ka頻段－－衛(wèi)星寬帶通信新思路

1　衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡發(fā)展概述


　　近年來，全球范圍內(nèi)Internet接入、交互式多媒體業(yè)務。電視會議和其他帶寬密集型應用的迅速發(fā)展，人們對信息無止境的追求，刺激了企業(yè)網(wǎng)和Internet網(wǎng)的爆炸性增長，用戶一直在努力尋求可給他們帶來更多數(shù)據(jù)的解決方案，結果導致對帶寬需求的大幅度增加。近年來，缺乏帶寬的用戶以驚人的速度嘗試了T1線，xDSL,Cable Modem，ATM和各種無線技術。然而這些地面解決辦法已不能滿足用戶對獲取信息的渴求。在這種市場需求的沖擊下，一些電信開發(fā)商把目光轉(zhuǎn)向了太空，試圖借助衛(wèi)星Internet技術來解決應用需求與網(wǎng)絡帶寬之間的矛盾。換句話說，衛(wèi)星將成為天空的虛擬交換機，大大減少部署新網(wǎng)絡和業(yè)務所需要的時間和成本，而且將為滿足未來的大量多媒體應用提供充足的網(wǎng)絡容量。多媒體衛(wèi)星通信時代的曙光已從地平線升起，并呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象。


　　由于Internet用戶的接入業(yè)務有明顯的不對稱性，即用戶向Internet發(fā)送（上行）的數(shù)據(jù)量很小，而從Internet接入（下行）的數(shù)據(jù)量大。在ISP運營的實際經(jīng)驗得出，上下行信道的速率一般比值在3：1-5：1之間，有些甚至達到9：1。如果采用對稱的雙向鏈路，無疑是以高價購置了使用率不高的上行帶寬。因此，通過具有明顯不對稱性的衛(wèi)星網(wǎng)絡來實現(xiàn)用戶接入Internet就成了很順理成章而且經(jīng)濟的手段了。


　　Internet多媒體業(yè)務是通過寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，為直播衛(wèi)星用戶提供豐富多彩的新的數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務。目前，這種業(yè)務大體有兩類：個人化多媒體業(yè)務和交互式多媒體業(yè)務。從個人化多媒體業(yè)務方面看，主要是通過軟件和硬件增強技術，提供“個人化電視”。例如，美國的Wink通信公司每周向用戶提供1200小時的“個人化電視”節(jié)日，用戶只要點擊電視屏幕角上的小圖標，就能立即插播體育、新聞、金融、氣象和娛樂信息。如果電視臺插播賽車節(jié)目，“個人化電視”可使用戶在電視屏幕下方看到賽車場上領先的車手、每小時的公里數(shù)和車手的名字。再如美國加利福尼亞的一家叫Carmel的公司為用戶提供硬件的收入達3.8億美元，從1999-2002年的復合年增長率達65％，到2002年底“個人化電視”用戶數(shù)將達340萬。


　　從交互式業(yè)務看，主要是通過寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡提供交互式Internet電視。如美國的EchoStar公司的OpenTV系統(tǒng)能夠向用戶提供交互式節(jié)目介紹、電子郵件和網(wǎng)上電視、天氣預報、城市交通圖和各種電子商務信息。在微軟和日本索尼公司的幫助下，該公司還推出WebTV機頂盒。這種機頂盒內(nèi)裝1臺衛(wèi)星接收機和8.6千兆字節(jié)的硬盤，大容量硬盤可用于存儲視頻和其他內(nèi)容。該公司稱，這種新式機頂盒與數(shù)字衛(wèi)星接收技術、高級Internet多媒體業(yè)務相結合，將形成長達數(shù)小時的VCR能力。


　　就多媒體而言，通過Internet提供音頻、視頻和音樂多媒體業(yè)務以及多媒體軟件是當前業(yè)界最熱門的話題，而通過衛(wèi)星傳送音頻和視頻流無疑是最有希望的應用。


2　ka波段通信系統(tǒng)的特點


　　鑒于ka頻段具有可用帶寬寬，干擾少，設備體積小的特點。因此，ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務、直接到家庭（DTH）業(yè)務及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務提供一種嶄新的手段。ka頻段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的需求較高，但這些都可以采取相關技術手段予以克服�？傊�，ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是在提供雙向多媒體業(yè)務方面具有較大優(yōu)勢。


