Ka频段卫星地面系统选址分析

邸高高　中国信息通信研究院产业与规划研究所助理工程师

Ka频段卫星地面系统选址分析

邸高高中国信息通信研究院产业与规划研究所助理工程师

中星16号卫星是我国首颗Ka频段大容量多媒体通信卫星，预计2017年初发射。应用点波束和频率复用技术，Ka频段高吞吐量卫星（HTS）通信系统支持更高速率的互联网接入，更复杂的交互式服务；相应地，其配套地面系统的架构和能力也需要进行提升。本文从Ka频段卫星系统组成、影响地面系统选址的几个主要因素、Ka频段与其他常用卫星频段的区别等方面进行分析，总结选址原则，将会为各行各业的用户提供更加灵活、更高成本效益的卫星宽带通信服务打下基础。

Ka频段卫星；地面系统；选址原则

1　引言

Ka频段大容量多媒体通信卫星较传统的C频段、Ku频段通信卫星具有可用频带宽、点波束增益高、终端小型化等技术特点优势，系统容量高于传统系统十倍到百倍。发展Ka频段大容量多媒体通信卫星，能够使得卫星通信单位带宽的使用成本大幅降低，用户使用卫星进行宽带接入的资费大幅降低，在卫星通信广域覆盖、应急保障等基本属性得以保留的前提下，对于提高卫星通信用户规模、投资收益，促进卫星通信走进人们日常生活，打造基于卫星的骨干传输网络，实现卫星通信技术的飞跃有重要意义。

本文为Ka频段大容量多媒体通信卫星建设地面系统提供参考，贯彻国家有关技术经济政策，合理利用资源，节约用地，执行国家城市建设、环境保护等相关规定，确保通信质量。

2　Ka频段卫星系统组成

Ka频段卫星地面系统包括运营中心和信关站，它们之间通过光纤线路实现互联互通，运营中心与Internet、3/4G等地面网互联。数据中心、网络管理子系统、业务运营支撑系统部署在运营中心，对全系统进行管理。终端站通过卫星用户波束接入到所属信关站。终端站类型包括普通型、企业型、移动型。系统总体组成架构如图1所示。

根据卫星载荷设计和实际应用场景，宽带卫星通信网络宜采用星状网络架构。在这种网络架构下，系统按照DVB-S2/DVB-RCS协议标准所定义的卫星网络体系架构进行设计，采用MF-TDMA作为系统的多址接入方式。前向链路采用TDM方式进行系统消息广播和业务分发，充分发挥Ka卫星下行大容量广播的优势，实现用户业务的高速下载。返向链路采用MF-TDMA方式，能够灵活、充分的利用卫星频率资源。

2.1运营中心

运营中心是地面系统管理、控制、卫星数据处理、网络交换的核心，具有业务运营支撑功能、网络管理功能、数据中心功能、与地面Internet网以及3/4G等网络互联互通的交换路由功能。运营中心的组成架构如图2所示。

运营中心包含数据中心、网络管理子系统、业务运营支撑系统和交换路由分系统。其中：

（1）数据中心子系统包含数据处理服务器、协议处理服务器、网络段控制器，完成与信关站间的信令、业务数据收发和处理。

（2）网络管理子系统完成对全网所有设备和业务的管理，提供北向接口与业务运营支撑系统连接。

（3）业务运营支撑系统支持计费、业务营收、业务受理、宽带认证、催缴费、生产调度、报表分析等功能。

（4）交换路由设备包含边界路由器、防火墙、汇聚交换机、互联路由器、远程接入路由器、互联网审计设备，完成信关站之间互联、与地面网互联和网络安全审计等功能。

图1　系统总体组成架构

图2　运营中心组成架构

2.2信关站

信关站为所在馈电波束对应的用户波束提供接入服务。信关站包含天线射频分系统、基带分系统和交换路由分系统，完成馈电链路信号收发、基带处理和与运营中心的数据交换。基带分系统通过路由交换分系统与运营中心的数据中心交互。信关站的网络管理全部集中于位于运营中心的网络管理子系统。在一般情况下，信关站可实现无人值守。信关站的组成架构如图3所示。

