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    前沿 | 高通量衛星新技術(下)

    2021-03-23 / 閱讀次數:245

      文 | 任佳熙 郭威

      轉 | 衛星與網絡

      通信衛星是運行在不同地球軌道上的人造地球衛星。通信衛星通過反射或中繼無線電信號,實現地表、天空、太空以及深空間的無線通信。衛星通信系統由空間段、地面段和用戶段組成,其中空間段指衛星或者衛星星座;地面段指建于地球表面用來監測和控制衛星的關口站和控制中心;用戶段指配備了能夠接收和發射無線電信號天線的終端,包括地球站等固定終端,手機、電腦等便攜式終端,以及車載、機載、船載等移動終端,通過不同的衛星通信組網方案,實現空間段、地面段和用戶段的統一協作。

      高通量衛星憑借多點波束、頻率復用和高增益波束三項關鍵技術,不僅實現了頻譜資源的高復用率,地域范圍的廣覆蓋率,大大提升了通信容量;也為衛星通信平臺從支持星狀組網向網狀組網升級轉變提供了可能性,多點波束通過波束成形技術將空間分割為多個互不重疊的邏輯信道,點波束內部以及互不相鄰的點波束之間都可以使用相同頻率進行通信,這符合TDMA網狀組網在同一頻段多點同時通信的內在要求。

      、傳統高通量衛星VSAT星狀網介紹

      衛星通信平臺是VSAT衛星通信網絡的基礎,大多數高通量衛星只能支持星狀VSAT衛星通信網絡,根本原因在于衛星本身提供的是星狀網衛星通信平臺。當前一般常見的GEO靜地軌道高通量衛星(如協同1號和中星16號)所支持的VSAT衛星通信網絡都是星狀網。

      在一顆星狀組網的高通量衛星覆蓋范圍下,VSAT遠端站只能接收來自于某一關口站(Gateway Station,亦稱信關站)所發出的出境載波。而VSAT遠端站所發出的入境載波,則也只能全部無條件地回傳到關口站。

      在一顆星狀組網的高通量衛星覆蓋范圍下,VSAT遠端站只能接收來自于某一關口站(Gateway Station,亦稱信關站)所發出的出境載波。

      倘若不同點波束下的VSAT遠端站之間有業務需要互通的話,則必須經由一個或多個關口站轉發,通過衛星雙跳才能實現。即使兩個VSAT遠端站肩并肩地位于同一個用戶波束之下,它們之間的通信也都必須經其上屬關口站的轉發才能實現,如下圖所示:

      兩個VSAT遠端站肩并肩地位于同一個用戶波束之下,它們之間的通信也都必須經其上屬關口站的轉發才能實現

      即在一顆高通量衛星的覆蓋范圍內,VSAT遠端站只能與關口站通過衛星單跳直接互通,而VSAT遠端站之間則必須經由關口站轉發,通過衛星雙跳才能實現間接互通。盡管這種星狀的衛星通信網絡能夠為用戶提供十分經濟的VSAT設備和非常低廉的通信服務,但在傳輸時延、自主可控和安全可靠等方面的性能,卻存在著許多不足之處。

      例如,在安全可靠性方面,如果關口站所在波束遭到了干擾,或關口站本身因降雨降雪或設備故障等原因而失效,則其下轄所有遠端站點,甚至整個網絡都將無法正常工作而完全癱瘓。

      二、型高通量衛星VSAT網狀網測試

      不同的衛星通信網組網方案不僅需要地面上的關口站和終端具備一定的條件,也離不開衛星通信平臺的支持。新型高通量衛星通信平臺為了滿足用戶靈活的組網需求,需要適應VSAT全網狀網拓撲結構。以Intelsat的EpicNG衛星通信平臺為例,數字負載技術提供了傳統高通量衛星無法實現的多項功能,尤其是任意波束內的自發自收,以及任意波束之間的星上交鏈連接,都為用戶組建VSAT衛星通信網絡提供了更強的靈活性、自主性、可靠性和安全性。下面將著重介紹Intelsat聯合諾達衛星通信系統公司(ND SATCOM)等合作伙伴在其EpicNG系列高通量衛星下所進行的VSAT網狀網的測試。

