Ka頻段衛星地面系統選址分析

邸高高　中國信息通信研究院產業與規劃研究所助理工程師

Ka頻段衛星地面系統選址分析

邸高高中國信息通信研究院產業與規劃研究所助理工程師

中星16號衛星是我國首顆Ka頻段大容量多媒體通信衛星，預計2017年初發射。應用點波束和頻率復用技術，Ka頻段高吞吐量衛星（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；相應地，其配套地面系統的架構和能力也需要進行提升。本文從Ka頻段衛星系統組成、影響地面系統選址的幾個主要因素、Ka頻段與其他常用衛星頻段的區別等方面進行分析，總結選址原則，將會為各行各業的用戶提供更加靈活、更高成本效益的衛星寬帶通信服務打下基礎。

Ka頻段衛星；地面系統；選址原則

1　引言

Ka頻段大容量多媒體通信衛星較傳統的C頻段、Ku頻段通信衛星具有可用頻帶寬、點波束增益高、終端小型化等技術特點優勢，系統容量高于傳統系統十倍到百倍。發展Ka頻段大容量多媒體通信衛星，能夠使得衛星通信單位帶寬的使用成本大幅降低，用戶使用衛星進行寬帶接入的資費大幅降低，在衛星通信廣域覆蓋、應急保障等基本屬性得以保留的前提下，對于提高衛星通信用戶規模、投資收益，促進衛星通信走進人們日常生活，打造基于衛星的骨干傳輸網絡，實現衛星通信技術的飛躍有重要意義。

本文為Ka頻段大容量多媒體通信衛星建設地面系統提供參考，貫徹國家有關技術經濟政策，合理利用資源，節約用地，執行國家城市建設、環境保護等相關規定，確保通信質量。

2　Ka頻段衛星系統組成

Ka頻段衛星地面系統包括運營中心和信關站，它們之間通過光纖線路實現互聯互通，運營中心與Internet、3/4G等地面網互聯。數據中心、網絡管理子系統、業務運營支撐系統部署在運營中心，對全系統進行管理。終端站通過衛星用戶波束接入到所屬信關站。終端站類型包括普通型、企業型、移動型。系統總體組成架構如圖1所示。

根據衛星載荷設計和實際應用場景，寬帶衛星通信網絡宜采用星狀網絡架構。在這種網絡架構下，系統按照DVB-S2/DVB-RCS協議標準所定義的衛星網絡體系架構進行設計，采用MF-TDMA作為系統的多址接入方式。前向鏈路采用TDM方式進行系統消息廣播和業務分發，充分發揮Ka衛星下行大容量廣播的優勢，實現用戶業務的高速下載。返向鏈路采用MF-TDMA方式，能夠靈活、充分的利用衛星頻率資源。

2.1運營中心

運營中心是地面系統管理、控制、衛星數據處理、網絡交換的核心，具有業務運營支撐功能、網絡管理功能、數據中心功能、與地面Internet網以及3/4G等網絡互聯互通的交換路由功能。運營中心的組成架構如圖2所示。

運營中心包含數據中心、網絡管理子系統、業務運營支撐系統和交換路由分系統。其中：

（1）數據中心子系統包含數據處理服務器、協議處理服務器、網絡段控制器，完成與信關站間的信令、業務數據收發和處理。

（2）網絡管理子系統完成對全網所有設備和業務的管理，提供北向接口與業務運營支撐系統連接。

（3）業務運營支撐系統支持計費、業務營收、業務受理、寬帶認證、催繳費、生產調度、報表分析等功能。

（4）交換路由設備包含邊界路由器、防火墻、匯聚交換機、互聯路由器、遠程接入路由器、互聯網審計設備，完成信關站之間互聯、與地面網互聯和網絡安全審計等功能。

圖1　系統總體組成架構

圖2　運營中心組成架構

2.2信關站

信關站為所在饋電波束對應的用戶波束提供接入服務。信關站包含天線射頻分系統、基帶分系統和交換路由分系統，完成饋電鏈路信號收發、基帶處理和與運營中心的數據交換。基帶分系統通過路由交換分系統與運營中心的數據中心交互。信關站的網絡管理全部集中于位于運營中心的網絡管理子系統。在一般情況下，信關站可實現無人值守。信關站的組成架構如圖3所示。

