尚俊娜，李 林**，劉春菊，魏彥飛

S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的探索和實驗*

尚俊娜1，李 林**1，劉春菊1，魏彥飛2

（1.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州310018；2.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林541004）

介紹了目前衛(wèi)星通信的頻段分布并對其進行了對比；對S頻段衛(wèi)星通信給出了鏈路預算，并進行了衛(wèi)星移動通信的探索和實驗，通過低信息速率的短報文和語音通信設備的研發(fā)，對低速率衛(wèi)星移動通信進行了驗證和分析。結果表明，采用全向天線的S頻段低信息速率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)完全可以在處理突發(fā)事件的應急通信中發(fā)揮作用，并具有成本低、終端簡單、應用方便、安全可靠等優(yōu)點。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)；S頻段；低信息速率；應急通信；全向天線

1 引 言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、工作穩(wěn)定可靠、不受地面條件限制、靈活機動的獨特優(yōu)勢，可提供大跨度、大范圍、遠距離的移動通信服務，技術特性非常適合應急通信系統(tǒng)的要求。特別在我國地面通信線路不發(fā)達的偏遠農村，衛(wèi)星通信具有不可替代的地位和作用。

隨著信息化時代的到來，全球個人移動通信和信息高速公路通信需求迅速增長，要實現通信網的“無縫”覆蓋，衛(wèi)星通信是必不可少的通信手段[1]。但由于地面移動通信網絡和光纖通信網絡的快速崛起，衛(wèi)星通信應揚長避短，作為一種有效的補充通信手段，尤其是在危險品運輸車輛出行的監(jiān)控，山區(qū)、海洋、沙漠中氣象水文監(jiān)測站點測量數據的回傳，輸油管道腐蝕情況的監(jiān)測，搶險救災、處理突發(fā)事件的應急通信等各類應用中均大有作為。這類通信要求有實時遠距離傳輸能力，但單位時間內需要傳輸的信息量極少，信息傳輸的抗干擾能力要強，傳輸的誤碼率要求又比較高。同時，由于用戶數往往很多，所以希望單機設備低廉，使用費用便宜。這些需求構成了一類低信息速率的衛(wèi)星通信傳輸的要求[2]。由于國際電信聯盟（Inter_ national Telecommunications Union，ITU）和中國無線電管理委員會的相關規(guī)定，Ku和C頻段并不適合用來做移動通信。因此，L頻段是目前主要用來做移動通信的頻段。隨著在S頻段上進行衛(wèi)星移動通信逐漸成為新的研究內容，為了不斷完善衛(wèi)星通信技術，為移動通信行業(yè)帶來更多的便捷，需要對此類衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行探索和研究。本文通過分析衛(wèi)星資源引入了利用S頻段進行衛(wèi)星通信的設計方案，并參照衛(wèi)星鏈路設計標準，對S頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路進行了計算，給出了系統(tǒng)余量及其限制因素，并提出了一些可以優(yōu)化的解決辦法；最后，通過研發(fā)出樣機，對整個系統(tǒng)設計進行了室內閉環(huán)仿真實驗和上星實驗。

2 S與Ku、L頻段的對比及衛(wèi)星資源的選擇

國際電信聯盟早在20世紀六七十年代曾多次召開世界無線電行政大會，討論并制定了各類衛(wèi)星通信業(yè)務可利用的工作頻段的劃分。通信衛(wèi)星的使用頻段主要是根據無線電頻帶資源和電磁波傳播特點等因素確定的，但是由于技術條件的限制，到目前為止實際應用的頻段仍十分有限。另一方面，ITU和中國無線電管理委員會針對無線電波傳播的特點，為移動業(yè)務劃分了多個頻段，這些頻段基本都在3 GHz以下頻段，如圖1所示。

圖1 無線電管理委員會關于陸地移動通信使用頻率規(guī)定示意圖Fig.1 Using frequencY regulations schematic diagram about land mobile communications bY Radio RegulatorY Commission

