第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)應對雨衰的策略

劉榮和

第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)應對雨衰的策略

劉榮和

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

本文介紹了第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本情況，針對Ka波段衛(wèi)星通信中雨衰的問題進行了討論，著重對第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)應對雨衰的策略進行了探討。希望能為Ka波段通信的發(fā)展進綿薄之力。

雨衰；Ka波段；第五代海事衛(wèi)星

1 引言

第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)為了滿足寬帶通信的要求采用了Ka波段進行通信，為了降低雨衰對通信質量的影響，針對海上工作環(huán)境特點提出了包括全球異地冗余關口站設置、自適應調制與編碼技術、Ka/L波段自動切換等技術措施，在應對雨衰的問題上取得了實質性的效果。

2 第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)簡述

該系統(tǒng)利用4顆衛(wèi)星覆蓋全球包括3顆主用衛(wèi)星及1顆備用衛(wèi)星，分別部署在歐洲、美洲和亞洲三大區(qū)域，這些衛(wèi)星位于距離地球赤道上空約35,700km的同步軌道上，衛(wèi)星工作在Ka波段采用全球轉發(fā)器技術，高性能彎管設計，每顆衛(wèi)星的額定功率是15kW，設計有89個波束和6個高能力波束可提供72個通信信道和17個動態(tài)應用信道，共可支持202個獨立用戶群體，可提供上行5M下行50M的通信帶寬。

第五代海事衛(wèi)星全球地面網(wǎng)絡系統(tǒng)樞紐采用無單點設計，全球共設立主備兼顧的6個地面站關口站，每顆主用衛(wèi)星對應的洋區(qū)下設有主備2個關口站，這6個關口站通過陸地專線分別接入到部署在紐約、悉尼和阿姆斯特丹的網(wǎng)絡匯接中心（MMP），最終構成全球地面通信網(wǎng)絡。

第五代海事衛(wèi)星接續(xù)系統(tǒng)是依照VSAT通信模式設計，采用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是新加坡iDirect公司生產(chǎn)的5IF衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用全IP技術設計，通信體制采用的是DVB-S2（ACM）/A-TDMA（D-TDMA）體制，該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活支持星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)及SCPC等多種網(wǎng)絡拓撲模式，衛(wèi)星帶寬利用率高、網(wǎng)絡安全性高，支持雨的多樣性分析和自適應傳輸，支持跳頻技術與通道間的自動負載平衡，有效的提升了系統(tǒng)的效率。先進的全球網(wǎng)絡管理系統(tǒng)可支持全球信號通道無縫切換及衛(wèi)星切換，提供小于3秒的主數(shù)據(jù)和次級數(shù)據(jù)路徑之間的故障轉移保障了系統(tǒng)的可靠性。

3 衛(wèi)星通信波段與雨衰

目前，可用于衛(wèi)星通信的電磁波的頻率范圍0-50GHz，衛(wèi)星常用的波段是L/S/C/Ku等波段，目前，第五代海事衛(wèi)星采用多波束技術工作于Ka波段面向全球提供海事通信服務，全球波束下用戶上行通信頻段29.5-30.0GHz，下行頻段從19.7-20.2GHz，然而降雨對該頻段的影響卻相當嚴重。實測結果表明，雨滴的半徑約在0.025cm～0.3cm，C波段的電波波長在7.5cm左右，與雨滴半徑相差較大，因此受降雨影響較小，一般小于2dB。頻率達到11GHz時的雨衰情況最普遍，尤其是在更高的波段如Ku波段、Ka波段，降雨和水份在大氣中會衰減信號，并導致信號質量的劣化，這可能會導致減少帶寬。Ku波段內電波的波長在2.5cm左右，故降雨對電波產(chǎn)生的影響比較明顯，最大可達20dB。第五代海事衛(wèi)星所用的Ka波段的工作頻率從19.2-30GHz，電波波長在0.8cm左右降雨對該波段的影響更加明顯信號衰減大約在20dB～40dB。如表1所示。

