卫星带宽压缩技术在应急通信中的测试与应用
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为有效提高卫星带宽使用效率，在1MHz的卫星转发器带宽上有效传输实际使用带宽为2MHz的CDMA信号，中国电信在多地开展现场验证测试，分别在现有设备上实地验证时隙插入取出、载波叠加和高阶调制三种技术在CDMA应急通信车上的使用，测试CDMA语音业务的主观语音质量、呼叫时延和数据业务的实际吞吐率。测试结果发现三种技术均能满足压缩率预期要求，中国电信可在CDMA应急通信车上应用卫星带宽压缩技术，以满足现网需求。
Test and Application of Satellite Bandwidth Compression Technology in Emergency Communication
KANG Chen1， CHEN Yue1， LU Hong-tao2
（1. China Telecommunications Corporation， Beijing 100032， China；
2. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）
In order to effectively improve the efficiency of satellite bandwidth and transmit the CDMA signal with 2MHz bandwidth on the satellite transponder with 1MHz bandwidth， China Telecom carried out the on-site verification tests in several cities. Three technologies were tested respectively on the existing equipment including time slot drop and insert， carrier superposition and higher order modulation used for CDMA emergency communication vehicles. The test projects include subjective voice quality and call time delay of CDMA voice services and the actual throughput rate of CDMA data services. The results show that three technologies can satisfy the expected requirements of compression rate. Therefore， China Telecom can use satellite bandwidth compression on CDMA emergency communication vehicles to meet the demands of the current networks.
emergency communication satellite bandwidth compression time slot drop and insert carrier superposition higher order modulation
随着中国电信应急通信发展迅速，大量应急通信装备入列。其中，卫星通信装备因为其灵活机动、不受时间和空间限制的特点，在应急通信装备中占比较大。
2009年以来，CDMA应急通信车的出动次数和吸收的话务量持续上升，已经占到应急通信任务量的一半以上。CDMA应急通信车大量使用卫星链路手段进行应急通信传输，但是卫星应用成本较高，严重制约实际需求的释放。中国电信在保障应急通信需求的同时，必须从企业运营成本出发，通过多种技术手段，在有限的带宽下满足应急场景的通信需求。
2 卫星带宽压缩技术
应急卫星能力提升有多种成熟的技术方案，包括：时隙插入取出、高阶调制和载波叠加技术。
（1）时隙插入取出技术根据基站能够开通所需的最少传输资源，灵活地配置1―31个时隙的E1电路，使用的传输资源小，达到节约卫星带宽、降低传输电路运行成本的目的。
（2）卫星通信中常用的调制方式包括BPSK（Binary Phase Shift Keying，二相相移键控）、QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，四相相移键控）、8PSK（8 Phase Shift Keying，八相相移键控）、16QAM（16 Quadrature Amplitude Modulation，十六进制正交幅度调制）。通过采用不同的调制阶数的调制方式，结合效率更高的前向纠错编码和采用合理的载波间隔，达到提高卫星转发器带宽利用率的效果。
（3）载波叠加技术采用一种名为“适应性减扰”的技术，是AST公司的专利技术。该技术可以使双向卫星链路在转发器带宽的同一频段内同时发射业务载波，理论上使占用带宽减少50%。
3 现场测试
3.1 中国电信CDMA应急通信车组网
中国电信目前装备的CDMA应急通信车配备的CDMA装备与大网使用的装备相同，包括华为、中兴和阿朗三个厂家设备。其中，小型车辆均采用小型越野车，车内只安装BTS（Base Transceiver Station，基站）设备，而不再安装BSC（Base Station Controller，基站控制器）设备，因此在组网时，车内的BTS通过SCPC（Single Channel Per Carrier，单路单载波）方式经过卫星接入上海主控站，通过地面传输接入各省指定的相应型号的BSC。网络示意图如图1所示。
应急通信车所载BTS通过卫星电路回传到上海主控站，再通过地面电路调度送回本省，CDMA应急通信车中均配备有卫星调制解调器。其中，小型CDMA应急通信车均配备CDM-600开放卫星调制解调器，而大型CDMA应急通信车均配备CDM-625开放卫星调制解调器。
3.2 时隙插入取出技术测试