衛(wèi)星通信主要使用Ku和C頻段作為固定衛(wèi)星通信的頻段，其中Ku頻段用作衛(wèi)星電視、衛(wèi)星廣播的主要頻段。而L頻段作為移動衛(wèi)星通信的主要頻段，如國外主要的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)有Inmarsat、ThuraYa、“銥星”、“全球星”、SkYterra，其中Inmarsat、ThuraYa、“銥星”以及SkYterra用戶鏈路使用的都是L頻段，而“全球星”用戶鏈路上行位于L頻段，下行位于S頻段，如表1所示。接下來的幾年中L頻段的信號數量還會增加，必然會造成L頻段資源的緊缺，所以能用來作為衛(wèi)星移動通信的頻率資源十分有限。從衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的演進情況來看，對新頻率資源的應用必將受到重視。因此，研究S頻段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)對搶占S頻段頻率資源能提供良好的契機。

表1 國外主要的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶鏈路使用頻率范圍Tab.1 Users link frequencY range of the main foreign satellite mobile communication sYstems

2006年，中國無線電管理委員會根據國際電信聯盟制定的頻率劃分標準發(fā)布了《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，將S頻段2 483.5～2 500 MHz分配給無線電測定衛(wèi)星服務（Radio De_ termination Satellite Service，RDSS），而衛(wèi)星導航服務正屬于RDSS[3]。隨著導航通信一體化進程的推進，包括“北斗”導航系統(tǒng)在內的多國導航系統(tǒng)都開始研究使用S頻段進行通信，其中日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite SYstem，QZSS）的傾斜地球同步軌道（Inclined GeosYnchronous Satellite Orbit，IGSO）衛(wèi)星系統(tǒng)已經在S頻段上提供音頻和視頻信號的服務[4]。由于衛(wèi)星通信使用的頻段越高，衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量就越大，所以衛(wèi)星通信技術在不斷地向頻率更高、傳輸速率更快、性價比更明顯的方向發(fā)展，因此，移動衛(wèi)星通信使用S頻段作為通信頻段是發(fā)展的趨勢。此外，鑒于一類低信息速率的衛(wèi)星通信的需求，使用S頻段作為工作頻段，也是最佳的應用選擇，因此，使用S頻段作為衛(wèi)星移動通信使用的頻段具有更多的有利條件。

衛(wèi)星移動通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)或者反射無線電波，在兩個或者多個地球站或用戶終端之間進行的通信[5]。按照衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的軌道分類，可以將衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)分為靜止軌道（GeostationarY Earth Orbit，GEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、中軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、低軌道（LoW Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。其中，GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)也叫同步衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，衛(wèi)星位于距離地球36 800 km的地球同步赤道上方。GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋面積廣，只需要3顆衛(wèi)星就可以實現除兩極以外地區(qū)的全球覆蓋[6]。而LEO和MEO衛(wèi)星需要由多顆衛(wèi)星互聯成網，如“銥星”系統(tǒng)、“全球星”系統(tǒng)都利用的是LEO衛(wèi)星星座實現移動通信的方案?！般炐恰毕到y(tǒng)原有7條軌道，每條軌道上有11顆衛(wèi)星，一共有77顆衛(wèi)星，后來實際使用的“銥星”系統(tǒng)共有66顆衛(wèi)星。由于使用的衛(wèi)星數量多，造成通信成本大幅增加，因此，GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢。但是，由于衛(wèi)星距離地球較遠，鏈路衰減過大，故需要衛(wèi)星具有較大的發(fā)射功率，這也成為此類衛(wèi)星通信的瓶頸。但是隨著技術的不斷進步，衛(wèi)星上天線的口徑不斷加大，增益不斷提升，衛(wèi)星的發(fā)射功率已經可以滿足GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求[7-8]。如1990年發(fā)射的Inmasat-2衛(wèi)星的有效全向輻射功率（Effective IsotroPic Radiated PoWer，EIRP）只有39 dBW，2005年發(fā)射的Inmarsat-4衛(wèi)星的EIRP已經達到67 dBW，而2010年發(fā)射的SkYter_ ra-1衛(wèi)星的EIRP高達79 dBW。盡管發(fā)展GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)技術難度較大，但是其具有LEO、MEO衛(wèi)星資源不具備的各種優(yōu)勢，所以S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)非常適合使用GEO衛(wèi)星資源。

我國現已建成世界上最大的光纖、地面移動通信網絡，在地面通信技術水平已與世界同步[9]。但是我國尚無自主研制與運營的衛(wèi)星移動網絡，現有的空間資源（軌道、頻率）不足，將會嚴重制約構建航天基礎設施的發(fā)展空間，所以建設S頻段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)將有利于中國爭取空間資源[10]。