3　Ka频段卫星地面系统选址总则

3.1选址原则

根据以往卫星通信地球站的选址原则结合Ka频段卫星系统的特点，总结出以下几点：

（1）站址选择应以通信网络规划和通信技术要求为主，结合水文、地质、地震、交通、城市规划、投资效益、及维护管理等因素综合比较选定。Ka波段由于受降雨衰减很大，站址最好选择在低降雨区，以保证馈电波束的链路可用度。

（2）站址宜设在城市朝向卫星一侧的郊区且屏蔽的地理环境内，应尽量靠近城市，交通方便的地方。并且地球站天线在静止卫星轨道可用弧段内的工作仰角与天际线仰角的夹角不宜小于10°。

（3）地球站天线波束与共用频段的雷达系统应避免在大气层内出现交叠。

（4）地球站与共用频段的雷达系统应避免构成视通路径，天线主波束偏离角应大于5°。

（5）地球站天线波束与飞机航线（特别是起飞和降落航线）应避免交叉，与机场边沿的距离不宜小于2000m。

（6）地球站不应设在无线电发射台、变电站、电气化铁道以及具有电焊设备、X光设备等其他电气干扰源附近，地球站周围的电场强度应执行GB4824.1-1984《工业、科学和医疗射频设备无线电干扰允许值》的规定。

（7）高压输电线不应穿越地球站场地，距35KV的高压电力线设备应大于100m。

（8）避免在飞机场、火车站以及发生较大震动和较强噪音的工业企业附近设站。站址应有较好的卫生环境，应避开产生烟雾、尘粒、散发有害气体的场所和腐蚀性排放物的工业企业。

（9）站址选择在有安全环境的地方，不应该选择在易燃、易爆的仓库和材料堆积场以及在生产过程中易发生火灾、爆炸危险的工业企业附近。站址不应该选择在地震带和易受洪水淹灌的地方，应避开断层土坡边缘、古河道及有可能塌方、滑坡、有开采价值的地下矿藏或古迹遗址的地方。

（10）站址选择应保证天线前方的树木、烟筒、塔杆、建筑物、堆积物、金属物等不影响地球站天线的电气特性。

（11）站址选择应考虑易从附近变（配）电站架设可靠的专用输电线。

（12）站址选择应易于接入互联网、公众通信网等网络。

（13）站址最好选择在业务量密度较稀的区域，以让关口站拥有更多的带宽。

图3　信关站组成

（14）站址所在地区有充足的水源，水质应符合国家标准《生活饮用水卫生标准》。

（15）卫星通信系统与雷达系统等共用同一频段时，应进行干扰协调，并由后建者承担干扰协调工作。

（16）干扰协调应按照GB/T13620-1992《卫星通信地球站与地面微波站之间协调区的确定和干扰计算方法》进行计算，地球站协调区应分发送协调区和接受协调区。

（17）干扰协调区含有别国领土时，应与有关主管部门进行协调，并提交正式文件，同时向国内有关部门备案。

（18）严防地球站无线电磁辐射对周围环境的污染和危害，应根据GB8702-1988《电磁辐射防护规定》和GB9175-1988《环境电磁波卫生标准》的要求，向有关管理部门提交《地球站天线前方场区保护范围》的文件，待审批及备案。

3.2地面系统场地要求

（1）地球站的土建规模主要满足近远期通信设备安装的需求，并留有一定的发展余地，除必要的生产附属用房和值班宿舍外，原则上站内不建职工宿舍。

（2）地球站内土建设施的布置应合理利用地形。（3）地球站的油机房与油库之间的相对高度差不宜大于20m。

（4）地球站周围宜设置围墙，围墙的高度距外侧地面不宜低于2.2m。

（5）地球站内道路设计应符合GBJ22-1987《厂矿道路设计规范》的有关规定。

（6）地球站内应考虑排水通畅，以避免站内积水。（7）地球站内应进行绿化建设。

（8）地球站内设置多副天线工作时，各副天线在其工作的可用弧段上应互不影响，互不遮挡，各天线边缘间的最小距离不宜小于其中一副天线的直径。

（9）地球站天线基础的位置应能保证天线工作在近期及远期通信卫星可用弧段上。

（10）地球站天线基础宜靠近天线射频机房，以缩短馈线长度，减少馈线损耗；对于一、二类地球站的椭圆软波导、硬波导的馈线长度总计不宜超过40m。

（11）安装在地面上的天线基础宜采用整体式钢筋混凝土结构，并宜按照一级基础考虑，对于一、二类地球站天线基础的设计地震烈度按当地地震烈度提高一度计算，对于8度以上地区不再提高。

