新一代調(diào)制標準（NS3）的應(yīng)用介紹

金惠羨等

新一代的調(diào)制標準（NS3）已經(jīng)悄然而生，它給衛(wèi)星通信行業(yè)帶來了翻天覆地的驚人成果：采用這種提高頻譜效率的技術(shù)能夠使衛(wèi)星的通信性能要比衛(wèi)星數(shù)字化視頻廣播第二代標準（DVB-S2）提高20%到78%，同時減小了衛(wèi)星通信設(shè)備的尺寸和重量，大大降低了衛(wèi)星通信的運營成本。

正當人們在滿懷希望迎接衛(wèi)星數(shù)字化視頻廣播第二代標準（DVB-S2）的普及應(yīng)用時，我們突然發(fā)現(xiàn)這個剛剛處于應(yīng)用起步階段的標準很有可能會被迅速的代替，原因是 第3代衛(wèi)星調(diào)制新技術(shù)（NS3）已經(jīng)研制成功。全球衛(wèi)星傳輸服務(wù)提供商SatLink通信公司和3G-Sat調(diào)制技術(shù)NS3制造商及開發(fā)商NovelSat公司于2011年9月7日宣布，他們完成了NovelSat的調(diào)制器（NS1000）和解調(diào)器（NS2000）（均采用NS3技術(shù)）的現(xiàn)場試驗。

試驗結(jié)果表明，與DVB-S2相比時，帶寬效率提高50%以上。在一個典型的視頻饋送環(huán)境，SatLink對比業(yè)內(nèi)最好的DVB-S2調(diào)制器和解調(diào)器，測試了NovelSat的NS3設(shè)備。比較在亞洲衛(wèi)星5號和歐洲通信衛(wèi)星W3A上進行，保持相同的鏈路預(yù)算和衰落裕量。結(jié)果顯示， NS3頻譜效率比DVB-S2提高，從而在一個典型的廣播工作點（7– 8dB CNR），一個36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器上的容量增加28%。 當SatLink在一個72MHz轉(zhuǎn)發(fā)器上運行NS3設(shè)備時，提高結(jié)果超過50%的大關(guān)，考慮到當前可使用的接收機的固有限制，這特別值得注意。當前，72MHz轉(zhuǎn)發(fā)器必須分為兩個有20%保護頻帶的載波，以避免由于此解調(diào)器處理局限導(dǎo)致的同頻干擾。這種限制顯著降低72MHz轉(zhuǎn)發(fā)器的效率。NS2000解調(diào)器是首款能夠把這兩個載波整合到一個現(xiàn)在可能飽和的72MHz載波的解調(diào)器。在72MHz轉(zhuǎn)發(fā)器上還測量到358Mb/s的吞吐率

新的衛(wèi)星調(diào)制技術(shù)的意義

為了解這種新的衛(wèi)星調(diào)制技術(shù)的重要意義，我們有必要看一下衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展演變。

1995年，第一個衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標準（DVB-S）被開發(fā)出來。這一技術(shù)提供了最高45Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，成為了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要里程碑，并作為一種事實上的標準在全球得到了廣泛使用。2005年，新的技術(shù)突破使得第2代標準得以產(chǎn)生，這一標準被命名為DVB-S2，與第1代標準相比，該標準在性能上有了25%到30%的巨大進步。2011年春，NS3出現(xiàn)在世人面前并為人們所接受，第3代衛(wèi)星調(diào)制新技術(shù)（NS3）與第2代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標準（DVB-S2）相比，使用這種提高頻譜效率的技術(shù)能夠使衛(wèi)星的通信性能提高20%到78%，在此之前，很多人都不相信會有比DVB-S2標準先進整整一代的技術(shù)出現(xiàn)，或許我們應(yīng)該把它稱之為DVB-S3。

