第五代海事卫星系统应对雨衰的策略

刘荣和

第五代海事卫星系统应对雨衰的策略

刘荣和

（中国交通通信信息中心，北京 100011）

本文介绍了第五代海事卫星通信系统的基本情况，针对Ka波段卫星通信中雨衰的问题进行了讨论，着重对第五代海事卫星通信系统应对雨衰的策略进行了探讨。希望能为Ka波段通信的发展进绵薄之力。

雨衰；Ka波段；第五代海事卫星

1 引言

第五代海事卫星通信系统为了满足宽带通信的要求采用了Ka波段进行通信，为了降低雨衰对通信质量的影响，针对海上工作环境特点提出了包括全球异地冗余关口站设置、自适应调制与编码技术、Ka/L波段自动切换等技术措施，在应对雨衰的问题上取得了实质性的效果。

2 第五代海事卫星系统简述

该系统利用4颗卫星覆盖全球包括3颗主用卫星及1颗备用卫星，分别部署在欧洲、美洲和亚洲三大区域，这些卫星位于距离地球赤道上空约35,700km的同步轨道上，卫星工作在Ka波段采用全球转发器技术，高性能弯管设计，每颗卫星的额定功率是15kW，设计有89个波束和6个高能力波束可提供72个通信信道和17个动态应用信道，共可支持202个独立用户群体，可提供上行5M下行50M的通信带宽。

第五代海事卫星全球地面网络系统枢纽采用无单点设计，全球共设立主备兼顾的6个地面站关口站，每颗主用卫星对应的洋区下设有主备2个关口站，这6个关口站通过陆地专线分别接入到部署在纽约、悉尼和阿姆斯特丹的网络汇接中心（MMP），最终构成全球地面通信网络。

第五代海事卫星接续系统是依照VSAT通信模式设计，采用的卫星通信系统是新加坡iDirect公司生产的5IF卫星通信系统，采用全IP技术设计，通信体制采用的是DVB-S2（ACM）/A-TDMA（D-TDMA）体制，该系统组网灵活支持星状网、网状网及SCPC等多种网络拓扑模式，卫星带宽利用率高、网络安全性高，支持雨的多样性分析和自适应传输，支持跳频技术与通道间的自动负载平衡，有效的提升了系统的效率。先进的全球网络管理系统可支持全球信号通道无缝切换及卫星切换，提供小于3秒的主数据和次级数据路径之间的故障转移保障了系统的可靠性。

3 卫星通信波段与雨衰

目前，可用于卫星通信的电磁波的频率范围0-50GHz，卫星常用的波段是L/S/C/Ku等波段，目前，第五代海事卫星采用多波束技术工作于Ka波段面向全球提供海事通信服务，全球波束下用户上行通信频段29.5-30.0GHz，下行频段从19.7-20.2GHz，然而降雨对该频段的影响却相当严重。实测结果表明，雨滴的半径约在0.025cm～0.3cm，C波段的电波波长在7.5cm左右，与雨滴半径相差较大，因此受降雨影响较小，一般小于2dB。频率达到11GHz时的雨衰情况最普遍，尤其是在更高的波段如Ku波段、Ka波段，降雨和水份在大气中会衰减信号，并导致信号质量的劣化，这可能会导致减少带宽。Ku波段内电波的波长在2.5cm左右，故降雨对电波产生的影响比较明显，最大可达20dB。第五代海事卫星所用的Ka波段的工作频率从19.2-30GHz，电波波长在0.8cm左右降雨对该波段的影响更加明显信号衰减大约在20dB～40dB。如表1所示。

表1 通信频段受雨衰影响的情况

4 应对雨衰的策略

要保证ka波段卫星通信链路的传输质量，可采用相应的应对措施：

⊙ 地理位置：异地主站设置确保主站能不受

到降雨的影响（针对主站）。

⊙ 链路控制：包括自适应功率控制技术、自适

应调制编码技术、自适应载波速率调整技术等（针对链路、主站及终端站都可以采用）。⊙ 波段切换：Ka/L双波段组合通信（第五代海事卫星应对雨衰独特的设计方案，只针对终端站采用）。

4.1 合理设置主/备站位置

降雨概率有各种模型，根据ITU发布的降水数据（ITU-R pn.837-1），第五代海事卫星系统在充分分析全球降雨情况的前提下确定了6个地面站位置分别是，承载印度洋区业务的希腊Nemea关口站和意大利Fucino关口站，承载大西洋区业务的美国Lino Lakes关口站和加拿大Winnipeg关口站，承载太平洋区业务的新西兰Warkworth关口站和Auckland关口站。每个洋区都有2个地面站互为备用，同一个洋区的2个地面站之间的距离超过500km同时受到降水影响的概率极低，确保了主站服务的通信质量。