测试使用小型CDMA应急通信车，车辆选择停放在西安，通过卫星传输与中国电信上海卫星地面站开通一个16时隙（1 024kbps）卫星电路；上海卫星地面站通过地面电路开通到西安BSC一个E1电路（32个时隙）。小型CDMA应急通信车天线口径为1.35m，功率放大器为40W；上海卫星地面站天线口径为2.4m，功率放大器为125W。测试项目包括卫星占用带宽、呼叫建立时延、CDMA2000 1X前向数据吞吐量、CDMA2000 1X反向数据吞吐量、语音质量、EV-DO前向数据吞吐量、EV-DO反向数据吞吐量，分别采用QPSK、8PSK两种调制方式和常用前向纠错码率进行测试。载波间隔系数采用1.35、配置为16时隙进行有效承载测试。
（1）测试结果汇总
小型CDMA应急通信车卫星设备发射功率以上海卫星地面站载波参考调节。功率软件测得发射功率为31.1dBm，接收Eb/No为11.7dBm，收信电平为-49dBm，误码率为1×10-9。西安测试结果汇总如表1所示。
（2）测试结论
通过测试，小型CDMA应急通信车利用仅有的16时隙可以正常开通基站，同时还能支持语音、数据等多种业务，业务质量可以满足应急通信要求。
3.3 高阶调制技术测试
目前CDMA应急通信车多采用QPSK 3/4的调制与编码方式，测试主要针对采用不同的高阶调制与编码方式（包括8PSK 7/8，16QAM 3/4，16QAM 7/8）时，测试卫星链路指标的变化以及对CDMA应急通信车工作的影响。
测试并验证在各种高阶调制与编码方式下，CDMA应急通信车开通一路载频在卫星的理论与实际占用带宽，确定出能压缩50%带宽的高阶调制与编码方式。
参考卫星通信公司对中国电信载频星上标定功率的要求（Co+No）/No≤17dB，测试在不同高阶调制与编码方式下，端站及地面卫星主站载频发射（Co+No）/No达到17dB时，地面卫星主站和端站的功率放大器上行功率实际余量。
根据端站目前的设备能力，在满足CDMA应急通信车正常应用的前提下，结合带宽压缩50%、功放余量等综合考虑，找出最优的高阶调制与编码组合方式。
测试在地面卫星主站利用Ku 2.4m和Ku 6m天线的情况下，对远端站卫星链路收发指标的影响。
经过测试，得到以下结论：
（1）采用8PSK 7/8（滚降系数为0.25）、16QAM 3/4（滚降系数为0.35）、16QAM 7/8（滚降系数为0.35）高阶调制与编码方式，均可以有效地将中国电信CDMA应急通信车在开通一条双向卫星电路时的星上占用带宽压缩到2MHz以内，满足带宽压缩一半的要求。
（2）中国电信CDMA小型应急通信车目前配备的40W BUC（Block Up-Converter，上变频功率放大器）能够满足在各种高阶调制与编码方式下的基站正常应用，且小车功放在满足功带平衡时的余量在7dB以上。
3.4 载波叠加技术测试
2012年8月在四川眉山使用中国电信大型CDMA应急通信车，通过卫星传输与上海卫星地面站开通2MHz电路。应急通信车卫星天线口径为1.8m，功率放大器为70W；上海卫星地面站卫星天线口径为6.2m，功率放大器为200W。使用亚太6号，卫星调制解调器型号为CDM-625。在相同环境条件下，分别测试使用和不使用载波叠加技术的卫星传输链路指标、基站控制器、基站指标，并分析载波叠加技术应用于CDMA大型应急通信车卫星传输模式的可用性和稳定性。
测试结果表明，卫星传输链路使用载波叠加后，能够提供1X语音、数据业务和EV-DO数据业务，使用载波叠加方式测试时间为3小时，基站开通正常，指标稳定。对比卫星传输链路不使用载波叠加，影响最大的是为保持功带平衡，将使载波发射功率降低3dB，导致系统余量下降，但从CDMA大型应急通信车系统配置分析，完全能够满足正常应急业务和支撑保障需求，对基站性能指标基本没有影响。总体来看，使用载波叠加技术完全能够满足CDMA大型应急通信车的应急业务和支撑业务需求。
4 三种技术对比
卫星带宽压缩技术推广实施时，需要综合考虑两方面的因素：一是对现有网络的影响，包括对现有CDMA网络的影响和对卫星调制解调器的影响；二是实施推广的难度。
三种技术中，时隙插入取出技术需要更改CDMA网络中的基站和基站控制器的配置数据，主要包括数据帧的有用时隙数量。目前中国电信CDMA网络设备生产商中，华为和中兴设备支持时隙插入取出技术，阿朗设备则不支持。从测试情况看，高阶调制、载波叠加技术均无需更改CDMA网络的基站和基站控制器的配置数据，属于无损压缩技术。
根据上述情况，三种技术对现网的影响如表2所示：
表2 不同技术对现网的影响
技术 支持的CDMA网络设备生产商 是否会造成基站掉站 需要更改数据的网元 压缩
效果 对现网的影响
时隙插入取出 华为、中兴 否 BTS和BSC 有损压缩 较大
高阶调制 华为、中兴和阿朗 否 无 无损压缩 无
载波叠加 华为、中兴和阿朗 否 无 无损压缩 无
三种技术中，时隙插入取出技术需要对CDMA网络数据配置进行修改，技术难度较大；高阶调制技术和载波叠加技术只需要对卫星调制解调器进行操作，与其它技术数据配置相比，改动较少、技术难度低。时隙插入取出技术对操作人员的要求比较高，实施推广有一定的技术难度，需要一定的时间；而高阶调制技术和载波叠加技术操作难度相对较低。
5 现网推广应用
卫星效率提升技术实施推广中，可根据地域不同、CDMA网络用户分布及业务开展情况进行分别讨论。不同的场景下，可根据目前的设备现状、业务特点和场景特点进行推广。
例如，2013年四川雅安地区发生7级地震，中国电信上海卫星地面站在中国电信集团公司的指挥下，充分利用卫星带宽压缩新技术为灾区提供通信保障，尽可能地多开一些卫星救灾通道，利用28MHz卫星带宽提供了10条卫星远程中继，共为灾区现场提供紧急通信保障50次，共计23 200分钟。地震当天的13时35分，中国电信集团公司四川分公司完成CDMA应急通信车现场定位，中国电信上海地面卫星接入主站顺利开通到地震灾区的首条卫星中继，协助灾区现场开通了中国电信的CDMA基站。21日中午，配合空降的卫星基站在通信孤岛宝兴县开通一个应急基站，实现了抢险救灾现场的CDMA网络信号覆盖。
中国电信集团卫星带宽压缩技术从2013年4月开始试运行测试并随后正式使用至今，全国共有31省使用时隙插入取出、高阶调制和载波叠加这三种卫星带宽压缩技术，使用CDMA应急基站卫星入网，在原有带宽的基础上提升了一倍的带宽利用率。
6 总结
经过现场试验和现网推广应用，卫星带宽压缩技术可以有效地节省卫星应用成本，在应急通信保障中，能够提高卫星带宽使用效率，为中国电信树立企业品牌形象、完成社会责任奠定坚实基础。
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