載波疊加技術在海洋石油平臺衛星通信中的應用

徐 亮

（中海油信息科技有限公司上海分公司，上海 200129）

1 載波疊加技術概述

近年來，我國衛星通信技術取得了長足進步，地面通信設施的大規模建設和通信技術的的加速迭代，降低了用戶的使用成本，同時在與衛星通信的競爭中優勢越來越明顯，這些對衛星通信行業提出了嚴峻的挑戰。如何在有限的衛星通信設備中實現效率最大化的通信容量，是當前衛星通信行業中探索的主要問題和追逐的方向。

載波疊加技術是CEFD公司從AST獲得授權的技術，在以往的衛星通信過程中，兩個站點之間的信息交互所產生的載波頻段需要分別租借相應的衛星寬帶，這種通信方式的路徑比較少，這就需要選用更多的衛星寬帶，從而造成了企業費用的增加，降低了企業衛星通信業務的市場競爭力[1]。而載波疊加技術完全是在“數字域”層面完成的，屬于“數字處理”技術范圍，兩臺Modem將載波發到轉發器的相同位置上，從衛星轉發器轉發下來的信號就是一個合成的信號。在合成信號中包含每臺Modem發送給對端的載波，同時合成信號將受到鏈路上固有的損耗和干擾的影響，對于每臺Modem收到的信號來說，除了上面常見的干擾外，自己本身發出的信號也是一種干擾。而載波疊加技術就是將合成載波中由于本地調制器引生的干擾通過數據技術消除掉。在這個過程中每端的Modem都需要將自己的發射信號保留一份副本，針對與副本間所有參數差異進行連續性的估計和跟蹤，通過專用的自適應濾波和相位鎖定環路處理，對上行取樣信號的延時、頻率、相位和幅度進行相應的調整，從而對這些差異進行動態補償，一般來說其減擾性能可達到30dB。總得來說，載波疊加的工作過程可以分為以下幾個部分：首先，將受到的疊加信號數字化；之后，在數字域將本地時延的副本減去，同時考慮到生產的頻率和相位的偏差；再之后，將恢復出的信號復原成模擬信號后送給解調器，最后，持續跟蹤本地時延、頻偏和功率比。在使用載波疊加技術的使用要確保使用“標準衛星”，本站發出的信號要保證自己能夠收到，不能做“轉發器跳躍”和“星上數據再生”。同時還要盡量保證信號頻偏較小，時延搜索范圍盡量接近真實的值[2]。

2 載波疊加技術在海洋石油平臺衛星通信中的應用

海洋石油平臺由于離海岸線較遠，傳統的通信手段如短波、微波、海纜通信以及運營商提供的移動通信等都無法提供可靠的保障，近年來衛星通信技術不斷發展，在通信容量不斷增大、質量迅速提高的同時，追求低成本也是大勢所趨。

衛星通信技術作為海洋油田的一種主要通信方式，其通信距離遠、受地理因素影響小、覆蓋范圍廣等優越性，已經實現了較為廣泛的應用。海上油田中衛星通信的應用特點如下：首先，無線通信站的建設成本不會因為直線距離和周圍環境的變化而變化，并且和其他通信方式相比，衛星通信的優勢更加突出。其次，衛星覆蓋面積比較廣泛，可以容易實現多出地址聯接通信。衛星的工作方式以廣播為主，不是傳統的的單個對單個，而是所有通信站點可以共同使用一顆衛星，從而實現站點和站點之間的多方通信，確保整個衛星通信網絡組成的靈活性和高效性。最后，衛星通信的鏈路比較穩定，信號傳輸質量也比較高。衛星信號不是在地球上進行傳輸的，而是在大氣層之外的空間中進行傳輸，因此可以將整個宇宙視為均勻傳輸空間，整個空間是均勻介質，不會受到其他條件的影響，傳輸信號比較穩定[3]。因此，可以說衛星通信是海洋石油開發工程中遠距離信息傳輸的首選通信方式。

本文將C頻段（4G～6G）寬帶衛星通信作為研究對象，探討載波疊加技術在海洋石油平臺衛星通信中的應用。傳統上，對于基于高軌衛星的業務來說，轉發器的運行成本通常是最主要的一項支出，目前租費大約在3.5-4萬美元/年MHz，這直接影響著該業務的可行性和盈利能力，而衛星轉發器的成本又取決于其占用的帶寬和使用的功率。

