空中信息高速公路-Ka波段宽带卫星通信系统

文｜刘征远

空中信息高速公路-Ka波段宽带卫星通信系统

文｜刘征远

Ka波段宽带卫星通信系统及其技术特点

Ka波段卫星通信特别适合宽带数字传输、高速卫星通信等需求。随着高频元器件及工艺等问题的解决和大量卫星通信新技术的应用，Ka波段宽带卫星通信现已走进了成熟的实用化阶段，在全球商业应用尤其是在北美地区HDTV传输等方面取得了可观的经济效益。

Ka波段宽带卫星通信系统概述

1，通信频率范围。Ka波段频率范围为17~31GHz。位于国际卫星通信第三区的我国其可用Ka波段划分为：卫星上行频率27.5~31GHz，下行17.7~21.2GHz；总带宽3.5GHz。

2，通信卫星运行轨道。在3.6万公里同步轨道及小于5千公里低轨位置都有Ka波段通信卫星运行着，如法国Ka-Sat宽带通信卫星和“铱星”系统星间链路Ka波段通信系统。

3，Ka波段宽带卫星通信的优势。1）宽带高速。总带宽达到3.5GHz，而C、Ku波段则只有500~1000MHz的带宽。ViaSat-1全Ka波段卫星通信总容量达到了140Gbps，为Ku波段卫星容量的100倍以上。

2）抗干扰性能优越。由于现在所知道的各种干扰源其频率都远离Ka波段，所以不可能对Ka波段卫星通信造成任何干扰。

3）天线口径小。Ka波段卫星转发器使用蜂窝状多点波束具有较高的EIRP值；通信频率高在使用相同尺寸天线接收时能获得比C、Ku波段更高的天线增益。这些特性使Ka波段天线尺寸可以做得很小。

4）远端设备小巧。远端设备体积小重量轻甚至一人即可携带使用，非常适合新闻记者在各种应急情况下外出采访时使用。

5）安装开通方便快捷。设备开通对外部安装环境要求低，天线架设占地很小，安装开通十分方便快捷。

Ka波段宽带卫星通信系统技术特点

1，采用高阶调制技术。QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高阶调制方式在Ka波段卫星通信系统中得到普遍应用。高阶调制可有效提高带宽利用率，获得较高的通信速率。如8PSK比QPSK可提高33%带宽利用率。

2，DVB-S2标准的应用。DVB-S2较之DVB-S可减少30~40%的卫星资源占用。如10Mbps速率时DVB-S2占用4.6MHz带宽，DVB-S则占用8.4MHz带宽，二者相差45%。

3，通信卫星采用多波束蜂窝状覆盖天线。这是相对C、Ku波段使用赋形单波束覆盖天线一个显著技术特点。采用多波束频谱利用率高，可有效提高卫星的EIRP、G/T值和系统容量等。

4，星上使用功率动态分配器。根据实时监测情况可向业务繁忙的点波束或有雨衰区域的点波束发送较大功率。

5，采用透明转发器或处理转发器。现在大多数Ka波段通信卫星使用透明转发器，近年来出现了少量采用比较复杂的带交换处理功能的转发器。带有ATM处理器的转发器为有多种业务接入需求的用户带来了方便。

6，高效实用的抗雨衰技术。雨衰对10GHz以下频率无线信号的衰减相对较小，而对Ka波段无线信号的衰减则比较大。为解决困扰Ka波段卫星通信的雨衰问题，采用了上行功率控制技术、自适应技术、分集接收技术、多波束功率控制技术等来减少雨衰的影响。从实际应用情况来看，其中几种技术手段用的最为普遍，效果比较理想。

1）上行功率控制技术AUPC。

卫星通信主站为应对雨衰对信号的衰减，在主站设计时预留有一定的上行功率冗余，当降雨时对上行链路信号衰减进行估算，依此相应的增加发射功率，使卫星接收电平保持在一定范围内。实际工作中主站还实时接收VAST小站回传的C/N报告信息，并根据它自动控制小站上变频功放功率的动态增加或减少。

2）自适应技术。

(1) ACM-自适应编码和调制。自适应编码和调制技术仅对正在遭受雨衰的VSAT小站而不针对全网进行编码和调制的自动调整。在出现阴天或降雨时，根据小站C/N报告，动态分配VSAT小站采用更可靠的调制和编码模式。例如从晴天的16APSK 9/10降到阴天的8PSK 5/6或雨天的QPSK 1/2，降雨结束后自动返回到晴天带宽效率最高的调制和编码模式。

