+ 中國衛(wèi)通集團有限公司 周珊 沈永言

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淺析Ka衛(wèi)星通信公眾服務能力的來源

+ 中國衛(wèi)通集團有限公司 周珊 沈永言

1 、引言

衛(wèi)星通信是信息基礎設施中不可或缺的組成部分。在發(fā)展初期，衛(wèi)星通信曾經(jīng)在公眾通信網(wǎng)絡中國際國內電路中繼、用戶接入等方面發(fā)揮過骨干作用。后來，由于地面光纖和移動通信的迅猛發(fā)展，除了在電視直播領域持續(xù)增長之外，衛(wèi)星通信在公眾通信領域一直都處于退縮狀態(tài)，而主要集中于各類專網(wǎng)應用。究其原因，主要是衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量和性價比未能保持同步提升，進而影響了公眾服務市場的競爭力。

隨著信息技術的發(fā)展和天地一體化信息網(wǎng)絡時代的到來，衛(wèi)星通信又面臨寬帶接入、基站/IP中繼、機載通信等新的公眾服務市場機遇。事實上，國際上以Ka為代表的高通量衛(wèi)星的出現(xiàn)又重新將衛(wèi)星通信帶入公眾服務市場，而它憑借的能力主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是提高系統(tǒng)容量和承載能力，二是與地面網(wǎng)絡互聯(lián)互通，三是保障網(wǎng)絡可用度。這些經(jīng)驗的總結對于我國衛(wèi)星通信產業(yè)的未來發(fā)展將具有重要的現(xiàn)實意義。

2 、擴容量——提高承載能力

2.1 開發(fā)高頻段頻率資源

衛(wèi)星通信經(jīng)過多年的發(fā)展，目前C、Ku頻段資源基本枯竭。面對互聯(lián)網(wǎng)用戶和視頻內容的不斷增長，衛(wèi)星通信必須開發(fā)應用新的Ka頻段，以適應信息網(wǎng)絡的寬帶化發(fā)展趨勢。如圖1所示，頻段越高，可用頻率資源就越多，相應的衛(wèi)星通信系統(tǒng)潛在容量就越大。Ka頻段可用頻率資源為3.5GHz，遠遠大于C頻段的800MHz和Ku頻段的1GHz。這樣在信道調制方式不變的前提下，衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量就能提高數(shù)倍。

圖1 衛(wèi)星頻率資源分布情況

2.2 實施多點波束復用

從2G到3G，再到如今的LTE和未來的5G，地面移動通信系統(tǒng)容量很大程度上來自于蜂窩或空分復用技術。這一容量提升路徑對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)同樣適用。實際上，多點波束技術早已應用于Inmarsat Ⅲ-Ⅳ、Globalstar、Iridium、ACeS、Thuraya等移動通信系統(tǒng)之中，只是衛(wèi)星移動通信L頻段本身帶寬較窄，因而總容量仍然有限。近年來，為了實現(xiàn)高通量傳輸，多點波束技術已廣泛應用于Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)之中。

在Ka多點波束衛(wèi)星通信之中，相鄰覆蓋區(qū)域通過頻率和極化進行隔離，不相鄰的區(qū)域以同頻同極化覆蓋。Ka豐富的頻率資源加上多點波束復用技術的使用極大地擴展了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量。例如Viasat-1具有72個波束，其系統(tǒng)容量達150G。隨著技術水平的進步，點波束的覆蓋范圍可以更小，點波束數(shù)量可以更多，頻率及極化復用的程度可以更高，這使得Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量得以大幅度提高。例如，Viasat-3宣稱其頻率復用次數(shù)可能達到200以上，系統(tǒng)容量可達1Tbps。

2.3 采用高級信道編碼調制

在信道頻率資源和復用方式不變的前提下，編碼技術越先進，調制系數(shù)越高，滾降系數(shù)越小，MODCOD分辨力粒度越精細，再加之自適應編碼調制技術（ACM），就可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，更大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量。例如，相對于DVB-S2，DVB-S2X 增加了64/128/256APSK 三種高階調制方式，滾降系數(shù)最小做到了0.05，更高階的調制模式使得其衛(wèi)星頻譜效率比DVB-S2提升20%～30%，最高可達51%，性能接近香農極限，如圖2所示。

3 、IP化——實現(xiàn)互聯(lián)互通

3.1 制定體系結構標準

目前，信息網(wǎng)絡幾乎全部在IP化，新一代寬帶網(wǎng)絡本質上就是電信級的IP網(wǎng)絡。IP技術使得各種通信系統(tǒng)可以整合到統(tǒng)一的網(wǎng)絡之中，衛(wèi)星通信作為一種重要的通信方式，當然不能例外。

為了規(guī)范衛(wèi)星IP通信系統(tǒng)，歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）下屬的衛(wèi)星地面站與系統(tǒng)技術委員會（SES）從TCP/IP分層設計的角度，將寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)劃分為獨立于衛(wèi)星的層面（SI）和與衛(wèi)星相關的層面（SD），它們之間通過獨立于衛(wèi)星的服務接入點（SISAP）相連，如圖3所示。

