Ka及更高頻段衛(wèi)星通信地面關口站技術(休斯)_Dec42013

1、 Ka及更高頻段HTS衛(wèi)星通信地面關口站技術休斯中國市場部1.介紹應用點波束和頻率復用技術，Ka頻段高吞吐量衛(wèi)星（HTS）通信系統支持更高速率的互聯網接入，更復雜的交互式服務（如VoIP、視頻會議、遠程教學和數字標牌），相應地，其配套地面關口站的架構和能力也需要進行提升。本文以休斯Jupiter系統關口站為參考探討這方面的問題。2.Ka衛(wèi)星網絡架構基于Ka頻段地球同步軌道衛(wèi)星的通信網絡通常采用由關口站、遠端小站構成的星形結構（如圖1所示）。關口站的容量通常很大，配置大口徑天線，連接地面電信網絡和衛(wèi)星饋電波束。遠端小站通過雙向寬帶衛(wèi)星電路與關口站進行通信，用戶數據從小站傳到關口站，再傳輸至地面網

2、絡；回程數據在反方向傳輸。通常衛(wèi)星鏈路是不對稱的，從關口站到小站比反方向有更多的流量。圖1Ka頻段衛(wèi)星通信系統架構采用與地面移動蜂窩網（如GSM）類似的技術，采用點波束架構的Ka頻段衛(wèi)星在點波束之間重復使用所分配的頻譜，從而使自身的通信容量成倍增加。一顆Ka頻段地球同步軌道衛(wèi)星支持較多數量的用戶波束（48個或更多），星上天線的方向性指標決定這顆衛(wèi)星的通信容量大小。要最大化使用小站覆蓋區(qū)域的頻率資源，其配套的關口站必須也要有相應的頻譜分配。通常的Ka網絡是4個用戶點波束對應一個特定的關口站波束，這樣的組合使用所分配的全部頻譜?？紤]到衛(wèi)星天線的性能，不同的關口站波束之間要有一定的地理位置間隔。在建

3、設Ka衛(wèi)星網絡時，關口站的建設位置選擇非常重要，需要注意多方面條件能否滿足。每個關口站地點要有互聯網光纖接入，要有充沛、可靠的電力供應；最好是在一個低降雨區(qū)，以保證饋電波束的鏈路可用度；關口站地點最好選擇在業(yè)務量密度較稀的區(qū)域，以讓關口站擁有更多的帶寬。通常所有饋電波束頻譜都分配給關口站使用，但在某些情況下，與關口站位置鄰近的小站可以使用一部分關口站的頻率資源。假設一顆有48個用戶點波束的Ka衛(wèi)星，每波束帶寬500MHz,全網采用圖1所示的4X頻率復用模式。圖2是關口站上行鏈路的可用頻段，在每個極化方向4個250MHz頻段形成1GHz帶寬，這樣關口站總共有2GHz的上行帶寬。一個關口站支持4個

4、500MHz的用戶點波束，全網48個用戶點波束共需要建設12個這樣的關口站。2&.SS23.G022530X0GHzGH2茁HeGHzPOL1250MHzQand250MHzSand250MHzBand250MHzBandPOL2250MHzBand250MHzBand250MHzBand250MHzBand圖2上行鏈路頻率分配地面關口站架構圖3展示了一個關口站的主要設備構成及其連接示意圖。關口站設備主要有兩部分室內基帶設備天線和室外射頻設備基帶設備：基帶設備包括調制和解調設備、系統時鐘單元、中頻分配電路、倒換開關、關口站服務器，與地面互聯網之間的接口設備等。通常的數據中心(DataCente

5、r)機房就適合于放置關口站室內基帶設備。關口站的調制器發(fā)射DVB-S2載波到每個點波束；解調器解調從每個小站發(fā)射的TDMA回傳載波;時鐘單元提供時鐘信號給關口站的調制器和解調器，從而使全網小站與關口站保持時鐘同步，每個小站都在最精確的時刻進行TDMA突發(fā)。關口站中的部分服務器執(zhí)行IP數據處理和Web加速功能。IP處理功能給小站分配所需的衛(wèi)星帶寬,Web加速補償因與地球同步軌道衛(wèi)星之間的距離而導致的長傳輸時延，以提升用戶的互聯網瀏覽體驗。關口站通過光纖接入ISP的接入點，進而并入Internet骨干網。關口站的服務器、調制器和解調器之間通過高端交換機來實現數據的快速流動。一個關口站中所有的電源分

