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前沿 | 高通量卫星新技术(下)

2021-03-23 / 阅读次数:486

  文 | 任佳熙 郭威

  转 | 卫星与网络

  通信卫星是运行在不同地球轨道上的人造地球卫星。通信卫星通过反射或中继无线电信号,实现地表、天空、太空以及深空间的无线通信。卫星通信系统由空间段、地面段和用户段组成,其中空间段指卫星或者卫星星座;地面段指建于地球表面用来监测和控制卫星的关口站和控制中心;用户段指配备了能够接收和发射无线电信号天线的终端,包括地球站等固定终端,手机、电脑等便携式终端,以及车载、机载、船载等移动终端,通过不同的卫星通信组网方案,实现空间段、地面段和用户段的统一协作。

  高通量卫星凭借多点波束、频率复用和高增益波束三项关键技术,不仅实现了频谱资源的高复用率,地域范围的广覆盖率,大大提升了通信容量;也为卫星通信平台从支持星状组网向网状组网升级转变提供了可能性,多点波束通过波束成形技术将空间分割为多个互不重叠的逻辑信道,点波束内部以及互不相邻的点波束之间都可以使用相同频率进行通信,这符合TDMA网状组网在同一频段多点同时通信的内在要求。

  、传统高通量卫星VSAT星状网介绍

  卫星通信平台是VSAT卫星通信网络的基础,大多数高通量卫星只能支持星状VSAT卫星通信网络,根本原因在于卫星本身提供的是星状网卫星通信平台。当前一般常见的GEO静地轨道高通量卫星(如协同1号和中星16号)所支持的VSAT卫星通信网络都是星状网。

  在一颗星状组网的高通量卫星覆盖范围下,VSAT远端站只能接收来自于某一关口站(Gateway Station,亦称信关站)所发出的出境载波。而VSAT远端站所发出的入境载波,则也只能全部无条件地回传到关口站。

  在一颗星状组网的高通量卫星覆盖范围下,VSAT远端站只能接收来自于某一关口站(Gateway Station,亦称信关站)所发出的出境载波。

  倘若不同点波束下的VSAT远端站之间有业务需要互通的话,则必须经由一个或多个关口站转发,通过卫星双跳才能实现。即使两个VSAT远端站肩并肩地位于同一个用户波束之下,它们之间的通信也都必须经其上属关口站的转发才能实现,如下图所示:

  两个VSAT远端站肩并肩地位于同一个用户波束之下,它们之间的通信也都必须经其上属关口站的转发才能实现

  即在一颗高通量卫星的覆盖范围内,VSAT远端站只能与关口站通过卫星单跳直接互通,而VSAT远端站之间则必须经由关口站转发,通过卫星双跳才能实现间接互通。尽管这种星状的卫星通信网络能够为用户提供十分经济的VSAT设备和非常低廉的通信服务,但在传输时延、自主可控和安全可靠等方面的性能,却存在着许多不足之处。

  例如,在安全可靠性方面,如果关口站所在波束遭到了干扰,或关口站本身因降雨降雪或设备故障等原因而失效,则其下辖所有远端站点,甚至整个网络都将无法正常工作而完全瘫痪。

  二、型高通量卫星VSAT网状网测试

  不同的卫星通信网组网方案不仅需要地面上的关口站和终端具备一定的条件,也离不开卫星通信平台的支持。新型高通量卫星通信平台为了满足用户灵活的组网需求,需要适应VSAT全网状网拓扑结构。以Intelsat的EpicNG卫星通信平台为例,数字负载技术提供了传统高通量卫星无法实现的多项功能,尤其是任意波束内的自发自收,以及任意波束之间的星上交链连接,都为用户组建VSAT卫星通信网络提供了更强的灵活性、自主性、可靠性和安全性。下面将着重介绍Intelsat联合诺达卫星通信系统公司(ND SATCOM)等合作伙伴在其EpicNG系列高通量卫星下所进行的VSAT网状网的测试。

  2018年2月1日至6月30日,Intelsat国际通信卫星公司(以下简称Intelsat)联合其合作伙伴,在欧洲利用Intelsat Epic史诗级系列HTS(高通量卫星)对VSAT网状网(以下简称HTS网状网)进行了测试。其中,在空间段上选用了Intelsat的IS-33e卫星平台,而在地面段上则选用了德国诺达卫星通信有限公司(ND SATCOM GmbH,以下简称诺达公司)的SKYWAN 5G VSAT卫星通信系统进行组网。

  以下为具体情况介绍。

  IS-33e高通量卫星的轨道位置相当优越,在空间中位于东经60o,其星下点基本上处于亚洲、非洲、欧洲和澳洲的正中心。不仅于此,IS-33e高通量卫星的覆盖也相当完美,其整星基本上覆盖了亚洲、非洲和欧洲全境。见下图:

  IS-33e亚洲、非洲和欧洲点波束覆盖图

  HTS网状网的测试是在欧洲进行的,测试站点选在了法国的巴黎,德国的莱比锡、狐城和腓特烈港,以及波兰的华沙。这些站点均位于IS-33e覆盖区的西北边缘,而波束则相应地选用了能够覆盖这些站点的K28、K29和K33号等三个点波束。见下图:

  IS-33e欧洲点波束覆盖图及测试站点位置示意图

  参与测试的站点的具体情况如下表所示:

  以下照片为部分参与测试的站点:

  部分参与测试站点照片

  整个测试分为两个阶段进行。其中,第一阶段为在单一点波束中的网状网测试,而第二阶段则是在三个点波束中的网状网测试。

  第一阶段(2018年3月7日~4月12日):

