沈伟民 中国电信股份有限公司上海分公司应急通信局工程师

南极卫星通信系统的组网和维护

沈伟民 中国电信股份有限公司上海分公司应急通信局工程师

介绍南极长城站、中山站与上海极地中心之间卫星通信系统的组网方式，以及在南极特殊的地理、温度环境下如何保障通信设备及网络的正常运行。

调制解调器 网络加速器 室外功率放大器 天线控制器载 波叠加

1 引言

中国极地中心位于上海浦东金桥，承担着国家南、北极科学考察研究的重任。中国目前在南极有2个科考站，中山站和长城站。长期以来，中山站和长城站与外界都没有建立通信连接，使许多科考数据无法及时传回国内进行分析研究，科考站的科技人员长期职守在南极无法随时与国内的家人、同事联系，国内的信息也不能及时顺畅地传送到南极，南极两站基本处于与世隔绝的状态。

2006年，国家拨款5亿元用于改造南极科考队的各项设施，其中包括雪龙号科考船的维修、南极两站的翻新和与国内建立通信传输系统。南极科考队通信主要解决的是极地中心与长城站、中山站之间的通信，考虑到南极通信传输的特殊性和复杂性，中国极地中心委托上海电信对长城站、中山站的卫星通信系统进行规划。卫星信道的功能要求是：提供IP数据通信和IP语音通信的功能；卫星信道的性能要求是：点对点IP数据通信（即长城站—上海、中山站—上海）的上下行速率均为512kbit/s。

2 系统概述

从地理区域观察，极地中心和中山站在东半球，长城站在西半球，长城站位于：62°,12’,59’’s，58°,57’, 52’’w；中山站位于：69°,22’,24’’s，76°,22’,40’’e。

长城站和中山站由于地理位置的不同以及受通信卫星波束覆盖区域的限制，需要用两颗不同的国际通信卫星实现相互通信，整个系统可分为长城站和中山站这两个分系统，采用点对点的通信方式组网，具体系统如图1所示。

在此系统中，上海电信提出建立一个基于因特网的全IP方式的卫星通信链路系统，以上海莘庄卫星地球站作为主站，利用莘庄地球站丰富的天线资源和人力技术资源做好主站的运行维护。在中山站、长城站设立远端小站，实时与主站联系，实现语音电话、图像文件传输、数据传送和因特网浏览等功能。

上海电信提供60M城域网光纤接入极地研究所，通过位于上海卫星地球站的相关设备进行信号处理，将所有的语音和数据等信号打包成IP包送到Modem设备、再通过射频设备和天线经通信卫星对信号进行转发。

2.1 长城站—上海极地研究所

由于长城站位于西半球，而上海位于东半球，上海卫星地球站所处的太平洋、印度洋上空的国际通信卫星无法直接覆盖，决定利用中国电信丰富的国际长途光缆资源，首先开通极地研究所至英国伦敦POP（中国电信线路汇接点）国际光缆专线电路，再延伸至法兰克福地球站，通过通信卫星进行信号转发，经与法兰克福地球站和国际通信卫星组织技术人员的沟通商量后确认了方案的可行性，所以本系统采用长途国际光缆+通信卫星的方式进行组网，具体系统组成如图2所示。

长城站上行的信号通过位于大西洋上空的Intelsat（国际卫星通信组织）325°卫星转接到法兰克福地球站，经由法兰克福地球站的下行设备接收，将信号送到位于UK（伦敦）的传输POP（电信线路汇接）点，再通过国际专线电路送到上海卫星地球站，经由电信ITMC（国际终端维护中心）送到极地研究所。从极地研究所上行的信号则通过反向连接到长城站。长城站的内部系统链路如图3所示。

图1 南极科考站通信项目系统图

信号下行：从325°卫星收下来的信号经由6m的收发天线，送到LNB（低噪声放大变频模块），将信号由C波段转换为L波段，LNB输出的L波段信号被送到卫星Modem，将信号解调出基带信号（即IP信号），因卫星通信延时较大（一次上、下行共540ms），所以在数据信号传输中会遇到实际使用速率比传输速率有所下降的问题，并且有可能导致无法进行正常的上网、文件传输等问题的出现，因此在Modem的后级需连接TCP/IP加速器以解决此问题，在加速器后可连接需要的网络设备。