3 S頻段低信息速率衛(wèi)星通信鏈路預算

對S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行鏈路預算是設計該系統(tǒng)的基礎。S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)在用戶端宜采用微小型終端及天線，這時，S頻段衛(wèi)星傳輸鏈路在用戶端一側很可能成為下行功率受限的系統(tǒng)，將會影響整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量，因此必須進行鏈路預算以明確系統(tǒng)在功率受限時可以進行哪些優(yōu)化。

以[M]th表示門限余量，則有

式中：[C/T]t為系統(tǒng)總的載波功率與噪聲溫度之比；[C/T]th為根據解調門限[Eb/n0]計算出的用戶端接收門限載溫比。衛(wèi)星通信的電波在傳播中主要損耗來自自由空間傳播損耗，在不考慮其他損耗，如大氣、云、霧、雨雪等造成的吸收和散射損耗，多載波和多址造成的同信道干擾、交調干擾等時，

式中：[C/T]u、[C/T]d分別為上行鏈路載溫比、下行鏈路載溫比，表達式如下：

式中：Ws是通量飽和密度，即單位面積上的有效全向輻射功率；[GRS/TS]為衛(wèi)星接收機品質因數，其大小關系到衛(wèi)星接收性能的好壞；λ為傳輸信號波長；[PEIRP]s為衛(wèi)星轉發(fā)器有效全向輻射功率；LD為下行鏈路自由空間傳輸損耗；[GR/TD]稱為地球站品質因數，這一比值大小關系到地球站接收性能的好壞。

中星6A位于東經125°，屬于GEO同步軌道衛(wèi)星，載有一個S頻段衛(wèi)星轉發(fā)器，轉發(fā)器參數如表2所示。

表2 中星-6A轉發(fā)器參數Tab.2 Parameters of China Sat-6A rePeater

將轉發(fā)器參數代入公式（4）～（5），得

二進制相移鍵控（BinarY Phase Shift KeYing，BPSK）相干解調的抗白噪聲能力優(yōu)于二進制振幅鍵控（BinarY AmPlitude Shift KeYing，2ASK）和二進制頻移鍵控（BinarY FrequencY Shift KeYing，2FSK）相干解調。在相同誤比特率下，BPSK相干解調所要求的Eb/n0比2ASK和2FSK要低3 dB，這意味著發(fā)送信號能量可以降低一半[11]。因此，對于在用戶端上下行功率受限的S頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)宜采用BPSK調制方式。當要求Pe≤10-4時，有[Eb/n0]≥8.4 dB。由式（3）得

將[C/T]t、[C/T]th代入公式（1），則S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)最理想的系統(tǒng)余量為33 dB。如果采用頻分多路復用（FrequencY Division MultiPle_ xing，FDM）＋碼分多址（Code Division MultiPle Ac_ cess，CDMA）模式，將會引入交調干擾、同信道干擾，再加入其他損耗，系統(tǒng)用戶側下行鏈路余量會相應減少。對于S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由于語音通信采用的是全雙工的模式，進行語音通信的用戶容量取決于出局/入局（地球中心站到用戶端/用戶端到地球中心站）鏈路用戶容量最小值。在用戶端采用微小型終端及天線的S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，語音用戶容量主要取決于出局鏈路。此外，出局鏈路的用戶容量應該受到衛(wèi)星轉發(fā)器帶寬和[PEIRP]s的雙重限制。因此，S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計時，既要滿足功率受限的條件，又要滿足頻帶受限的要求。可考慮采用擴頻調制技術、前向糾錯編碼等措施提高系統(tǒng)信噪比，在轉發(fā)器功率仍有余量時，可采用多進制數字相位調制（MultiPle Phase Shift KeYing，MPSK）等調制方式，從而充分發(fā)揮S頻段衛(wèi)星系統(tǒng)的作用。

4 實驗與分析

為了驗證所構建的S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)，選取中星6A作為實驗衛(wèi)星，衛(wèi)星配有兩個工作狀態(tài)，第一工作狀態(tài)為獨立工作，即Ku-Ku：36 MHz（上行14 462～14 498 MHz/下行12 712～12 748 MHz）；SS：30 MHz（上行1 980～2 010 MHz/下行2 170～2 200 MHz）或5 MHz（上行2 005～2 010 MHz/下行2 195～2 200 MHz）。第二工作狀態(tài)為交鏈模式，Ku-S：15 MHz（下行14 483～14 498 MHz/下行2 185～2 200 MHz）；S-Ku：5 MHz（上行2 005～2 010 MHz/下行12 743～12 748 MHz）。

