浅析Ka卫星通信公众服务能力的来源

+ 中国卫通集团有限公司 周珊 沈永言



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浅析Ka卫星通信公众服务能力的来源

+ 中国卫通集团有限公司 周珊 沈永言

1 、引言

卫星通信是信息基础设施中不可或缺的组成部分。在发展初期，卫星通信曾经在公众通信网络中国际国内电路中继、用户接入等方面发挥过骨干作用。后来，由于地面光纤和移动通信的迅猛发展，除了在电视直播领域持续增长之外，卫星通信在公众通信领域一直都处于退缩状态，而主要集中于各类专网应用。究其原因，主要是卫星通信系统容量和性价比未能保持同步提升，进而影响了公众服务市场的竞争力。

随着信息技术的发展和天地一体化信息网络时代的到来，卫星通信又面临宽带接入、基站/IP中继、机载通信等新的公众服务市场机遇。事实上，国际上以Ka为代表的高通量卫星的出现又重新将卫星通信带入公众服务市场，而它凭借的能力主要体现在以下三个方面：一是提高系统容量和承载能力，二是与地面网络互联互通，三是保障网络可用度。这些经验的总结对于我国卫星通信产业的未来发展将具有重要的现实意义。

2 、扩容量——提高承载能力

2.1 开发高频段频率资源

卫星通信经过多年的发展，目前C、Ku频段资源基本枯竭。面对互联网用户和视频内容的不断增长，卫星通信必须开发应用新的Ka频段，以适应信息网络的宽带化发展趋势。如图1所示，频段越高，可用频率资源就越多，相应的卫星通信系统潜在容量就越大。Ka频段可用频率资源为3.5GHz，远远大于C频段的800MHz和Ku频段的1GHz。这样在信道调制方式不变的前提下，卫星通信系统容量就能提高数倍。

图1 卫星频率资源分布情况

2.2 实施多点波束复用

从2G到3G，再到如今的LTE和未来的5G，地面移动通信系统容量很大程度上来自于蜂窝或空分复用技术。这一容量提升路径对于卫星通信系统同样适用。实际上，多点波束技术早已应用于Inmarsat Ⅲ-Ⅳ、Globalstar、Iridium、ACeS、Thuraya等移动通信系统之中，只是卫星移动通信L频段本身带宽较窄，因而总容量仍然有限。近年来，为了实现高通量传输，多点波束技术已广泛应用于Ka宽带卫星通信系统之中。

在Ka多点波束卫星通信之中，相邻覆盖区域通过频率和极化进行隔离，不相邻的区域以同频同极化覆盖。Ka丰富的频率资源加上多点波束复用技术的使用极大地扩展了卫星通信系统的容量。例如Viasat-1具有72个波束，其系统容量达150G。随着技术水平的进步，点波束的覆盖范围可以更小，点波束数量可以更多，频率及极化复用的程度可以更高，这使得Ka宽带卫星通信系统容量得以大幅度提高。例如，Viasat-3宣称其频率复用次数可能达到200以上，系统容量可达1Tbps。

2.3 采用高级信道编码调制

在信道频率资源和复用方式不变的前提下，编码技术越先进，调制系数越高，滚降系数越小，MODCOD分辨力粒度越精细，再加之自适应编码调制技术（ACM），就可实现更高的频带利用率，更大的卫星通信系统容量。例如，相对于DVB-S2，DVB-S2X 增加了64/128/256APSK 三种高阶调制方式，滚降系数最小做到了0.05，更高阶的调制模式使得其卫星频谱效率比DVB-S2提升20%～30%，最高可达51%，性能接近香农极限，如图2所示。

3 、IP化——实现互联互通

3.1 制定体系结构标准

目前，信息网络几乎全部在IP化，新一代宽带网络本质上就是电信级的IP网络。IP技术使得各种通信系统可以整合到统一的网络之中，卫星通信作为一种重要的通信方式，当然不能例外。

为了规范卫星IP通信系统，欧洲电信标准化协会（ETSI）下属的卫星地面站与系统技术委员会（SES）从TCP/IP分层设计的角度，将宽带卫星通信系统划分为独立于卫星的层面（SI）和与卫星相关的层面（SD），它们之间通过独立于卫星的服务接入点（SISAP）相连，如图3所示。