表1 通信頻段受雨衰影響的情況

4 應對雨衰的策略

要保證ka波段衛(wèi)星通信鏈路的傳輸質量，可采用相應的應對措施：

⊙ 地理位置：異地主站設置確保主站能不受

到降雨的影響（針對主站）。

⊙ 鏈路控制：包括自適應功率控制技術、自適

應調制編碼技術、自適應載波速率調整技術等（針對鏈路、主站及終端站都可以采用）?！?波段切換：Ka/L雙波段組合通信（第五代海事衛(wèi)星應對雨衰獨特的設計方案，只針對終端站采用）。

4.1 合理設置主/備站位置

降雨概率有各種模型，根據(jù)ITU發(fā)布的降水數(shù)據(jù)（ITU-R pn.837-1），第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)在充分分析全球降雨情況的前提下確定了6個地面站位置分別是，承載印度洋區(qū)業(yè)務的希臘Nemea關口站和意大利Fucino關口站，承載大西洋區(qū)業(yè)務的美國Lino Lakes關口站和加拿大Winnipeg關口站，承載太平洋區(qū)業(yè)務的新西蘭Warkworth關口站和Auckland關口站。每個洋區(qū)都有2個地面站互為備用，同一個洋區(qū)的2個地面站之間的距離超過500km同時受到降水影響的概率極低，確保了主站服務的通信質量。

圖1 I-5衛(wèi)星主備站位置

4.2 鏈路控制

鏈路控制是指從主站—衛(wèi)星—終端—衛(wèi)星—主站的整個閉環(huán)通信鏈路的全方位通信控制。第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)采用全網(wǎng)自動功率控制確保整合網(wǎng)絡的功率平衡，根據(jù)終端位置、天線的大小和大氣條件綜合測算整個通信鏈路的損耗，每5秒鐘完成一次終端站的運行狀況輪詢，從而確定最可靠的通信策略使通信鏈路達到最佳工作狀況?？刂七^程是由衛(wèi)星及網(wǎng)絡控制中心自動完成的，在鏈路設計時充分考慮了系統(tǒng)工作效率、用戶終端的性能在保障通信質量的前提下盡量減少鏈路功率冗余一般不會超過5dB。衛(wèi)星下行鏈路發(fā)射功率EIRP會隨著調制和編碼的變化而動態(tài)調整，并允許通過減少吞吐量以應對因雨衰導致鏈路電平下降。在主站和小站方面，可通過自動調整上行發(fā)射功率控制器來動態(tài)增加或減少信號發(fā)射強度來保障鏈路信號的正常。

iDirect-5IF（DVB-S2/TDMA）衛(wèi)星通信系統(tǒng)具備強大的自適應傳輸能力，支持自適應編碼調制及多種載波速率的解調，每個載波有不同的調制編碼方案。在發(fā)送功率恒定的情況下，主站可通過調整無線鏈路傳輸?shù)恼{制方式與編碼速率，確保鏈路的傳輸質量，終端站可以根據(jù)載波噪聲業(yè)務及信道的變化，自適應調整載波速率進行業(yè)務傳輸，通過不同的調制編碼組合動態(tài)分配最佳的調整編碼方式，并動態(tài)調整最佳的符號速率最終通過降低通信帶寬獲得功率的提升。如編碼率為1/2的卷積碼，當采用維特比譯碼時其編碼增益可提升5dB，從而達到彌補雨衰所帶來的衰減問題，通過減少衰減信道的數(shù)據(jù)速率來增加信道容量，降低速率所帶來的增益與速率減少成正比，例如速率減少4倍時增益提升5dB。

圖2 iDirect-5IF衛(wèi)星通信系統(tǒng)