6、配單元、開關部件、數據和IF接口設備、調制器、解調器、時鐘分配單元和服務器都是冗余配置，整個關口站不會因單點故障而引起服務中斷。射頻設備：為充分利用Ka衛(wèi)星饋電波束的EIRP、G/T性能，要盡量將中頻和射頻部件安裝在關口站天線饋源艙（AntennaHub）內。這樣的安裝方式減短波導、同軸電纜的連接長度，最大化地保證端到端射頻信號指標，同時也方便對射頻設備的維護操作。上變頻器（BUC）通?？拷麳PA安裝，它們之間通過Ka頻段波導連接。低噪聲放大器（LNA）靠近天線饋源口安裝，以提高關口站的G/T性能。為獲得高可用度，RF系統通常作冗余配置，在示例中上行和下行電路均采用1:2冗余。當然，綜合系統可

7、用度要求、安裝空間大小等因素，也可以有其它不同的冗余設計。大多數的天線組件位于室外，包括反射面、天線支撐件、仰角和方位角電機和驅動電子設備、饋源雨偏系統（feedraindeviatorsystem）、除冰系統、交流配電、輻射計（如果需要的話）。 # (1：2RedundarcyEnampleShwn)HubThermalSystemSyglemCommaIrltflrfiM*MainandSubReflectorAntennatrueLireAz舊Motors&DriveFeedRainDeMatarDe-rcsEquipmentACP-owerDistributionRadiometerB

8、asebandEquipment(IndoorSheltered)Corrtbining&SwitchingRFEquipment(AntennaHubandOutdoor)0MonilorandControlSeiveifsModulatorEquipment1!NIPProceMrMNSystemTirrtingDemodulatorEquipment1NInternetAcms$Switch加為少MomiorDi$tributiC|niaBDCIBDCSwitchBDC|Switch&Coupi&rsBeaconReoeivrEquipment # 圖3Ka-band地面關口站設備連接示

9、意圖關口站基帶設備riuunE由于相當數量的Ka關口站要部署在地理位置分散的偏遠地區(qū)，比傳統Ku系統相比，Ka關口站需要有一些特殊的能力，例如關口站要支持無人值守，要能進行遠程管理；關口站要有全面的故障檢測功能，設備要冗余配置；不能因單點故障而破壞整個服務，系統要能自動檢測故障，自動切換到冗余部件。Ka衛(wèi)星的高容量也給關口站設備的體積和造價提出了挑戰(zhàn)。部署高處理能力、高容量的地面關口站設備可以縮減體積，降低每用戶成本。4.1高處理能力為了解決以上提及的問題，休斯與HP(惠普)合作，整合最先進的數據中心(DataCenter)技術和最先進的衛(wèi)星通信技術，形成一個面向未來的模塊化、可擴展架構。此架

10、構可以充分應用數據中心的虛擬化技術，支持網絡規(guī)模的不斷發(fā)展。數據中心的高密度特性使Ka關口站比Ku頻段的主站還要小很多。 # HP的數據中心硬件采用刀片系統架構，在強大的處理密度和高電源效率基礎上，HP又融入了卓越的管理和冗余能力。每個HP機箱可安裝多達16臺雙核刀片服務器，形成一個高度密集、可靠的計算平臺。機箱中的每臺服務器與2臺無阻塞交換機之間形成全冗余的4OGB以太網連接。數據中心的其它冗余特性包括每個機箱配置6個電源模塊和10個風扇。每個HP機箱配置1:1冗余的機箱控制器(OA,OnboardAdministrators),通過OA可以管理各個處理和開關部件，并可以對部件進行軟件更新。

11、OA監(jiān)視各部件的運行狀態(tài)，能顯示整個機箱溫度、散熱和電源子系統運行狀況等信息。4.2高容量衛(wèi)星調制/解調器關口站的調制器和解調器能直接安裝至HP機箱。通過OA可以管理調制器和解調器。采用最先進的DSP/FPGA技術，休斯Ka關口站的調制器和解調器擁有比Ku系統更高的傳輸吞吐性HUFUHE能、更低的每用戶開支。FPGA技術支持通過軟件升級來擴展模塊功能，而應用PCIe總線的HP刀片服務器保障高容量傳輸所需要的強大處理能力。休斯關口站的每塊調制器支持速率超過IGbps的出向調制載波，每塊解調器支持速率超過100Mb/s的入向載波。這些部件支持M:N的冗余配置方式。執(zhí)行IP處理、WEB加速、加/解密

