林灿尧，丁　军
（水利部信息中心，北京　100098）

摘　要：新一代水利卫星系统将于 2010 年投入运行，新系统集图像、数据、语音和应急通信业务于一体。阐述了新一代水利卫星系统建设技术路线，介绍了系统的主站结构、通信体制、网络构成、设备配置及主要功能特点，说明了各种不同通信业务的实现方式，并对新一代水利卫星系统采取的关键技术和新系统的优势进行了描述。
关键词：水利卫星；通信系统；转发器；DVB-S2；IP；Ku波段
中图分类号：TN927　　文献标识码：B　　文章编号：1674-9405(2010)01-0058-04

　　为增强防汛减灾能力，提高防汛指挥调度信息化水平，1994 年 11 月水利部一次性购买了亚洲二号卫星半个转发器资源，建设水利卫星通信系统（以下简称系统）。经过 10 多年的发展，初步建成了一个由水利部卫星主站和 500 多个卫星小站组成，可实现语音、数据、图像传输的防汛卫星通信网，承担水雨情数据采集、防汛异地会商、应急抢险、云图和遥感数据广播等重要防汛通信任务，在历年的防汛抗旱、水资源管理等工作中发挥了十分重要的作用。
　　由于 2008 年亚洲二号卫星设计寿命到期，同时系统容量和功能满足不了水利新业务的需求，因此，水利部着手建设新一代水利卫星通信系统，将于 2010 年上半年投入运行。

1　 系统设计思路
1.1　卫星转发器选择
　　卫星转发器对卫星通信系统的通信质量、工程造价和发展规模起着极其重要的作用，因此对卫星转发器的选择须格外谨慎和严格。在波段选择方面，Ku 与 C 波段各有优劣。Ku 波段的天线口径小于 C 波段，相对 C 波段地面电波干扰较小，但雨衰比 C 波段大；在资源选择方面，卫星转发器应在偏远地区有较好的 EIRP （有效全向辐射功率）和 G/T 值，对强降雨的地域应有赋形设计，还应考虑有效载荷、线性器配带、自动电平控制、转发器备份、放大器备份、转移特性、相位噪声、在轨寿命、极化方式、在轨位置和精度等指标，以及供星商提供完善的用户服务体系等因素。

1.2　系统功能
　　系统功能主要取决于主站系统。从业务角度看，水利卫星通信业务主要为数据、视频和语音。语音和数据业务小站数量多，但数据量小；视频业务小站数量少，但数据量大，带宽占用多，而且往往需要一跳通信。从技术发展看，必须采取目前主流的 VSAT 技术，并充分考虑开放性和兼容性，有较好的抗雨衰措施。

1.3　小站要求
　　卫星系统发展的好坏主要看应用，看小站的规模，水利卫星转发器采取一次性购置 15 年使用权的方式，因此越早越多使用效益就越好。水利卫星小站大多处于偏远地区，经济条件较差，所以，卫星小站必须具有价格便宜、功耗较小、安装简便等特点。

2　 系统结构
　　综合考虑水利业务的特点，通过调研和比选，水利卫星转发器最终采取 Ku + C 的方案，即选择亚洲 5 号 Ku 波段转发器（22.2 MHz）和亚太 6 号 C 波段转发器（5 MHz）；卫星系统采用星型/网状混合组网的方式，其中星型网主要用于传输数据、语音业务，网状网主要用于流域机构、省水利厅和重点水利工程单位传输宽带视频实时业务；卫星通信技术采用目前流行的 DVB-S2 技术体制，选用iDirect 的产品。

2.1　主站结构
　　主站结构如图 1 所示。北京主站采用 Ku + C 的系统结构，建有 12 m 的 C 波段自动跟踪卫星天线（京郊东北旺）及射频单元，6.1 m 的 Ku 波段带自动跟踪和融雪卫星天线（水利部机关）及射频单元。C 波段的射频系统通过 L 波段传输系统与主站相连。原水利卫星系统业务转移到 4.5 M 天线继续运行。语音软交换、视频服务、IP 数据广播、IP 服务（ISP）等系统通过各自的路由设备，分别接入DVB-S2 系统，提供卫星通信综合业务服务。