在使用交鏈模式下，入局上行和出局下行可以采用S頻段，而入局下行和出局上行可以采用Ku頻段，使用這種模式不但可以提高入局下行和出局上行的功率，還可以提高頻帶利用率。

4.1 室內閉環(huán)實驗

進行上星試驗前需進行室內閉環(huán)的模擬實驗，為此，我們設計研發(fā)出了一款S頻段模擬轉發(fā)器，如圖2所示。

模擬器主要參數如下：

（1）輸入頻率：1 995 MHz±15 MHz；

（2）輸出頻率：2 185 MHz±15 MHz；

（3）衰減器撥碼開關共6位，全置位時衰減31.5 dB；

（4）輸入、輸出均采用SMA接口。

圖2 S頻段模擬轉發(fā)器實物圖Fig.2 Photo of the S-band analog rePeater

此外，對整個S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行驗證，所使用的通信設備均為自主研發(fā)的設備，如圖3所示。根據鏈路計算的結果，設計主要指標如下：

（1）信息速率：50/600 b/s；

（2）發(fā)射功率：2 W；

（3）發(fā)射頻率：1 995 MHz；

（4）接收頻率：2 185 MHz。

實驗結果表明，在室內閉環(huán)模擬實驗中經系統(tǒng)傳輸后的載噪比達到44 dB，高于通信設備解調門限2 dB，完全滿足通信要求。

圖3 室內閉環(huán)實驗現場圖Fig.3 Photo of the interior closed looP exPeriment

4.2 室外上星實驗

在檢驗S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的過程中，分別對中星6A提供的S-S頻段獨立模式和Ku-S頻段交鏈模式進行實驗，驗證各模式下S頻段低速率衛(wèi)星通信的可行性，對比兩種模式下S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。實驗地點為中國衛(wèi)通北京地面站，地面站設備采用9 m口徑S頻段拋物面天線以及9 m口徑Ku頻段拋物面天線及其接口設備。

實驗1 采用S-S頻段獨立模式時，為了選取最佳發(fā)射頻率，以獲得通信系統(tǒng)的最佳性能，分別采用了2 005 MHz、2 006 MHz、2 007 MHz作為發(fā)射頻率，實驗結果見表3，其中Rb為信息速率，Pt為發(fā)射功率，Gt為收發(fā)天線增益，Rc為擴頻碼速率，Fr為接收頻率，C/No為載噪比。

表3 S-S獨立模式實驗結果Tab.3 ExPerimental results of S-S indePendent mode

實驗2 采用Ku-S頻段交鏈模式時，經過鏈路預算，Ku-S頻段交鏈模式比S-S頻段鏈路余量要大，因此增加了語音測試，實驗結果如表4所示，其中Ft為發(fā)射頻率、Rb、Pt、Gt、Rc、Fr、C/No含義同上。

表4 Ku-S交鏈模式實驗結果Tab.4 ExPerimental results of Ku-S cross chain mode

可以看出，S-S頻段獨立模式下，由于頻率范圍為2 005～2 010 MHz，發(fā)射頻率采用2 005 MHz時，小于2 005 MHz的信號被干擾淹沒，造成的載噪比過低。Ku-S交鏈模式下，出局上行和入局下行的信號明顯好于S-S獨立模式，因為在Ku-S交鏈模式Ku頻段比S頻段拋物面天線增益更大[9]，提高了鏈路余量以及頻帶利用率，所以系統(tǒng)性能更好。此外，在一些應急通信的場合，需要語音呼叫服務，如戰(zhàn)爭、反恐、救援救災等，因此在Ku-S交鏈模式下，探索性地進行了語音通話實驗，在600 b/s的信息傳輸速率下，可以滿足正常通話需求。實驗證明，本文設計的S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)符合設計預期，不僅可以進行短報文通信，還可以進行語音呼叫，完全可以滿足數據回傳和應急通信的需求。

