高阶调制技术在移动基站卫星中继电骡的测试和应用

+ 陈玥 中国电信集团公司网络运行维护部

高阶调制技术在移动基站卫星中继电骡的测试和应用

+ 陈玥 中国电信集团公司网络运行维护部

高阶调制技术在卫星通信中具有广泛的应用前景，同时对卫星通信网络设备等也提出了一定的要求。本文介绍了电信运营商在应急通信车采用高阶调制技术开通卫星中继的试验，验证高阶调制技术在现有设备上的可用性，实现了在保证用户感知和业务效果的情况下，可有效降低卫星转发器占用带宽，并予以全网推广应用。

高阶调制；卫星通信；应急通信

图3-1：网络示意图

1 引言

卫星通信具有独特的技术特点，具有不受地域限制和时间限制，通信成本不受传输距离影响等优点，电信运营商现网使用卫星通信手段进行应急通信保障。在实际运营中，卫星应用成本比较高，卫星转发器的费用达到25万人民币/MHz每年，在低业务需求的情况下严重制约实际需求的释放。

某电信运营商的移动网基站传输部分仍基于现有的TDM承载网来实现的，卫星中继与地面传输一样，也选用TDM传输模式，其最小传输单位为2M，然而在某些应急通信保障中实际业务量较小，若仍采用2M传输链路的话，卫星占用带宽可能远大于实际需求，从经济角度来讲，存在资源浪费问题。

卫星带宽压缩技术可以有效解决卫星应用成本过高的问题，有多种卫星带宽技术，其中高阶调制技术是一种成熟技术，目前主流卫星调制解调器均支持8PSK、8QAM、16QAM等调制技术。

为在有限的卫星带宽资源上更好为应急通信服务，提升应急情况下应急卫星设备的能力及效率，某电信运营商对使用频次最高的应急移动通信车卫星调制解调器设备和移动主设备开展研究，采用高阶调制技术，降低转发器使用带宽。并结合各地的情况，开展测试。

2 高阶调制技术

2.1 技术原理

2.1.1 调制和调制阶数

数字信道的信道容量可以依据奈奎斯特准则计算。奈奎斯特准则指出：带宽为BHz的信道，所能传送的信号的最高码元速率（即调制速率）为2B波特。因此，数字信道容量C可表示为C=2Blog2M（bit/s）

其中，M为码元符号所能取的离散值个数，即指M进制，也称为调制阶数。所以在C（信道容量）一定的情况下，提高M的取值，就可以减少B（带宽）的数量，也就起到了节约带宽的目的。其中卫星通信中常用的调制方式包括：BPSK、QPSK、8PSK、16QAM。其中目前某电信运营商卫星通信中普遍使用的调制方式为QPSK。BPSK的M值为1，QPSK的M值为2，8PSK的M值为4，16QAM的M值为8。

2.1.2 前向纠错编码（FEC）

前向纠错编码（Forward Error Correction简称FEC）是增加数据通讯可信度的方法。在单向通讯信道中，一旦错误被发现，其接收器将无权再请求传输。FEC是利用数据进行传输冗长信息的方法，当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。数据发送端的编码器首先对需要发送的数据进行处理，生成一些冗余校验比特，发送的信号中包括信息比特和校验比特，在接收端，重新根据信息比特计算出冗余比特，并与收到的冗余比特相比较。二者不一致时，接收端使用接收到的冗余比特的值重新生成信息比特组。

前向纠错编码包括维特比编码（Viterbi）、序列编码（Sequential ）、所罗门编码（Reed-Solomon）、Turbo 乘积码（Turbo Product Coding -TPC）和低密度校验码（Low-Density Parity-Check Codes -LDPC)等。目前某电信运营商卫星通信常用的纠错编码主要为Turbo 乘积码。