      2018年2月1日至6月30日,Intelsat國際通信衛星公司(以下簡稱Intelsat)聯合其合作伙伴,在歐洲利用Intelsat Epic史詩級系列HTS(高通量衛星)對VSAT網狀網(以下簡稱HTS網狀網)進行了測試。其中,在空間段上選用了Intelsat的IS-33e衛星平臺,而在地面段上則選用了德國諾達衛星通信有限公司(ND SATCOM GmbH,以下簡稱諾達公司)的SKYWAN 5G VSAT衛星通信系統進行組網。

      以下為具體情況介紹。

      IS-33e高通量衛星的軌道位置相當優越,在空間中位于東經60o,其星下點基本上處于亞洲、非洲、歐洲和澳洲的正中心。不僅于此,IS-33e高通量衛星的覆蓋也相當完美,其整星基本上覆蓋了亞洲、非洲和歐洲全境。見下圖:

      IS-33e亞洲、非洲和歐洲點波束覆蓋圖

      HTS網狀網的測試是在歐洲進行的,測試站點選在了法國的巴黎,德國的萊比錫、狐城和腓特烈港,以及波蘭的華沙。這些站點均位于IS-33e覆蓋區的西北邊緣,而波束則相應地選用了能夠覆蓋這些站點的K28、K29和K33號等三個點波束。見下圖:

      IS-33e歐洲點波束覆蓋圖及測試站點位置示意圖

      參與測試的站點的具體情況如下表所示:

      以下照片為部分參與測試的站點:

      部分參與測試站點照片

      整個測試分為兩個階段進行。其中,第一階段為在單一點波束中的網狀網測試,而第二階段則是在三個點波束中的網狀網測試。

      第一階段(2018年3月7日~4月12日):

      首先,自2018年3月7日至4月12日進行了第一階段的測試。這一階段的測試是在K29號這一個點波束中進行的,在該波束中覆蓋有腓特烈港、萊比錫和狐城等3個站點,其中腓特烈港站被設置為主控站(Master),而萊比錫站和Intelsat的狐城站則被設置為從控站(Slave)。

      根據測試計劃,衛星帶寬共計有5.2MHz,即在K29號點波束上動用了相鄰的兩段2.6MHz Epic子信道。而在這5.2MHz帶寬內則設置了2路TDMA信道,其中一路帶寬為1.35MHz,另一路帶寬為3.3MHz。根據鏈路計算,理論上這兩路信道中的載波速率能夠分別達到4.5Mbps和11.0Mbps。詳見下表:

      由于本次測試的主要目的是考察網狀網中衛星通信鏈路的連通性和穩定性,所以在實際測試中根據SKYWAN 5G衛星通信系統的技術特點,并沒有使用“4/5FEC+32PSK”這樣的ModCod(調制編碼)組合,而是采用了“6/7FEC+16APSK”ModCod組合,以及1.1倍的TDMA信道間隔(滾降系數0.1)。見下圖:

      第一階段測試:單帶寬分配示意圖

      下圖所示則為在K29號點波束中的上行鏈路和下行鏈路的星上自環關系:

      第一階段測試:單點波束衛星通信鏈路自環示意圖

      如圖所示,在K29號點波束中,地面站發射的上行信號都通過衛星又環回到了本波束中的下行接收上。即,在該點波束中,各個站點都是能夠通過衛星單跳直接互通的,當然這也同時需要VSAT衛星通信系統能夠支持。

      下圖所示為經過15小時所測出的腓特烈港主控站的誤碼率:

      第一階段測試:腓特烈港站點誤碼率

      如圖所示,經對腓特烈站點進行測試,TDMA通信鏈路的突發丟失率僅為6.3x10-9,而誤碼率則僅為5.0x10-12,都非常低。這不僅證明了在單個點波束中網狀網的衛星通信鏈路是完全暢通的,而且還十分穩定,因而組建網狀網是完全可行的。