NS3調(diào)制技術(shù)的構(gòu)思

NovelSat公司推出的NS3調(diào)制的新技術(shù)就是提高給定信道的頻譜效率并增加數(shù)據(jù)吞吐能力。衛(wèi)星定位在距地球36000公里的圍繞赤道的軌道上。這稱為地球靜止軌道，該軌道上的衛(wèi)星以與地球同步的方式旋轉(zhuǎn)，因此它們的運動軌跡是固定的，這使其成為一個非常合適的從地球上的一個位置到另一位置的信號中繼平臺。

衛(wèi)星上有多個轉(zhuǎn)發(fā)器，它們可以撿拾來自地球的弱上行線路信號，并將該信號以不同的頻率重新發(fā)送。這些轉(zhuǎn)發(fā)器是線性設(shè)備，具有固定帶寬，一般為36MHz。有些新型衛(wèi)星具有72MHz的信道轉(zhuǎn)發(fā)器。帶寬固定時，數(shù)據(jù)速率也是固定的，并且由調(diào)制技術(shù)和多址技術(shù)決定。

問題是如何滿足由于對更高通信能力的日益增長的需求而引起的提高遠程衛(wèi)星中的數(shù)據(jù)速率的要求。解決方法很簡單，就是創(chuàng)建和實現(xiàn)頻譜效率更高的調(diào)制技術(shù)。NovelSat公司正是按照這個思路做的。該公司的NS3調(diào)制技術(shù)可以將帶寬容量提高多達78%。

這種提高來自以前推出的APSK調(diào)制技術(shù)的修訂版。常用的衛(wèi)星傳輸標準DVB-S2是一個可以使用QPSK、8PSK、16APSK和32APSK調(diào)制方式和不同的正向糾錯（FEC）方案的單個載波（一般是L波段950至1750MHz）。最常見的應(yīng)用是視頻傳輸。

NS3技術(shù)通過多個振幅和相位符號提供64APSK調(diào)制方式，提高了頻譜效率，在DVB-S2技術(shù)的基礎(chǔ)上有所提升。此外還包含了低密度奇偶校驗（LDPC）碼。這種整合可以在72MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器中實現(xiàn)358Mbps的最高數(shù)據(jù)速率。由于調(diào)制方式是APSK，因此TWT PA不必進行回退，以保留完美的線性度。因此與DVB-S2相比，它們能以更高的功率工作，并實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更低的CNR。NovelSat公司的NS1000調(diào)制器和NS2000解調(diào)器可用來將衛(wèi)星系統(tǒng)升級至NS3。在大多數(shù)應(yīng)用中，針對給定的CNR，NS3都可以在DVB-S2基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率的提升。

新一代調(diào)制技術(shù)的特點

使用這項技術(shù)后，與使用DVB-S2標準相比，傳輸相同的數(shù)據(jù)量會降低28%的成本，會使帶寬嚴重不足的地區(qū)（如西歐和亞洲部分地區(qū)）的可用帶寬增加28%或更多，能夠在天線尺寸減少35%的情況下達到相同的數(shù)據(jù)吞吐量。 盡管單獨來看這些數(shù)字不算巨大，但考慮到租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的成本在逐步上升，因此采用新技術(shù)后會節(jié)省大量資金。

NS3技術(shù)能夠利用一組載波實現(xiàn)全脈沖轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以大大降低帶寬72 MHz的寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器的使用成本。以往的地面設(shè)備通過一組載波無法支持帶寬超過36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器，必須要使用兩組載波。隨著第3代衛(wèi)星通信技術(shù)的出現(xiàn)，利用一組載波就可以支持全寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器了，這就意味著人們可以充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器，發(fā)揮它的全部潛力。這樣一來，在很多轉(zhuǎn)發(fā)器上進行的測試顯示能夠提高50%到78%的性能就一點也不奇怪了。采用新技術(shù)后，一個帶寬為72MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速度達到了創(chuàng)紀錄的358Mbps，這要比目前性能最好的調(diào)制解調(diào)器能夠達到的最高數(shù)據(jù)傳輸速度（168Mbps）快得多。

