基于高通量卫星技术特点的应用分析

Digital Communication World - - Technology Study -

吕智勇(南京熊猫汉达科技有限公司,南京 210014)

摘要:本文通过分析比较高通量卫星与传统通信卫星之间的技术差异,归纳总结了高通量卫星的应用特点,分析了其在

不同卫星应用领域的优势和劣势,指出了高通量卫星应用发展方向。

关键词:高通量卫星;应用分析;多波束;频率复用d o I:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.11.002

中图分类号:TN927文献标示码:" 文章编码:1672-7274(2018)11-0006-05

1 引言

2018年6月,卫星工业协会SIA发布了2018年度的卫星产业状况报告[1]。报告称2017年全球卫星产业总收入达到2686亿美元,收益相比2016年增加3%;其中卫星服务收入1287亿,增加1%;地面设备收入1198亿,增加5.6%;卫星制造收入155亿,增加10%;卫星发射收入46亿元,下降16%。而在2017年度卫星产业状况报告中, 2016年全球卫星产业总收入为2605亿美元,收益相比2015年增加2%;其中卫星服务收入1277亿,增加0.2%;地面设备收入1134亿,增加7%;卫星制造收入139亿,下降13%;卫星发射收入55亿,增加2%。从2017、2018年度卫

星产业报告中可以看出,卫星服务和地面设备是整个卫星产业收入的大头,地面设备收入年增长率达6%左右,而卫星服务增长率不足1%,也就是说用户

的增长与服务收费的增长并不匹配,而这两年恰好是高通量卫星高速发展的时期[2]。下面我们就通过技术分析比较高通量通信卫星与传统通信卫星之间的区别,进而分析其对卫星通信应用的影响。

2 高通量卫星技术特点分析

高通量通信卫星(HTS ,High Throughput Satellite)是指数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至数十倍的通信卫星,按轨道可划分为地球同步静止轨道和非静止轨道两种类型,当前在轨应用的高通量卫星以静止轨道为主。高通量卫星的兴起主要源于用户通信需求量的增长。传统通信卫星一般工 作于C、KU频段,目前频率轨位均已用满,仍不能满足日益增长的通信需求,急需拓展新的通信频段和更高效的通信方式。随着多波束天线、宽带大功率器件以及高速数据处理等关键技术和器件的攻关,使得高通量卫星技术日益成熟,卫星数据吞吐量越来越高,从而引起人们的广泛重视。高通量卫星与传统通信卫星的主要差别在于以下几点:

2.1 多波束天线

高通量卫星一般选用Ka频段,一方面是由于当前C和KU频段轨位频率使用已接近饱和,且带宽有限,而ka频段轨位频率资源丰富,可用带宽大;另一方面是由于Ka频段天线增益高,可以减小地面终端体积。采用Ka频段可以获得更高的天线增益,付出的代价是卫星单波束覆盖面积小,以前一个C或KU波束能够覆盖的区域,现在必须多个Ka波束拼接覆盖。

中星16是2017年4月发射入轨的我国首颗高通量通信卫星,其用户波束共26个,拼接覆盖中国中部,中西部,东部,南部,拉萨地区及中国近海地

区,单波束覆盖区约20万平方千米。亚太7号卫星是2012年3月发射入轨的商业通信卫星,其1个Ku

频段大陆波束就能覆盖我国全部领土及广大临近

[3]

海域 ,单波束覆盖区达到上千万平方千米。可以看出:传统通信卫星单波束覆盖区远远大于高通量卫星单波束覆盖区,高通量卫星欲实现相同覆盖必须采用数十个甚至上百个波束拼接覆盖。这对通信会带来如下影响:一是不同波束下用户间相互通

作者简介:吕智勇,1974年生,中共党员,高级工程师,解放军理工大学通信工程学院卫星通信本科、硕士、博士,长期从事我国卫星通信系统科研工作,完成了多个卫星通信网络设计、规划和研制,具有丰富的工作实践经验。

