VSAT卫星通信技术在偏远地区4G无线网络部署中的应用

胡春波,余 亮,祝 昱,范吉明,史美逸

(烽火通信科技股份有限公司,湖北 武汉 430205)

0 引言

4G无线网络主要采用地面传输方式已在全球大部分地区规模化部署,使得全球大部分民众都享受到了科学技术发展带来的便利。然而部分偏远岛屿和山区,虽然同样有4G无线网络通信的需求,但由于受到地理条件限制,光通信、微波通信等地面传输网络无法进行部署,而卫星通信具有广覆盖的特点,使得通过卫星通信部署4G网络具备可能性。

1 不同轨道卫星通信技术方案对比

与地面传输网络通信相比,卫星通信具有覆盖范围广、通信传输距离远、组网快速灵活、抗地面灾害能力强等优点。按轨道高度不同,分同步轨道卫星(Geostationary Earth Orbit,GEO)、中轨卫星(Medium Earth Orbit,MEO)和低轨卫星(Low Earth Orbit,LEO)3种,如图1所示。本文主要聚焦于同步轨道和低轨道方案进行研究。

图1 多个轨道卫星

1.1 同步卫星

同步轨道卫星处于约36 000 km 的固定高度,单向时延约250 ms。同步轨道卫星适用于使用一颗或几颗卫星连续服务大范围地区的情况,它的缺点在于所有用户都要依赖单一来源来传输和管理,单个卫星故障将会直接造成业务故障。它的优点在于卫星不会相对于观测者移动,所以卫星的通信设备只需要固定安装和定向,且调测完成后不需要移动或调整方向。卫星接收机不必小巧紧凑,并且同步卫星在通信领域中技术相对成熟。

1.2 低轨卫星

低轨卫星处于海拔350 km至2 000 km的位置。与同步轨道卫星相比,低轨卫星更靠近地球,具有接入延迟较低、卫星体积小更容易发射、所需卫星信号传输功率低的特点。由于低轨卫星离地球较近,它们的“视野”也较低,而且每颗低轨卫星同时只能覆盖地球表面的一小部分。这样覆盖范围相对有限的低轨卫星,使得需要发射大量卫星维持目标覆盖区域的连续性服务,目前网络覆盖和技术应用还不太成熟。

综合考虑各类岛屿、山区等偏远区域场景对4G无线网络的基本需求,对时延的敏感度相对不高,优先选择技术应用相对成熟的同步轨道卫星。

2 VSAT卫星通信技术

VSAT技术是利用高轨道卫星作为中继,通过小型天线在两端之间传输数据,可以覆盖大面积地区,并且拥有可靠和稳定的连接。VSAT 由多个专用设备组成:碟形卫星天线(也称为“反射器”)--一种由无线电不透材料组成的抛物面碟形天线,将进出卫星的信息反射到天线的焦点;上变频器 (Block Up-Converter,BUC)--上变频器能够将低能信号转换为高能信号,用来“发送”来自 VSAT 的信号;低噪声下变频器 (Low Noise Block,LNB)--低噪声下变频器将高能信号转换为低能信号,将从卫星接收的数据转换为调制解调器可用的信号;调制解调器(Modem)--专用硬件,将来自卫星的信号转换为计算机或计算机网络可用的数据。

VSAT技术主要使用Ku波段和C波段,是卫星通信中最常用的传输频段[1]。Ku波段频率范围为12 GHz～18 GHz,Ku波段卫星单转发器功率一般比较大,多采用赋形波束覆盖,卫星EIRP较大,信号功率大使得天线口径可以尽可能变小,从而有效地降低接收成本,方便个体接收。Ku波段连接的主要缺点是容易受干扰,阴雨天气将会造成信号质量的下降,尤其是大暴雨的情况下,雨衰有可能超过20 dB,信号质量急剧下降,甚至会造成业务的闪断或中断。C波段频率则为4 GHz～8 GHz,VSAT连接不易受干扰,可以提供更稳定的连接,暴雨情况下C波段链路雨衰最高一般不超过3dB。C波段连接的主要缺点是安装和维护成本更高。

综合考虑岛屿、山区等偏远区域对4G无线网络的稳定性要求不高,结合C波段和Ku波段不同的建设成本以及卫星带宽的资源满足度情况,本方案优先选用Ku波段。

3 4G无线网络与VSAT卫星系统适配

4G网络采用扁平化全IP分布式结构,网络主要构架分为用户设备(User Equipment,UE)、基站(eNodeB)、核心网(Evolved Packet Core,EPC)。基站主要负责同UE建立通信连接,并提供网络覆盖。eNodeB和EPC之间通过传输网络互连,相关业务有3种:操作与维护(Operations and Maintenance,OAM)、S1、X2。

4G基站通过控制业务带宽以及优先级调度策略,确保各类信息能够根据4G无线网络需求合理地通过卫星系统。4G基站上行限制在2 Mbps,下行限制在6 Mbps,确保无线基站单站点带宽需求量与卫星系统单站点传输能力匹配。

基于4G无线网络实际需求,卫星传输链路使用QoS[2]策略,优先保证站点在线可管控。

卫星系统基于不同业务类型虚拟局域网(Virtual Local Area Network,VLAN)设置优先级,保障高优先级接口数据优先通过,其中基站交换机、电源、eNodeB的OAM链路接口优先级最高,S1-C优先级第2,S1-U优先级第3,其他类业务优先级最低。

4 卫星和地面网络系统组网及业务部署

4G无线网络应用同步卫星通信技术承载,每个卫星波束覆盖一定的地域范围,规划一批站点共享同一个卫星传输通道带宽资源。卫星关口站、卫星和基站侧卫星设备共同组成端到端的L2层通信网络,规划多个4G无线基站共同接入一个卫星关口站,如图2所示。

图2 卫星和地面网络系统组网

每个基站上下行总和承诺信息速率(Committed Information Rate,CIR)为2 Mbps,峰值信息速率(Max Information Rate,MIR)为8 Mbps,N个无线基站组成无线基站群,带宽共享充分使用VSAT网络资源[3]。无线基站设备包括无线BTS设备、能源设备、交换设备、卫星设备、视频监控设备等,所有基站设备都通过交换机进行业务汇聚后上行至卫星Modem。卫星关口站和4G通信基站之间,端到端采用L2通信[4]。

4G信号通过同步卫星通信系统后的双向时延,平均值在530 ms左右。上行带宽为2 Mbps,下行带宽为6 Mbps。4G手机用户能够满足网页浏览,也能使用微信/WhatsApp等文字消息、语音这些低流量需求的应用程序。

5 结语

通过对同步卫星通信技术与4G无线网络相结合的相关技术研究、场景匹配测试验证,本文最终形成一套使用VSAT卫星通信作为传输媒介来承载偏远地区4G无线网络的可行方案。与光网络传输相比,本方案存在3个明显的劣势:(1)双向时延增加约500 ms;(2)Ku波段容易受雨衰的影响;(3)同步卫星带宽价格昂贵,带宽低。尽管如此,本方案在偏远岛屿和山区等场景中仍有一定的应用价值,已在东南亚印尼全境部署,卫星基站规模达到上千,较好地解决了偏远乡村4G无线网络的基本需求。同样,在国内新疆、西藏等偏远地区以及东南沿海偏远岛屿,本方案也具有一定的应用价值。