       第二階段(2018年5月7日~6月18日):

      2018年5月7日至6月18日進行了第二階段測試。這一階段的測試動用了K28、K29和K33號等三個點波束,以及其覆蓋之下的巴黎、腓特烈港、萊比錫、狐城和華沙等多個站點。其中,腓特烈港站和Intelsat的狐城站被設置成為互為異地備份的主用主控站(Master)和備用主控站(Backup Master),而其它站點則均被設置為從控站(Slave)。

      由于這三個點波束均為IS-33e高通量衛星的邊緣波束,而參與測試的地面站也都處于波束的邊緣地區,仰角都非常低(其中尤以巴黎站為甚),所以通信鏈路的信道速率并不太高。下表所示為巴黎站對其它站點的鏈路計算摘要:

      下表所示則為覆蓋相對較強的華沙站對其它站點的鏈路計算摘要:

      在實際的衛星通信鏈路穩定性和誤碼率測試中,根據SKYWAN 5G的技術特點,采用了“3/4FEC+8PSK”ModCod組合,以及1.1倍的TDMA信道間隔(滾降系數0.1)。見下圖:

      第二階段測試:帶寬分配示意圖

      下圖所示則為在K28、K29和K33號點波束中的上行鏈路和下行鏈路的星上自環和交鏈關系:

      第二階段測試:三點波束衛星通信鏈路自環和交鏈示意圖

      如圖,以K28號點波束為例:

      · 首先,在K28號點波束中,地面站發射的上行信號(橙色)通過自環,被下行回傳到了本波束中(淺黃色);

      · 另外,在K28號點波束中發射的這一上行信號(橙色)還通過星上交鏈,被同時下行傳送到了K29號和K33號點波束中(深黃色)。

      K29號和K33號點波束同理。

      這樣,在任意點波束中的地面站就都能夠通過衛星單跳,將其上行信號直接下行傳送到所有點波束中;而不管地面站處于哪一點波束中,也都能夠通過衛星單跳,直接接收到來自于所有點波束中發出的上行信號。如下為示意圖:

      多點波束衛星通信鏈路自環和交鏈關系

      以此通過星上自環和星上交鏈,IS-33e對衛星網絡就提供了一個能夠進行網狀通信的基礎平臺,即可組建VSAT網狀網,當然這也同時需要VSAT衛星通信系統能夠支持。

      以下為各個站點的誤碼率測試結果:

      第二階段測試:華沙、狐城、腓特烈港和巴黎站點誤碼率

      對以上站點進行的誤碼率測試從1小時到16小時不等,結果顯示突發丟失率和誤碼率均為0。這就進一步證明了,即使在多個點波束中,網狀網的衛星通信鏈路也同樣是完全暢通和十分穩定的,因而組建網狀網也是完全可行的。

       HTS網狀網測試總結

      通過對基于Intelsat Epic史詩級系列高通量衛星以及SKYWAN 5G衛星通信系統的HTS網狀網進行測試可以看出:

      · 與一般的呈星狀或多星狀的HTS VSAT網絡不同,利用Intelsat Epic系列高通量衛星和SKYWAN 5G衛星通信系統,可以組建VSAT網狀網。

      · 該VSAT衛星通信網絡可以由用戶在任意波束下自行組建(即專網),而不必依賴于VSAT運營商的公網,從而能夠有效提高VSAT網絡的自主可控性。

      · 在所組建的VSAT網絡中,用戶的主控站(Master)和業務主站(Hub)可以設置在任意站點,且可設置多個,互為異地備份,從而可以大大提高VSAT網絡的可靠性、可用性、隱蔽性和安全性。

      HTS網狀網應用和SKYWAN 5G

      下圖所示為HTS網狀網的一種應用場景:

      HTS網狀網應用場景示例

      如圖所示為利用IS-33e的K57、K47和K58號點波束在東南亞地區所組建的兩個局部VSAT衛星通信網絡的場景,其中既包括陸基的固定站點,也包括船載的漫游站點,而應用則可為區域性的專網通信。

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