　　（1）網(wǎng)狀和星狀拓撲結構：為了提高頻段利用率，減少時延，直接到用戶（DTU）鏈路一般采用網(wǎng)狀網(wǎng)，與公網(wǎng)（PSTN、ISDN等）互連的鏈路則優(yōu)先采用星狀網(wǎng)。


　　（2）開網(wǎng)和閉網(wǎng)：開網(wǎng)一般用于公網(wǎng)，閉網(wǎng)則用于特殊用戶的專網(wǎng)。


　�。�3）標準協(xié)議：多種傳輸協(xié)議共存，尤其是當同一用戶需要多種業(yè)務時，大多數(shù)ka頻段系統(tǒng)選擇ATM或準ATM協(xié)議。


　　（4）多波束覆蓋：為了提高衛(wèi)星等效全向輻射功率（EIRP），ka頻段衛(wèi)星波束一般較窄。因此，若要覆蓋一個國家或地區(qū)，需要設置多波束。


　�。�5）頻譜可多次利用：由于是多波束使用，頻譜利用率高。


　�。�6）星上處理及交換。


　�。�7）傳輸速率范圍寬。


　�。�8）小用戶終端：在同等條件下，其用戶終端要比C/Ku頻段的小。對DTU鏈路來說，典型的無線口徑為0.6-2m，具體取決于鏈路余量及所處雨區(qū)。


　　3　ka波段已經(jīng)具備的技術基礎


　　衛(wèi)星通信的可用頻譜資源很有限，建設寬帶網(wǎng)必然要采用更高頻率。目前的寬帶衛(wèi)星業(yè)務基本是使用ka頻段，盡管與以往的C波段衛(wèi)星模擬通信相比，使用較高頻率的ku波段及先進的數(shù)字壓縮技術，大大提高了通信效率，尤其是在數(shù)據(jù)、視頻傳輸方面，Ku波段提供了更加方便可靠的傳輸手段，但Ku頻段的應用已經(jīng)非常擁護，故計劃中的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)基本是采用ka頻段，通過同步軌道衛(wèi)星、非靜止軌道衛(wèi)星或兩者的混合衛(wèi)星群系統(tǒng)提供多媒體交互式業(yè)務和廣播業(yè)務。衛(wèi)星通信要利用ka頻段必須解決下列關鍵技術問題：


　�。�1）克服信號雨衰；


　�。�2）研制復雜的ka頻段星上處理器；


　　（3）保證高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有明顯的時延；


　　（4）保持星座中有關衛(wèi)星之間的有效通信；


　�。�5）通過星上交換進行數(shù)據(jù)包的路由選擇。


　　國際上特別是歐洲、美國有關ka頻段衛(wèi)星通信概念和關鍵技術的試驗工作已做了不少，例如美國國家宇航局領導工業(yè)界執(zhí)行的ACTS計劃，就對有關的多項先進技術進行了試驗�？梢哉f，現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術的發(fā)展已為解決后四項關鍵技術打下了基礎，而降雨對信號的衰減是波長在1-1.5cm之間的ka頻段的特殊問題。由于使用的波長和雨滴的大小相仿，雨滴將使信號發(fā)生畸變。目前正在設計的ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因降雨衰減而引起的通信中斷平均每月要超過3小時。這就難于滿足一般電信用戶和廣播電視受眾通信可利用率達到99.9％的要求。目前，為了克服雨衰問題已提出幾個解決方法：


　�。�1）加大天線尺寸和信號功率，但這會增加衛(wèi)星的成本。


　�。�2）設立更多的地面終端站，從而使信號能沿多條路徑傳送，但這會增加地面系統(tǒng)的成本。


　　（3）通過控制功率分配，增大對降雨地區(qū)的傳輸功率。采用這個措施會增加衛(wèi)星的復雜性，特別是提高了對控制軟件的要求。


　�。�4）發(fā)展對信號畸變的校正技術


　　ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)雨衰問題的解決，在一定程度上是服務質(zhì)量和費用的折衷。若要保證ka頻段衛(wèi)星通信業(yè)務的高可靠性和高利用率，就必須在鏈路設計中有一定余量來避免暴雨造成的通信中斷。但這種余量在正常的天氣情況下卻是一種浪費，會導致整個系統(tǒng)的成本增加和終端的價格上升。


