第一情报 ---信息产业

固定卫星宽带接入系统(7):具备空间处理能力的宽带卫星案例研究——UKSAT-10

可进行固定卫星宽带连接的相关技术正在部署实施之中,“Broadband1 access by fixed-satellite service systems(由固定卫星业务系统所提供的宽带接入)[1]附录2”部分就提供了一这样一个实例。

 

1、引言

 

2007年初,UKSAT-10通信卫星发射升空并提供固定卫星业务FSS,其所采取的上行频段为29.5 GHz~30 GHz、下行频段为19.7 GHz~20.2 GHz。该卫星网络所提供的通信业态包括高速宽带接入、窄带数据传送、视频会议、高容量双向通讯、可管可控型网络以及基于IP(因特网协议)的各类信息娱乐服务的直接到户[1]

 

UKSAT-10通信卫星所采取的是空间/星上信号处理技术,这就使得来自任何上行波束的信号可以通过星上数据包/分组交换机被动态地路由至相应的下行空间链路。相关过程为:在轨的UKSAT-10接收到上行信号之后,先对其进行射频解调,然后根据其中数据包/分组头部信息中的目的地地址等进行重新/再打包,然后将其转发至目的终端。可见,如果采取此种运行/工作模式,就不再需要部署传统意义上的卫星转发器。

 

UKSAT-10的波束是由一个由1500幅有源天线所组成的相移阵列所产生的,其中包括896个上行链路半环组合以及784个下行链路半环组合。相关系统混合式地部署了波束隔离技术、LHCPLeft-Hand Circular Polarization,左旋圆极化)技术以及RHCPRight-Hand Circular Polarization,右旋圆极化)技术,以在可接受的同极化系统内干扰以及计划间系统内干扰水平内,提高无线频谱资源的复用效率。

 

基于期望之中的系统可用性以及优选的无线数据传输速率,多种类型的用户终端天线可用于通过该系统的相互通信。目前,大多数在用的地球站蝶形天线,其直径在0.75米到3.5米之间。在实际的应用之中,需选择适当尺寸/规格的天线来确保用户能获得满意的网络可用性、业务性能体验以及所需的无线数据传输速率。

 

此外,UKSAT-10通信卫星的总体容量取决于多个因素。例如:用于下行链路中的相移天线阵列能够在卫星点波束之间或者卫星宽域波束之间动态地进行数据交换。其中,相比于卫星宽域波束模式,卫星点波束工作模式下的无线数据传输速率要更大一些,从而,相关的系统容量也就更大一些。然而,在实际的运行之中,相移天线阵列可以根据其所传输的数据流量类型,对于点波束覆盖以及宽域波束覆盖进行不同时间的处理,由此,整个通信系统的总容量就是一个变值。根据实际运行数据,一般而言,UKSAT-10通信卫星可获得超过10 Gbit/s的总体容量。

 

2、频率规划与极化规划

 

1)总体

 

UKSAT-10通信卫星的上行链路以及下行链路均采取全FSS(固定卫星业务)频率指配/分配——均可接收29.5 GHz~30 GHz全频段内的上行信号,并将其通过19.7 GHz~20.2 GHz下行频段进行转发。UKSAT-10的下行与上行数据传输通过空间/星上信号处理器进行严格的隔离。而为了实现这种类型的运行方式,每一个上行波束均采取FDMA(频分多址接入)/TDMA(时分多址接入)技术机制,而下行链路方向则要么采取多个跳频的点波束、要么采取一个宽域卫星波束。从而,在轨的UKSAT-10通信卫星据并未也无需搭载传统意义上的星上转发器。

 

考虑到下行方向工作于19.7 GHz~20.2 GHz频段的天线所采取的是相移阵列的形式,就可以产生出几乎无限大数量的波束配置方案。这种相移天线阵列既被用于进行RHCP(右旋圆极化)的无线数据传输,又被用于进行LHCP(左旋圆极化)的无线数据传输,并可同时产生出高达24个的具有0.5度宽度的卫星点波束,或者产生出一个宽域卫星波束。星上波束的极化与位置、路由至任何一个给定的无线信道或波束的实际输入信道等,均可从地面站进行灵活控制。但是,其中会受到系统内干扰的限制。

 

2)上行链路的无线数据传输

 

29.5 GHz~30 GHz上行物理频段内,UKSAT-10通信卫星分别支持三种无线数据传输速率:520.83 kbit/s2.083 Mbit/s以及16.666 Mbit/s,所采取的是FDMA(频分多址接入)-TDMA(时分多址接入)技术机制。