5 結束語

本文通過對衛(wèi)星通信的各個頻段進行對比分析之后，比較了S頻段與其他頻段的不同，闡明了S頻段作為衛(wèi)星移動通信的優(yōu)勢，并在此基礎上對S頻段衛(wèi)星資源和轉發(fā)器參數進行了選擇和說明，對鏈路進行了計算和分析，最后通過室內閉環(huán)實驗和室外上星實驗對整個S頻段低速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可行性進行了驗證，嘗試了在Ku-S頻段交鏈模式下進行通信的實驗，得出了Ku-S頻段交鏈模式比S-S頻段獨立模式系統(tǒng)性能更優(yōu)的結論。對S頻段衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)進行了有益的探索，通過實驗證明使用全向天線S頻段低信息速率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以有效地傳輸短報文，這在搶險救災、測量數據回傳、隱蔽通信、特別在位置服務領域有獨特的應用價值。此外，低速率語音通信實驗的成功將會給需要語音呼叫服務場景中提供十分有益的幫助。隨著我國大S衛(wèi)星的發(fā)射成功，S頻段衛(wèi)星通信應用及其終端研制將會成為研究的熱點，本文研究內容與結論可為我國發(fā)展S頻段衛(wèi)星通信事業(yè)提供一定的借鑒和參考。

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尚俊娜（1979—），女，河南開封人，2006年于中國科學院研究生院獲理學博士學位，現為副教授，主要從事通信信號處理、衛(wèi)星通信方面的研究；

SHANG Junna Was born in Kaifeng，Henan Province，in 1979.She received the Ph.D.de_ gree from UniversitY of Chinese AcademY of Sciene in 2006.She is noW an associate Professor.Her research concerns communication signal Processing and satellite commu_ nications.

李 林（1986—），男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信和衛(wèi)星導航；

LI Lin Was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1986.He is noW a graduate student.His research concerns satellite communi_ cations and satellite navigation.

Email：8733210@qq.com

劉春菊（1988—），女，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為通信信號處理和進化算法；

LIU Chunju Was born in XinYang，Henan Province，in 1988. She is noW a graduate student.Her research concerns communi_ cation signal Processing and evolution algorithm.

魏彥飛（1987—），男，河南漯河人，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信和數據處理。

WEI Yanfei Was born in Luohe，Henan Province，in 1987. He is noW a graduate student.His research concerns satellite communications and data Processing.

Exploration and Experiment of Low Information Rate Satellite Communication System in S-band

SHANG Junna1，LI Lin1，LIU Chunju1，WEI Yanfei2
（1.School of Communication Engineering，Hangzhou Dianzi UniversitY，Hangzhou 310018，China；2.School of Electronic Engineering and Automation，Guilin UniversitY of Electronic TechnologY，Guilin 541004，China）

The frequencY distribution of current satellite communication is introduced and comPared，link budget for S-band satellite communication is given，the exPloration and exPeriment of the satellite commu_ nication sYstem in S-band is Presented.The loW information rate satellite communication in S-band is veri_ fied and analYzed bY develoPing the short message and voice communication equiPment.Results shoW that satellite communication sYstem of loW information rate in S-band using omnidirectional antennas can PlaY a role in emergencY communications and it has such advantages as loW cost，friendlY terminal，convenient aP_ Plication，high saftY and reliabilitY.

satellite mobile communication sYstem；S-band；loW information rate；emergencY communica_ tion；omnidirectional antenna

The National Natural Science Foundation of China（271284F010203）；The Natural Science Foundation of Zhejiang Pvovince（LQ13F010010）；Project of Zhejiang Province Scientific and Technological Innovation Team（2013TD03）

TN927.2

A

1001-893X（2016）01-0054-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.010

尚俊娜，李林，劉春菊，等.S頻段低信息速率衛(wèi)星通信系統(tǒng)的探索和實驗[J].電訊技術，2016，56（1）：54-59.[SHANG Junna，LI Lin，LIU Chunju，et al.ExPloration and exPeriment of loW information rate satellite communication sYstem in S-band[J].Telecommunication Engi_ neering，2016，56（1）：54-59.]

2015-08-05；

2015-10-22 Received date：2015-08-05；Revised date：2015-10-22

國家自然科學基金資助項目（271284F010203）；浙江省自然科學基金青年基金資助項目（LQ13F010010）；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目（2013TD03）

**通信作者：8733210@qq.com Corresponding author：8733210@qq.com