圖3 寬帶衛(wèi)星通信IP業(yè)務接入的協(xié)議架構

SI包括基本適用于所有衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡層及網(wǎng)絡層以上的協(xié)議，如UDP/TCP協(xié)議、IP路由尋址及服務質量保障等。SD包括與特定衛(wèi)星網(wǎng)本身設計相關的功能，主要指物理層（SPHY）、媒體接入控制（SMAC）和邏輯鏈路控制層（SLC）的相關功能等。SI-SAP作為SI和SD之間的公共接口，主要完成SI和SD之間服務的承接和映射。ETSI在SI和SD還分別定義了獨立于衛(wèi)星的適配功能層（SIAF）和與衛(wèi)星相關的適配功能層（SDAF）。SIAF位于網(wǎng)絡層，負責完成網(wǎng)絡層協(xié)議到SI的服務接入點的適配，SDAF位于鏈路層，負責完成SD協(xié)議族到SI的服務接入點的映射。

Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常采用星狀網(wǎng)拓撲結構和全IP技術設計，由空間段和地面段組成。空間段主要指Ka衛(wèi)星，采用透明轉發(fā)，不對空中接口協(xié)議中的任何一層進行轉換處理，僅進行信號的透明轉發(fā)；地面段主要包括信關站、運營中心以及終端站，信關站和運營中心之間、運營中心和互聯(lián)網(wǎng)之間通過光纖鏈路實現(xiàn)互聯(lián)互通，終端站通過衛(wèi)星網(wǎng)絡接入所屬信關站。標準協(xié)議和接口以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺使得Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)特別易于與地面網(wǎng)絡互聯(lián)互通。

3.2 優(yōu)化網(wǎng)絡傳輸性能

IP網(wǎng)絡最初是針對地面低時延通信系統(tǒng)設計的。由于衛(wèi)星鏈路具有長時延、高誤碼、帶寬不對稱等特性，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的IP化雖然有利于互聯(lián)互通，但是其傳輸性能也會相應下降。因此，在信關站和終端站之間必須采取TCP加速、HTTP加速、IP壓縮等優(yōu)化技術，來改善傳輸性能，以給用戶提供“衛(wèi)星無感知”的IP應用體驗。

◆TCP加速

靜止軌道衛(wèi)星通信單向傳輸時延一般為240到280ms，往返傳輸時延至少為480ms。如果在衛(wèi)星鏈路上不采取特殊措施，將嚴重影響TCP服務的性能。

TCP加速通常在地面網(wǎng)絡與衛(wèi)星信道之間部署TCP加速協(xié)議網(wǎng)關。TCP加速不需要對TCP協(xié)議做任何改變，僅對具有TCP加速功能的接入網(wǎng)關設備的傳輸層軟件部分進行改進，通過采用協(xié)議欺騙、速率控制、差錯控制等擁塞控制機制，對發(fā)送節(jié)點屏蔽衛(wèi)星鏈路長時延、高誤碼、帶寬非對稱性對TCP協(xié)議的影響，避免網(wǎng)絡在特定情況下產生大量異常業(yè)務流量。

◆HTTP加速

HTTP加速基于在數(shù)據(jù)中心的頁面加速器和終端站的遠端頁面加速器，通過采用預提取、連續(xù)TCP連接、頭部壓縮、文本壓縮、DNS緩存、有損圖像壓縮等機制，以增強衛(wèi)星IP網(wǎng)絡的響應速度，提高用戶互聯(lián)網(wǎng)瀏覽體驗。相關測試顯示，采用HTTP加速后，回傳包數(shù)量平均減少了35%，前向包數(shù)量平均減少了30%，在相同網(wǎng)絡規(guī)模下，加載所有頁面的累積時間平均減少了40%。

◆IP壓縮

Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各種業(yè)務數(shù)據(jù)是以IP分組的形式進行傳輸?shù)?，業(yè)務數(shù)據(jù)在形成

IP分組的過程中被層層封裝，即在業(yè)務數(shù)據(jù)包前封裝傳輸層報頭（TCP報頭或UDP報頭）、網(wǎng)絡報頭（IP報頭），IP語音業(yè)務通常還需要加上RTP報頭。

IP報頭長度通常為20B（字節(jié)），UDP報頭通常為8B，TCP報頭通常為20B。IP數(shù)據(jù)包長度較大時，報頭開銷還可以忍受。在數(shù)據(jù)包長度較小時，報頭的開銷非常大。例如一個典型IP電話數(shù)據(jù)包中，總報頭長度為40B，而話音有效載荷的長度通常只有幾十B，報頭開銷占50%以上。同時，對于一路電話業(yè)務，數(shù)據(jù)包報頭中的很多信息都是固定不變的，報頭存在大量的冗余，這些冗余對于衛(wèi)星通信帶寬來講是無謂的浪費。IP壓縮通過采用VJHC、IPHC、CRTP、ROCCO等算法對IP數(shù)據(jù)包報頭進行壓縮，減少IP協(xié)議封裝引入的額外開銷，提高衛(wèi)星通信帶寬利用率。