(2) VCM-可变编码和调制。VCM是一种人为改变编码和调制的方式。主要在单向接收模式下因为没有卫星回传的测试信息，ACM功能无法使用；以及一些需要固定编码和调制的业务应用时使用。卫星信号强弱波动变化时可结合天线尺寸人工设定编码和调制。

（3) DLA-动态链路自适应技术。DLA技术通过变化的入境链路信号强度来调整调制和编码方式，可动态地消除不必要的雨衰冗余。晴天使用带宽效率最高的符号速率和编码，下雨时自动改成较低的编码率FEC和自动跳转到较低符号速率的载波。它能降低小站上行20%，入境18%的带宽资源。

著名的卫星通信设备提供商以色列吉来特公司实验数据显示，在采用自适应上行链路功率控制、自适应编码和调制、动态链路自适应技术后，即使在有雨衰情况下，这些功能结合在一起仍可以保证最高系统可用度，最大的动态范围可达23dB。

2011年10月20日,美国卫讯公司全球通信容量最大的ViaSat-1全Ka波段通信卫星发射成功，今年1月16日开通了卫星互联网接入等商业服务。ViaSat-1以其140Gbps通信总容量引领卫星通信进入了全新的高速宽带多媒体时代，改变了人们对宽带卫星服务经济性和质量欠佳的认识，市场竞争能力大增。ViaSat-1犹如空中信息高速公路,在较长时期内可满足高速数据通信、高清电视HDTV传输、直接入户DTH、卫星新闻采集SNG、VAST、移动互联网接入等带宽密集型业务高速增长的需求。因C、Ku波段转发器带宽资源的限制，Ka波段宽带卫星通信以其优势正成为各国高清电视、宽带多媒体业务传输等的首选。许多国家已开通或正计划开通Ka波段宽带卫星通信系统，Ka波段宽带卫星通信在全球正呈现出蓬勃发展之势。

迅猛发展的Ka波段宽带卫星通信

欧美发达国家在上世纪后期就开始了Ka波段卫星通信的研究、开发和应用。后卫星通信因受到地面光纤系统的冲击，一段时期内发展十分缓慢。近年来由于大量卫星通信新技术的相继采用，高频元器件难题的攻克以及雨衰问题等的较好解决，使得宽带卫星通信得到了迅猛发展，尤其是最近两年多来随着超大容量高速宽带Ka波段通信卫星的相继发射升空，Ka波段宽带卫星通信的发展迎来了春天。

美国是世界上Ka波段卫星通信商用化最早的国家之一，它也是全球发射Ka波段通信卫星最多的国家。美国Ka波段宽带卫星通信在高清电视HDTV、互联网接入、宽带多媒体通信、直接入户等应用方面取得了可观的经济效益。WildBlue-1、Spaceway-3、ViaSat-1等是美国在用的全Ka波段宽带通信卫星，相对Spaceway-3 的10Gbps通信总容量，今年开通的ViaSat-1达到了史无前例的140Gbps，它覆盖北美和夏威夷等地区，可为数百万的用户提供各种宽带通信服务。在更高EHF频段美国也早已进行卫星通信系统的开发和应用，尤其是在军事应用领域。

加拿大是另一个Ka波段宽带卫星通信商业化应用较早和成功的国家，它使用搭载有Ka波段转发器的Anik-F2、Anik-F3等通信卫星为北美地区用户提供HDTV、互联网接入、边远地区远程医疗及教育等服务。

Ka波段宽带卫星通信在欧洲的商业应用情况较北美地区存在差距，但EUTELSAT公司于2010年12月27日发射的Ka-Sat全Ka波段通信卫星则使欧洲一步跨入了全球Ka宽带卫星通信的先进行列。Ka-Sat其70Gbps通信总容量是当时全球容量最大的通信卫星，它可为超过100万欧洲及大部分地中海盆地家庭用户提供宽带互联网接入和数据传输等服务。Ka-Sat卫星可提供最大上、下载流量分别为20Mbps和50Mbps的标准服务。

日本上世纪70年代就开始了Ka波段通信卫星的研制试验，SuperBird等通信卫星现可提供Ka波段卫星通信国内服务，但日本始终没有形成有规模的商业应用。以色列是亚洲及全球Ka波段卫星通信技术领先的国家，Gilat公司将为澳大利亚建设NBN多点波束Ka宽带卫星项目，使用IPSTAR的多点波束Ka/Ku波段卫星。韩国、印度、沙特、阿联酋、俄罗斯等许多国家都已进行或计划进行Ka波段卫星通信应用或试验。