信号上行：从网络设备来的信号经由TCP/IP加速器送到Modem（上、下行共用1个卫星Modem，此卫星Modem同时具有调制和解调功能），Modem将信号调制到L波段，送到位于室外的ODU，ODU具有内置BUC（可将信号从L波段转换到C频段），并且具有信号放大功能，此次选用50W的室外型功放，可以保证512K传输线路功率要求和室外低温工作环境的需要，功放等设备选用国际最优秀的品牌，并且这些设备均为多家卫星站和电视台使用，设备的可靠性和稳定性得到了长期的验证。

图2 长城站—极地研究所通信组网图

图3 长城站设备系统图

2.2 中山站—上海极地研究所

中山站和上海同时位于东半球，可利用位于印度洋上空的Intelsat62°国际通信卫星与上海卫星地球站进行双向通信信号传输。中山站—极地研究所通信组网如图4所示。卫星地球站的700W行波管放大器进行信号放大，经20m天线将信号送到62°卫星，由卫星转发送往中山站，中山站的下行链路设备与长城站类同。

3 南极卫星地球站设备的维护

3.1 卫星天线

图4 中山站—极地研究所通信组网图

中山站上行：中山站的上行信号经由62°通信卫星转发到上海卫星地球站后，通过直径20m的天线进行信号接收，下行采用LNA（低噪声放大器）输出为4G信号，所以要用BDC将信号变频到L波段输出送到卫星Modem，卫星Modem输出的信号再经过TCP/IP加速器送到卫星站的汇接设备，经电信ITMC（国际终端维护中心）送到极地研究所与网络设备相连。

中山站下行：极地研究所送来的IP信号经ITMC送到卫星地球站，卫星地球站将信号送到卫星Modem，卫星Modem的L波段输出信号经过BUC（上变频模块）将信号转为C波段上行信号（6G），送到上海

卫星地球站天线放置在玻璃钢球体内，外界环境因素对其影响很小，同时前方又是开阔地带，不存在阻挡现象，卫星天线带有伺服系统，在日常使用和维护过程中可远端遥控进行天线方位角和俯仰角的调整。极化采用的是圆极化，因此不需要调整极化角。

卫星天线主要的维护工作就是检查天线控制单元、天线跟踪接收机、天线驱动单元及其附属电机各项指标是否正常，方位电机和俯仰电机能否正常运转，以及波导充气机的运转情况。

（1）天线控制单元（ACU）需检查参数如表1所示。

（2）卫星跟踪接收机（TrackingReceiver）需检查参数如表2所示。

（3）天线驱动单元（ADU）及方位、俯仰电机。

检查俯仰和方位电机是否正常工作时，确保天线驱动单元（ADU）的Local按键弹出，红灯亮，然后按天线控制单元（ACU）的Exit键，返回主菜单界面，如图5所示。

在ACU面板键盘上按2键，执行自动跟踪，这时就会听到方位和俯仰电机来回跟踪启动的声音，电机工作运转以及运动方向在天线驱动单元内会有相应的指示灯闪烁，这说明两个电机工作正常。

表1 天线控制单元参数

表2 卫星跟踪接收机参数

3.2 卫星Modem

卫星Modem的日常维护工作主要是检查告警、Eb/No、BER等性能指标参数，这些指标参数通过卫星

Modem的本地面板操作或通过Web方式登录MODEM进行监测。

（1）正常情况下卫星Modem的各项主要参数如表3所示。

图5 天线控制单元菜单

表3 卫星Modem接收参数

（2）卫星Modem面板指示灯含义如表4所示。

（3）通过Web方式登录Modem进行设备参数检查和修改。

●登录卫星Modem：长城站卫星地面站Modem的IP地址为192.168.201.2，在浏览器地址栏输入http:// 192.168.201.2，出现卫星MODEM登录页面（见图6）。