　　4　我國ka頻段靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻段選取


　　根據(jù)目前國際無線電頻率劃分狀態(tài)，我國ka頻段靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)具體頻段選取有一個初步的方案，同時對于可能影響具體頻段選取的其它因素也在考慮之列。


　　4.1靜止軌道ka頻段衛(wèi)星通信頻率劃分概況


　　根據(jù)1998年版的《無線電規(guī)則》及2000年世界無線電通信大會（WRC-2000）通過的最后法案規(guī)定，靜止軌道ka頻段衛(wèi)星通信可使用的具體頻段是：上行27.5-31GHz(帶寬3500Mhz)；下行17.7-21.2GHz（帶寬3500MHz）。然而，這些頻段并非唯一劃分給靜止軌道衛(wèi)星通信（包括衛(wèi)星固定業(yè)務和衛(wèi)星移動業(yè)務），其它業(yè)務（如固定業(yè)務、移動業(yè)務、衛(wèi)星地球探測（無源）業(yè)務、非靜止軌道衛(wèi)星固定業(yè)務等等）也都或多或少在其中部分頻段上劃分頻率。因此，在上述頻段存在極其復雜的頻率共用狀態(tài)下，必須為我國未來的ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)建立一個相對良好的頻率共用工作環(huán)境。在現(xiàn)有衛(wèi)星平臺有效載荷的研制水平下，這種相對較好的頻率共用工作環(huán)境對于保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常連續(xù)運營很有必要。下面介紹包括我國在內(nèi)的第三區(qū)ka頻段靜止軌道衛(wèi)星通信頻率共用狀況。


　　4.4.4下行頻段


　�。�1）17.7-17.8GHz：固定、移動、衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行饋線鏈路和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的上行鏈路。一般情況下，頻率共用不存在困難。


　　（2）17.8-18.1GHz：固定、移動、衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行債線鏈路、非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的上行和下行鏈路。在WRC-2000大會后，非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（下行）應遵循不應要求得到靜止軌道衛(wèi)星固定業(yè)務的保護，在工作期間，一旦產(chǎn)生任何不可接受的干擾，應快速消除。由于該業(yè)務目前尚未正式啟用，實際情況不可預期。因此對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務而言，須承擔一定的風險。


　�。�3）18.1-18.3GHz：固定、移動、靜止衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行饋線鏈路、靜止衛(wèi)星氣象業(yè)務（下行）和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的下行鏈路。對靜止軌道衛(wèi)星通信的主要約束同（2）。


　�。�4）18.3-18.4GHz：固定、移動、靜止衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行債線鏈路和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的下行鏈路。以靜止軌道衛(wèi)星通信的主要約束同（2）。


　�。�5）18.4-18.6GHz：固定、移動和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的下行鏈路。對靜止軌道衛(wèi)星通信的主要約束同（2）。


　�。�6）18.6-18.8GHz：固定、移動（除航空移動）、衛(wèi)星地球探測（無源）和空間研究（無源）業(yè)務。靜止衛(wèi)星固定業(yè)務應盡量采取措施，保護衛(wèi)星地球探測（無源）和空間研究（無源）業(yè)務，但這會導致其使用條件受限制。


　�。�7）18.8-19.3GHz：固定、移動和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的下行鏈路。非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（下行）的使用，取得了一定的協(xié)調(diào)地位。對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務而言，須承擔相當風險。


　�。�8）19.3-19.7GHz：固定、移動和非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務的上行和下行債線鏈路。非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務的饋線鏈路與衛(wèi)星固定業(yè)務之間存在同步共用（包括同向和反向），且協(xié)調(diào)地位各有差異，須留意。


　�。�9）19.7-20.2GHz：固定、移動和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的下行鏈路。衛(wèi)星固定業(yè)務和衛(wèi)星移動業(yè)務都可以使用該頻段。使用非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（下行），對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務具有一定風險，與在17.8-18.6GHz頻段類似。