3　Ka頻段衛星地面系統選址總則

3.1選址原則

根據以往衛星通信地球站的選址原則結合Ka頻段衛星系統的特點，總結出以下幾點：

（1）站址選擇應以通信網絡規劃和通信技術要求為主，結合水文、地質、地震、交通、城市規劃、投資效益、及維護管理等因素綜合比較選定。Ka波段由于受降雨衰減很大，站址最好選擇在低降雨區，以保證饋電波束的鏈路可用度。

（2）站址宜設在城市朝向衛星一側的郊區且屏蔽的地理環境內，應盡量靠近城市，交通方便的地方。并且地球站天線在靜止衛星軌道可用弧段內的工作仰角與天際線仰角的夾角不宜小于10°。

（3）地球站天線波束與共用頻段的雷達系統應避免在大氣層內出現交疊。

（4）地球站與共用頻段的雷達系統應避免構成視通路徑，天線主波束偏離角應大于5°。

（5）地球站天線波束與飛機航線（特別是起飛和降落航線）應避免交叉，與機場邊沿的距離不宜小于2000m。

（6）地球站不應設在無線電發射臺、變電站、電氣化鐵道以及具有電焊設備、X光設備等其他電氣干擾源附近，地球站周圍的電場強度應執行GB4824.1-1984《工業、科學和醫療射頻設備無線電干擾允許值》的規定。

（7）高壓輸電線不應穿越地球站場地，距35KV的高壓電力線設備應大于100m。

（8）避免在飛機場、火車站以及發生較大震動和較強噪音的工業企業附近設站。站址應有較好的衛生環境，應避開產生煙霧、塵粒、散發有害氣體的場所和腐蝕性排放物的工業企業。

（9）站址選擇在有安全環境的地方，不應該選擇在易燃、易爆的倉庫和材料堆積場以及在生產過程中易發生火災、爆炸危險的工業企業附近。站址不應該選擇在地震帶和易受洪水淹灌的地方，應避開斷層土坡邊緣、古河道及有可能塌方、滑坡、有開采價值的地下礦藏或古跡遺址的地方。

（10）站址選擇應保證天線前方的樹木、煙筒、塔桿、建筑物、堆積物、金屬物等不影響地球站天線的電氣特性。

（11）站址選擇應考慮易從附近變（配）電站架設可靠的專用輸電線。

（12）站址選擇應易于接入互聯網、公眾通信網等網絡。

（13）站址最好選擇在業務量密度較稀的區域，以讓關口站擁有更多的帶寬。

圖3　信關站組成

（14）站址所在地區有充足的水源，水質應符合國家標準《生活飲用水衛生標準》。

（15）衛星通信系統與雷達系統等共用同一頻段時，應進行干擾協調，并由后建者承擔干擾協調工作。

（16）干擾協調應按照GB/T13620-1992《衛星通信地球站與地面微波站之間協調區的確定和干擾計算方法》進行計算，地球站協調區應分發送協調區和接受協調區。

（17）干擾協調區含有別國領土時，應與有關主管部門進行協調，并提交正式文件，同時向國內有關部門備案。

（18）嚴防地球站無線電磁輻射對周圍環境的污染和危害，應根據GB8702-1988《電磁輻射防護規定》和GB9175-1988《環境電磁波衛生標準》的要求，向有關管理部門提交《地球站天線前方場區保護范圍》的文件，待審批及備案。

3.2地面系統場地要求

（1）地球站的土建規模主要滿足近遠期通信設備安裝的需求，并留有一定的發展余地，除必要的生產附屬用房和值班宿舍外，原則上站內不建職工宿舍。

（2）地球站內土建設施的布置應合理利用地形。（3）地球站的油機房與油庫之間的相對高度差不宜大于20m。

（4）地球站周圍宜設置圍墻，圍墻的高度距外側地面不宜低于2.2m。

（5）地球站內道路設計應符合GBJ22-1987《廠礦道路設計規范》的有關規定。

（6）地球站內應考慮排水通暢，以避免站內積水。（7）地球站內應進行綠化建設。

（8）地球站內設置多副天線工作時，各副天線在其工作的可用弧段上應互不影響，互不遮擋，各天線邊緣間的最小距離不宜小于其中一副天線的直徑。

（9）地球站天線基礎的位置應能保證天線工作在近期及遠期通信衛星可用弧段上。

（10）地球站天線基礎宜靠近天線射頻機房，以縮短饋線長度，減少饋線損耗；對于一、二類地球站的橢圓軟波導、硬波導的饋線長度總計不宜超過40m。

（11）安裝在地面上的天線基礎宜采用整體式鋼筋混凝土結構，并宜按照一級基礎考慮，對于一、二類地球站天線基礎的設計地震烈度按當地地震烈度提高一度計算，對于8度以上地區不再提高。