●查看并修改Modem的IP配置：选择IP菜单下的Interface子菜单，Modem当前IP地址及相关配置如图7所示。

表4 卫星Modem面板指示灯

图6 卫星Modem登录页面

●查看并修改Modem的路由配置：选择IP菜单下的Routes子菜单，Modem当前路由及相关配置如图8所示。

●查看并修改Modem的系统配置：选择Modem菜单下的Modem子菜单，卫星Modem当前的系统配置如图9所示。

注意事项：

——系统正常运行状态下，确保如表5所示Modem发射和接收参数不被修改。

——长城站的发信/收信频率分别为：6314.5775/ 4111.155MHz，发信的本振频率和收信本振频率分别为4900/5150MHz，因此混频后，Modem配置L频段的收发频率分别如上表所示。

图7 卫星Modem接口配置

图8 卫星Modem路由配置

表5 卫星Modem发射和接收参数

——功放的开关和输出功率的调整也可以在本菜单中执行。

——收信频谱的反转是由于C频段的信号经LNB混频后变为L频段信号，这时原来信号频谱的高端变为低端，因此需要进行反转。

——收信的捕获范围尽量设大一点，在传输速率为512kbit/s时，它的最大值为32kHz(+/-)。

●检查并修改低噪声放大器（LNB）配置：选择Modem菜单下的LNB子菜单，LNB的当前配置如图10所示。

●检查并修改Modem的Access配置：选择Admin菜单下的Access子菜单，Modem当前Access配置如图11所示。

●检查并修改Modem的Features配置：选择Admin菜单下的Features子菜单，Modem当前Features配置如图12所示。

3.3 卫星发信功率放大器（ODU）

卫星发信功率放大器用于信号发射过程中的信号放大，放大器安装在天线立柱的中心体中，日常维护主要通过放大器的M&CConnector（J4）端口连接到计算机进行检查，具体操作步骤如下：

（1）软件安装和设备连接：在计算机中安装Paradise Datacom光盘提供的监测和控制软件：Compact Outdoor M&C Software（ID 100000+)，然后用RS232电缆（设备配置的缆线）连接放大器的J4端口和计算机的串口（如没有串口，可通过RS232与USB转换后连接到计算机的USB端口）。

图10 卫星Modem低噪声放大器配置

图11 卫星Modem权限配置

图12 卫星ModemFeatures配置

（2）软件的连接：打开Compact Outdoor M&C程序，选择如图13所示的File下拉菜单；在File下拉菜单中选择如图14所示的AddNewSSPA；选择本地COM端口和连接波特率（9600 Baud），确认后即成功连接到如图15所示的发信功率放大器控制界面；点击SSPAOperation选项卡，显示发信功率放大器的各项运行参数。

图13 File下拉菜单

图14 添加新固态放大器菜单

（3）发信功率放大器正常运行，参数如表6所示。

（4）信号发射功率的更改：信号发射功率的增加或减小，通过信号发射消耗衰耗值的更改来实现，可以在如图16所示的衰耗值设置区域（Attenuation）中通过鼠标点击左右箭头进行衰耗值的增加或减小，也可以通过鼠标拖动衰耗指示表的指针进行衰耗值的更改，这时左边信号发射功率指示刻度表（RFPower）也会随之相应变化。

3.4 卫星接收信号放大器（LNB）

卫星接收信号放大器（LNB）用于信号接收过程中的信号放大，放大器安装在天线中心体内，通过硬波导与卫星天线的RFOutput（RHCP）端口连接，LNB的日常维护主要通过卫星Modem来实现。

LNB的工作电压由卫星Modem提供，电压范围为-15～-24V，Modem可提供-13V、-18V、-24V3种电压，长城站LNB的电压选择-18V。

3.5 卫星TCP加速器（TurboIP）

卫星TCP加速器的日常维护主要包括检查设备的加速设置和IP地址设置，即使加速器出现故障或电源关闭也不会影响正常的通信传输，这时TCP加速器的WAN和LAN端口相当于直通端口。

（1）登录卫星TCP加速器：长城站卫星地面站TCP加速器的IP地址为192.168.201.3，只有192.168.201.0网段内的计算机才可以访问。在浏览器地址栏输入http://192.168.201.3，出现如图17所示的卫星TCP加速器的登录页面。