图1 I-5卫星主备站位置

4.2 链路控制

链路控制是指从主站—卫星—终端—卫星—主站的整个闭环通信链路的全方位通信控制。第五代海事卫星系统采用全网自动功率控制确保整合网络的功率平衡，根据终端位置、天线的大小和大气条件综合测算整个通信链路的损耗，每5秒钟完成一次终端站的运行状况轮询，从而确定最可靠的通信策略使通信链路达到最佳工作状况。控制过程是由卫星及网络控制中心自动完成的，在链路设计时充分考虑了系统工作效率、用户终端的性能在保障通信质量的前提下尽量减少链路功率冗余一般不会超过5dB。卫星下行链路发射功率EIRP会随着调制和编码的变化而动态调整，并允许通过减少吞吐量以应对因雨衰导致链路电平下降。在主站和小站方面，可通过自动调整上行发射功率控制器来动态增加或减少信号发射强度来保障链路信号的正常。

iDirect-5IF（DVB-S2/TDMA）卫星通信系统具备强大的自适应传输能力，支持自适应编码调制及多种载波速率的解调，每个载波有不同的调制编码方案。在发送功率恒定的情况下，主站可通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，确保链路的传输质量，终端站可以根据载波噪声业务及信道的变化，自适应调整载波速率进行业务传输，通过不同的调制编码组合动态分配最佳的调整编码方式，并动态调整最佳的符号速率最终通过降低通信带宽获得功率的提升。如编码率为1/2的卷积码，当采用维特比译码时其编码增益可提升5dB，从而达到弥补雨衰所带来的衰减问题，通过减少衰减信道的数据速率来增加信道容量，降低速率所带来的增益与速率减少成正比，例如速率减少4倍时增益提升5dB。

图2 iDirect-5IF卫星通信系统

4.3 波段切换

4.3.1 基本原理

第五代海事卫星系统独有的Ka/L波段切换技术，是当前Ka通信领域终端站应对雨率的最佳实践。其思路是在气候正常的情况下采用Ka波段按照正常的策略进行通信，当发生降水时，如果降雨量小属于轻度雨衰则采用传统的功率控制或编码调整等技术进行应对，当降水量大到严重影响Ka波段通信的重度雨衰时将由系统自动切换到L波段进行通信，一旦气候有所好转且满足Ka通信的要求时系统便会自动切回Ka波段进行通信，如图3所示。

图3 I-5卫星雨衰Ka/L波段切换

4.3.2 实现方案

Ka波段切换到L波段应对雨衰的策略是在终端站实现的，要实现这两个波段之间的智能切换通信，就需要用户配备相关波段的通信设备，最基本的实现方式是用户使用3台套件组建Ka/L波段通信网络来自动完成Ka/L波段的智能通信。所需设备如下：1台NSD（Network Service Device）智能网络设备用于实现频段的自动切换；1台Ka-Vsat（五代星终端）设备用于进行五代星宽带通信；1台L-Bgan（四代星终端）设备用于进行四代星（0.5M带宽）通信。

NSD设备是以太智能网络交换机用于进行网络智能分析，是Ka/L波段自动切换的核心设备，它具备1个网管接口用于进行设备配置与管理、2个模拟电话接口可用于连接话机、3个虚拟局域网接口用于连接海事卫星通信设备、模拟和广域网的接口卡用于设备功能扩展。NSD通过PPPoE协议连接到L-Bgan终端，通过Dot1q协议连接到Ka-Vsat终端，控制Ka波段及L波段设备的运行，NSD默认通信网络路由是运行在Ka波段通信网。如图4所示。

图4 NSD设备实现方案

主站可通过NSD设备进行远程网络配置管理、服务的可用性分析，同时对通信网络的运行状况进行实时监测，通过监测结果控制用户设备工作在最佳的状况。在正常的天气情况下，NSD设备控制Ka-Vsat终端通过I-5（第五代海事卫星网络）卫星通信网络进行语音、数据等通信，L波段设备保持在备份状态，同时NSD设备会实时自动检测来自Ka-Vsat终端设备及L-Bgan终端设备的运行状况特别是信号强度、信噪比等重要参数，当I-5卫星通信网络因严重雨衰导致电平下降且无法工作时，NSD设备会将L-Bgan设备无缝自动切换为主用状态，使用I-4网络继续提供通信服务从而保持通信的正常进行，当I-5卫星通信网络信号恢复正常时NSD同样会无缝自动将I-5网络恢复为主用状态。

5 结束语

目前，越来越多的国家把注意力和研究重心放在了Ka频段宽带卫星通信的开发运用上，然而Ka波段的雨衰问题是任何一个Ka系统都无法避免的问题，在Ka波段卫星通信系统中，单独采用某一种方法可能并不能完全有效地对抗整个链路的雨衰，这就需要形成一个完善的自适应抗雨衰方案，才能尽量减少雨衰对Ka波段卫星通信系统的影响。第五代海事卫星通信系统所采用的主站异地设置、链路电平自适应技术特别是KA/L波段自动切换技术等抗雨衰系列方案，给Ka波段在应对雨衰的问题上给出了最佳方案，通过本文对这些方案的简要介绍希望能为我国Ka通信领域的发展提供参考和借鉴。

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[6] Inmarsat五代星相关资料

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.006

TN919.8文献标示码：A

1672-7274（2017）07-0014-03