　�。�10）20.2-21.2GHz：固定和移動業(yè)務。衛(wèi)星固定和衛(wèi)星移動業(yè)務是主要業(yè)務，衛(wèi)星標準頻率和時間業(yè)務是次要業(yè)務。


　　4.1.2　上行頻段


　�。�1）27.5-28.6GHz：固定、移動、衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行債線鏈路和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的上行鏈路。使用非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（上行），對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（上行），對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務具有一定風險，與在17.8-18.6GHz頻段類似。


　　（2）28.6-29.1GHz：固定、移動、衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行債線鏈路和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的上行鏈路。使用非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（上行），下行對應于18.8-19.3GHz頻段。對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務而言，須承擔相當風險，與在18.8-19.3GHz頻段類似。


　�。�3）29.1-29.5GHz：固定、移動、衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行債線鏈路和非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務的債線鏈路。非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務的饋線鏈路與衛(wèi)星固定業(yè)務之間存在同頻共用，且協(xié)調(diào)地位各有差異，須留意。


　�。�4）29.5-30.0GHz：固定、移動、衛(wèi)星廣播業(yè)務的上行債線鏈路和非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的上行鏈路。衛(wèi)星固定業(yè)務和衛(wèi)星移動業(yè)務都可使用該頻段，使用非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務（上行），對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務具有一定風險，與在27.5-28.6GHz頻段類似。


　�。�5）30.0-31.0GHz：固定和移動業(yè)務。衛(wèi)星固定業(yè)務和衛(wèi)星移動業(yè)務是主要業(yè)務，衛(wèi)星標準頻率和時間業(yè)務是次要業(yè)務。


　　4.2　具體頻段選取


　　4.2.1　上行30-31GHz，下行20.2-21.2GHz


　　根據(jù)以上分析，如果我國Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)考慮涵蓋衛(wèi)星移動通信的范疇，這種考慮是基于充分利用在Ka頻段因頻率高而帶來的地球站天線終端小型化和便攜化的特點，首選的具體頻段應該為：上行30-31GHz（可用頻帶1GHz），下行20.2-21.2GHz（可用頻帶1GHz）。理由是：上述頻段可同時滿足我國Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩種業(yè)務類型（衛(wèi)星固定業(yè)務和衛(wèi)星移動業(yè)務）的要求，且其中衛(wèi)星標準頻率和時間業(yè)務還可用于未來功能擴展（如授時業(yè)務）。同時，就頻率共用狀態(tài)而言，上述頻段目前還未明確引入非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務或非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務，而涉及這兩種業(yè)務的國際頻率協(xié)調(diào)還相當困難。因此，選擇該頻段有利于國際頻率協(xié)調(diào)，有利于取得合法的國際地位，對于我國Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常連續(xù)運營意義重大。


　　4.2.2　上行259.1-29.5GHz，下行19.3-19.7GHz


　　若上述首選頻段不能落實，降而求其次可選上行29.1-29.5GHz（可用頻帶400Mhz），下行19.3-19.7GHz(可用頻帶400MHz)。理由是：就頻率共用狀態(tài)而言，上述頻段可避開與非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的國際頻率協(xié)調(diào)問題，只需與非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務的饋線鏈路協(xié)調(diào)。非靜止衛(wèi)星移動業(yè)務和饋線鏈路涉及的都是關口大站，協(xié)調(diào)難度相對降低，選擇該頻段是一種“兩權相害取其輕”的辦法。


　　4.2.3　上行27.5-28.6GHz/29.5-30.0GHz，下行17.8-18.6GHz/19.7-20.2GHz


　　在上述兩個頻段都不能落實的情形下，第三種可選上行27.5-28.6GHz/29.5-30.0GHz（可用頻帶1660MHz）。理由是：在無法避免與非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務協(xié)調(diào)的場合，應選擇靜止衛(wèi)星固定業(yè)務稍有優(yōu)先地位的頻段。在WRC-2000之后，該頻段中的非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務與靜止衛(wèi)星固定業(yè)務的頻率共用研究理論上已大致完成，并已通過了有關功率限值。但由于非靜止衛(wèi)星固定業(yè)務目前沒有實際啟用，其所承諾的解決干擾問題的先進技術（如衛(wèi)星分集技術等）有待實踐檢驗。因此，對于靜止衛(wèi)星固定業(yè)務而言，須承擔一定風險，選擇該頻段是“沒有辦法的辦法”。


