基于Ka波段的衛(wèi)星寬帶接入技術(shù)

范翔

【摘要】 衛(wèi)星通信在上世紀(jì)80年代就被用于民航客機(jī)，早期工作于L波段的衛(wèi)星通信只需滿足機(jī)上ACARS系統(tǒng)與空地語(yǔ)音通話功能，他們對(duì)于帶寬的要求相對(duì)較低。但是隨著寬帶技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求也無(wú)處不在，因此對(duì)于民航客機(jī)的衛(wèi)星通信服務(wù)不再僅僅局限于服務(wù)機(jī)組，更多的是為廣大旅客帶來(lái)經(jīng)濟(jì)高效的寬帶接入服務(wù)。

【關(guān)鍵字】 衛(wèi)星通信 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 接入

一、機(jī)載衛(wèi)星通訊系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

客艙內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)與基于Ka波段的同步軌道衛(wèi)星建立數(shù)據(jù)鏈接，衛(wèi)星與地面衛(wèi)星基站保持?jǐn)?shù)據(jù)鏈接，這樣就形成了客艙內(nèi)無(wú)線系統(tǒng)與地面的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

對(duì)于遠(yuǎn)距離飛行的客機(jī)而言，可能需要多部同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)完成客機(jī)與地面服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸。這套系統(tǒng)不僅可以為機(jī)上的旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)外，也可為飛機(jī)的其它重要系統(tǒng)提供額外的信息備份。

二、基于衛(wèi)星的機(jī)載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成及技術(shù)特點(diǎn)

基于衛(wèi)星的機(jī)上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由機(jī)載服務(wù)器、機(jī)載衛(wèi)星天線、無(wú)線AP、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器組成。在機(jī)艙上部安裝有衛(wèi)星天線和射頻系統(tǒng)，在機(jī)艙內(nèi)安裝一個(gè)用于接受衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制解調(diào)器和機(jī)載服務(wù)器，艙內(nèi)無(wú)線寬帶系統(tǒng)是由分部客艙的無(wú)線AP和無(wú)線控制器組成，將互聯(lián)網(wǎng)接入機(jī)艙，從而支持乘客使用便攜式終端接入互聯(lián)網(wǎng)。

飛機(jī)到地面的通信通道：機(jī)載衛(wèi)星系統(tǒng)通過(guò)Ku波段與上空同步衛(wèi)星建立通信，然后衛(wèi)星通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)送信息至中國(guó)本土基站，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)至運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器，最后接入互聯(lián)網(wǎng)。

三、基于Ka波段衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

1.采用高階調(diào)制技術(shù)?；贙a波段的衛(wèi)星系統(tǒng)一般使用QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高階調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)有高頻帶利用率以及高傳輸速率的特點(diǎn)。

2.DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)利用。DVB-S2相較DVB-S占用的衛(wèi)星資源約少3-4成。

3.運(yùn)用蜂窩狀多波束特征天線。多波束蜂窩覆蓋天線可以提高衛(wèi)星的頻道效率、有效輻射功率、系統(tǒng)接收性能和容量等。

4.星上使用功率動(dòng)態(tài)分配器。對(duì)業(yè)務(wù)量大或者雨衰情況明顯的區(qū)域加大發(fā)射功率。

5.采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器或處理轉(zhuǎn)發(fā)器。

6.高效的抗雨衰技術(shù)。雨衰現(xiàn)象在Ka這種波段上相對(duì)顯著，為徹底處置限制Ka波段對(duì)應(yīng)衛(wèi)星通信過(guò)程中的雨衰情況，運(yùn)用控制上行/多波束功率、自適應(yīng)、分集接受等多種技術(shù)，以便減少雨衰造成的影響。從當(dāng)前實(shí)際運(yùn)用而言，下列技術(shù)顯然能夠更好處理雨衰現(xiàn)象：

1）控制上行功率的AUPC技術(shù)