  首先,自2018年3月7日至4月12日进行了第一阶段的测试。这一阶段的测试是在K29号这一个点波束中进行的,在该波束中覆盖有腓特烈港、莱比锡和狐城等3个站点,其中腓特烈港站被设置为主控站(Master),而莱比锡站和Intelsat的狐城站则被设置为从控站(Slave)。

  根据测试计划,卫星带宽共计有5.2MHz,即在K29号点波束上动用了相邻的两段2.6MHz Epic子信道。而在这5.2MHz带宽内则设置了2路TDMA信道,其中一路带宽为1.35MHz,另一路带宽为3.3MHz。根据链路计算,理论上这两路信道中的载波速率能够分别达到4.5Mbps和11.0Mbps。详见下表:

  由于本次测试的主要目的是考察网状网中卫星通信链路的连通性和稳定性,所以在实际测试中根据SKYWAN 5G卫星通信系统的技术特点,并没有使用“4/5FEC+32PSK”这样的ModCod(调制编码)组合,而是采用了“6/7FEC+16APSK”ModCod组合,以及1.1倍的TDMA信道间隔(滚降系数0.1)。见下图:

  第一阶段测试:单带宽分配示意图

  下图所示则为在K29号点波束中的上行链路和下行链路的星上自环关系:

  第一阶段测试:单点波束卫星通信链路自环示意图

  如图所示,在K29号点波束中,地面站发射的上行信号都通过卫星又环回到了本波束中的下行接收上。即,在该点波束中,各个站点都是能够通过卫星单跳直接互通的,当然这也同时需要VSAT卫星通信系统能够支持。

  下图所示为经过15小时所测出的腓特烈港主控站的误码率:

  第一阶段测试:腓特烈港站点误码率

  如图所示,经对腓特烈站点进行测试,TDMA通信链路的突发丢失率仅为6.3x10-9,而误码率则仅为5.0x10-12,都非常低。这不仅证明了在单个点波束中网状网的卫星通信链路是完全畅通的,而且还十分稳定,因而组建网状网是完全可行的。

   第二阶段(2018年5月7日~6月18日):

  2018年5月7日至6月18日进行了第二阶段测试。这一阶段的测试动用了K28、K29和K33号等三个点波束,以及其覆盖之下的巴黎、腓特烈港、莱比锡、狐城和华沙等多个站点。其中,腓特烈港站和Intelsat的狐城站被设置成为互为异地备份的主用主控站(Master)和备用主控站(Backup Master),而其它站点则均被设置为从控站(Slave)。

  由于这三个点波束均为IS-33e高通量卫星的边缘波束,而参与测试的地面站也都处于波束的边缘地区,仰角都非常低(其中尤以巴黎站为甚),所以通信链路的信道速率并不太高。下表所示为巴黎站对其它站点的链路计算摘要:

  下表所示则为覆盖相对较强的华沙站对其它站点的链路计算摘要:

  在实际的卫星通信链路稳定性和误码率测试中,根据SKYWAN 5G的技术特点,采用了“3/4FEC+8PSK”ModCod组合,以及1.1倍的TDMA信道间隔(滚降系数0.1)。见下图:

  第二阶段测试:带宽分配示意图

  下图所示则为在K28、K29和K33号点波束中的上行链路和下行链路的星上自环和交链关系:

  第二阶段测试:三点波束卫星通信链路自环和交链示意图

  如图,以K28号点波束为例:

  · 首先,在K28号点波束中,地面站发射的上行信号(橙色)通过自环,被下行回传到了本波束中(浅黄色);

  · 另外,在K28号点波束中发射的这一上行信号(橙色)还通过星上交链,被同时下行传送到了K29号和K33号点波束中(深黄色)。

  K29号和K33号点波束同理。

  这样,在任意点波束中的地面站就都能够通过卫星单跳,将其上行信号直接下行传送到所有点波束中;而不管地面站处于哪一点波束中,也都能够通过卫星单跳,直接接收到来自于所有点波束中发出的上行信号。如下为示意图:

  多点波束卫星通信链路自环和交链关系

  以此通过星上自环和星上交链,IS-33e对卫星网络就提供了一个能够进行网状通信的基础平台,即可组建VSAT网状网,当然这也同时需要VSAT卫星通信系统能够支持。

  以下为各个站点的误码率测试结果:

  第二阶段测试:华沙、狐城、腓特烈港和巴黎站点误码率

  对以上站点进行的误码率测试从1小时到16小时不等,结果显示突发丢失率和误码率均为0。这就进一步证明了,即使在多个点波束中,网状网的卫星通信链路也同样是完全畅通和十分稳定的,因而组建网状网也是完全可行的。

   HTS网状网测试总结

  通过对基于Intelsat Epic史诗级系列高通量卫星以及SKYWAN 5G卫星通信系统的HTS网状网进行测试可以看出:

  · 与一般的呈星状或多星状的HTS VSAT网络不同,利用Intelsat Epic系列高通量卫星和SKYWAN 5G卫星通信系统,可以组建VSAT网状网。

  · 该VSAT卫星通信网络可以由用户在任意波束下自行组建(即专网),而不必依赖于VSAT运营商的公网,从而能够有效提高VSAT网络的自主可控性。

  · 在所组建的VSAT网络中,用户的主控站(Master)和业务主站(Hub)可以设置在任意站点,且可设置多个,互为异地备份,从而可以大大提高VSAT网络的可靠性、可用性、隐蔽性和安全性。

  HTS网状网应用和SKYWAN 5G

  下图所示为HTS网状网的一种应用场景:

  HTS网状网应用场景示例

  如图所示为利用IS-33e的K57、K47和K58号点波束在东南亚地区所组建的两个局部VSAT卫星通信网络的场景,其中既包括陆基的固定站点,也包括船载的漫游站点,而应用则可为区域性的专网通信。

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