為說明節(jié)省成本的情況，讓我們來看看租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器空間段的平均成本。租用一個轉(zhuǎn)發(fā)器的成本是每月每MHz 3-7千美元，也就是一年3.6-8.4萬美元。我們假定采用新的NS3標準后租用一個帶寬36 MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器的成本降低28%，這就相當于每年的租賃費用減少36-84萬美元。與使用帶寬72 MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器做一比較，使用新標準后，保守的說會節(jié)省62%的帶寬，那么每年節(jié)省的租賃費用高達160-370萬美元。

NS3調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用前景

歐洲廣播聯(lián)盟（EBU）高調(diào)宣稱選擇了衛(wèi)星技術(shù)公司NovelSat的NS3衛(wèi)星調(diào)制技術(shù)，在其全球網(wǎng)內(nèi)分配新聞和體育內(nèi)容。NovelSat稱部署其衛(wèi)星調(diào)制技術(shù)使EBU能夠降低成本，同時提高帶寬可用性和雨衰余量。這些NovelSat設(shè)備將被用于各種體育賽事（如倫敦奧運會）實況圖像的傳輸。EBU已經(jīng)使用NovelSat的NS3支持的NS1000和NS2000衛(wèi)星調(diào)制器和解調(diào)器。目前這種技術(shù)已經(jīng)廣泛的在100.5C衛(wèi)星的SNG傳送上應(yīng)用，最開始是F1賽事傳送，目前英超、法甲、聯(lián)盟杯等各項重大賽事都采用了這種技術(shù)，接下來相信EBU所有在100.5C衛(wèi)星傳送都會采用這種技術(shù)。

此外采用NS3調(diào)制技術(shù)的H264節(jié)目目前還沒有其他衛(wèi)星設(shè)備能接收到信號，必須用專門設(shè)備，即便是能接受的MEPG2格式，即便沒有采用BISS加密，但經(jīng)過NS3技術(shù)調(diào)制，也無法被破解，因此在版權(quán)保護方面也是一個巨大的保護措施。

眾所周知，無人機在世界范圍內(nèi)的軍事打擊越來越廣泛，從2007年起，英國軍隊就開始在阿富汗使用“死神”無人機了。2012年4月，英國國防大臣萊姆·?？怂梗↙iam Fox）調(diào)撥了1億3500萬英鎊資金用于購買“死神”無人機，以使英軍到2013年時擁有10架該型無人機（原有數(shù)量的一倍）。在美國，五角大樓近期宣布要購買至少50多架增程無人機，這表明五角大樓把注意力轉(zhuǎn)移到了在未來幾年內(nèi)增強無人機的移動通信能力上。無可避免的是，這種注意力的轉(zhuǎn)移會使當前美軍無人機的數(shù)量增加一倍以上，這會導(dǎo)致衛(wèi)星通信帶寬不足的問題變得尤為突出，對于衛(wèi)星通信帶寬的需求和供應(yīng)之間的矛盾就越來越大，對防衛(wèi)部門來說，減小這種矛盾就成為了一個重大而緊迫的挑戰(zhàn)。舉例來說：一架“全球鷹”無人機大約需要500Mbps的帶寬，這是“沙漠風暴”行動中美軍需要的總帶寬的5倍；在“持久自由”行動期間，五角大樓同時只能部署4架無人機（可用無人機數(shù)量的一半），原因就在于沒有足夠的衛(wèi)星通信帶寬供全部無人機使用；據(jù)估計，在2010年時，要進行一場現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，五角大樓需要大約16Gbps的衛(wèi)星通信帶寬，而那時國防部可能只擁有大約2Gbps的帶寬。這些事實強調(diào)了衛(wèi)星通信帶寬不足對全球范圍內(nèi)空中和地面軍事行動造成的嚴重影響并說明了為什么我們迫切需要找到辦法來緩解這種不足。在2012年迪拜航空展開幕期間，法國空軍參謀長讓-保羅·帕洛梅洛斯（Jean-Paul Palomeros）上將在空軍領(lǐng)導(dǎo)人會議上強調(diào)了衛(wèi)星通信帶寬不足這一緊迫問題。他說，“我們需要新的通信帶寬標準，因為目前的帶寬已經(jīng)被占滿了。越來越多地使用“捕食者”、“死神”、和法國“雪鸮”等無人機產(chǎn)生了包括全動態(tài)視頻在內(nèi)的巨量數(shù)據(jù)，高清攝像機、激光指示器、成像雷達、地面移動目標指示器和多光譜成像器等復(fù)雜的傳感器需要大帶寬來傳送數(shù)據(jù)。由于需要使用執(zhí)行多種任務(wù)的無人機，而且很多遙控飛行器都是同時進行操作的，計劃人員估計需要非常大的帶寬?！备鶕?jù)《防務(wù)新聞》（Defense News）的一篇報道，要擁有20Gbps左右的帶寬才能滿足數(shù)量不斷增多的無人機的需要，而目前衛(wèi)星通信鏈路中的Ku波段帶寬無法承受如此大的數(shù)據(jù)量。

