EHF卫星通信的特点与现状

北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室

苑 超 谭 东 张晓宁 吴建军

一、引言

随着卫星通信的蓬勃发展，C波段和Ku波段频带资源日趋紧张；与此同时，服务于多媒体业务以及宽带业务的卫星通信系统迅速发展，低频段资源已经不能满足各种新业务的要求。鉴于上述原因，卫星通信逐渐向高频段扩展，极高频EHF（Extremely High Frequency）卫星通信已经成为了目前卫星通信领域的研究热点。EHF频段一般指30GHz～300GHz。参考世界组织对频段的分配、目前电磁波应用的阶段以及有关文献，通常把18GHz～300GHz通称为EHF频段。EHF卫星通信系统受益于极高的频谱，能够获得较宽的使用带宽，主要有以下几个优点：极高的频率，可以大大减轻现有卫星系统轨道和频谱拥挤的现象；系统容量大，传输速率高，特别适合用于发展多媒体业务和宽带业务；系统天线尺寸小，波束窄，抗干扰能力强，尤其适用于保密性高的军事通信，如美国的Milstar系统、英国的Skynet系统；电磁波穿透能力强，具有良好的全天候通信能力。虽然EHF卫星通信系统有上述优点，但相对于C波段和Ku波段卫星系统而言存在一个明显弊端，即通信链路受气象因素尤其是降雨、雪、云、浓雾、沙尘的影响大，这是EHF卫星通信系统未来发展所要面临的巨大挑战，必须采用动态的抗衰减对策。EHF中Ka，Q-V，W频段更适合用于卫星通信，有良好的发展前景。据有关国际组织规定，20～70GHz中分配给卫星通信的频带如表1所示。目前成熟的EHF卫星系统主要集中在Ka频段。

表1 EHF频段中分配给卫星通信的频带

二、信道传播特性

卫星通信链路信号在地球大气层中传播时，由于大气层传输特性极不稳定，除自由空间传播损耗外，还存在由雨、雪、雾等天气因素形成的无线电波吸收、散射等带来的衰减，电离层带来的无线电波吸收衰减、闪烁衰落等附加损耗。这些大气层带来的额外衰减均会引起信号幅度、相位、极化等变化，从而导致传输质量的下降。

1. 大气衰减特性

天气理想的情况下，即天气晴朗时，频率高于20GHz即在EHF频段内大气损耗主要是由对流层吸收造成。图1中的(a)和(b)分别表示在95GHz时，根据不同的相对湿度和海拔高度，信号衰减情况和信号衰减累积情况。从图中可以看到，衰减主要发生在对流层的5～6km高度范围。

图1 信号的衰减和累积情况

水蒸气分子的电偶极子和氧分子的磁偶极子具有固定的频率，当电波频率与其固有的谐振频率相同时产生强烈的吸收。水蒸气分子吸收峰发生在22GHz和183GHz附近，氧分子吸收峰发生在60GHz和118GHz附近。在35GHz，94GHz，140GHz，220GHz附近衰减较小，俗称“大气窗口”，无论水蒸气分子还是氧分子，两者在这些大气窗口的衰减值都随着频率增加而逐渐上升。

2. 降雨衰减特性

降雨衰减是由于雨滴对电波信号的吸收和散射造成的。衰减值与降雨强度、地球站的位置、信号强度、电波极化方式等有关。降雨会引起信号电平衰落，降低到达接收端的信号电平；降低信号的交叉极化鉴别率；增加系统噪声温度，降低接收系统的G/T值，因此，EHF卫星通信系统的G/T值就要预留较大的余量。卫星通信链路频段越高，降雨带来的影响越大，在EHF卫星通信系统对雨衰的分析尤为重要。

对于EHF频段，信号传播路径中的雪、云、雾等均会使之受到衰减，衰减量与水的含量及温度有关，相对降雨衰减要小很多，但是对于低仰角的高纬度地区和波束区域边缘，衰减是不可忽略的。