Ka波段卫星通信在我国已完成了星载处理交换机和Ka波段多波束天线等关键设备的研制工作，2008年10月30日发射的我国制造的委内瑞拉一号通信卫星除搭载C、Ku波段转发器外，还搭载了2个Ka波段转发器。我国已向国际电信联盟ITU申请Ka波段通信卫星轨道位置。国内一些单位如中央电视台已开展了Ka波段SNG业务，新华社也在巴黎分社进行了Ka波段卫星通信的应用试验。在军事通信一些方面Ka波段卫星通信我军已有所应用。总的来说我国处在Ka波段宽带卫星通信应用的初级阶段，随着宽带多媒体业务传输需求的高速增长，我国将很快进入Ka波段宽带卫星通信应用的快速增长期。

前景光明的Ka波段宽带卫星通信

宽带通信卫星正引领着卫星通信的重大变革，而多业务覆盖的宽带高效率智能的卫星通信平台是卫星通信总的发展趋势，Ka波段宽带卫星通信则代表了这种发展趋势。2015年Ka波段宽带通信卫星将覆盖全球，Ka波段宽带卫星通信有着光明的发展前景。

根据掌握的资料得知，近几年内全球将有多颗全Ka波段通信卫星发射升空。今年计划发射的有：英国Avanti公司的Hylas-2及休斯网络公司的Jupiter通信卫星，它们都是同步卫星，其中Jupiter通信总容量在100Gbps以上。明、后年计划发射的有：Inmarsat公司的Inmarsat-5 F1/F2/F3三颗低轨移动通信卫星。今年还有O3b公司的多颗O3b中轨通信卫星计划发射。如此密集的发射计划预示着Ka卫星通信在全球已进入高速增长期。

Ka波段宽带卫星通信现主要应用在传统的高清电视HDTV传输、宽带数字通信等方面，随着多颗不同轨道Ka波段通信卫星的陆续发射升空以及各种大带宽新业务需求的出现，Ka波段宽带卫星通信必将在这些新领域得到应用：

1，3D电视信号传输。据报道，今年夏季伦敦奥运会上将有超过200小时的开闭幕式、比赛项目等进行3D电视转播，利用宽带卫星系统传输将是最佳选择。国内CCTV等六家电视台已在2012年1月1日开办了3D电视试验频道，广电总局提出了十二五末期将开通10个3D频道的发展目标。我国现阶段HDTV、标清等电视信号是利用C、Ku波段通信卫星进行传输的，而C、Ku波段资源已难以满足3D电视信号的大量上星传输，而拥有更大带宽资源的Ka通信卫星将是不错的选择。

2，Ka波段卫星移动通信。在低轨卫星移动通信方面，随着近几年Inmarsat-5 F1/F2/F3卫星的陆续发射升空，Ka波段卫星移动通信将得到广泛应用。在FSS卫星频段上，美国卫讯ViaSat公司推出了使用30厘米以下小型天线的ArcLight卫星移动宽带系统，它是迄今全球技术领先唯一获准在FSS中使用的Ka波段卫星移动宽带系统。

3，空中Ka宽带WI-FI。在民航班机上配备Ka波段机载双向卫星通信设备，通过ViaSat-1号通信卫星为乘客提供空中电视和机上WI-FI宽带互联网接入等服务。据报道美国联合大陆及捷蓝航空公司就有370多架客机拥有这种服务。我国国航正在尝试这种服务，但还没有做到真正意义上的空中Ka宽带WI-FI。

4，其它应用。卫星应急通信、海事移动通信、突发事件新闻报道、地面传输系统容灾备份等都可以成为Ka波段宽带卫星通信应用的新领域。

结束语

近年来，卫星通信技术的进步及全球多媒体业务传输需求的高速增长促进了宽带卫星通信的不断发展，全球宽带卫星通信正从C/Ku波段透明转发器赋形波束通信系统向Ku/Ka及全Ka波段透明或处理转发器蜂窝状多点波束通信系统发展。固定卫星业务FSS、广播卫星业务BSS及移动卫星业务MSS之间的界限已不再那么清晰，卫星通信也不再是独立的通信网络，它与地面各种通信信息网络的联系更加紧密，出现了天地一体相互融合的趋势。如今卫星通信系统已是全球信息化网络设施的重要组成部分，Ka波段宽带卫星通信系统作为空中信息高速公路有着广阔的发展前景。

新华社技术局）