那么，我們可以采取什么措施來緩解這一問題呢？幸運的是，第3代衛(wèi)星調(diào)制新技術(shù)（NS3）讓我們看到了希望。根據(jù)49名不同用戶單獨進行的測試，在同等條件下，與第2代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標準（DVB-S2）相比，使用這種提高頻譜效率的技術(shù)能夠使衛(wèi)星的通信性能提高20%-78%。

而且，使用這種新的衛(wèi)星通信技術(shù)不僅會給使用無人機帶來好處，而且還會給地面作戰(zhàn)帶來好處。由于可用頻譜有限、地形復(fù)雜或天候不良等原因，衛(wèi)星信號在實施地面作戰(zhàn)的地域上往往很弱。利用新的衛(wèi)星信號調(diào)制技術(shù)的另外一種優(yōu)勢是能夠擴大衛(wèi)星信號覆蓋范圍，或者在信號接收質(zhì)量低達2.5db的情況下保持相同的數(shù)據(jù)吞吐量，或者在鏈路預(yù)算、衰落余裕和功率相同的情況下將性能提高28%以上。

地面部隊和無人機遇到的另外一個問題是用來傳輸衛(wèi)星信號的天線的重量和尺寸。對地面部隊來說，天線尺寸能夠縮小35%意味著單兵背包里面的天線尺寸和重量也會相應(yīng)減少。對無人機來說，天線尺寸的縮小能夠大大有利于改善飛機的氣動特性，減少空氣阻力和燃料消耗，提高航程和留空時間。最為重要的是，天線尺寸縮小后就使縮小飛機尺寸成為了可能（天線的最小尺寸往往會制約飛機的尺寸），飛機尺寸縮小能夠使其更不容易被探測到。

地球觀測衛(wèi)星在距離地面400千米的高度每90分鐘繞地球一圈，因此其經(jīng)過地面站上空的時間只有短短幾分鐘。采用NS3技術(shù)后，其數(shù)據(jù)下行傳輸速度會提高37%到50%。在地球觀測衛(wèi)星上也存在成本和可用帶寬問題，衛(wèi)星的性能問題也非常重要。地球同步通信衛(wèi)星運轉(zhuǎn)在高度為35786千米左右的軌道，與地球自轉(zhuǎn)保持同步。這些衛(wèi)星需要傳輸?shù)囊曨l（高清電視頻道和3D電視頻道日益增多）和數(shù)據(jù)越來越多。

從本土安全的角度來看，在災(zāi)害救援期間，衛(wèi)星通信可靠性的重要意義不能被低估。在2012年3月日本地震和海嘯期間，有報道說有超過1萬5千家企業(yè)和150萬家庭長時間無法與外界聯(lián)系。連接日本和美國的4條常用海底電纜和4條備用海底電纜全部損壞，無法使用。我們不能低估日本以第3代衛(wèi)星通信技術(shù)為基礎(chǔ)建立備用網(wǎng)絡(luò)帶來的巨大經(jīng)濟效益和強制性需求。

筆者認為，隨著新的技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)使一種過去認為不可能的技術(shù)標準改進得以實現(xiàn)，這種技術(shù)突破使我們有理由對解決衛(wèi)星通信帶寬不足、成本高昂等問題感到樂觀。