　　语音软交换系统通过网关与水利部中心交换机互联，实现卫星电话到公网和水利专网的互通。视频服务系统分硬件设备和应用软件 2 个部分，在网络上构建网络视频直播、点播、广播、视频录制、节目制作与编排、字幕合成等。主站根据需要可同步接收小站现场视频，并可存储于主站视频服务器，供用户进行视频实时浏览或点播。C 和 Ku 波段射频单元分别配置 150 W ODU（1‥1 冗余），LAN 控制口，增益控制范围 20dB，杂散优于 -55 dBc，频率调节步进 125 kHz；L 波段光端机为 1‥1 冗余配置，单模透明协议传输，垂直信号电平（最大）-20 dBm，链路增益 20 dB。

2.2　DVB-S2系统

　　DVB-S2 系统由网管子系统、卫星上行链路路由器（USR）、协议处理服务器、IP 封装机、DVB-S2 调制器、回传突发解调器（RCS）、网络时钟基准等设备组成，具体结构如图 2 所示。卫星上行链路路由器实现路由功能，同时与相关设备一起为用户的应用服务提供加速接入服务；协议处理服务器管理和控制所有的带宽资源及各个小站带宽分配，将出境业务流和调度控制信息进行合路后，由 IP 封装机进行封装，变成 MPEG2 或其它格式的TS 流，DVB-S2 前向调制器将网络时钟基准 NCR 与TS 流数据“混合”并按 DVB-S2 的标准调制为 L 波段的前向载波；从远端站回传到主站的入境业务，通过主站 ODU 放大变频后的 L 波段信号送到FMTDMA池中，突发解调器组处理回传载波后，送到协议处理服务器，从中提取 IP 数据包，IP 数据包通过交换机和网关路由器进入用户网络。

　　DVB-S2 系统中，出境单元的调制器、IP 封装机、入境单元的链路处理器为 1‥1 冗余配置，回传突发解调器共 32 路。

2.3　网络结构
　　网络结构为星型/网状混合组网，同时支持 Ku 波段和 C 波段，网络系统结构如图 3 所示。星型网络主要用于数据和话音业务，采用 2 跳通信；网状网主要用于应急通信的视频业务，采用一跳通信。系统同时工作在 2 个射频，共用一套网管系统，实现网络和业务的统一的管理和维护。中心站由网管子系统产生 Ku 和 C 出境载波，通过本地的 Ku 和 C 波段射频系统同时上星，向 Ku 和 C 波段网络的小站广播信息，小站收到出境信号后，分别通过各自网络的入境单元，向主站回传信息，统一在主站基带部分进行数据处理。

　　网络支持 TCP 加速、HTTP 加速、VPN、VLAN、IP 数据广播、文件广播和组播多址方式。网络初期规模（Ku + C）大于 2 000 小站（含 Licence），入向信道共 32 个（含冗余），保证 32 Mbps 的吞吐量；远期网络规模可扩展至 5 000 小站，网状网的小站不大于 40 个。多址方式采用时分复用和时分多址TDM/TDMA）技术，出向载波 TMD，入向载波MF-TDMA，主站、小站均具备 QoS，网管服务器支持 N+1 冗余配置，数据库备份。
　　卫星小站数据速率支持 128 kbps～6 Mbps，入向信道采用 MF-TDMA，内置 TCP、HTTP 加速、自动端到端上行功率控制、先进的 QoS、业务优先级机制、小站睡眠等功能。支持 TCP、UDP、ACL、ICMP、IGMP、RIP V2、BGP、静态路由、NAT、DHCP、cRTP 和 GRE 等协议。卫星接口：发射中频接口（Tx IF）：F 头，950～1 700 MHz，接收中频接口（Rx IF）：F 头，950～2 150 MHz；数据接口：RJ45，10/100 以太网，802.1q VLAN；控制接口： RJ45 或 RS-232；调制方式：解调 QPSK、8PSK、16APSK，调制 BPSK，QPSK，8PSK。小站的基本配置为天线、ODU 和 IDU（在相邻层接口间传送的数据单元），可以完成数据传输，如局域网互联，广播数据接收，Internet 接入等，加配语音设备和视频编解码器即可进行语音和视频通信。

3　 关键技术
3.1　DVB-S2 技术

　　DVB-S2 技术优势主要体现在以下3 点：（1）提供高阶调制方式；（2）采用 BCH （循环码）和 LDPC（低密度校验码）码级联的信道编码方式 [1]；（ 3 ） 自适应的编码和调制（ACM）技术。DVB-S2 支持 QPSK、8PSK、16APSK、32APSK 等多种调制方式。FEC 采用内码为 LDPC 码、外码为 BCH码的级联码结构。BCH 作为外码可以获得近 0.15 dB 左右的编码增益，不同码长的 BCH 和 LDPC 码组合，得到了各种编
码码率。与 RS+ 卷积级联码相比，在相同的信噪比（C/N）下，传输容量提高了35 %。ACM 针对每个接收数据帧信道的实测情况，可动态调整每个数据帧编码速率与调制方式。这种方式可在不同的接收环境（晴天、阴天
及雷雨）提供不同的编码码率和调制方式，使接收终端接收到最理想最可靠的信号。