　　4.3　影響頻段選取的其它因素


　　4.3.1　遠器件選擇


　　選擇符合上述具體頻段的Ka頻段元器件（高功放、接收機等），對于上述具體頻段的選取有根本的影響。
　　4.3.2　頻率劃分和頻率共用的發(fā)展


　　目前看起來最合適的頻段，在未來若干年后未必仍是最合適的。Ka頻段屬于新頻段，新系統(tǒng)和新業(yè)務會不斷在該頻段上涌現(xiàn)，往往會帶來一系列的頻率劃分和頻率共用的發(fā)展和變動。因此，需根據(jù)具體情況適時調(diào)整，這種調(diào)整有時會嚴重影響具體頻段選取。


　　4.3.3　國際頻率協(xié)調(diào)情況


　　對于想要取得國際合法地位的衛(wèi)星網(wǎng)絡而言，國際頻率協(xié)調(diào)極其繁瑣且困難。目前，各國根據(jù)國際頻率協(xié)調(diào)情況而改變頻段選取的例子已越來越多。為了避免造成嚴重損失，歐美等發(fā)達國家的做法是：成立無線電規(guī)則和協(xié)調(diào)小組，在立項前，事選　進行國際頻率協(xié)調(diào)，視國際頻率協(xié)調(diào)情況，確定具體頻段選取。在我國，因國際頻率協(xié)調(diào)而改變衛(wèi)星頻率配置的事件也已發(fā)生。由于不能完全準確預期國際頻率協(xié)調(diào)結果，必將導致頻段選取的不準確性。


　　4.3.4　不可預見性


　　對于我國衛(wèi)星設計和生產(chǎn)而言，Ka頻段是全新頻段。在設計和生產(chǎn)過程中，不可預見必然存在。這種不可預見性有時也會影響具體的頻段選擇。


　　5　我國發(fā)展Ka頻段衛(wèi)星通信任重道遠


　　我國的Ka頻段衛(wèi)星通信技術目前還處于研究階段，地面相關設備及星上轉(zhuǎn)發(fā)器的研究工作在九五期間已經(jīng)展開，部分專題已取得突破。但在功放、體積、重量等方面，因受器件、工藝、儀器等因素制約，與國外先進水平仍有較大差別，離實用化有較大距離，以下是目前正在進行或?qū)⒁�進行的關鍵工作。


　�。�1）加快Ka頻段星上/地面關鍵技術及關鍵設備的研制，盡快形成試驗樣機。除秀明轉(zhuǎn)發(fā)器外，對星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器的關鍵技術也需抓緊立項研制。具體項目主要有：20/30GHz低噪聲放大器、變頻器及SSPA和TWTA放大器等；固定及掃描多波束無線；基帶處理及交換矩陣；低成本地球站終端。


　　（2）盡快安排Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器（哪怕是透明轉(zhuǎn)發(fā)器）的搭載技術試驗，以便開展相關試驗工作。如近期不能實現(xiàn)，將利用外星Ka轉(zhuǎn)發(fā)器（同步星或低軌星）開展試驗工作，逐步積累使用及設計經(jīng)驗。


　�。�3）進一步重視Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真及專題仿真設計工作。在設備全面開展應用之前，利用先進的仿真設計可以最大限度地發(fā)現(xiàn)問題，并為提出解決問題的措施提供依據(jù)。


　�。�4）抓緊Ka頻段傳播試驗工作，建立我國自己的Ka頻段雨衰模型。由于Ka頻段的最大缺點是雨衰較大，要有效克服這一問題，首先必須了解各地區(qū)的雨衰情況，建立準確的雨衰模型。


　�。�5）Ka頻段的另一個重要特征是軍事應用前景巨大。國家有關部門將盡快立項，研究如何進一步拓寬Ka頻段的軍事應用。


　　（6）從長遠發(fā)展考慮，國家將盡快開展相應的Ka頻段儀器設備、測量方法以及關鍵元部件的配套研究。


摘自《廣播電視信息》2002.4