Ka频段卫星通信

Ka波段的频率范围为26.5~40GHz，通常用于卫星通信。Ka波段最重要的一个特点是频带较宽，因此，Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSAT业务、直接到户（DTH）业务及个人卫星等新业务提供条件。Ka波段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在Ka波段频率下，用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制其他系统干扰的能力。

Ka波段卫星通信特别适合宽带数字传输、高速卫星通信等需求，随着高频元器件及工艺等问题的解决和大量卫星通信新技术的应用，Ka波段宽带卫星通信逐渐走向成熟实用阶段。

背景

作为无线通信的特定形式，卫星通信使用到的频段有很多，目前涵盖L、S、C、Ku、Ka等频段。一般来说，频段越低，电波进入雨层中引起的衰减越小，绕射能力越强，对终端天线的方向性要求也低，较适合用于移动通信环境，但缺点是带宽较小。而频段越高，情况正好相反。早期使用的L、S频段就处于低端，传递话音、文字等低速信息不成问题，但很难满足当今社会多媒体视频等宽带内容的传输需求。而C、Ku频段相对较高，它们传输容量较大，是目前卫星通信领域的主流频段。

宽带是信息网络的发展方向，具有和水、电、路等国家基础设施同样重要的地位，而卫星通信是信息网络的必要支撑。随着传统C、Ku频段轨位和频率资源的日趋稀缺，卫星通信同步向Ka频段宽带方向发展成为必然趋势。

目前，地面移动通信中的蜂窝和频率复用等技术已成功应用于Ka频段高通量通信卫星系统（HTS）之中。

应用Ka频段卫星通信的原因

为什么世界各国都在争相开发、应用Ka频段的卫星通信？主要有两方面原因。一是C和Ku频段的卫星轨位十分紧张，地球赤道上空有限的地球同步卫星轨位几乎已被各国占满；这两个频段内的频率资源也被大量使用，这迫使人们寻找、开发更高频段来满足新的通信需求。二是Ka频段卫星通信优势明显，具体体现在三个方面：其一，Ka频段工作范围为26.5~40GHz，远超过C频段（3.95~8.2GHz）和Ku频段（12.4~18.0GHz），可以利用的频带更宽，更能适应高清视频等应用的传输需要；其二，由于频率高，卫星天线增益可以做得较大，用户终端天线可以做得更小更轻，这有利于灵活移动和使用；其三，运用多波束技术和相控阵技术，可以让卫星上的天线灵活地改变指向，以满足对多点通信和星上交换的应用需要。

Ka频段卫星通信系统概述

Ka频段宽带卫星通信系统概述如下。

（1）通信频率范围。位于国际卫星通信第三区的我国其可用Ka波段划分为：卫星上行频率27.5~31GHz，下行17.7~21.2GHz，总带宽3.5GHz。

（2）通信卫星运行轨道。在3.6万公里同步轨道及小于5千公里低轨位置都有Ka波段通信卫星在轨运行，如法国Ka-Sat宽带通信卫星和“铱星”系统星间链路Ka波段通信系统。

（3）Ka波段宽带卫星通信的优势。

1）宽带高速。总带宽达到3.5GHz，而C、Ku波段则只有500~1000MHz的带宽。ViaSat-1全Ka波段卫星通信总容量达到了140Gbps，为Ku波段卫星容量的100倍以上。

2）抗干扰性能优越。由于各种干扰源其频率都远离Ka波段，所以不可能对Ka波段卫星通信造成任何干扰。

3）天线口径小。Ka波段卫星转发器使用蜂窝状多点波束具有较高的EIRP值，通信频率高在使用相同尺寸天线接收时能获得比C、Ku波段更高的天线增益。这些特性使Ka波段天线尺寸可以做得很小。

4）远端设备小巧。远端设备体积小重量轻，非常适合新闻记者在各种应急情况下外出采访时使用。

5）安装开通方便快捷。设备开通对外部安装环境要求低，天线架设占地很小，安装开通十分方便快捷。

Ka波段宽带卫星通信系统技术特点

Ka波段宽带卫星通信系统技术特点如下。

（1）采用高阶调制技术。QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等高阶调制方式在Ka波段卫星通信系统中得到普遍应用。高阶调制可有效提高带宽利用率，获得较高的通信速率。如8PSK比QPSK可提高33%带宽利用率。

（2）DVB-S2标准的应用。DVB-S2较之DVB-S可减少30-40%的卫星资源占用。如10Mbps速率时DVB-S2占用4.6MHz带宽，DVB-S则占用8.4MHz带宽，二者相差45%。

（3）通信卫星采用多波束蜂窝状覆盖天线。这是相对C、Ku波段使用赋形单波束覆盖天线一个显著技术特点。采用多波束频谱利用率高，可有效提高卫星的EIRP、G/T值和系统容量等。

（4）星上使用功率动态分配器。根据实时监测情况可向业务繁忙的点波束或有雨衰区域的点波束发送较大功率。

（5）采用透明转发器或处理转发器。现在大多数Ka波段通信卫星使用透明转发器，近年来出现了少量采用比较复杂的带交换处理功能的转发器。带有ATM处理器的转发器为有多种业务接入需求的用户带来了方便。