衛(wèi)星站將雨衰情況考慮在內(nèi)，適當(dāng)?shù)谋Ａ袅艘恍┥闲泄β?，并且持續(xù)關(guān)注上行鏈路上是否有雨衰現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)有雨衰導(dǎo)致的信號(hào)衰落，則增大相應(yīng)上行鏈路的發(fā)射功率，使衛(wèi)星的接受電平處在一定的合理區(qū)間以內(nèi)，保證衛(wèi)星地面站與衛(wèi)星的通信質(zhì)量。

2）自適應(yīng)技術(shù)

ACM——自適應(yīng)編碼和調(diào)制。根據(jù)天氣狀況自動(dòng)設(shè)定編碼格式。VCM——可變編碼和調(diào)制。若處于單模式時(shí)，衛(wèi)星沒(méi)有收到回傳信號(hào)（測(cè)試用）時(shí)，本技術(shù)將無(wú)法啟動(dòng)，但可針對(duì)具有固定編碼、施行調(diào)制業(yè)務(wù)可運(yùn)用。DLA——?jiǎng)討B(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)。根據(jù)鏈路信號(hào)情況改變調(diào)制/編碼的格式，以便動(dòng)態(tài)消除雨衰冗余。

Ka波段將逐漸成為太空通信技術(shù)的主流，并且已經(jīng)有不少國(guó)際衛(wèi)星公司都開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)基于Ka波段衛(wèi)星的科研項(xiàng)目和相關(guān)業(yè)務(wù)。將來(lái)在民航客機(jī)上采用基于Ka波段衛(wèi)星的數(shù)據(jù)交互技術(shù)不僅能夠擁有高帶寬，高吞吐量的優(yōu)勢(shì)，還能獲得較高的有效輻射功率值，減小終端天線尺寸，從而給航空公司的無(wú)線上網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更多支持。

四、抵消機(jī)載衛(wèi)星通信的多普勒頻移技術(shù)

飛機(jī)的高速飛行會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，因此伴隨多普勒頻移量來(lái)改變接收設(shè)備頻率，使其提供的補(bǔ)償量與頻率漂移量應(yīng)該盡量保持一致，只有這樣輸出信號(hào)（中頻）的頻率才會(huì)較為穩(wěn)定，達(dá)到抵消多普勒效應(yīng)的作用。

依照接收信號(hào)設(shè)備檢測(cè)所得多普勒頻移和波動(dòng)率，便能夠用已經(jīng)得知的收發(fā)頻率比經(jīng)過(guò)計(jì)算求解發(fā)出頻率的補(bǔ)償需求，隨后調(diào)整發(fā)射設(shè)備本振信號(hào)，使得頻率改變達(dá)到提前補(bǔ)償多普勒頻移的目的。

通過(guò)上述手段調(diào)糾頻移的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)多普勒頻差的精準(zhǔn)預(yù)估，預(yù)估此頻差的方法通常有兩種：

第一種，開(kāi)環(huán)檢測(cè)法，本方法充分運(yùn)用多種傳到設(shè)備（機(jī)載ADIRU，GPS等）得到其載體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)、所處位置等參數(shù)，再經(jīng)與地球軌道同步的衛(wèi)星、飛機(jī)位移（相對(duì)）、信號(hào)頻率等數(shù)據(jù)完成建模，并初略核算出頻移；

第二種，導(dǎo)頻跟蹤法，本方法利用接收設(shè)備密切跟蹤某一確知其頻率的載波，通過(guò)對(duì)比載波和設(shè)備所得頻率之間差值，求解通信點(diǎn)位頻移大小。

五、 結(jié)論

基于Ka波段的衛(wèi)星寬帶接入技術(shù)將逐漸成為跨洋航班的上網(wǎng)解決方案，我國(guó)民航班機(jī)也將利用我國(guó)自主發(fā)射的Ku/Ka衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，并覆蓋大部分跨洋航線，通過(guò)飛機(jī)上機(jī)載接收機(jī)將衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)化成機(jī)艙內(nèi)的Wifi信號(hào)，讓乘客在飛行中也可以享受接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。