 

该频段内共有30 GHz-29.5 GHz=500 MHz的物理频宽资源,UKSAT-10通信卫星运营商将其分为8个子带,每个子带的物理带宽就为:500 MHz÷8=62.5 MHz。其中,每个上行卫星波束均可根据相关需求接入到任何一个子带之中,如图1所示。

 

上行子频段的规划示例[1]

 

而又如图2所示,上行波束网格中采取相同极化方式(左旋圆极化或者右旋圆极化)的临近信道将使用其他子带来承载无线电信号。卫星一旦接收到之后,上行信号就通过62.5 MHz宽度子带或者信道的带通滤波器进行初步的射频信号处理。图2中,黄色部分所代表的上行波束采取左旋圆极化,蓝色部分所代表的上行波束采取右旋圆极化。另外,星上接收系统图的噪声温度为650 K

 

2  UKSAT-10通信卫星的星上卫星波束接收阵列方向图(六边形)[1]

 

3)下行链路的无线数据传输

 

19.7 GHz~20.2 GHz下行物理频段内,UKSAT-10通信卫星的24个具有0.5度宽度的多跳点波束,均处于全天候运行状态(通过有源功率控制机制)。这些下行点波束运行于最低所需的EIRP(等效全向辐射功率),并在不同地理覆盖区域的晴天及雨天环境之中以理想的性能阈值于波束峰值处关闭掉下行链路。而且,在每个下行波束之中,所传输的是单个宽带400 Mbit/s射频载波。下行波束仅在相关地域的用户终端有相关需求之时才会提供相关服务。

 

3、天线增益等值线

 

1)用于上行链路无线数据传输的波束

 

29.5 GHz~30 GHz上行物理频段内,UKSAT-10通信卫星可容许地球表面上的112个小区同时进行通讯,并组成如上文图3之中的既具有右旋圆极化又具有左旋圆极化的覆盖模型示例。

 

其中的一个具有代表性的实例如图3所示,其为位于94.95°W.L.空间的轨道(UKSAT-10通信卫星)的点波束覆盖图。所有的上行点波束均可随时地同时被激活。虽然该通信卫星有9个上行波束位于美国本土之外,但是,截至目前,相关容量尚未得到实际使用。

 

位于94.95°W.L.位置的通信卫星(UKSAT-10)目前的上行点波束配置图[1]

 

2)用于下行链路无线数据传输的波束

 

19.7 GHz~20.2 GHz上行物理频段内,UKSAT-10通信卫星有一个由1500幅有源天线所组成的相移阵列,之中的每一幅天线均由一个固态的功率放大器模块来进行驱动——这些功放模块的最大输出功率一共分为三大等级,分别为1.06瓦、0.45瓦以及0.11瓦。之所以进行如此划分,是为了将星载天线的旁瓣电平性能发挥到最大的水平。采取相关工作模式的有源天线可以在任何一个下行链路小区的中心位置产生出70.9 dBW的最大等效全向辐射功率,并在其边缘位置产生出70.2 dBW的最大等效全向辐射功率。

 

UKSAT-10通信卫星的星载相移天线阵列是极为灵活的,而且可以通过地面站进行智能的配置与控制,以产生出多个所需的宽度为0.5度的下行点波束、单个宽域卫星下行波束或者期间的虚拟的任意波束组合。于此种配置模式之下,0.5度的下行波束被引导指向至位于地球表面的单个小区(其空间间隔距离为0.19度)。如图4所示,下行小区与上行小区覆盖区域可以进行重叠及同步——其中,每个上行小区对应相应的7个临近下行小区。

 

下行小区配置与上行小区配置之间的关系[1]

 

4、无线链路情况及性能

 

UKSAT-10通信卫星的所有下行通信链路均采取FECForward Error Correction,前向纠错编码)编码技术。在下行链路方向,19.7 GHz~20.2 GHz频段内的通信链路分别可采取167 MHz125 MHz以及500 MHz的物理频宽。

 

此外,在上行链路方向,通过采取QPSK(正交相移键控)的衍生调制方式以及前向纠错编码技术,UKSAT-10卫星网络支持从520.8 kbit/s16.666 Mbit/s的各种上行无线数据传输速率——相应地,所需的上行信道物理带宽分别为651 kHz以及20.8 MHz,无线频谱资源利用效率就分别为0.8 bps/Hz以及0.80125 bps/Hz。另外,相关的上行无线数据传输速率还取决于传输天线及其相应发射机的规格、地面接收点是否处于雨林地区、地面接收天线的仰角、与卫星接收波束增益等值线相关的发射天线的位置。此外,采取功率控制算法低于通信卫星上行链路的性能也是有所裨益的。

