關于衛(wèi)星信號覆蓋弱地區(qū)雙向通信解決方案的討論

近年來，隨著數(shù)字他信息技術(shù)的發(fā)展和社會公眾對于多媒體信息量的需求突增，除卻電子商務、遠程醫(yī)療、遠程教育、電視節(jié)目中繼轉(zhuǎn)發(fā)等衛(wèi)星通信傳統(tǒng)業(yè)務領域，多媒體、ISD業(yè)務(利用VSAT構(gòu)成廣域網(wǎng))以及流媒體、數(shù)字廣播等新興數(shù)字業(yè)務也紛紛將衛(wèi)星通信選作廣域組網(wǎng)的重要通信手段。這是由于相比較近幾年迅猛發(fā)展的地區(qū)有線光纖網(wǎng)及公用移動通信網(wǎng)而言，衛(wèi)星通信擁有非常突出的優(yōu)點：無縫隙覆蓋及寬域的復雜網(wǎng)絡拓撲構(gòu)成能力。困此在組建廣域的通信網(wǎng)時，或無法預估的突發(fā)事件：(如最大自然災害：洪水、地震、泥石流等)發(fā)生時，衛(wèi)星通信是不可或缺的重要道訊保障手段。

但是，在區(qū)域無線通信中普遍存在的一個問題是：由于地點或地理位置不同，信號覆蓋強度各有不同。如何保障位處不同信號覆蓋區(qū)的衛(wèi)星站點同樣住網(wǎng)通信且業(yè)務質(zhì)量良好?能否使用傳統(tǒng)衛(wèi)星電視的優(yōu)化方法挪決雙向通信的問題?下文將一一分析。

人造地球衛(wèi)星的通信覆蓋區(qū)

眾所周知，衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號，在兩個或多個地球站之間進行的通信。作為一種特殊的微波中繼，通信衛(wèi)星的性能和工作狀態(tài)是整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的決定性因素。

衛(wèi)星上使用的天線有定向天線和全向天線，天線系統(tǒng)的選擇決定于地面覆蓋區(qū)的大小和形狀。衛(wèi)星的通信覆蓋區(qū)，通常用地面上相對下發(fā)天線波束中心，具有固定接收功率的輪廓線來表示，一般分為全球波束覆蓋、點波束覆蓋、區(qū)域波束(賦性波束)覆蓋。

如果在靜止軌道上看向整個地球，則覆蓋區(qū)就是全球波束。這種全球波束覆蓋，主要用于

國際通信，使相距很遠的各個地球站建立通信鏈路。一般衛(wèi)星服務區(qū)只限于一個國家或一個地區(qū)，就衛(wèi)星的發(fā)送功率和頻譜使用而言，將它們發(fā)送到服務區(qū)之外是很不值得的。這種系統(tǒng)的覆蓋區(qū)，最好使用點波束或賦性波束天線提供。

在上行鏈路中，若在衛(wèi)星上采用能產(chǎn)生一個或多個指向上行發(fā)射地球站所在區(qū)域的“針狀”窄波束的接收天線，在相同輻射功率情況下，可使接收點的信號功率電平遠大于全球波束覆蓋時的信號功率電平，因而對直播衛(wèi)星和移動通信衛(wèi)星，就功率和頻譜利用而言。采用點波束天線覆蓋極為有效。

所謂賦性波束覆蓋，是指衛(wèi)里天線系統(tǒng)通過波束形成網(wǎng)絡產(chǎn)生與地面通信區(qū)域形狀相匹配的天線波束，如圖I所示。

覆蓋區(qū)內(nèi)各點接收到的衛(wèi)星功率，一般是中心區(qū)比較大，靠近區(qū)域邊緣時功率遞減，例如表l給出的是亞洲3s衛(wèi)星Ku波段東亞波束EIRP、G/T及SPD參考值表，由表中不難看出，西北地區(qū)的通信覆蓋明顯弱于東南沿海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。

通信衛(wèi)星在設計時，不但要考慮通信容量、運行時的空間環(huán)境和技術(shù)狀態(tài)要求，同時必須重點考慮的一個問題便是服務的地理區(qū)域。通常，根據(jù)衛(wèi)星的任務要求，通信覆蓋區(qū)的選擇也各有側(cè)重。例如，科學衛(wèi)星的目標是收集科學數(shù)據(jù)，通信覆蓋區(qū)內(nèi)信號強度力求平均;商業(yè)衛(wèi)星的目標是盈利，通信覆蓋區(qū)內(nèi)信號強度則是按照業(yè)務需求量的分布來分配，東南沿海發(fā)達地區(qū)的信號覆蓋明顯優(yōu)于西北等偏遠地區(qū)。