三、相关技术难题

1. 硬件损耗

射频和基带部分的硬件性能不理想会对卫星通信系统的整体性能产生影响，随着载波频率的增加尤其是达到EHF频段，这种影响会急剧恶化，EHF信号之所以遭受严重的路损和雨衰与这方面因素是密切相关的。因此，EHF卫星系统硬件的附加损耗相对低频段卫星系统要多，硬件工艺标准也要相对严格很多。

有关文献提出，天线指向误差损耗可以表示为载频fc的函数

式中，θ为天线指向误差角度；α为天线半功率（-3dB）波束宽度角度，如图2所示。

在天线工作效率和口径确定的情况下，天线增益通常随着工作频段升高而变大。但随着频率升高波束变窄，天线指向性增强，天线精度对天线增益的影响越来越大。从图3可以看出，由于指向误差造成(G/T)S值的下降与θ和载频的关系为：当载频低于15GHz时，(G/T)S和θ是不相关的；当载频处于18～30GHz时，(G/T)S下降低于2dB；当载频处于75～110GHz时，(G/T)S和θ是相关的。因此在EHF卫星系统中，天线精度必须很精确。硬件带来的诸如此类的损耗在低频卫星系统中不明显，甚至可以忽略，但由于EHF卫星系统频率高，线路技术复杂，对元器件制造工艺水平要求高，硬件特别容易对系统性能产生大的影响，必须作为一个问题来研究。

图2 卫星天线角度示意图

图3 卫星G/T与载频关系示意图

2. 非线性失真

在低频段卫星系统，功率较低，基本为数瓦至数十瓦，固态功率放大器和行波管放大器都可以满足系统需求；而在EHF卫星系统，尤其当功率很大时，则必须使用行波管放大器。为了解决通信链路预算约束问题，EHF卫星系统的HPA（高功率放大器）应该工作在饱和或者接近饱和状态。固态功率放大器几乎可以在饱和功率下工作，而行波管放大器在接近于全功率工作时便会发生信号畸变和交调干扰，这意味着增加的功率要为非线性信号失真付出代价。HPA呈现非线性调幅/调幅以及调幅/调频特性，这些导致功率增益不像在线性放大器中是一个常量，图4很好地说明了这点，该图展示了一个为地面站设计的94GHz速调管放大器的非线性特性。

HPA的非线性特性主要产生以下影响:调制信号的包络失真；输入输出信号的非均匀相移；射频信号的频谱再生会引起相邻信道干扰；多载波同时在非线性放大器进行放大产生相互调制。

在EHF卫星系统中，非线性失真会降低通信链路的性能和容量。MSK和矩形波QPSK等恒包络调制方式比较适合卫星通信，但是幅频转换特性会产生严重减弱相干解调的相位抖动。为避免非线性失真，在卫星物理层设计中采用的传统解决方案往往基于大幅度回退放大器输入功率，使其工作在远离饱和点的线性放大区，但是这种解决方法不适合EHF卫星系统。图4中提及的放大器，为使其工作在线性区域，输入功率补偿IBO需要4dB，OBO需要2dB(IBO为放大器在饱和状态工作时平均输入功率同实际工作状态时平均输入功率的比值，OBO同理)。表2为其他一些工作在EHF频段中HPA的IBO同OBO的数值关系。实际上，OBO导致的信号功率降低会产生额外损耗，而这种损耗会被添加到已经受限的链路预算中，进一步牺牲功率尽管会保证链路性能，但很大程度上会降低链路容量，尤其是在高数据速率应用时。

图4 94GHz速调管放大器的非线性特性

表2 EHF中HPA的IBO同OBO的数值

功率补偿的另一种选择是放大器的线性化，行波管放大器工作在饱和状态以下时，传统预失真线性化电路可以有效减弱非线性失真效应。根据对非线性的理论补偿，典型预失真线性化电路存在一个缺点，即它工作在饱和或者超过饱和状态时会导致振幅急剧降低和很大的相移。为了允许行波管放大器接近饱和状态工作，需要设计更加复杂精细的线性化电路，典型办法就是利用标准预失真线性化电路与限幅器级联来实现。在实际应用中，线性化电路增益和相位传输特性的改变是行波管放大器线性化的巨大挑战，因为放大器的增益和相位在不同频率会发生变化，这种影响在高频宽带信号传输时比较明显，由此产生的增益波动造成一个严重问题，它可能降低放大器的线性化和重新引入相互调制。

