基本介紹
- 中文名：Ka頻段衛星通信
- 外文名：Ka-band satellite communication
- 類型：通信名詞
背景,Ka頻段衛星通信系統概述,Ka波段寬頻衛星通信系統技術特點,Ka頻段寬頻衛星通信套用,Ka頻段衛星的潛在套用分析,
背景
作為無線通信的特定形式，衛星通信使用到的頻段有很多，目前涵蓋L、S、C、Ku、Ka等頻段。一般來說，頻段越低，電波進入雨層中引起的衰減越小，繞射能力越強，對終端天線的方向性要求也低，較適合用於移動通信環境，但缺點是頻寬較小。而頻段越高，情況正好相反。早期使用的L、S頻段就處於低端，傳遞話音、文字等低速信息不成問題，但很難滿足當今社會多媒體視頻等寬頻內容的傳輸需求。而C、Ku頻段相對較高，它們傳輸容量較大，是目前衛星通信領域的主流頻段。
套用Ka頻段衛星通信的原因
為什麼世界各國都在爭相開發、套用Ka頻段的衛星通信？主要有兩方面原因。一是C和Ku頻段的衛星軌位十分緊張，地球赤道上空有限的地球同步衛星軌位幾乎已被各國占滿；這兩個頻段內的頻率資源也被大量使用，這迫使人們尋找、開發更高頻段來滿足新的通信需求。二是Ka頻段衛星通信優勢明顯，具體體現在三個方面：其一，Ka頻段工作範圍為26.5~40GHz，遠超過C頻段（3.95~8.2GHz）和Ku頻段（12.4~18.0GHz），可以利用的頻帶更寬，更能適應高清視頻等套用的傳輸需要；其二，由於頻率高，衛星天線增益可以做得較大，用戶終端天線可以做得更小更輕，這有利於靈活移動和使用；其三，運用多波束技術和相控陣技術，可以讓衛星上的天線靈活地改變指向，以滿足對多點通信和星上交換的套用需要。
Ka頻段衛星通信系統概述
Ka頻段寬頻衛星通信系統概述如下。
（1）通信頻率範圍。位於國際衛星通信第三區的我國其可用Ka波段劃分為：衛星上行頻率27.5~31GHz，下行17.7~21.2GHz，總頻寬3.5GHz。
（2）通信衛星運行軌道。在3.6萬公里同步軌道及小於5千公里低軌位置都有Ka波段通信衛星在軌運行，如法國Ka-Sat寬頻通信衛星和“銥星”系統星間鏈路Ka波段通信系統。
（3）Ka波段寬頻衛星通信的優勢。
1）寬頻高速。總頻寬達到3.5GHz，而C、Ku波段則只有500~1000MHz的頻寬。ViaSat-1全Ka波段衛星通信總容量達到了140Gbps，為Ku波段衛星容量的100倍以上。
2）抗干擾性能優越。由於各種干擾源其頻率都遠離Ka波段，所以不可能對Ka波段衛星通信造成任何干擾。
3）天線口徑小。Ka波段衛星轉發器使用蜂窩狀多點波束具有較高的EIRP值，通信頻率高在使用相同尺寸天線接收時能獲得比C、Ku波段更高的天線增益。這些特性使Ka波段天線尺寸可以做得很小。
4）遠端設備小巧。遠端設備體積小重量輕，非常適合新聞記者在各種應急情況下外出採訪時使用。
5）安裝開通方便快捷。設備開通對外部安裝環境要求低，天線架設占地很小，安裝開通十分方便快捷。
Ka波段寬頻衛星通信系統技術特點
Ka波段寬頻衛星通信系統技術特點如下。
（1）採用高階調製技術。QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高階調製方式在Ka波段衛星通信系統中得到普遍套用。高階調製可有效提高頻寬利用率，獲得較高的通信速率。如8PSK比QPSK可提高33%頻寬利用率。
（2）DVB-S2標準的套用。DVB-S2較之DVB-S可減少30-40%的衛星資源占用。如10Mbps速率時DVB-S2占用4.6MHz頻寬，DVB-S則占用8.4MHz頻寬，二者相差45%。
（3）通信衛星採用多波束蜂窩狀覆蓋天線。這是相對C、Ku波段使用賦形單波束覆蓋天線一個顯著技術特點。採用多波束頻譜利用率高，可有效提高衛星的EIRP、G/T值和系統容量等。
（4）星上使用功率動態分配器。根據實時監測情況可向業務繁忙的點波束或有雨衰區域的點波束髮送較大功率。
（5）採用透明轉發器或處理轉發器。現在大多數Ka波段通信衛星使用透明轉發器，近年來出現了少量採用比較複雜的帶交換處理功能的轉發器。帶有ATM處理器的轉發器為有多種業務接入需求的用戶帶來了方便。
（6）高效實用的抗雨衰技術。雨衰對10GHz以下頻率無線信號的衰減相對較小，而對Ka波段無線信號的衰減則比較大。為解決困擾Ka波段衛星通信的雨衰問題，採用了上行功率控制技術、自適應技術、分集接收技術、多波束功率控制技術等來減少雨衰的影響。從實際套用情況來看，其中幾種技術手段用的最為普遍，效果比較理想。
1）上行功率控制技術AUPC。
衛星通信主站為應對雨衰對信號的衰減，在主站設計時預留有一定的上行功率冗餘，當降雨時對上行鏈路信號衰減進行估算，依此相應的增加發射功率，使衛星接收電平保持在一定範圍內。實際工作中主站還實時接收VAST小站回傳的C/N報告信息，並根據它自動控制小站上變頻功放功率的動態增加或減少。