图3 宽带卫星通信IP业务接入的协议架构

SI包括基本适用于所有卫星通信系统的网络层及网络层以上的协议，如UDP/TCP协议、IP路由寻址及服务质量保障等。SD包括与特定卫星网本身设计相关的功能，主要指物理层（SPHY）、媒体接入控制（SMAC）和逻辑链路控制层（SLC）的相关功能等。SI-SAP作为SI和SD之间的公共接口，主要完成SI和SD之间服务的承接和映射。ETSI在SI和SD还分别定义了独立于卫星的适配功能层（SIAF）和与卫星相关的适配功能层（SDAF）。SIAF位于网络层，负责完成网络层协议到SI的服务接入点的适配，SDAF位于链路层，负责完成SD协议族到SI的服务接入点的映射。

Ka宽带卫星通信系统通常采用星状网拓扑结构和全IP技术设计，由空间段和地面段组成。空间段主要指Ka卫星，采用透明转发，不对空中接口协议中的任何一层进行转换处理，仅进行信号的透明转发；地面段主要包括信关站、运营中心以及终端站，信关站和运营中心之间、运营中心和互联网之间通过光纤链路实现互联互通，终端站通过卫星网络接入所属信关站。标准协议和接口以及统一的数据平台使得Ka宽带卫星通信系统特别易于与地面网络互联互通。

3.2 优化网络传输性能

IP网络最初是针对地面低时延通信系统设计的。由于卫星链路具有长时延、高误码、带宽不对称等特性，卫星通信系统的IP化虽然有利于互联互通，但是其传输性能也会相应下降。因此，在信关站和终端站之间必须采取TCP加速、HTTP加速、IP压缩等优化技术，来改善传输性能，以给用户提供“卫星无感知”的IP应用体验。

◆TCP加速

静止轨道卫星通信单向传输时延一般为240到280ms，往返传输时延至少为480ms。如果在卫星链路上不采取特殊措施，将严重影响TCP服务的性能。

TCP加速通常在地面网络与卫星信道之间部署TCP加速协议网关。TCP加速不需要对TCP协议做任何改变，仅对具有TCP加速功能的接入网关设备的传输层软件部分进行改进，通过采用协议欺骗、速率控制、差错控制等拥塞控制机制，对发送节点屏蔽卫星链路长时延、高误码、带宽非对称性对TCP协议的影响，避免网络在特定情况下产生大量异常业务流量。

◆HTTP加速

HTTP加速基于在数据中心的页面加速器和终端站的远端页面加速器，通过采用预提取、连续TCP连接、头部压缩、文本压缩、DNS缓存、有损图像压缩等机制，以增强卫星IP网络的响应速度，提高用户互联网浏览体验。相关测试显示，采用HTTP加速后，回传包数量平均减少了35%，前向包数量平均减少了30%，在相同网络规模下，加载所有页面的累积时间平均减少了40%。

◆IP压缩

Ka宽带卫星通信系统中各种业务数据是以IP分组的形式进行传输的，业务数据在形成

IP分组的过程中被层层封装，即在业务数据包前封装传输层报头（TCP报头或UDP报头）、网络报头（IP报头），IP语音业务通常还需要加上RTP报头。

IP报头长度通常为20B（字节），UDP报头通常为8B，TCP报头通常为20B。IP数据包长度较大时，报头开销还可以忍受。在数据包长度较小时，报头的开销非常大。例如一个典型IP电话数据包中，总报头长度为40B，而话音有效载荷的长度通常只有几十B，报头开销占50%以上。同时，对于一路电话业务，数据包报头中的很多信息都是固定不变的，报头存在大量的冗余，这些冗余对于卫星通信带宽来讲是无谓的浪费。IP压缩通过采用VJHC、IPHC、CRTP、ROCCO等算法对IP数据包报头进行压缩，减少IP协议封装引入的额外开销，提高卫星通信带宽利用率。