（12）天线基础宜建在坚硬的地质结构上，当地基土质较差时，宜采用打桩或其他特殊技术措施。

（13）天线基础一年内不均匀下沉不应超过2mm。

（14）天线基础必须按照生产厂家提供的资料和工艺提出的要求进行设计，并在设计图上标明北（N）方位和磁偏角。

（15）天线基础的四周应设有从接地系统引出的接地体，裸露地面部分应做防腐处理和防机械损伤处理。

4　Ka频段卫星地面系统选址分析

4.1降雨影响分析

电磁波在雨区中传播时，会有一部分能量被吸收或者散射，产生衰减，从而产生通信过程中的雨衰现象。可以证明电磁波的波长远大于雨滴的直径时，降雨衰减主要由吸收引起。当雨滴直径增加或者电磁波波长较短时，散射引起的衰减较大，且波长与雨滴的直径越接近，衰减就越大。电磁波的波长由其频率决定，而雨滴的直径由降雨量的大小决定，所以，降雨衰减由电磁波的频率及降雨量的大小决定。

雨衰的大小与地球站的地理位置，海拔高度，降雨率和降雨层高度，电磁波的频率和极化方式，接收天线的仰角等有关。降雨强度越大，雨衰越大；雨衰与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨区域大小一定时，地球站的仰角越低，雨衰越大；对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，雨衰越大；不同地区，强的降雨强度出现的概率不同，通常用年均和最坏月份出现的概率表示。

Ka频段雨衰的特点就是衰减值大，影响高频段通信。实测结果表明雨滴的直径约在0.05～0.6cm；C波段的电波波长在7.5cm左右，与雨滴半径相关较大，因此受降雨影响较小，一般小于2dB；Ku波段内电波的波长在2.5cm左右，故降雨对电波产生的影响比较明显，最大可达20dB；在更高的频段Ka频段的电波波长在1～1.5cm，与雨滴直径长度相仿，雨滴使信号发生畸变，雨衰的影响更明显，甚至会造成通信中断。

Ka频段电波比Ku频段、C频段受更大的降雨衰减、去极化和噪声等的影响。对降雨率为22.4mm/h的降雨，在地球站对卫星的仰角为40°时，C频段的雨衰仅为0.1dB，可忽略；Ku频段的雨衰为4.5dB；Ka频段的下行链路频率为20GHz时，雨衰为12.2dB，而上行链路频率为30GHz时的雨衰则高达23.5dB。

为了克服这些影响，C频段或Ku频段常常使用预留备余量的办法，但在Ka频段如预留备余量，则需要十几或二十几分贝。目前，为了克服雨衰已提出很多种解决方案，例如可增大信号的功率，设立更多的地面终端站使信号沿多路传送、控制功率分配，开环功率控制算法等。Ka频段卫星通信雨衰问题的解决，在一定程度上是服务质量和费用的折中，要保证Ka频段卫星通信的高可靠性和高利用率，就必须在链路设计上有一定的余量来避免暴雨造成的通信中断，这种余量在正常天气下却是一种浪费，会导致整个系统的成本的增加和终端价格的上升。

因此，站址宜选择在低降雨区，以保证馈电波束的链路可用度。

4.2电磁环境影响

电磁环境干扰是由于一种或多种发射、辐射、感应或其组合产生的无用能量对无线电通信系统的接收产生影响，其表现为性能下降、误解或信息丢失。Ka频段远离一般地面通信系统频率范围，具有天然高抗干扰性能，干扰较少，干扰源一般为：