海洋石油平臺建站，首先需要考慮的因素是天線的大小，幅面更大的天線可以提高收發增益，降低功放功率的需求，但是由于平臺空間緊湊，一味追求大幅面的天線是不切實際的，因此需要提高功率預算。當確定了衛星轉發器和地面站的參數，我們就在調制方式和編碼方式之間作出折中的選擇，新的前向糾錯（FEC）方式可以增加鏈路的可靠性，并同時降低功率需求，載波疊加技術正是把轉發器過剩功率利用起來的技術之一，能極大解決海洋石油平臺衛星通信運營費用或提升數據吞吐量。

3 載波疊加技術在實際應用中的表現

衛星通信可以為海洋石油平臺提供語音、數據傳輸、應急救援、遠程維護等多種服務，除了為平臺日常安全生產和生活提供通信支撐，還在臺風、遇險、火災等情況下提供應急服務。

傳統的雙向鏈路，發送信號和返回信號在不同的載波頻率上發射，也就是占用了轉發器兩段不同的頻譜位置。載波疊加技術的初衷是進行帶寬壓縮，理論上可以使雙向衛星鏈路在轉發器帶寬的同一頻段內同時發射業務載波，發送信號和返回信號在相同的載波頻率上發射，占用的是轉發器的同一位置，通過衛星轉發器廣播這一復合信號，再由地面信號處理單元把需要的信號從復合信號中分離出來，發送到后端做進一步的解調處理，從而使占用帶寬減少50%，具體的減少幅度取決于最初的鏈路預算。

常見的海洋石油平臺衛星站使用3.7米天線，地面站使用4.5米甚至更大口徑天線，兩端均使用100W功放，在實際應用過程中必須使用“彎管轉發器”的標準衛星，不能做“轉發器跳躍”，盡可能保證兩端站點的頻偏小，在配置時延搜索范圍時盡可能接近于真實值，載波疊加對調制解調器的載噪比存在有限的影響，對于收發相等載波在16-QAM調制情況下，應考慮約0.6dB的鏈路余量。原本需要收發各租用2MHz來滿足上下行2MHz傳輸帶寬的需求，現在通過載波疊加技術只需租用一個2MHz帶寬就可以實現。

對于老舊海洋石油平臺，選用此技術應充分考慮天線口徑、功放功率大小和調制解調器是否具備載波疊加功能，如原衛星鏈路已達到飽和運行狀態，則一般建議更換比原天線大1.4倍幅面的新天線。

在實際應用中，載波疊加技術能夠明顯的節省衛星業務的運營成本和提升服務質量，平均來講，與維特比編碼相比，節省約39.5%；與8-PSK相比，節省約51.5%；與TPC相比，節省約27.2%；與LDPC相比，節省約26%。可以在數月內收回改造的投資成本。

“油氣+IT”的合作將逐步加深，數字信息技術在油氣田開發過程中可以使油田產量提高、采收率提升，同時還能有效在增儲上產、降本增效方面發揮重要作用。而數據又是數字信息技術應用的基礎，只有具備足夠充分、準確的數據，才能為油田智能化的分析、改進作好支撐，可以說數據被準且及時地收集、高效地傳輸是未來油氣勘探開發的技術發展中的第一步。在油價持續低位的新常態下，繼續深水資源的開發，勢必要對傳統無線通信技術進行升級換代，使其可以承載更多的數據，包括視頻、圖像等，可以增加更多的應用，也可以附加更多的現場傳感器，有助于更全面地采集數據。

在國外某衛星運營團隊和某電信公司利用載波疊加技術，在C頻段高通量有效載荷上僅使用62.8MHz，就建立了一個對稱的270Mbps/270Mbps鏈路，在大容量C頻段鏈路中實現了8.6bit/Hz的頻譜效率。PING測試顯示，這條鏈路的往返延遲小于常規的500毫秒，該時延已包括了衛星鏈路、調制解調器和外部路由器設備的時延，C頻段高通量衛星的高可靠性和低時延結合，也必將使載波疊加這項技術成為數字化油田在深海延伸的理想選擇。

綜上所述，作為科學技術的產物，載波疊加技術打破了傳統衛星通信的局限，采取了更先進的技術，提升了自身的應用性能，降低了應用成本，將其應用在海洋石油平臺中，可以進一步提高海洋石油勘探和開采的工作質量和效率，進而推進我國海洋石油行業的發展。