（2）检查TCP加速器的加速设置：登录TCP加速器后，选择Acceleration选项卡，TCP加速器的当前加速及相关设置如图18所示。

（3）检查TCP加速器的IP地址设置：登录TCP加速器后，选择Interface选项卡，TCP加速器的当前IP地址及相关设置如图19所示。

3.6 南极专线电路系统优化

2009年1月相继开通南极长城站、中山站至极地中心的卫星专线电路，两站通过卫星链路及相应的地面线路实现南极长城站、中山站局域网与极地中心研究所局域网的互联。卫星链路提供端到端IP接口，两端分别与网络交换机相连，网络交换机提供业务接入，不同的业务共享卫星信道提供的传输带宽，目前已开通的业务主要是语音和低速数据。但由于卫星带宽资源受限（目前仅开通双向512k），当语音通话、网络浏览或数据传送集中于某一时刻时，会出现网络拥塞现象，因此必须通过交换机对不同业务类型制定相应的QoS策略，保证各类业务不发生冲突。为了解决卫星带宽瓶颈，经与极地中心协商，上海电信负责将卫星带宽资源由现在的双向512k扩容至双向1M，并采用最新的载波叠加技术，最终为用户提供双向2M的卫星通信应用。

表6 发信功率放大器运行参数

图15 固态放大器控制界面

图16 固态放大器发射功率的更改

图17 卫星TCP加速器登录界面

图18 卫星TCP加速器配置

载波叠加：以Modem厂家Comtech EF Data公司为代表拥有的Carrier-in-Carrier载波叠加技术，其特点是站点间采用SCPC方式进行通信时，A、B站原本需为两个载波租用一定的卫星带宽，现在通过载波叠加技术不需要了，只需要租用带宽大的一方即可。如A、B站对通，每个载波带宽2MHz，原本需要租用4MHz带宽，现在只需租用一个2MHz带宽就可以了，如图20所示。

申请租用亚太6号卫星，APSTAR6-C11A-4055/ 6280MHz，6MHz带宽，上行垂直极化、下行水平极化，使用两套ComtechEFData公司的Comtech625Modem进行载波叠加测试。假设第一套CDM625Modem为上海莘庄卫星地球站，第二套CDM625为南极中山站，根据1M带宽的要求，两套Modem发信频率分别为6280、6281MHz，接收频率分别为4056、4055MHz。

●使用两套CDM625Modem140MHz中频输出合路后公用一套U/C和D/C，U/C频率为6280MHz，加10dB衰减器，D/C频率为4055MHz。第一套Modem TX FREQ：140MHz、RX FREQ：141MHz、Data Rate：1024kHz；第二套Modem TX FREQ：141MHz、RX FREQ：140MHz、DataRate：1024kHz。

图19 卫星TCP加速器网络配置

●使用载波叠加技术：两套CDM625Modem使用相同的发信和收信频率，即第一套ModemTXFREQ：140MHz、RX FREQ：140MHz、Data Rate：1024kHz；第二套ModemTX FREQ：140MHz、RX FREQ：140MHz、 DataRate：1024kHz。将第一套Modem载波叠加cnc设置为On，Delay Research设置为Min：200ms，Max：260ms。第二套Modem载波叠加cnc设置为On，Delay Research设置为Min：200ms，Max：260ms。此时载波叠加工作完成，在频谱仪上监测到两个载频已叠加在一起，功率增加了3dB。

图20 载波叠加频谱

采用载波叠加技术后空余一个1024kHz的带宽，将第一、第二套Modem的TX和RX中的DataRate修改为2048kHz，就实现了卫星带宽从1024～2048kbit/s的升级。

4 结束语

为了更好地支持南极科考事业的发展，满足南极通信应用需求，提高用户对电信业务的感知度，中国电信对卫星带宽进行升级扩容后，能更好地满足用户各类业务应用需求；为扩展在南极通信应用的覆盖范围，在南极地区建立CDMA基站，通过提供C网无线信号覆盖，使科考队员可通过天翼手机扩大科考队员工作活动的通信范围，同时可实现与国内任何地点的通讯联络，进一步拉近极地与国内的距离。总之，卫星通信作为传输中继节点解决了南极长城站、中山站与极地中心之间的的通信连接，实现了VoIP话音通信和南极长城站、中山站与极地中心局域网的互联。

1 CDM－570/570L Installation and Operation Manual

2015-08-28）