2）自適應技術。
（a）ACM——自適應編碼和調製。自適應編碼和調製技術僅對正在遭受雨衰的VAST小站而不針對全網進行編碼和調製的自動調整。在出現陰天或降雨時，根據小站C/N報告，動態分配VAST小站採用更可靠的調製和編碼模式。例如從晴天的16APSK 9/10降到陰天的8PSK 5/6或雨天的QPSK 1/2，降雨結束後自動返回到晴天頻寬效率最高的調製和編碼模式。
（b）VCM——可變編碼和調製。VCM是一種人為改變編碼和調製的方式，主要在單向接收模式下因為沒有危險回傳的測試信息，ACM功能無法使用，以及一些需要固定編碼和調製的業務套用時使用。衛星信號強弱波動變化時可結合天線尺寸人工設定編碼和調製。
（c）DLA——動態鏈路自適應技術。DLA技術通過變化的入境鏈路信號強度來調整調製和編碼方式，可動態地消除不必要的雨衰冗餘。晴天使用頻寬效率最高的符號速率和編碼，下雨時自動改成較低的編碼率FEC和自動跳轉到較低符號速率的載波。它能降低小站上行20%，入境18%的頻寬資源。
Ka頻段寬頻衛星通信套用
Ka頻段寬頻衛星通信套用概況如下。
Ka頻段寬頻衛星通信具有高通量、低成本、廣覆蓋、終端小等優勢特點，且通常採用星狀結構、彎管透明傳輸機制，特別適合開展IP類業務，如網際網路寬頻接入業務、IP中繼業務、企業網延伸等。目前最主流業務為面向家庭的衛星寬頻接入業務。另外也可套用於基站數據回傳業務、機載業務、新聞採集、電視點播等其他領域。隨著Ka技術的不斷成熟，各種套用將會越來越多。
Ka頻段寬頻衛星通信系統套用的業務分類如下表1所示。
業務名稱 | 業務範圍 |
|---|---|
B2B或B2C | 衛星寬頻接入 |
B2B | 基站數據回傳，IP數據中繼 |
企業網 | |
視頻業務（點播、回傳） | |
移動目標的通信（機載、漁船） |
Ka寬頻衛星的主要業務為面向個人或家庭的寬頻接入業務。利用衛星實現寬頻接入業務並非新業務，使用傳統Ku頻段完全可以實現寬頻接入，但下載速率慢。第一代Ka頻段寬頻衛星系統，如早期的Direct-PC系統等，基於大波束的Ku轉發器，下載速率在256kbit/s以下，可以提供網頁瀏覽、Email等簡單業務。第二代Ka頻段寬頻衛星系統如“網際網路協定星”、“狂藍”（Wildblue）、阿尼克-F2等，下載速率在256kbit~4Mbit之間，可以提供簡單的視頻業務。由於大型Ka頻段寬頻衛星的投入使用，第三代Ka頻段寬頻衛星寬頻產品可以提供超過12Mbit的下載速率，其他一些高速視頻業務，均可以通過衛星實現。
衛星寬頻接入業務的發展歷程如表2所示。
業務類型 | 第一代 | 第二代 | 第三代 |
|---|---|---|---|
網頁瀏覽 | √ | √ | √ |
檔案交換 | √ | √ | √ |
IP電話 | × | √ | √ |
視頻點播 | × | √ | √ |
視頻會議 | × | × | √ |
基於網路的電視 | × | × | √ |
互動遊戲* | × | × | × |
除了個人寬頻接入業務，Ka頻段衛星也用於其他領域，如電視節目回傳，機載業務，網際網路協定中繼業務等。
Ka頻段衛星的潛在套用分析
Ka頻段寬頻衛星通信網路所承載的業務，實現了從低速的數據及話音到全新的、高速的、互動式的網際網路和多媒體業務的轉變，並幾乎覆蓋了所有通信和廣播電視領域。
寬頻通信衛星正引領著衛星通信的重大變革，而多業務覆蓋的寬頻高效率智慧型的衛星通信平台時衛星通信總的發展趨勢，K波段寬頻衛星通信則代表了這種發展趨勢。
Ka波段寬頻衛星通信主要套用在傳統的高清HDTV傳輸、寬頻數字通信等方面，隨著多顆不同軌道Ka波段通信衛星的陸續發射升空以及各種大寬頻新業務需求的出現，Ka波段寬頻衛星通信在這些領域得到套用。
（1）3D電視信號傳輸。
（2）Ka波段衛星移動通信。
（3）空中Ka寬頻WI-FI。
（4）Ka頻段寬頻衛星通信在機載通信中的套用。
基於Ka頻段寬頻衛星的機載通信與傳統Ku頻段、海事BGAN或者地面基站方式相比具有較大的優勢。因為飛機在萬米高空飛行不會受到雨雪因素的影響，完全克服了Ka頻段降雨衰減大的缺點，利用Ka頻段寬頻衛星的機載通信可獲得更高速率、更低價格、更優性能和更佳的用戶體驗。
（5）Ka頻段寬頻衛星在應急通信方面的套用。
Ka頻段寬頻衛星利用其覆蓋廣、終端小、成本低、建設快及抗災害能力強等優勢特點，可構建起一個覆蓋城鄉村的全方位、無縫的全國應急寬頻衛星通信網路。Ka頻段寬頻衛星網路一方面可以滿足用戶日常的通信和多媒體業務套用，另一方面可用作自然災害發生時的應急通信保障手段。這種“平戰結合”的通信方式，可大大提升廣大農村地區的應急通信保障能力。
（6）Ka頻段寬頻衛星在石油、煤炭等野外作業的套用。
（7）內容分發市場的套用。
（8）軍事通信領域的套用。