前向纠错的码率是指码流中有用编码与全部编码的比例，以7/8码率为例，是指在一个码流中，只有7/8的内容是有用的，另外1/8的内容是用于保护数据流不变异的纠错码。前向纠错码码率越低，则纠错码占据的比例越高；同样功率时，对解码的门限要求越低，要求天线口径越小，接收越容易；前向纠错码码率越高，则纠错码比例越低，解码门限值越高，天线口径要求越大，接收越困难。

Eb/No为每赫兹带宽内，信号能量与噪声能量的比值；在相同的调制方式和FEC速率下，Eb/No越低，相当于所需要的载波功率越小，相当于需要对端发射的功率越低，即纠错性能越好。相当于所需要的载波功率越小，相当于需要对端发射的功率越低，即纠错性能越好。

2.1.3 载波间隔

载波间隔是指卫星转发器上两个数据载波之间的间隔，卫星转发器上相邻的2个载波会互相产生一些“干扰”，从频谱上讲，由于载波的频谱不是理想的“陡降”形状，而是有“拖尾”，所以拖尾有可能进入旁边的载波，从而对旁边载波造成影响，同理，旁边的载波也会对本载波造成影响。载波之间越近，影响越大。载波间隔系数是用于描述相邻载波间隔的参数，在卫星通信中取值为1.2至1.4。

2.2 卫星转发器理论占用带宽

卫星转发器带宽与编码的数据速率与数据速率、前向纠错编码、调制阶数和载波间隔系数有关。卫星转发器占用带宽的公式如下：

卫星转发器占用带宽（BW）= 数据速率/FEC/调制阶数＊载波间隔系数

其中： FEC 为前向纠错的码率调制阶数：BPSK为1，QPSK为2，8PSK/8QAM为3，16QAM为4载波间隔系数：1.2到1.4之间

例如：2048kbps数据速率，采用TPC ¾ FEC和QPSK，载波间隔系数为1.4

则实际占星带宽为： 2048 / 0.75 / 2 × 1.4 = 1911.47 (KHz)

由此可见，通过采用不同的调制阶数的调制方式，结合效率更高的前向纠错编码和采用合理的载波间隔。可以达到提高卫星转发器带宽利用率的效果。

3 高阶调制技术验证测试

3.1 某电信运营商移动应急车组网

某电信运营目前装备的移动应急车分为大型和小型车辆，其中小型车辆均采用小型越野车，车内只安装BTS设备，因此在组网时，车内的BTS 通过SCPC（单路单载波）方式经过卫星接入卫星地面站，应通过地面传输接入各省指定的相应型号的BSC。

应急通信车所载BTS 通过卫星电路回传到卫星地面站，再通过地面电路调度送回本省，应急车辆中均配备有卫星调制解调器，其中小型移动应急通信车，配备CDM625开放卫星调制解调器。该卫星调制解调器设备支持多种调制方式。

3.2 某电信运营商高阶调试测试

测试主要针对卫星调制解调器采用不同的高阶调制与编码方式（包括8PSK 7/8，16QAM 3/4，16QAM 7/8）时，测试卫星链路指标的变化，以及对移动应急通信车工作的影响，根据应急通信车目前的设备能力，在满足基站正常应用的前提下,结合带宽压缩一半,功放余量等综合考虑，找出最优的高阶调制与编码组合方式。地面卫星站现有KU频段 2.4米和6米天线，测试对应急车卫星链路收发指标的影响。

3.2.1 卫星设备配置

在卫星地面站开展测试，地面卫星站设备包括为：CDM625卫星调制解调器；KU频段 2.4米天线系统，125W Paradise ODU，Norsat 1009XHB；KU频段6米天线系统，125W Paradise HPA。使用中卫一号12A转发器应急卫星频带资源 （使用KU频段2.4米天线）和亚洲五号K8H卫星资源（使用KU频段 6米天线）。测试天气为晴天。

3.2.2 应急通信车卫星设备配置

使用小型移动应急通信车，卫星天线口径为1.35米，CDM625卫星调制解调器；40瓦功率放大器。

3.3 测试结果

（1）不同高阶调制与编码方式下载波的占用带宽

?