4.3 波段切換

4.3.1 基本原理

第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)獨有的Ka/L波段切換技術，是當前Ka通信領域終端站應對雨率的最佳實踐。其思路是在氣候正常的情況下采用Ka波段按照正常的策略進行通信，當發(fā)生降水時，如果降雨量小屬于輕度雨衰則采用傳統(tǒng)的功率控制或編碼調整等技術進行應對，當降水量大到嚴重影響Ka波段通信的重度雨衰時將由系統(tǒng)自動切換到L波段進行通信，一旦氣候有所好轉且滿足Ka通信的要求時系統(tǒng)便會自動切回Ka波段進行通信，如圖3所示。

圖3 I-5衛(wèi)星雨衰Ka/L波段切換

4.3.2 實現(xiàn)方案

Ka波段切換到L波段應對雨衰的策略是在終端站實現(xiàn)的，要實現(xiàn)這兩個波段之間的智能切換通信，就需要用戶配備相關波段的通信設備，最基本的實現(xiàn)方式是用戶使用3臺套件組建Ka/L波段通信網(wǎng)絡來自動完成Ka/L波段的智能通信。所需設備如下：1臺NSD（Network Service Device）智能網(wǎng)絡設備用于實現(xiàn)頻段的自動切換；1臺Ka-Vsat（五代星終端）設備用于進行五代星寬帶通信；1臺L-Bgan（四代星終端）設備用于進行四代星（0.5M帶寬）通信。

NSD設備是以太智能網(wǎng)絡交換機用于進行網(wǎng)絡智能分析，是Ka/L波段自動切換的核心設備，它具備1個網(wǎng)管接口用于進行設備配置與管理、2個模擬電話接口可用于連接話機、3個虛擬局域網(wǎng)接口用于連接海事衛(wèi)星通信設備、模擬和廣域網(wǎng)的接口卡用于設備功能擴展。NSD通過PPPoE協(xié)議連接到L-Bgan終端，通過Dot1q協(xié)議連接到Ka-Vsat終端，控制Ka波段及L波段設備的運行，NSD默認通信網(wǎng)絡路由是運行在Ka波段通信網(wǎng)。如圖4所示。

圖4 NSD設備實現(xiàn)方案

主站可通過NSD設備進行遠程網(wǎng)絡配置管理、服務的可用性分析，同時對通信網(wǎng)絡的運行狀況進行實時監(jiān)測，通過監(jiān)測結果控制用戶設備工作在最佳的狀況。在正常的天氣情況下，NSD設備控制Ka-Vsat終端通過I-5（第五代海事衛(wèi)星網(wǎng)絡）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡進行語音、數(shù)據(jù)等通信，L波段設備保持在備份狀態(tài)，同時NSD設備會實時自動檢測來自Ka-Vsat終端設備及L-Bgan終端設備的運行狀況特別是信號強度、信噪比等重要參數(shù)，當I-5衛(wèi)星通信網(wǎng)絡因嚴重雨衰導致電平下降且無法工作時，NSD設備會將L-Bgan設備無縫自動切換為主用狀態(tài)，使用I-4網(wǎng)絡繼續(xù)提供通信服務從而保持通信的正常進行，當I-5衛(wèi)星通信網(wǎng)絡信號恢復正常時NSD同樣會無縫自動將I-5網(wǎng)絡恢復為主用狀態(tài)。

5 結束語

目前，越來越多的國家把注意力和研究重心放在了Ka頻段寬帶衛(wèi)星通信的開發(fā)運用上，然而Ka波段的雨衰問題是任何一個Ka系統(tǒng)都無法避免的問題，在Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，單獨采用某一種方法可能并不能完全有效地對抗整個鏈路的雨衰，這就需要形成一個完善的自適應抗雨衰方案，才能盡量減少雨衰對Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響。第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的主站異地設置、鏈路電平自適應技術特別是KA/L波段自動切換技術等抗雨衰系列方案，給Ka波段在應對雨衰的問題上給出了最佳方案，通過本文對這些方案的簡要介紹希望能為我國Ka通信領域的發(fā)展提供參考和借鑒。

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10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.006

TN919.8文獻標示碼：A

1672-7274（2017）07-0014-03