 

以下分别对点到点通信链路的预算进行示例说明,其中对于上行及下行卫星链路的可用性的假设值均为99.5%。而且,无论是对于上行链路还是下行链路,相关分析之中,均包括来自临近卫星信号干扰的影响,以用于评估相关的卫星通信系统是否可以以容许的C/C+I)阈值获得各种无线数据传输速率效果。

 

1)晴天场景之中的通信卫星上行链路预算

 

蝶形天线直径0.74米;上行物理带宽0.651 MHz;法兰盘出的信号功率-3.0 dBW;蝶形发射天线增益45.6 dBi;等效全向辐射功率42.6 dBWATM损耗0.8 dBFSL(快速单连接)213.5 dB;雨衰0dB;卫星天线增益(峰值)50.1 dBi;卫星天线增益(面向蝶形发射天线)44.6 dBi;卫星噪声温度650°K;卫星G/T(网络覆盖范围的边缘位置)16.5 dB/K;载噪比15.2 dB;系统内的载波干扰比11 dBC/C+I)总值8.8 dB;所需的C/C+I)数值7.7 dBC/C+I)裕量值1.1 dB

 

2)雨天场景之中的通信卫星上行链路预算

 

蝶形天线直径0.74米;上行物理带宽0.651 MHz;法兰盘出的信号功率-7.3 dBW;蝶形发射天线增益45.6 dBi;等效全向辐射功率52.9 dBWATM损耗0.8 dBFSL(快速单连接)213.5 dB;雨衰0dB;卫星天线增益(峰值)50.1 dBi;卫星天线增益(面向蝶形发射天线)44.6 dBi

;卫星噪声温度650°K;卫星G/T(网络覆盖范围的边缘位置)16.5 dB/K;载噪比15.2 dB;系统内的载波干扰比11 dBC/C+I)总值8.8 dB;所需的C/C+I)数值7.7 dBC/C+I)裕量值1.1 dB

 

3)晴天场景之中的通信卫星下行链路预算

 

蝶形天线直径0.74米;上行物理带宽500 MHz;等效全向辐射功率(波束峰值)65 dBW;等效全向辐射功率(波束覆盖边缘)64.3 dBWATM损耗0.8 dBFSL(快速单连接)210 dB;雨衰0dB;卫星天线增益42.1 dBi;卫星噪声温度225°K;卫星G/T数值18.6 dB/K;载噪比13.7 dB;系统内的载波干扰比15.6 dBC/C+I)总值9.2 dB;所需的C/C+I)数值7.7 dBC/C+I)裕量值1.5 dB

 

4)雨天场景之中的通信卫星下行链路预算

 

蝶形天线直径0.74米;上行物理带宽500 MHz;等效全向辐射功率(波束峰值)70.9 dBW;等效全向辐射功率(波束覆盖边缘)70.2 dBWATM损耗0.8 dBFSL(快速单连接)210 dB;雨衰5.4 dB;卫星天线增益42.1 dBi;卫星噪声温度225°K;卫星G/T数值15.8 dB/K;载噪比11.4 dB;系统内的载波干扰比15.6 dBC/C+I)总值8.2 dB;所需的C/C+I)数值7.7 dBC/C+I)裕量值0.5 dB

 

5UKSAT-10通信卫星的空间物理特性

 

该卫星的在轨运行设计寿命为12.6年。预计在其中的最后一天,整个卫星系统的成功运行概率大致为77%,上行与下行方向的概率分别为89%86%。其关键参数总结如下:

 

空间轨道位置:西经94.95度;发射日期:2007814日;有效寿命:12.6年;Ka波段上行:29.5 GHz~30 GHz频段;Ka波段下行:19.7 GHz~20.2 GHz频段;星载接收天线:多梁侧馈偏置卡塞格伦天线;星载发射天线:19.7 GHz~20.2 GHz频段相移天线阵列(直径为两米),可以形成多个跳频点波束或者一个宽域的赋型波束。

 

 

参考文献

 

[1] ITU-R. REPORT ITU-R S.2361-0 – Broadband1 access by fixed-satellite service systems

[EB/OL]. http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-S.2361-2015-PDF-E.pdf, 2015-09-09.

 


注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)