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Ku、商用Ka、政府Ka波段在移动应用中的性能对比

2016-7-9 22:56| 点击快速提问| 查看: 984

摘要: 前言近年来,HTS的概念在卫星行业炒得风生水起,各种技术、各种频段的HTS卫星纷纷上天,与此同时,机载、船载等移动应用成为卫星应用方面的新引擎,一时间众说纷纭,乱花迷眼。恰巧译者看到了一篇分析Ku、商用Ka、政 ...


前言
近年来,HTS的概念在卫星行业炒得风生水起,各种技术、各种频段的HTS卫星纷纷上天,与此同时,机载、船载等移动应用成为卫星应用方面的新引擎,一时间众说纷纭,乱花迷眼。
恰巧译者看到了一篇分析Ku、商用Ka、政府Ka波段在移动应用中的性能对比的文章,虽然文中分析的主要是针对欧美的情况,未必完全适用于我国,但对于我们如何分析和比较不同的技术特点有很好的借鉴意义,特翻译过来供大家参考。

1、概述
传统的卫星移动通信(MSS)所使用的频段主要是UHF和L波段,而该频段带宽资源的稀缺使得在过去10年里对于Ku波段在移动中的应用得到了爆炸性的发展。Ku波段已经被广泛的用在汽车、火车、轮船、飞机甚至无人机、直升机这些可移动平台的通信,在军事方面的应用包括美军作战人员信息网(WIN-T)、美国海军“商业宽带卫星项目”(CBSP)以及全球鹰无人机(Global Hawk)等。  

最近几年,尽管对于Ku波段移动应用的需求仍在快速增长,但随着一些新的Ka波段固定卫星(FSS)系统的出现,Ka波段也赢得了越来越多的关注。正如Ku波段卫星移动业务是建立在Ku波段卫星固定业务(FSS)基础上,Ka波段卫星固定业务系统的运营者也对开展Ka波段的移动业务展示出了浓厚的兴趣。商业(如Inmarsat-5、Viasat-1和Jupiter-1)和政府(如WGS)的Ka波段固定卫星系统都在开发和部署在移动方面的应用。
与L波段到Ku波段的过渡不同,人们对于Ka波段的兴趣并非完全来自于Ku波段频谱资源的匮乏。实际上,可供卫星移动业务使用的Ku波段频谱资源还是相当可观的。设想一下,在欧洲上空西经30度到东经50度的弧度内,大约可安排30个轨位,如果每个轨位可以使用两个极化各500MHz的带宽,不考虑任何的频率复用,则欧洲可用的Ku波段频谱大约可以达到30GHz,理论上完全可以满足卫星移动业务对于Ku波段带宽的需求。
实际上,发展Ka波段主要动力来自几个方面:(1)由于频率更高,相同口径的天线其波束更窄,天线的指向性更好,这意味着天线接收到的邻星干扰更少,在偏轴功率谱密度上的限制也会更小,从而可以提高系统的性能;(2)更多的空余轨位可以让非主流的卫星运营商有机会进入这个市场,并且可以尝试更多的创新;(3)与Ku波段不同,美国专门为政府应用分配了专用的Ka频率,使得政府可以建立自己的卫星星座系统,著名的宽带全球通信卫星通信系统(WGS)正是这项政策的产物。
对于Ka波段的限制与Ku波段不同。虽然在天线尺寸确定的情况下,Ka波段可以获得更好的指向性和增益,但这却被更高的空间损耗所抵消,而且对于商用Ka波段,还有更严格的偏轴EIRP谱密度(ESD)的限值,后者对于移动应用系统而言非常重要。在Ku波段,由于偏轴ESD的限制,往往需要卫星终端的调制解调器采用扩频技术。在商业Ka波段这个问题同样存在,甚至比Ku波段的限值还要严格6dB;而在政府Ka波段上,偏轴ESD的限值则要比商用Ka宽松不少。
此外,Ka波段卫星系统并不是Ku系统的简单克隆。Ku波段卫星常使用覆盖整个大陆或特定海洋的区域波束(如Intelsat、Eutelsat、Telesat等),并专门为电视节目的传输做了优化设计。虽然有些Ka波束也是这样设计,但大部分新的Ka波段卫星都采用了点波束,通过采用频率复用技术(Viasat-1, Inmarsat-5 Global Xpress)的多点波束覆盖某个区域或者使用可移动的点波束(WGS, Inmarsat-5 High Capacity Payload (HCP))。系统架构上的差异带来的是卫星性能以及可用频谱资源上的不同。

鉴于Ku波段、商用Ka波段以及政府Ka波段卫星系统在使用限制条件以及系统架构等方面的诸多不同,很难一眼判断出哪个更适合于移动应用。这个问题的答案或许将会影响到高达数亿美元的终端和卫星投资。本文试图从偏轴ESD限值的差异直到卫星性能和可用频谱等多个方面的差异进行分析,以探寻问题的答案。


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