通过对各种高阶调制与编码方式的理论与实际占用带宽的分别计算和测量，从测试结果来看: 若要实现在2MHZ分配带宽基础上压缩一半带宽以上，在载波间隔系数选用1.35的情况下, 就必须采用16QAM的调制方式才能满足。

（2）不同高阶调制与编码方式在基站应用中对应急通信车发射指标的要求

?

在满足应急通信车基站无误码正常应用场景下，小型应急通信车调制与编码方式随着QPSK 3/4至16QAM 7/8的改变，发射功率相应从27.3dBm提升至32.7dBm，提高了5.4dB。也就是说，选用的调制与编码方式阶数越高，对卫星端站所需的发射功率要求也越高。目前，某电信运营商小型移动应急通信车统一配备的是饱和功率40W的BUC，移动应急通信车在不同高阶调制与编码方式工作时功放余量均在7dB以上。

（3）不同高阶调制与编码方式在基站实际应用中对卫星主站发射指标的要求

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目前卫星地面站KU频段 2.4米与KU频段6米天线系统均配备的是125W功放，结合测试所得数据，对比采用以上不同高阶调制与编码方式时，卫星地面站KU频段 2.4米天线系统发射功率最高仅需35.1dBm（即采用8PSK 7/8），不到4W，因此卫星地面站的发射余量是充裕的。

3.4 测试结论

经过测试，某电信运营商发现采用16QAM 3/4（滚降0.35）, 16QAM 7/8（滚降0.35）高阶调制与编码方式均可以有效将移动应急通信车在开通一条双向卫星电路时的星上占用带宽压缩到2MHZ以内，满足带宽压缩一半的要求。目前某电信运营商使用的小型移动应急通信车配备的40W BUC能够满足在各种高阶调制与编码方式下的基站正常应用, 且卫星系统功放在满足功带平衡时的余量在7dB以上。

4 现网应用

在卫星带宽压缩技术研究和实验的基础上，某电信运营商在2013年组织全网实施，所有应急卫星资源都采用卫星带宽压缩技术。在2013年4月20日，四川雅安地区发生七级地震，给当地造成重大人员财产损失。卫星地面站在某电信运营商的指挥下，充分利用卫星带宽压缩新技术为灾区提供通信保障，为灾区尽可能地多开一些卫星救灾通道，利用28兆卫星带宽提供了10条卫星远程中继，共为灾区现场提供紧急通信保障50次，共计23200分钟。地震当天的13时35分，某电信运营商四川分公司完成移动应急通信车站车现场定位，某电信运营商地面卫星接入主站顺利开通到地震灾区的首条卫星中继，协助灾区现场开通了移动基站。21日中午，配合空降的卫星基站在通信孤岛宝兴县开通一个应急基站，实现了抢险救灾现场的移动网络信号覆盖。

某电信运营商卫星带宽压缩技术从2013年4月开始试运行测试并随后正式使用至今，全国共有31省使用多种卫星带宽压缩技术，实现移动应急基站卫星入网，在原有带宽的基础上提升了一倍的带宽利用率，根据测算，2013年高阶调制带宽压缩技术共计使用1745.5小时，2014年高阶调制带宽压缩技术共计588.5小时。

5 结束语

某电信运营商目前在全国应急通信保障工作大规模采用高阶调制技术，有效降低卫星转发器的带宽占用率。高阶调制技术可以在不改动和新增卫星设备的情况下，低成本实现卫星带宽压缩，同时保障用户正常业务使用。

1斯国新，卫星通信系统[M]，宇航出版社，1993

2曹志刚，钱亚生，现代通信原理[M] ，清华大学出版社，2012

3黄平，编码调制技术[M]，北京大学出版社，2012

4刘国梁，卫星通信[M]，西安电子科技大学出版社，2009

5杨毅明，数字信号处理[M]，机械工业出版社，2012