一般組建的廣域衛(wèi)星通信網(wǎng)，使用的都是商業(yè)衛(wèi)星.如何解決衛(wèi)星信號覆蓋弱的偏遠地區(qū)站點正常在網(wǎng)運行，是大多數(shù)通信網(wǎng)絡設計必須考慮的問題。

實例分析

在衛(wèi)星通信傳統(tǒng)應用中，按照業(yè)務傳輸方向，一般采用提高上行站發(fā)射功率從而提高接收站接收信號質(zhì)量，這種解決方案在衛(wèi)星電視節(jié)目中繼轉(zhuǎn)發(fā)中應用較多。衛(wèi)星信號覆蓋強的上行站采用大口徑天線及高功率射頻功放，通過上行站提高EIRp值提高衛(wèi)星信號覆蓋弱地區(qū)站點接收信號強度。由于衛(wèi)星電視業(yè)務是單向傳輸，這樣的方案不僅解決了衛(wèi)星信號覆蓋弱的站點接收問題，并且可以大大降低小站的硬件成本。但對于需要進行雙向業(yè)務通信的VSAT衛(wèi)星網(wǎng)來說，提高所有通信站點的發(fā)射功率是不現(xiàn)實的，受到經(jīng)濟條件、站點環(huán)境等多方面因素的限制。

下文將以某西北區(qū)域VSAT衛(wèi)星專網(wǎng)為例進行具體分析。

1. VSAT'D星網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源：亞洲四號Ku頻段水平極化轉(zhuǎn)發(fā)器

站點類型：靜中通車載站(1.2米天線/40W功放)、固定站(4.5米天線/8w功放)

業(yè)務類型：實時視頻通信

業(yè)務終端：視頻會議終端及MCU視頻會議控制主機

衛(wèi)星通信體制：MF—TDMA

業(yè)務拓撲結(jié)構(gòu)：業(yè)務中心發(fā)送一路組播視頻，最多同時有3個遠端小站回程單路視頻。

2. 衛(wèi)星覆蓋參數(shù)

亞洲四號衛(wèi)星在西北地區(qū)的覆蓋較弱，典型站點的衛(wèi)星信號參數(shù)值如表2。業(yè)務中心站點C信號覆蓋較強，遠端站A、E、D、F的信號覆蓋比較差。

3.解決方案

若想滿足系統(tǒng)通信要求，遠端站必須按照傳統(tǒng)解決方案增加天線口徑及衛(wèi)星功放的輸出功率。但對于靜中通車載站來說，裝載平臺的尺寸受到道路交通、安全因素等多種限制，靜中通天線的口徑無法超過2.4米，此時單靠提高衛(wèi)星功放功率以滿足多業(yè)務通信的需求，將大大增加系統(tǒng)的建設成本，經(jīng)濟實用性下降。

利用MF—TDMA體制的多載波特點，結(jié)合鏈路計算結(jié)果，有以下幾步解決措施：

(1)分割通信載波帶寬。如圖2，將原帶寬調(diào)整為多個載波，遠端站與業(yè)務中心各自在不同

的載波上進行業(yè)務傳輸，降低對室外功放的要求。

(2)降低糾錯碼率，降低信號門限值。原網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)進行組網(wǎng)通信時統(tǒng)一使用前向糾錯碼FEC=3/4，調(diào)制方式QPSK，現(xiàn)可將遠端站發(fā)送載波參數(shù)調(diào)整為FEC=1/2或3/4&RS方式。降低門限值2—3dB。

(3)根據(jù)實際系統(tǒng)組成和通信業(yè)務量仔細核算，嚴格控制線路損耗。

(4)部分信號覆蓋較差的站點建議只建設固定站，在建設成本允許的情況下可以配備大功率功放的靜中通車載站。

(5)不建議建設動中通或箱式站等小口徑天線的衛(wèi)星站型。

結(jié)束語

在某些專用衛(wèi)星網(wǎng)的建設過程中，由于通信業(yè)務涉及地域廣泛，衛(wèi)星信號覆蓋強度不同造成全網(wǎng)站點業(yè)務組網(wǎng)困難。系統(tǒng)設計時需要結(jié)合衛(wèi)星通信技術(shù)體制的專有特點：平衡技術(shù)可行性和經(jīng)濟負擔。

隨著數(shù)字通信技術(shù)和高分子復合材料技術(shù)的發(fā)展，未來的通信衛(wèi)星日趨復雜和完善，衛(wèi)星信號覆蓋不均的問題也會逐步隨之改善;但在現(xiàn)有的技術(shù)條件和空間環(huán)境下，廣域衛(wèi)星網(wǎng)的建設仍是一個需要統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合考量的挑戰(zhàn)性課題。