（12）天線基礎宜建在堅硬的地質結構上，當地基土質較差時，宜采用打樁或其他特殊技術措施。

（13）天線基礎一年內不均勻下沉不應超過2mm。

（14）天線基礎必須按照生產廠家提供的資料和工藝提出的要求進行設計，并在設計圖上標明北（N）方位和磁偏角。

（15）天線基礎的四周應設有從接地系統引出的接地體，裸露地面部分應做防腐處理和防機械損傷處理。

4　Ka頻段衛星地面系統選址分析

4.1降雨影響分析

電磁波在雨區中傳播時，會有一部分能量被吸收或者散射，產生衰減，從而產生通信過程中的雨衰現象。可以證明電磁波的波長遠大于雨滴的直徑時，降雨衰減主要由吸收引起。當雨滴直徑增加或者電磁波波長較短時，散射引起的衰減較大，且波長與雨滴的直徑越接近，衰減就越大。電磁波的波長由其頻率決定，而雨滴的直徑由降雨量的大小決定，所以，降雨衰減由電磁波的頻率及降雨量的大小決定。

雨衰的大小與地球站的地理位置，海拔高度，降雨率和降雨層高度，電磁波的頻率和極化方式，接收天線的仰角等有關。降雨強度越大，雨衰越大；雨衰與微波信號通過的雨區有效長度有關。降雨區域大小一定時，地球站的仰角越低，雨衰越大；對于相同的降雨強度和地球站的仰角，工作頻率越高，雨衰越大；不同地區，強的降雨強度出現的概率不同，通常用年均和最壞月份出現的概率表示。

Ka頻段雨衰的特點就是衰減值大，影響高頻段通信。實測結果表明雨滴的直徑約在0.05～0.6cm；C波段的電波波長在7.5cm左右，與雨滴半徑相關較大，因此受降雨影響較小，一般小于2dB；Ku波段內電波的波長在2.5cm左右，故降雨對電波產生的影響比較明顯，最大可達20dB；在更高的頻段Ka頻段的電波波長在1～1.5cm，與雨滴直徑長度相仿，雨滴使信號發生畸變，雨衰的影響更明顯，甚至會造成通信中斷。

Ka頻段電波比Ku頻段、C頻段受更大的降雨衰減、去極化和噪聲等的影響。對降雨率為22.4mm/h的降雨，在地球站對衛星的仰角為40°時，C頻段的雨衰僅為0.1dB，可忽略；Ku頻段的雨衰為4.5dB；Ka頻段的下行鏈路頻率為20GHz時，雨衰為12.2dB，而上行鏈路頻率為30GHz時的雨衰則高達23.5dB。

為了克服這些影響，C頻段或Ku頻段常常使用預留備余量的辦法，但在Ka頻段如預留備余量，則需要十幾或二十幾分貝。目前，為了克服雨衰已提出很多種解決方案，例如可增大信號的功率，設立更多的地面終端站使信號沿多路傳送、控制功率分配，開環功率控制算法等。Ka頻段衛星通信雨衰問題的解決，在一定程度上是服務質量和費用的折中，要保證Ka頻段衛星通信的高可靠性和高利用率，就必須在鏈路設計上有一定的余量來避免暴雨造成的通信中斷，這種余量在正常天氣下卻是一種浪費，會導致整個系統的成本的增加和終端價格的上升。

因此，站址宜選擇在低降雨區，以保證饋電波束的鏈路可用度。

4.2電磁環境影響

電磁環境干擾是由于一種或多種發射、輻射、感應或其組合產生的無用能量對無線電通信系統的接收產生影響，其表現為性能下降、誤解或信息丟失。Ka頻段遠離一般地面通信系統頻率范圍，具有天然高抗干擾性能，干擾較少，干擾源一般為：