EHF卫星系统中非线性失真通过功率补偿可以弥补或者抵消，但是不能避免。我们能达到的目标就是保持放大器的增益尽可能的高，同时不降低频谱效率。这仅仅是个折衷，实用的物理层设计方案将在下面进行讨论。

四、物理层设计方案

EHF卫星系统射频和基带部分的设计应该考虑以下因素：传播损耗、高相位噪声、HPA引起的非线性失真。每一个因素需要特殊设计方案来弥补，这些方案都要基于高频谱效率、高功率效率、低复杂度以及有效载荷的体积小、质量轻。

1. 克服传播损耗技术

EHF卫星通信的最大缺点是雨衰大，因此克服传播损耗以如何降低雨衰影响是主要研究点。

（1）星上采用动态功率分配管理技术，根据天气变化优化每个波束的功率输出，实现波束之间最优功率分配，从而提高星上载荷功率的利用率；同时还可以采用“冗余抗衰”技术，即通过留出一定比例的功率冗余分配给受雨衰影响的波束，保证该波束覆盖区链路的畅通，从而保持良好的链路可用度；地面站采用自适应功率控制技术，根据卫星信号强度自适应调整发射功率，动态补偿通信链路受降雨带来的衰减。

（2）采用自适应编码调制技术，根据瞬时信道质量状况实时调整参数，选择满足传输质量要求且与信噪比相匹配的最佳调制编码方案，使得系统的总体性能得到优化。

除上述方案之外，空间分集技术和高、低双频段组合技术也是目前常用的抗雨衰技术。

2. 克服非线性失真

非线性失真引起的损耗可以通过两种典型基带设计方案来减轻。

（1）选择合适的调制方式

传统QAM星座调制方式和类似于RSC-QAM的脉冲成形调制方式，有很高的功率峰均比PAPR，会产生明显的调幅/调幅及调幅/调频失真，相比而言，GMSK等恒包络调制方式更为合适。由于GMSK具有快速滚降特性，对于最大程度发挥HPA性能是很好的选择。考虑到GMSK频谱效率只有1.33b/s/Hz，限制了通信系统的容量，无法适应当今宽带业务迅速发展的新形势，为了在不浪费频谱效率的前提下保持调制信号包络紧凑，可以采用基于PSWF（椭圆球面波函数）的非传统脉冲波形设计方法。

（2）采用预失真技术

近年来不同的预失真方案被研究应用，其中包括基于“即时评估”的自适应静态预失真，以及基于“记忆效应”的自适应动态预失真。在发送端采用自适应星座预失真技术是一种有效减弱非线性失真的方法。预失真意味着有意修改数据符号在复平面上的位置，这种技术只需要修正发送的星座点，完全不需要依靠模拟设备。这是一种特别直接有效的预失真技术，尤其是对于APSK这种圆形星座调制方式。通过这些预失真技术，HPA能够很好地在近饱和点工作。

五、发展现状

1. 商用系统

目前商用EHF卫星系统集中于提供多媒体和互联网业务，主要有泰国Shin卫星大众有限公司的IPSTAR系统，日本的WINDS系统，欧洲Eutelsat公司的TooWay系统，英国AVANTI公司的Hylas系统，美国卫讯公司的WildBlue系统和ViaSat系统，加拿大电信卫星控股公司的TeleSat系统，以及美国休斯网络公司的HughesNet系统等。