（1）来自所有其他网络的地球站和空间站的干扰。

（2）雷达、广播、电视和其他无线电发射机的同频、谐波和寄生发射干扰。

（3）工业、科学和医疗设备的辐射干扰。

确定站址前应进行电磁环境测试，测试标准参考如下：

●环境电场强度

在地球站周围，要求中波和电视1～5CH的电场强度不大于125dB（uv/m），短波的电场强度不大于105dB（uv/m）。

●工科医设备的辐射

在地球站接收机的输入端，1～18GHz频段工科医设备的辐射干扰，应比正常接收信号电平低30dB。

●雷达

由于雷达系统的瞬时功率极大，因此它的干扰信号落入地球站接收机输入端的峰值电平应比正常接收电平低30dB。

●地球站的干扰电平

根据卫星网络系统的设计可确定接收机的Eb/N0和C/N，从而确定地球站接收机输入端的载波干扰比。

站址选择应考虑电磁环境保护合适的地点。

4.3自然灾害影响

（1）地震

选址应尽量避免地震、泥石流、洪灾等自然灾害频发地区。

我国地处欧亚板块的东南部，受环太平洋地震带和欧亚地震带的影响，是个多地震的国家，据统计，我国大陆7级以上的地震占全球大陆7级以上地震的1/3；我国有41%的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7°或7°以上地区，6°及6°以上地区占国土面积的79%（见图4）。我国地震主要分布在5个区域：台湾省、西南地区、西北地区、华北地区、东南沿海地区和23条地震带上（见图5）。

图4　中国地震烈度区划图

图5　中国23个地震带

●华北地区（含东北南部）

包括郯城-庐江带（沿郯庐断裂，从安徽庐江经山东郯城，穿越渤海至辽东半岛、沈阳一带）、燕山带、河北平原带（太行山东麓）、山西带（主要沿汾河地堑）、渭河平原带（主要沿渭河地堑）。

●东南沿海地区

包括东南沿海带（主要在福建及广东潮汕地区）、台湾西部带、台湾东部带。

●西北地区

包括银川带、六盘山带、天水-兰州带、河西走廊带、塔里木南缘带、南天山带、北天山带。

●西南地区

包括武都-马边带、康定-甘孜带、安宁河谷带、滇东带、滇西带、腾冲-澜沧带、西藏察隅带、西藏中部带。

此外，还有东北深震带（主要在吉林、黑龙江的东部）。

（2）洪涝影响

站址不宜选择在容易被洪水淹灌的地方（见图6）。

（3）当地条件影响

除了结合当地水文、地质、地震、交通设施、电力条件等情况，还需结合当地传输、互联网资源等情况，以便接入互联网，公众通信网等网络，可优先考虑卫通系统、广电系统、电信运营商等具备专业场地及运维队伍的地点。

5　结束语

Ka频段采用与地面移动蜂窝网类似的技术，在点波束之间重复使用所分配的频谱，从而使自身的通信容量成倍增加。要最大化使用小站覆盖区域的频率资源，其配套的关口站必须也要有相应的频谱分配。考虑到卫星天线的性能，不同的关口站波束之间要有一定的地理位置间隔。在建设Ka频段卫星网络时，关口站的建设位置选择非常重要，每个关口站地点要有互联网光纤接入，要有充沛、可靠的电力供应。可以看到，高吞吐量卫星（HTS）通信系统可以支持更高速率的互联网接入，更复杂的交互式服务，相应地，其配套地面关口站的架构和能力也需要进行提升。

中星16号卫星是我国首颗Ka频段大容量多媒体通信卫星，预计2017年初发射。纵观Ka频段卫星通信技术的发展，笔者认为卫星通信界正经历一个全新的发展阶段，而地面系统的合理建设，将会为各行各业的用户提供更加灵活、更高成本效益的卫星宽带通信服务打下基础。

Siting principles of Ka-band satellite terrestrial systems

DI Gaogao

The No.16 satellite is China’s first large-capacity and Ka-band multimedia communication satellite， expected to be launched in early 2017. Adapting spot beam and frequency reuse technology， Ka- band high throughput satellite （HTS） communication systems supports higher speed Internet access， more complex interaction service， and accordingly， architecture and capacity of its terrestrial systems also need to be improved. This paper， from perspective of Ka-band satellite systems composing， several major factors that influence the terrestrial systems siting， difference between Ka- bandand and other normal satellite bands， analysis and summarized siting principles， will provide more flexible， higher cost - gain satellite wide band communication service.

Ka-band satellite； terrestrial systems； siting principles

图6　中国洪涝分区

2016-04-10）