（1）來自所有其他網絡的地球站和空間站的干擾。

（2）雷達、廣播、電視和其他無線電發射機的同頻、諧波和寄生發射干擾。

（3）工業、科學和醫療設備的輻射干擾。

確定站址前應進行電磁環境測試，測試標準參考如下：

●環境電場強度

在地球站周圍，要求中波和電視1～5CH的電場強度不大于125dB（uv/m），短波的電場強度不大于105dB（uv/m）。

●工科醫設備的輻射

在地球站接收機的輸入端，1～18GHz頻段工科醫設備的輻射干擾，應比正常接收信號電平低30dB。

●雷達

由于雷達系統的瞬時功率極大，因此它的干擾信號落入地球站接收機輸入端的峰值電平應比正常接收電平低30dB。

●地球站的干擾電平

根據衛星網絡系統的設計可確定接收機的Eb/N0和C/N，從而確定地球站接收機輸入端的載波干擾比。

站址選擇應考慮電磁環境保護合適的地點。

4.3自然災害影響

（1）地震

選址應盡量避免地震、泥石流、洪災等自然災害頻發地區。

我國地處歐亞板塊的東南部，受環太平洋地震帶和歐亞地震帶的影響，是個多地震的國家，據統計，我國大陸7級以上的地震占全球大陸7級以上地震的1/3；我國有41%的國土、一半以上的城市位于地震基本烈度7°或7°以上地區，6°及6°以上地區占國土面積的79%（見圖4）。我國地震主要分布在5個區域：臺灣省、西南地區、西北地區、華北地區、東南沿海地區和23條地震帶上（見圖5）。

圖4　中國地震烈度區劃圖

圖5　中國23個地震帶

●華北地區（含東北南部）

包括郯城-廬江帶（沿郯廬斷裂，從安徽廬江經山東郯城，穿越渤海至遼東半島、沈陽一帶）、燕山帶、河北平原帶（太行山東麓）、山西帶（主要沿汾河地塹）、渭河平原帶（主要沿渭河地塹）。

●東南沿海地區

包括東南沿海帶（主要在福建及廣東潮汕地區）、臺灣西部帶、臺灣東部帶。

●西北地區

包括銀川帶、六盤山帶、天水-蘭州帶、河西走廊帶、塔里木南緣帶、南天山帶、北天山帶。

●西南地區

包括武都-馬邊帶、康定-甘孜帶、安寧河谷帶、滇東帶、滇西帶、騰沖-瀾滄帶、西藏察隅帶、西藏中部帶。

此外，還有東北深震帶（主要在吉林、黑龍江的東部）。

（2）洪澇影響

站址不宜選擇在容易被洪水淹灌的地方（見圖6）。

（3）當地條件影響

除了結合當地水文、地質、地震、交通設施、電力條件等情況，還需結合當地傳輸、互聯網資源等情況，以便接入互聯網，公眾通信網等網絡，可優先考慮衛通系統、廣電系統、電信運營商等具備專業場地及運維隊伍的地點。

5　結束語

Ka頻段采用與地面移動蜂窩網類似的技術，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。要最大化使用小站覆蓋區域的頻率資源，其配套的關口站必須也要有相應的頻譜分配。考慮到衛星天線的性能，不同的關口站波束之間要有一定的地理位置間隔。在建設Ka頻段衛星網絡時，關口站的建設位置選擇非常重要，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。可以看到，高吞吐量衛星（HTS）通信系統可以支持更高速率的互聯網接入，更復雜的交互式服務，相應地，其配套地面關口站的架構和能力也需要進行提升。

中星16號衛星是我國首顆Ka頻段大容量多媒體通信衛星，預計2017年初發射。縱觀Ka頻段衛星通信技術的發展，筆者認為衛星通信界正經歷一個全新的發展階段，而地面系統的合理建設，將會為各行各業的用戶提供更加靈活、更高成本效益的衛星寬帶通信服務打下基礎。

Siting principles of Ka-band satellite terrestrial systems

DI Gaogao

The No.16 satellite is China’s first large-capacity and Ka-band multimedia communication satellite， expected to be launched in early 2017. Adapting spot beam and frequency reuse technology， Ka- band high throughput satellite （HTS） communication systems supports higher speed Internet access， more complex interaction service， and accordingly， architecture and capacity of its terrestrial systems also need to be improved. This paper， from perspective of Ka-band satellite systems composing， several major factors that influence the terrestrial systems siting， difference between Ka- bandand and other normal satellite bands， analysis and summarized siting principles， will provide more flexible， higher cost - gain satellite wide band communication service.

Ka-band satellite； terrestrial systems； siting principles

圖6　中國洪澇分區

2016-04-10）