载波叠加技术在海洋石油平台卫星通信中的应用

徐 亮

（中海油信息科技有限公司上海分公司，上海 200129）

1 载波叠加技术概述

近年来，我国卫星通信技术取得了长足进步，地面通信设施的大规模建设和通信技术的的加速迭代，降低了用户的使用成本，同时在与卫星通信的竞争中优势越来越明显，这些对卫星通信行业提出了严峻的挑战。如何在有限的卫星通信设备中实现效率最大化的通信容量，是当前卫星通信行业中探索的主要问题和追逐的方向。

载波叠加技术是CEFD公司从AST获得授权的技术，在以往的卫星通信过程中，两个站点之间的信息交互所产生的载波频段需要分别租借相应的卫星宽带，这种通信方式的路径比较少，这就需要选用更多的卫星宽带，从而造成了企业费用的增加，降低了企业卫星通信业务的市场竞争力[1]。而载波叠加技术完全是在“数字域”层面完成的，属于“数字处理”技术范围，两台Modem将载波发到转发器的相同位置上，从卫星转发器转发下来的信号就是一个合成的信号。在合成信号中包含每台Modem发送给对端的载波，同时合成信号将受到链路上固有的损耗和干扰的影响，对于每台Modem收到的信号来说，除了上面常见的干扰外，自己本身发出的信号也是一种干扰。而载波叠加技术就是将合成载波中由于本地调制器引生的干扰通过数据技术消除掉。在这个过程中每端的Modem都需要将自己的发射信号保留一份副本，针对与副本间所有参数差异进行连续性的估计和跟踪，通过专用的自适应滤波和相位锁定环路处理，对上行取样信号的延时、频率、相位和幅度进行相应的调整，从而对这些差异进行动态补偿，一般来说其减扰性能可达到30dB。总得来说，载波叠加的工作过程可以分为以下几个部分：首先，将受到的叠加信号数字化；之后，在数字域将本地时延的副本减去，同时考虑到生产的频率和相位的偏差；再之后，将恢复出的信号复原成模拟信号后送给解调器，最后，持续跟踪本地时延、频偏和功率比。在使用载波叠加技术的使用要确保使用“标准卫星”，本站发出的信号要保证自己能够收到，不能做“转发器跳跃”和“星上数据再生”。同时还要尽量保证信号频偏较小，时延搜索范围尽量接近真实的值[2]。

2 载波叠加技术在海洋石油平台卫星通信中的应用

海洋石油平台由于离海岸线较远，传统的通信手段如短波、微波、海缆通信以及运营商提供的移动通信等都无法提供可靠的保障，近年来卫星通信技术不断发展，在通信容量不断增大、质量迅速提高的同时，追求低成本也是大势所趋。

卫星通信技术作为海洋油田的一种主要通信方式，其通信距离远、受地理因素影响小、覆盖范围广等优越性，已经实现了较为广泛的应用。海上油田中卫星通信的应用特点如下：首先，无线通信站的建设成本不会因为直线距离和周围环境的变化而变化，并且和其他通信方式相比，卫星通信的优势更加突出。其次，卫星覆盖面积比较广泛，可以容易实现多出地址联接通信。卫星的工作方式以广播为主，不是传统的的单个对单个，而是所有通信站点可以共同使用一颗卫星，从而实现站点和站点之间的多方通信，确保整个卫星通信网络组成的灵活性和高效性。最后，卫星通信的链路比较稳定，信号传输质量也比较高。卫星信号不是在地球上进行传输的，而是在大气层之外的空间中进行传输，因此可以将整个宇宙视为均匀传输空间，整个空间是均匀介质，不会受到其他条件的影响，传输信号比较稳定[3]。因此，可以说卫星通信是海洋石油开发工程中远距离信息传输的首选通信方式。

本文将C频段（4G～6G）宽带卫星通信作为研究对象，探讨载波叠加技术在海洋石油平台卫星通信中的应用。传统上，对于基于高轨卫星的业务来说，转发器的运行成本通常是最主要的一项支出，目前租费大约在3.5-4万美元/年MHz，这直接影响着该业务的可行性和盈利能力，而卫星转发器的成本又取决于其占用的带宽和使用的功率。