（6）高效实用的抗雨衰技术。雨衰对10GHz以下频率无线信号的衰减相对较小，而对Ka波段无线信号的衰减则比较大。为解决困扰Ka波段卫星通信的雨衰问题，采用了上行功率控制技术、自适应技术、分集接收技术、多波束功率控制技术等来减少雨衰的影响。从实际应用情况来看，其中几种技术手段用的最为普遍，效果比较理想。

1）上行功率控制技术AUPC。

卫星通信主站为应对雨衰对信号的衰减，在主站设计时预留有一定的上行功率冗余，当降雨时对上行链路信号衰减进行估算，依此相应的增加发射功率，使卫星接收电平保持在一定范围内。实际工作中主站还实时接收VAST小站回传的C/N报告信息，并根据它自动控制小站上变频功放功率的动态增加或减少。

2）自适应技术。

（a）ACM——自适应编码和调制。自适应编码和调制技术仅对正在遭受雨衰的VAST小站而不针对全网进行编码和调制的自动调整。在出现阴天或降雨时，根据小站C/N报告，动态分配VAST小站采用更可靠的调制和编码模式。例如从晴天的16APSK 9/10降到阴天的8PSK 5/6或雨天的QPSK 1/2，降雨结束后自动返回到晴天带宽效率最高的调制和编码模式。

（b）VCM——可变编码和调制。VCM是一种人为改变编码和调制的方式，主要在单向接收模式下因为没有危险回传的测试信息，ACM功能无法使用，以及一些需要固定编码和调制的业务应用时使用。卫星信号强弱波动变化时可结合天线尺寸人工设定编码和调制。

（c）DLA——动态链路自适应技术。DLA技术通过变化的入境链路信号强度来调整调制和编码方式，可动态地消除不必要的雨衰冗余。晴天使用带宽效率最高的符号速率和编码，下雨时自动改成较低的编码率FEC和自动跳转到较低符号速率的载波。它能降低小站上行20%，入境18%的带宽资源。

Ka频段宽带卫星通信应用

Ka频段宽带卫星通信应用概况如下。

Ka频段宽带卫星通信具有高通量、低成本、广覆盖、终端小等优势特点，且通常采用星状结构、弯管透明传输机制，特别适合开展IP类业务，如因特网宽带接入业务、IP中继业务、企业网延伸等。目前最主流业务为面向家庭的卫星宽带接入业务。另外也可应用于基站数据回传业务、机载业务、新闻采集、电视点播等其他领域。随着Ka技术的不断成熟，各种应用将会越来越多。

Ka频段宽带卫星通信系统应用的业务分类如下表1所示。

Ka宽带卫星的主要业务为面向个人或家庭的宽带接入业务。利用卫星实现宽带接入业务并非新业务，使用传统Ku频段完全可以实现宽带接入，但下载速率慢。第一代Ka频段宽带卫星系统，如早期的Direct-PC系统等，基于大波束的Ku转发器，下载速率在256kbit/s以下，可以提供网页浏览、Email等简单业务。第二代Ka频段宽带卫星系统如“互联网协议星”、“狂蓝”（Wildblue）、阿尼克-F2等，下载速率在256kbit~4Mbit之间，可以提供简单的视频业务。由于大型Ka频段宽带卫星的投入使用，第三代Ka频段宽带卫星宽带产品可以提供超过12Mbit的下载速率，其他一些高速视频业务，均可以通过卫星实现。

卫星宽带接入业务的发展历程如表2所示。

除了个人宽带接入业务，Ka频段卫星也用于其他领域，如电视节目回传，机载业务，互联网协议中继业务等。

Ka频段卫星的潜在应用分析

Ka频段宽带卫星通信网络所承载的业务，实现了从低速的数据及话音到全新的、高速的、交互式的因特网和多媒体业务的转变，并几乎覆盖了所有通信和广播电视领域。

宽带通信卫星正引领着卫星通信的重大变革，而多业务覆盖的宽带高效率智能的卫星通信平台时卫星通信总的发展趋势，K波段宽带卫星通信则代表了这种发展趋势。

Ka波段宽带卫星通信主要应用在传统的高清HDTV传输、宽带数字通信等方面，随着多颗不同轨道Ka波段通信卫星的陆续发射升空以及各种大宽带新业务需求的出现，Ka波段宽带卫星通信在这些领域得到应用。

（1）3D电视信号传输。

（2）Ka波段卫星移动通信。

（3）空中Ka宽带WI-FI。

（4）Ka频段宽带卫星通信在机载通信中的应用。

基于Ka频段宽带卫星的机载通信与传统Ku频段、海事BGAN或者地面基站方式相比具有较大的优势。因为飞机在万米高空飞行不会受到雨雪因素的影响，完全克服了Ka频段降雨衰减大的缺点，利用Ka频段宽带卫星的机载通信可获得更高速率、更低价格、更优性能和更佳的用户体验。

（5）Ka频段宽带卫星在应急通信方面的应用。

Ka频段宽带卫星利用其覆盖广、终端小、成本低、建设快及抗灾害能力强等优势特点，可构建起一个覆盖城乡村的全方位、无缝的全国应急宽带卫星通信网络。Ka频段宽带卫星网络一方面可以满足用户日常的通信和多媒体业务应用，另一方面可用作自然灾害发生时的应急通信保障手段。这种“平战结合”的通信方式，可大大提升广大农村地区的应急通信保障能力。

（6）Ka频段宽带卫星在石油、煤炭等野外作业的应用。

（7）内容分发市场的应用。

（8）军事通信领域的应用。