（1）IPSTAR系统是泰国Shin卫星公司开发的完全基于IP技术的宽带卫星通信广播系统。全球组网计划包括3颗IPSTAR系列卫星，其中，IPSTAR-1为亚太区域波束卫星；IPSTAR-2为欧洲、非洲区域波束卫星；IPSTAR-3为美洲区域波束卫星。目前提供服务的IPSTAR系统是基于IPSTAR-1卫星的。IPSTAR-1卫星由美国Space System Loral公司研制，于北京时间2005年8月11日发射升空。IPSTAR-1装有114台转发器，提供Ku频段84个点波束、3个成型波束和7个区域广播波束，以及18个Ka频段关口站点波束。系统采用了“蜂窝”多点波束等技术，前向链路采用TDM-OFDM技术，反向链路采用MF-TDMA方案，实现了频谱的有效利用。IPSTAR系统容量高达45Gb/s，可提供包括数据、会议电视、互联网宽带接入、视频广播等在内的综合业务。

（2）WildBlue系统建立在WildBlue-1和Anik-F2基础上。WildBlue-1是美国WildBlue公司于2006年12月8日发射的全球第一颗全Ka频段的多点波束商业通信卫星，具有35个点波束。Anik-F2是加拿大Telesat公司2004年7月17日发射的全球第一颗Ka频段双向高速宽带通信卫星，提供45个点波束，其中30个租借给WildBlue向北美地区的用户提供卫星接入互联网服务。

（3）ViaSat系统由ViaSat-1及SurfBeam-2宽带卫星网络系统系统组成。ViaSat-1是美国卫讯公司与劳拉空间系统公司联合开发的全Ka频段大型宽带通信卫星，于2011年10月19日发射升空，它是迄今为止容量最大的宽带卫星，定位在西经115°，覆盖75%的美国大陆、阿拉斯加、夏威夷和加拿大，为北美地区提供各种新型的高速宽带服务。它采用Ka频段多点波束和频率复用技术，最大限度地增加了卫星总带宽；通过利用SurfBeam-2网络技术对ViaSat-1和地面系统进行优化，将卫星的容量提高了10倍以上，达到140Gb/s，是欧洲首颗全Ka波段高容量宽带卫星Ka-Sat总容量的两倍，超过了目前覆盖北美的双向Ka，C，Ku频段的全部容量之和。ViaSat系统提供的传输速度高于有线电缆和DSL，零售价格却等同于现有的宽带卫星服务，该系统的应用是EHF宽带卫星系统的重大飞跃。

此外，其他EHF宽带卫星系统如表3所示。

2. 军用系统

EHF频段频率高，天线口径小，可以产生非常窄的波束，而这种窄的波束难以阻塞，适合进行保密性很高的军事通信。同时由于同波束情况下EHF频段天线尺寸小，在卫星上可以采用具有波束调零功能的天线和相控阵天线，或者采用点波束来防止干扰，在增强抗干扰、获得低截获率方面，EHF频段具有很大优势。相对SHF和UHF频段，EHF更加适合军用卫星通信，目前主要的EHF军用卫星系统有英国的Skynet系统、美国的Milstar系统和AEHF系统。

表3 EHF宽带卫星系统一览表

AEHF是目前最新的EHF军用卫星系统，属于美军第三代军事星先进极高频卫星系统，计划由三颗星组成。AEHF-1于2010年8月14日用宇宙神-5运载火箭发射升空，卫星发射不久因推进系统异常将轨道提升计划作出修正，2011年10月24日卫星完成轨道修正进入预定运行轨道。该卫星一共携带有14部天线，即1部EHF上行相控阵天线（波束可在用户之间瞬变），2部SHF下行相控阵天线，2部V频段（60GHz）星间链路天线，1部上/下行收发共用全球覆盖喇叭天线，2部上/下行收发共用调零天线，6部上/下行装有平衡架的收发共用可旋转碟型天线，用于在地面上形成194个覆盖区。AEHF采用了XDR数据传输模式，可以提供数据、语音、视频会议和图像传感业务。

六、结束语

卫星通信网作为地面通信网的重要补充发挥着不可替代的作用，而频率资源是卫星通信最重要的资源之一，因此，EHF频段的应用研究对通信领域的发展起着极大的促进作用。无论在商用还是军用领域，EHF卫星都有极其重要的应用价值。目前Ka频段的卫星通信系统已经相当成熟，但更高频段的EHF卫星通信系统仍是一个尚待研究的领域。

见www.dcw.org.cn