4 、抗雨衰——保障网络可用度

Ka宽带卫星通信系统容量虽然得到百倍，甚至千倍提升，但由于其工作于17.7-31GHz范围，降雨引起的链路损耗比Ku大得多。在多雨地区，可能达到20dB以上。若不采取相应措施，网络可用度会大大下降，用户体验会较差。

对于Ka宽带卫星通信系统而言，传统Ku卫星通信系统通过预留系统余量对抗雨衰的

做法已不能满足要求。因为，以固定系统余量去克服雨衰影响，在晴天时会造成功率资源巨大浪费，而大雨衰又无法得到完全的补偿，这会使系统性能恶化，甚至造成通信中断。因此，Ka宽带卫星通信系统在信关站和终端站采用自适应传输技术来克服雨衰。

4.1 自适应功率控制

自适应功率控制又称为上行功率自动控制（AUPC），通过监测信号强度并计算链路损耗，来自适应调整发射功率，从而动态补偿雨衰。AUPC可分为前向链路功率控制和返向链路功率控制。

前向链路功率控制利用卫星信标信号的测量值来估算信标下行的雨衰，并推算上行传输链路的衰减值，自动控制控制BUC、HPA调整增益，从而保证信关站发射载波到达卫星接收天线的通量谱密度基本保持不变。

返向链路功率控制旨在保证信关站接收电平维持在一个额定值范围内，同时保证终端站功放输出功率保持在线性区。信关站监测小站SYNC突发的Es/N0值（每秒测量一次），将测量值插入到发送给终端站的前向链路中，终端站利用这一信息来确定如何调整输出衰减。

4.2 自适应编码调制

在A C M出现之前，一般采用固定编码调制（CCM）。为了保证恶劣信道条件下的通信，每条链路都存在一定的裕量，这会浪费宝贵的信道资源。ACM能够根据实时信道条件（信噪比）自适应地改变编码和调制方式。在信道条件好时提供较高的传输速率，在信道质量较差时获得较好的传输可靠性，从而在保证了一定可靠性的前提下，最大限度地利用卫星信道资源。

如图4所示，根据卫星信道条件的不同，分配给终端站的时隙可以位于使用相同或不同MODCOD的载波上。通过自适应调整编码调制，终端站会采用最合适的MODCOD，以在链路状况恶化时获得额外增益，补偿雨衰造成的链路损耗。

4.3 自适应载波速率调整

自适应载波速率调整一般应用于终端站的动态信道功能中，动态信道可根据链路条件将无法利用的高速载波分割为低速载波，获得增益，减小信道浪费。当雨衰消失链路条件变好后，系统可恢复高速链路，如图5所示。

终端站采用自适应载波速率调整可以根据信道与业务的变化，自适应地调整或选择适合的载波速率进行传输。根据终端站链路状况的变化，当链路状况不好时，可以从高速载波分配调整至低速载波来获取增益，链路状况好转也可以从低速载波分配调整至高速载波。如图6所示，根据信道条件的不同，终端站使用的时隙资源能够被分配在具有不同符号速率的载波上，当降雨造成信道条件恶化且上行功率控制无法补偿链路衰落时，终端站可以从256ksps链路跳到128ksps链路，从而获得3dB的功率增益，补偿雨衰造成的链路损耗。

图4 自适应编码调制

图5 卫星通信动态信道

图6 自适应载波速率调整

以上各种对抗雨衰方式的综合应用可使网络可用度达到99.5%以上，基本满足卫星通信公众服务的使用要求。

5 、结束语

目前，卫星宽带通信已进入Ka高通量时代，全球各大卫星运营商均已建设或正在计划开展Ka宽带卫星通信服务。为发展我国的通信卫星及其应用，满足宽带中国、一带一路、普遍服务等国家战略需求，我国也启动了Ka宽带卫星通信系统的研制工作。国内首颗商用Ka宽带卫星——中星16号将于2017年初发射，2017年中即可投入试运行。此外，Ka宽带卫星中星18号预计2019年发射，后续更大容量的Ka卫星也在计划之中。我们相信，大容量、IP化、具有自适应抗雨衰功能的Ka宽带卫星通信将在我国公众通信服务市场中发挥积极的作用，将开启我国卫星通信的新纪元。