基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统在高铁上的应用

赵建邦

(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266000)

0 引言

随着信息技术的发展,空天技术的成本不断下降。空天技术的低成本主要体现在3 个方面:第一是进入太空的成本降低,比如火箭实现可回收;第二由于智能制造、材料器件、工艺更新等使得卫星整星成本降低;第三是地面系统成本的降低,随着空天技术研究者们的不懈努力,卫星通信迎来了新一轮蓬勃发展的时期。国际上以Ka 为代表的高通量卫星应用已进入公众服务市场,全球各大通信运营商均已建设或正在计划开展Ka 宽带卫星通信服务。 为满足“宽带中国”“一带一路”等国家战略或倡议需求,我国各行各业针对Ka 宽带卫星通信系统及应用的研制工作也在如火如荼地开展。 本文对基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统在高铁上的应用进行探讨研究,具有重要意义。

1 基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统现状

1.1 高系统容量和承载能力

Ka 波段是电磁频谱微波波段的一部分,频率范围为26.5～40 GHz,可用带宽可达3.5 GHz,远远大于Ku 频段的1 GHz。 随着多点波束复用技术的发展,点波束的覆盖范围可以更窄,点波束数量可以更多,频率及极化复用的程度可以更高,这使得Ka 卫星通信系统容量得以数量级提升。 例如Viasat-3 系统容量可达到1 Tbps。 Ka 卫星通信网络与传统Ku 通信卫星相比,Ka 卫星通信网络具有容量大、传输速率快、支持业务广泛、成本低等优势[1]。

1.2 “卫星无感知”IP 应用体验

卫星通信系统的IP 化虽有利于实现系统间的互联互通,但造成系统传输性能下降,使用户有传输延迟的明显感知。 因此,在卫星通信系统的信关站和终端之间采用TCP 加速、HTTP 加速、IP 压缩等优化技术,通过协议欺骗、速率控制、差错控制、预提取、有损图像压缩、IP 数据包报头压缩等措施,提高卫星通信带宽利用率,改善传输性能,给用户提供了“卫星无感知”的IP应用体验[2]。

1.3 高保障网络可用度

Ka 宽带卫星通信系统容量虽然得到数量级提升,但由于其工作于17.7～31 GHz 范围,降雨引起的链路传输损耗比Ku 大得多。 在多雨地区,雨衰可能增加20 dB 以上。 Ka 宽带卫星通信系统综合应用自适应编码调制、自适应载波速率调整、自适应功率控制等自适应抗雨衰技术可使网络可用度达到99.5%以上。

1.4 高性能Ka 频段“动中通”系统

该系统为Ka 超低剖面动中通卫星通信系统,主要实现在高速运动中稳定跟踪卫星,进行高通量通信这一任务。 根据Ka 频段“动中通”系统的特点及需求,采用天地一体化设计技术,高通量卫星采用四色复用的点波束覆盖通信区域,开展天地一体化优化设计,通过理论分析与仿真建模,模拟优化站间协同通信,提高组网的灵活性、效率性与经济性。

采用自动点波束切换技术,根据高通量卫星的点波束覆盖区域坐标信息,综合移动终端的GPS 和惯导信息,控制精确伺服跟踪系统,对点波束进行切换,实现高通量卫星点波束覆盖区域之间的自动无缝链接。

采用新体制的高效率超低轮廓机械相控阵天线卫星终端,天线收发分开,收发天线通过一维的旋转运动即可实现波束的二维扫描,天线的功能件和结构件一体化设计,无二维传动装置,结构紧凑。 该体制天线的剖面高度可以降低到11 cm 以下。 极低的剖面高度能够使天线与载体良好共形。 新体制的卫星通信终端的平台适应能力更强。

超低剖面Ka 动中通系统原理框如图1 所示,各部分主要功能如下。

图1 超低剖面Ka 动中通系统原理

(1)天线单元:实现卫星上行通信信号的发射和卫星转发器下行信号的接收,同时,天线单元具有自动旋转的能力,可以通过自身旋转改变波束的指向。

(2)伺服控制单元:处理天线极化和姿态信息,执行卫星捕获与跟踪算法。

(3)电机组:提供一维的旋转动力,驱动天线单元。

(4)LNB:将卫星转发器Ka 波段的下行信号降至L波段的中频信号。

(5)BUC:将Modem 输出的中频信号频谱增至Ka波段上行信号并放大。

(6)ACU:监控天线运行状态及与连接外部功能模块。

(7)Modem:接收端将中频信号解调转换成数字信号,发射端将数字信号调制转换成中频信号。

Ka 超低剖面动中通卫星通信系统可满足高铁列车在静止或高速(400 km/h)运动过程中实时通信能力。 该系统能够自动采集高铁列车所在位置的经度、纬度和行进方向,显示列车顶部天线的方位角、俯仰角。 该系统根据预置卫星参数,进行一键式自动寻星、对星。 该系统的伺服控制分系统在高铁列车的行进过程,采用惯导测量/信标跟踪的方式,精准测量车顶天线的位置和姿态信息,为系统的寻星、锁定及精准跟踪提供可靠的数据支撑,保证天线能够实时跟踪目标卫星以及当天线驶出遮挡区域后,天线能够快速捕捉并锁定目标卫星。 该系统可以满足高铁列车在运动过程中实时跟踪目标卫星,结合车内5G 微基站为列车内提供宽带互联网,通过宽带卫星链路实现不间断的话音、数据、图像和视频等多媒体业务传输,满足高铁列车在静止和移动条件下的通信需求。