海洋石油平台建站，首先需要考虑的因素是天线的大小，幅面更大的天线可以提高收发增益，降低功放功率的需求，但是由于平台空间紧凑，一味追求大幅面的天线是不切实际的，因此需要提高功率预算。当确定了卫星转发器和地面站的参数，我们就在调制方式和编码方式之间作出折中的选择，新的前向纠错（FEC）方式可以增加链路的可靠性，并同时降低功率需求，载波叠加技术正是把转发器过剩功率利用起来的技术之一，能极大解决海洋石油平台卫星通信运营费用或提升数据吞吐量。

3 载波叠加技术在实际应用中的表现

卫星通信可以为海洋石油平台提供语音、数据传输、应急救援、远程维护等多种服务，除了为平台日常安全生产和生活提供通信支撑，还在台风、遇险、火灾等情况下提供应急服务。

传统的双向链路，发送信号和返回信号在不同的载波频率上发射，也就是占用了转发器两段不同的频谱位置。载波叠加技术的初衷是进行带宽压缩，理论上可以使双向卫星链路在转发器带宽的同一频段内同时发射业务载波，发送信号和返回信号在相同的载波频率上发射，占用的是转发器的同一位置，通过卫星转发器广播这一复合信号，再由地面信号处理单元把需要的信号从复合信号中分离出来，发送到后端做进一步的解调处理，从而使占用带宽减少50%，具体的减少幅度取决于最初的链路预算。

常见的海洋石油平台卫星站使用3.7米天线，地面站使用4.5米甚至更大口径天线，两端均使用100W功放，在实际应用过程中必须使用“弯管转发器”的标准卫星，不能做“转发器跳跃”，尽可能保证两端站点的频偏小，在配置时延搜索范围时尽可能接近于真实值，载波叠加对调制解调器的载噪比存在有限的影响，对于收发相等载波在16-QAM调制情况下，应考虑约0.6dB的链路余量。原本需要收发各租用2MHz来满足上下行2MHz传输带宽的需求，现在通过载波叠加技术只需租用一个2MHz带宽就可以实现。

对于老旧海洋石油平台，选用此技术应充分考虑天线口径、功放功率大小和调制解调器是否具备载波叠加功能，如原卫星链路已达到饱和运行状态，则一般建议更换比原天线大1.4倍幅面的新天线。

在实际应用中，载波叠加技术能够明显的节省卫星业务的运营成本和提升服务质量，平均来讲，与维特比编码相比，节省约39.5%；与8-PSK相比，节省约51.5%；与TPC相比，节省约27.2%；与LDPC相比，节省约26%。可以在数月内收回改造的投资成本。

“油气+IT”的合作将逐步加深，数字信息技术在油气田开发过程中可以使油田产量提高、采收率提升，同时还能有效在增储上产、降本增效方面发挥重要作用。而数据又是数字信息技术应用的基础，只有具备足够充分、准确的数据，才能为油田智能化的分析、改进作好支撑，可以说数据被准且及时地收集、高效地传输是未来油气勘探开发的技术发展中的第一步。在油价持续低位的新常态下，继续深水资源的开发，势必要对传统无线通信技术进行升级换代，使其可以承载更多的数据，包括视频、图像等，可以增加更多的应用，也可以附加更多的现场传感器，有助于更全面地采集数据。

在国外某卫星运营团队和某电信公司利用载波叠加技术，在C频段高通量有效载荷上仅使用62.8MHz，就建立了一个对称的270Mbps/270Mbps链路，在大容量C频段链路中实现了8.6bit/Hz的频谱效率。PING测试显示，这条链路的往返延迟小于常规的500毫秒，该时延已包括了卫星链路、调制解调器和外部路由器设备的时延，C频段高通量卫星的高可靠性和低时延结合，也必将使载波叠加这项技术成为数字化油田在深海延伸的理想选择。

综上所述，作为科学技术的产物，载波叠加技术打破了传统卫星通信的局限，采取了更先进的技术，提升了自身的应用性能，降低了应用成本，将其应用在海洋石油平台中，可以进一步提高海洋石油勘探和开采的工作质量和效率，进而推进我国海洋石油行业的发展。