3.2　软件无线电技术 [2]
　　软件无线电是将标准的硬件功能单元通过高速总线直接形成一个通用的数字式硬件平台，再通过软件加载的方式来实现各种类型无线通信系统的开放体系结构。在双向 DVB-S2 系统中，主站回传信道（RCS）解调设备，传统的做法是用硬件完成的，每路配备 1 个满足系统最大带宽解调板或硬件单元，在系统采购和配置时，解调设备的速率和路数是预分配好的。但在实际应用中，RCS 的通道数和速率（带宽）是按需求变化的，为了满足其变化的要求，通常需配置多路 RCS 硬件设备。利用软件无线电技术，通过对回传信号数字变换与滤波，比特流编码等软件处理，使用户可以按其需求分配相应的路数和解调速率（带宽）。比如 1 块吞吐率有8 Mbps 的解调板，可以分配成 64 路 64 kbps 的RCS、2 路 1 Mbps 的 RCS 和 1 路 2 Mbps 的 RCS。优化了设备配置，应用更加灵活，降低了设备成本，减少了占用空间和电源损耗，便于用户管理。

3.3　载波叠加技术

　　卫星转发器资源相对其它通道而言，成本比较昂贵。载波叠加技术允许在转发器带宽的同一部分叠加 2 个载波，使系统的通信吞吐量加倍，提高卫星转发器利用率。一般 2 个信号互相叠加的结果会使接收信号失真，互相串扰，在高码率传送之下用传统的滤波电路无法把 2 个叠加的调制载波信号分离出来。载波叠加技术可以通过对同步信号的相位控制、信噪比（S/N）的门限控制、数字延时均衡技术和软件控制，来实现 2 个调制载波信号的分离。

3.4　抗 Ku 波段雨衰技术
　　由于水利防汛工作的特需要求，防汛通信卫星网必须保证在降雨条件下可靠工作，所以在防汛通信卫星网络的设计和建设中考虑了降雨造成衰落的防护措施。比如采用自适应编码及调制（ACM）技术，中心站配有上行功率控制器（AUPC），小站具备 AUPC 和自动补发功能等。

4　 新系统优势

　　相对于原水利卫星系统，新一代系统具有以下优势：

　　（1）新一代水利卫星资源采用的亚洲 5 号与原亚洲 2 号卫星比较，EIRP 值和 G/T 值在边缘地区均提高近 16 倍，在全国各地覆盖的均匀性方面也有了很大提高，为系统的规模化奠定了基础。
　　（2）为了减少雨衰的影响，采用了 C 波段与 Ku 波段混合组网方式，增加了链路余量、上行链路自适应功率控制、信道自适应编码与调制技术、合适口径的天线、高增益的优质 LNB（高频头）；在应用中采用自动重发数据、小站因雨衰出现中断自动重起等技术，使雨衰的影响最小化。
　　（3）新系统可提供丰富用户业务支持。从软交换语音、数据采集和传输、视频服务的终端业务到网络互联与接入业务，从 64 kbps 到 4 Mbps 的带宽连续可调等，新系统均能满足。
　　（4）新系统采用星/网混合组网，为水利卫星小站规模建设、应急视频通信带宽有效利用，以及常规通信与应急通信的统一管理提供技术保证。
　　（5）新系统采用 DVB-S2 通信体制，大大提高了卫星频谱利用率，有效增强了卫星信号传输能力，降低了信道传输门限，提高了系统的效率和可用度。
　　（6）新系统网络层采用 TCP/IP，不仅便于用户应用系统的接入，还便于与水利专网、其他网络的互联互通和网络的扩展。
　　（7）新系统小站价格大幅降低，不到 10 年前小站价格的 1/10，而且性能有了很大提高，安装更加简便，有利于系统的扩展。

参考文献
[1] 袁东风，张海刚. LDPC 码理论与应用[M] . 北京：人民邮电出版社，2008.
[2] 钮心忻，杨义先. 软件无线电技术与应用[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2001.