4 、抗雨衰——保障網(wǎng)絡可用度

Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量雖然得到百倍，甚至千倍提升，但由于其工作于17.7-31GHz范圍，降雨引起的鏈路損耗比Ku大得多。在多雨地區(qū)，可能達到20dB以上。若不采取相應措施，網(wǎng)絡可用度會大大下降，用戶體驗會較差。

對于Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過預留系統(tǒng)余量對抗雨衰的

做法已不能滿足要求。因為，以固定系統(tǒng)余量去克服雨衰影響，在晴天時會造成功率資源巨大浪費，而大雨衰又無法得到完全的補償，這會使系統(tǒng)性能惡化，甚至造成通信中斷。因此，Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在信關站和終端站采用自適應傳輸技術來克服雨衰。

4.1 自適應功率控制

自適應功率控制又稱為上行功率自動控制（AUPC），通過監(jiān)測信號強度并計算鏈路損耗，來自適應調整發(fā)射功率，從而動態(tài)補償雨衰。AUPC可分為前向鏈路功率控制和返向鏈路功率控制。

前向鏈路功率控制利用衛(wèi)星信標信號的測量值來估算信標下行的雨衰，并推算上行傳輸鏈路的衰減值，自動控制控制BUC、HPA調整增益，從而保證信關站發(fā)射載波到達衛(wèi)星接收天線的通量譜密度基本保持不變。

返向鏈路功率控制旨在保證信關站接收電平維持在一個額定值范圍內，同時保證終端站功放輸出功率保持在線性區(qū)。信關站監(jiān)測小站SYNC突發(fā)的Es/N0值（每秒測量一次），將測量值插入到發(fā)送給終端站的前向鏈路中，終端站利用這一信息來確定如何調整輸出衰減。

4.2 自適應編碼調制

在A C M出現(xiàn)之前，一般采用固定編碼調制（CCM）。為了保證惡劣信道條件下的通信，每條鏈路都存在一定的裕量，這會浪費寶貴的信道資源。ACM能夠根據(jù)實時信道條件（信噪比）自適應地改變編碼和調制方式。在信道條件好時提供較高的傳輸速率，在信道質量較差時獲得較好的傳輸可靠性，從而在保證了一定可靠性的前提下，最大限度地利用衛(wèi)星信道資源。

如圖4所示，根據(jù)衛(wèi)星信道條件的不同，分配給終端站的時隙可以位于使用相同或不同MODCOD的載波上。通過自適應調整編碼調制，終端站會采用最合適的MODCOD，以在鏈路狀況惡化時獲得額外增益，補償雨衰造成的鏈路損耗。

4.3 自適應載波速率調整

自適應載波速率調整一般應用于終端站的動態(tài)信道功能中，動態(tài)信道可根據(jù)鏈路條件將無法利用的高速載波分割為低速載波，獲得增益，減小信道浪費。當雨衰消失鏈路條件變好后，系統(tǒng)可恢復高速鏈路，如圖5所示。

終端站采用自適應載波速率調整可以根據(jù)信道與業(yè)務的變化，自適應地調整或選擇適合的載波速率進行傳輸。根據(jù)終端站鏈路狀況的變化，當鏈路狀況不好時，可以從高速載波分配調整至低速載波來獲取增益，鏈路狀況好轉也可以從低速載波分配調整至高速載波。如圖6所示，根據(jù)信道條件的不同，終端站使用的時隙資源能夠被分配在具有不同符號速率的載波上，當降雨造成信道條件惡化且上行功率控制無法補償鏈路衰落時，終端站可以從256ksps鏈路跳到128ksps鏈路，從而獲得3dB的功率增益，補償雨衰造成的鏈路損耗。

圖4 自適應編碼調制

圖5 衛(wèi)星通信動態(tài)信道

圖6 自適應載波速率調整

以上各種對抗雨衰方式的綜合應用可使網(wǎng)絡可用度達到99.5%以上，基本滿足衛(wèi)星通信公眾服務的使用要求。

5 、結束語

目前，衛(wèi)星寬帶通信已進入Ka高通量時代，全球各大衛(wèi)星運營商均已建設或正在計劃開展Ka寬帶衛(wèi)星通信服務。為發(fā)展我國的通信衛(wèi)星及其應用，滿足寬帶中國、一帶一路、普遍服務等國家戰(zhàn)略需求，我國也啟動了Ka寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制工作。國內首顆商用Ka寬帶衛(wèi)星——中星16號將于2017年初發(fā)射，2017年中即可投入試運行。此外，Ka寬帶衛(wèi)星中星18號預計2019年發(fā)射，后續(xù)更大容量的Ka衛(wèi)星也在計劃之中。我們相信，大容量、IP化、具有自適應抗雨衰功能的Ka寬帶衛(wèi)星通信將在我國公眾通信服務市場中發(fā)揮積極的作用，將開啟我國衛(wèi)星通信的新紀元。