信必须由星上进行交换或由地面进行转接。由于星上交换会极大增加卫星制造复杂度、制造成本,并降低卫星可靠性;且随着卫星波束数量的增加,卫星交换矩阵规模成指数上升,因此高通量卫星制造和运营商一般采用地面转接方案。二是用户移动通信会带来波束切换问题,特别是对飞机等高速移动载体,情况尤为突出。三是为实现大地域范围内广播,必须同时在多个波束内同时下发相同信息。四是业务不均匀分布在多个波束中,系统效能不能得到充分发挥。

2.2 频率复用

高通量卫星采用多波束技术后,为频率复用提供了可能。频率复用是指不同覆盖区域的波束使用相同的通信频率,卫星波束数量越多,频率复用带给系统的好处越大,频率复用技术是高通量卫星实现高数据吞吐量的关键。频率复用可以极大提高卫星频谱利用率,增加卫星数据吞吐容量;频率复用因子越小,则频率复用次数越多,效率也越高,但

频率复用因子受同频干扰C/I和通信体制约束。

中星16号卫星采用了4色频率复用加左右旋极

化复用的方式[4],同一频率在26个波束间重复使用

了6~7次。这里采用极化复用是由于同频波束间隔距离较近,波束旁瓣抑制难以满足C/I指标,必须通过极化隔离度来减少同频信号之间相互干扰。

频率、极化复用对通信影响如下:一是极大提高卫星频率利用率,增大系统吞吐量。二是移动用户跨越波束时,需切换工作频率和极化方式,增加通信管理难度;切换极化方式会增加终端设备体积和复杂度。

2.3 超宽带转发器

高通量卫星为实现高数据吞吐量,必须扩大可用通信带宽,并提高频谱效率。提高频谱效率意味着高阶调制,也就意味着需要更高的信噪比,更大的发射功率。对于功率受限的卫星系统来说,扩大通信带宽比提高发射功率更容易实现,因此高通量卫星优先采用宽带转发器,并在此基础上支持多种调制方式,以适应信道环境变化。

传统通信卫星转发器带宽一般为36MHZ或54MHZ[5]。中星16号卫星前向转发器带宽为340MHZ[4],是传统通信卫星转发器带宽的10倍左右。下面以中 星16为例,分析宽频段转发器对通信影响。通信卫星通信过程及链路计算如图1所示。 (C/N)-1=(C1/N1)上-1+(C2/N2)下-1 (1)式中,C表示链路等效总功率;N表示链路等效总噪声;( C/N )表示全链路总信噪比;C1表示到达卫星接收机信号功率;N1表示卫星接收机等效信号噪声(信号带宽内噪声);(C1/N1 )上表示上行链路信噪比;C2表示用户终端接收机接收到的信号功率;N2表示用户接收机等效信号噪声(信号带宽内噪声);(C2/N2) 表示下行链路信噪比。

卫星转发器示意图如图2所示。

C2=C1×(G通道增益-G卫星接收天线增益)-LF(自由空间衰减)+G (2)终端接收天线增益

式中,G通道增益表示整个卫星转发器增益(含卫

星收发天线增益); G卫星接收天线增益表示卫星接收天线增益;Lf表示卫星下行信号空间衰减;G终端接收天线增益表示用户终端接收天线增益。可以看出卫星通

道增益(G通道增益-G卫星接收天线增益)直接决定下行信号

强弱,进而影响整个链路通信质量。

从图2中还可以看出,转发器通道对信号放大

的同时,也对卫星接收机噪声进行了放大,此时噪声经放大后占用整个转发器功率百分比如下:

KTBN×(G通道增益-G接收天线增益)/EIRP (3)式中,EIRP为卫星转发器全向辐射功率;K为波兹曼常数;T为卫星等效噪声温度;BN为转发器带宽。

在传统通信卫星中,一般(C1/N1)上与(C2/

1 图2卫星转发器示意图

图1通信链路计算

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China

© PressReader. All rights reserved.