻會(huì )議終端及MCU視頻會(huì )議控制主機

衛星通信體制：MF—TDMA

業(yè)務(wù)拓撲結構：業(yè)務(wù)中心發(fā)送一路組播視頻，最多同時(shí)有3個(gè)遠端小站回程單路視頻。

2. 衛星覆蓋參數

亞洲四號衛星在西北地區的覆蓋較弱，典型站點(diǎn)的衛星信號參數值如表2。業(yè)務(wù)中心站點(diǎn)C信號覆蓋較強，遠端站A、E、D、F的信號覆蓋比較差。

3.解決方案

若想滿(mǎn)足系統通信要求，遠端站必須按照傳統解決方案增加天線(xiàn)口徑及衛星功放的輸出功率。但對于靜中通車(chē)載站來(lái)說(shuō)，裝載平臺的尺寸受到道路交通、安全因素等多種限制，靜中通天線(xiàn)的口徑無(wú)法超過(guò)2.4米，此時(shí)單靠提高衛星功放功率以滿(mǎn)足多業(yè)務(wù)通信的需求，將大大增加系統的建設成本，經(jīng)濟實(shí)用性下降。

利用MF—TDMA體制的多載波特點(diǎn)，結合鏈路計算結果，有以下幾步解決措施：

(1)分割通信載波帶寬。如圖2，將原帶寬調整為多個(gè)載波，遠端站與業(yè)務(wù)中心各自在不同

的載波上進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，降低對室外功放的要求。

(2)降低糾錯碼率，降低信號門(mén)限值。原網(wǎng)內系統進(jìn)行組網(wǎng)通信時(shí)統一使用前向糾錯碼FEC=3/4，調制方式QPSK，現可將遠端站發(fā)送載波參數調整為FEC=1/2或3/4RS方式。降低門(mén)限值2—3dB。

(3)根據實(shí)際系統組成和通信業(yè)務(wù)量仔細核算，嚴格控制線(xiàn)路損耗。

(4)部分信號覆蓋較差的站點(diǎn)建議只建設固定站，在建設成本允許的情況下可以配備大功率功放的靜中通車(chē)載站。

(5)不建議建設動(dòng)中通或箱式站等小口徑天線(xiàn)的衛星站型。

結束語(yǔ)

在某些專(zhuān)用衛星網(wǎng)的建設過(guò)程中，由于通信業(yè)務(wù)涉及地域廣泛，衛星信號覆蓋強度不同造成全網(wǎng)站點(diǎn)業(yè)務(wù)組網(wǎng)困難。系統設計時(shí)需要結合衛星通信技術(shù)體制的專(zhuān)有特點(diǎn)：平衡技術(shù)可行性和經(jīng)濟負擔。