12、的刀片服務器可以安裝在機箱其它位置上。圍繞著這個混合刀片架構的是全冗余的L-band信號和時鐘分配系統。與刀片架構中的其它部件一樣，這些部件的故障檢測、工作溫度跟蹤和軟件升級也被集中管理。通過監(jiān)視被L-band分配和開關系統環(huán)回的主用調制器信號輸出，可以判斷出向電路是否正常工作。同樣，系統監(jiān)視備份調制器的信號輸出，以確保它們工作正常，可以隨時接替主用調制器。備用解調器一直監(jiān)視入向載波的工作狀態(tài)，并判斷它們是否正常。這些冗余和工作狀態(tài)監(jiān)視功能的組合得模塊化系統高可靠運轉。5.RF設備以前一顆Ku衛(wèi)星容量為數百MHz,而Ka頻段關口站饋電波束的帶寬就達數GHz。傳統Ku衛(wèi)星轉發(fā)器為36MHz、72

13、MHz帶寬；而今天的Ka衛(wèi)星轉發(fā)器帶寬為250MHz，甚至更大。為支持更高頻率、更寬容量的Ka頻段，必須要提升關口站RF系統的性能，包括改善增益平穩(wěn)度和相位線性指標，減小波導損耗，以及針對大帶寬的精確上行雨衰消除技術。5.1改善關口站上行性能寬載波可以充分利用Ka衛(wèi)星轉發(fā)器的高帶寬資源。為保持寬載波調制后的信號整體性，上行鏈路的各個主要部件都要符合嚴格的幅度和相位響應指標要求。關口站的整個傳輸環(huán)節(jié)，包括中頻（IF）和射頻（RF）部分，都要保證250MHz（衛(wèi)星轉發(fā)器）帶寬上的幅度、群時延和相位響應的性能。25T1iSQMHr2礦Xuu1二前皓270517ffi7MS5Phase*Pha-dkv

14、ieipnfrornbtStfitHri春圖5顯示關口站對振幅、群時延、相對于線性響應相位偏差的端對端指標要求。ItemGatewayRequirementAmplitudeVariation1.0dBpeak-to-peakover260MHzGroupDelayResponse0.4nSpeak-to-peakover260MHzPhaseDevialionfromLinear和peak-to-peakover250MHz 圖5關口站的端對端振幅、群時延、相對于線性響應的相位偏差特性要確保盡可能低的幅度和相位失真。在評估全路徑性能指標時要考慮關鍵部件和它們之間的電路連接，例如：要對信號傳輸

15、全程中的每個設備建模，并做性能分析要明確所有部件（包括上變頻器、高功率放大器）的關鍵性能參數取值部件間的接口要滿足最低的電壓駐波比（VSWR）同軸電纜和波導要支持最佳的幅度平坦度和相位響應指標斜率均衡器對每單個器件、整個集成系統都要做100%的性能驗證。減小波導損耗設計物理連接時，要盡量將Ka頻段信號元器件的安裝位置靠近天線饋源口。與其它低頻段相比,Ka頻段關口站射頻設備的安裝位置非常重要，一個重要原因是波導元件的插入損耗變大了。30GHz/Ka頻段的波導損耗通常為每米0.4dB,而14GHz/Ku頻段的波導損耗為每米0.2dB。盡量將高功率放大器（HPA）安裝在靠近天線饋源口的位置，這樣可以

16、有效地解決波導插入損耗的問題，同時又提高了關口站的EIRP值，進而有助于優(yōu)化整個Ka頻段系統的性能。波導可以低損耗地在主要部件之間傳送寬帶Ka頻段信號。通常情況下HPA和天線饋源口之間的標稱插入損耗是0.8dB,其中包括：波導組件損耗0.4dB冗余倒換開關損耗0.14dB定向耦合器損耗：0.26dBKa關口站的精確上行雨衰消除與Ku頻段相比，Ka頻段的信號更容易受降雨的影響。當關口站的饋電波束遭受惡劣天氣時，關口站的上行功率控制單元分析接收到的信標信號變化，相應調整上行衰減器的設置，從而使衛(wèi)星接收的關口站上行信號通量密度維持不變。但Ka頻段的寬載波特性帶來了新的要求。見圖6,信標通常位于Ka系統的下行20GHz頻段，發(fā)生雨衰時，上行功率控制單元檢測信標值的減少量，進而計算針對整個上行鏈路所需要的增益調整值。但由于Ka系統的上行頻段太寬（約2GHz），為使衛(wèi)星接收的上行通量密度維持恒定，整個2GHz上行頻段的不同頻率部分所需要的增益調整幅度是不一樣的。與簡單、一視同仁的上行功率調整方法相比，針對具體頻率的精確控制技術能做到數十分之幾dB的功率調整精度。SignalAttenuationCausedByRainFrequency20GHzSatell