Ka 超低剖面动中通卫星通信系统所采用的轻薄型卫星“动中通”天线。 该天线采用国际最先进的可变倾角连续横向节(VICTS)技术,具有整体剖面低、气动性好、便于与高铁列车共形等特点,可在高速移动的高铁列车上实时、稳定地建立可靠的卫星通信链路,保证高速率信息不间断传输。

对于该天线的接收链路,天线伺服系统通过当地经纬度解算中星16 号卫星波束指向角和对应的极化旋向,对接收旋转相控阵天线进行相应的调整以接收中星16 号下行信号。 接收信号传输到LNB 后,经过放大和下变频到中频信号,调制解调器将中频信号解调成有用的数字信号。

对于该天线发射链路,由天线伺服系统得到的卫星信号信息,并调整发射旋转相控阵天线,使得发射天线波束指向和极化旋向满足卫星通信需求。 调制解调器将有用的数字信号调制到中频上,通过BUC 实现信号的上变频和放大,成为Ka 频段的发射信号,该信号通过发射旋转相控阵天线向卫星辐射传输。

2 基于宽带卫星互联网的ka 频段动中通系统在高铁上的应用服务

2.1 宽带通信服务

我国幅员辽阔、地貌特征复杂,高铁网遍布全国,要实现遍布全国的地面光纤网络建设,存在建设成本投入高、维护资源投入多以及获取综合效益较低等现实问题。然而,高铁列车中人员较密集,且乘坐高铁列车的商旅人士居多,若在乘坐期间不能获得稳定的互联网接入保障,将使得乘客出行体验变差,从而造成客源流失。 同时,随着满足智能铁路全面感知、泛在互联的需求的不断提高,传统的移动通信网络面临巨大挑战。

2017 年4 月12 日,我国首颗高通量通信卫星——中星16 号卫星的成功发射标志着我国进入Ka 频段高通量卫星通信时代。 中星16 号的下载和回传速率最高可达150 Mbps 和12 Mbps。

中星16 号卫星有26 个用户点波束,能够覆盖我国中部、中西部、东部、南部、拉萨地区及中国近海百千米以上的地区。

中星16 号卫星地面业务运营系统建有3 个信关站(包含基带和射频系统)和1 个运营中心(包含数据中心、网管和BOSS 系统),运营中心部署在北京,3 个信关站分别部署在怀来、成都、喀什[3]。 它们之间通过光纤链路实现互联互通,运营中心与运营商的地面网互联。 这3 个信关站和运营中心分别支持30 万终端接入,并可扩展至百万量级。

基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统如图2所示。 该系统以其高系统容量和承载能力的优势,确保为加装该系统的高铁上的设备、乘客等提供移动宽带接入及数据、图像、视频直播传输服务,从而满足更多的社会发展需求,具备非常积极的现实意义和发展意义。

图2 基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统

2.2 国际市场互联网接入服务

随着中国“一带一路”倡议的深入推进与高端装备全面走向世界,中国高铁作为海外交通运输基础设施建设的“排头兵”,已经成为独具特色的国家新名片,其“走出去”步伐持续加快[4]。 随着高铁项目国际合作的不断深入,中国高铁出口高端化、全球化、快速化趋势日益明显。 随着国际上以Ka 为代表的高通量卫星技术的不断发展,加装宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统的高铁列车将能为地面网络基础设施建设尚不完善的国家和地区的国际乘客提供更好的互联网接入体验。

2.3 运营及维护应用业务

我国是自然灾害频发的国家,铁路沿线环境比较复杂,自然灾害极大威胁到高铁的运输安全。 随着中国高铁建设的不断发展,运行车速的一再提升,这些因素的危害愈加明显。 数据表明,我国高铁平均每年因风、雨、雪、异物造成运输中断高达100 余次[5]。 在遇到突发性、严重的自然灾害,其他所有通信手段都失效时,宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统能在车地间传送、提供数据通信承载业务。 工作人员可通过宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统实时建立的卫星通信链路,将突发事件现场情况第一时间传送给指挥中心的相关领导,便于领导指挥决策,最终实现有效调度、协同指挥。

3 结语

基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统既能在人员、设备密集的高铁车厢内提供稳定的宽带接入服务,也能在地面通信网络未覆盖或遭到不可抗力破坏短时间内难以修复的应急场景下实时传输通信数据,助力列车运营及维护应用业务,保障应急条件下的行车安全。 基于宽带卫星互联网的Ka 频段动中通系统是我国智能高铁发展的助推剂,也有效支撑了我国出口高铁高端化的目标。