鐵路通訊系統中的衛星通信技術應用

王 莉

摘要:目前,衛星通信已成為鐵路數據通信網的一個重要組成部分,并使得數據、聲音、圖像的傳輸過程更為安全、穩定、可靠。對于一向落后的鐵路通信系統,隨著衛星通信設備的采用,其狀況必將發生翻天覆地的變化。而衛星通信站的建立,也將使鐵路通信傳輸網絡的話務量進一步擴大,地域面更廣,尤其為應急搶險又備份了一條路徑。

關鍵詞:衛星通信;中繼站;數據傳輸;鐵通公司

中圖分類號:TN91文獻標識碼:B文章編號:1009-8631(2009)12-0099-02

引言

衛星通信是一種利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波而進行的兩個或多個地球站之間的通信。

衛星通信系統是由通信衛星和經該衛星連通的地球站兩部分組成。靜止通信衛星是目前全球衛星通信系統中最常用的星體,是將通信衛星發射到赤道上空 35860 公里的高度上,使衛星運轉方向與地球自轉方向一致,并使衛星的運轉周期正好等于地球的自轉周期( 24 小時),從而使衛星始終保持同步運行狀態。故靜止衛星也稱為同步衛星。靜止衛星天線波束最大覆蓋面可以達到大于地球表面總面積的三分之一。因此,在靜止軌道上,只要等間隔地放置三顆通信衛星,其天線波束就能基本上覆蓋整個地球(除兩極地區外),實現全球范圍的通信。目前使用的國際通信衛星系統,就是按照上述原理建立起來的,三顆衛星分別位于大西洋、太平洋和印度洋上空。

與其它通信手段相比,衛星通信具有許多優點:一是電波覆蓋面積大,通信距離遠,可實現多址通信。在衛星波束覆蓋區內一跳的通信距離最遠為 18000 公里。覆蓋區內的用戶都可通過通信衛星實現多址聯接,進行即時通信。二是傳輸頻帶寬,通信容量大。衛星通信一般使用 1~10 千兆赫的微波波段,有很寬的頻率范圍,可在兩點間提供幾百、幾千甚至上萬條話路,提供每秒幾十兆比特甚至每秒一百多兆比特的中高速數據通道,還可傳輸好幾路電視。三是通信穩定性好、質量高。衛星鏈路大部分是在大氣層以上的宇宙空間,屬恒參信道,傳輸損耗小,電波傳播穩定,不受通信兩點間的各種自然環境和人為因素的影響,即便是在發生磁爆或核爆的情況下,也能維持正常通信。

衛星傳輸的主要缺點是傳輸時延大。在打衛星電話時不能立刻聽到對方回話,需要間隔一段時間才能聽到。其主要原因是無線電波雖在自由空間的傳播速度等于光速(每秒30萬公里),但當它從地球站發往同步衛星,又從同步衛星發回接收地球站,這“一上一下”就需要走8萬多公里。打電話時,一問一答無線電波就要往返近16萬公里,需傳輸0.6秒鐘的時間。也就是說,在發話人說完0.6秒鐘以后才能聽到對方的回音,這種現象稱為“延遲效應”。由于“延遲效應”現象的存在,使得打衛星電話往往不象打地面長途電話那樣自如方便。

衛星通信是軍事通信的重要組成部分。目前,一些發達國家和軍事集團利用衛星通信系統完成的信息傳遞,約占其軍事通信總量的80% 。

衛星通信的主要發展趨勢是:充分利用衛星軌道和頻率資源,開辟新的工作頻段,各種數字業務綜合傳輸,發展移動衛星通信系統。衛星星體向多功能、大容量發展,衛星通信地球站日益小型化,衛星通信系統的保密性能和抗毀能力進一步提高。

一、衛星通信技術的分類

衛星在通信、廣播、導航定位、遙感遙測、地球資源、環境監測、軍事偵察、氣象服務等方面體現出日益重要的價值。特別是在軍事應用方面,已成為現代高技術條件下局部戰爭中保障通信指揮、控制和信息傳遞極為重要的手段,因此,不僅西方各軍事強國,就連不少發展中國家對軍事通信衛星也特別重視。近年來,衛星通信技術已進人數字化發展的階段。

1.1 低速話音編碼技術

在過去較長的一段時間內,32kbit/s的連續可變斜率增量調制(CVSD)編碼技術在衛星通信系統中占據主導地位。隨著通信容量的增加和頻率資源的緊張,迫切需要低速率且高質量話音的低速話音編碼技術。目前,低速話音編碼技術已取得了突破性進展,相繼出現了32kbit/s的自適應差分脈碼調制(ADPCM)、低時延16/8/4.8kbit/s的碼激勵線性預測(CELP)、4.8/2.4kbit/s的多帶激勵(MBE)。特別是4.8/2.4kbit/s的MBE話音編碼技術已在系統中使用,在4.8kbit/s速率上的話音質量已接近64kbit/s的PCM的長話質量,超過32kbit/s的CVSD的話音質量。采用低速率話音編碼可以大大提高衛星通信質量。

1.2 先進信道編碼技術

信道糾錯編碼技術也有很大發展,有先進的軟判決維特比譯碼和雙層級聯碼等。軟判決維特比譯碼廣泛應用于衛星通信終端,它可以使信道質量明顯改善,在誤碼率為10“的條件下,其編碼增益大于5.8dB。雙層級聯碼(即外層用R-S碼交織,內層用卷積碼)能有效地糾正隨機和突發錯誤,在碼率為10-5時,其編碼增益可達6-7dB。采用先進信道編碼技術可以提高傳輸質量,并節省衛星功率。

1.3 格狀編碼調制(TCM)技術

衛星信道既是帶寬和功率受限的信道,又是非線性信道,它需要具有已調載波功率譜密度比較集中的調制方式,因此,通常采用恒定包絡制方式。在恒定包絡制方式中,又廣泛采用相位調制(PSK)方式。但是,相位調制方式存在非連續相位轉移的缺點,為了克服這一缺點,獲得更佳的性能,最新發展起來的格狀編碼調制是衛星系統中調制技術的發展趨勢。格狀編碼調制是一種不犧牲帶寬的有效性而提高功率有效性并與信道編碼相結合的技術。目前,8PSK和16PSK的64kbit/s格狀編碼調制數字調制解調器已應用于衛星通信中,它與普通相位調制相比,在不增加帶寬、不改變速度的條件下,可提高3-5dB的調制增益。

1.4 混合多址技術

對于數字衛星通信系統,時分多址(TDMA)適用于40Mbit/s以上速率的系統,而碼分多址(CDMA)則在微型地球站VSAT衛星通信系統中廣泛采用。TDMA在充分利用衛星轉發器功率和機動靈活組網方面有很大的潛力,配合多波束天線,即可實現星上交換時分多址(SS-TDMA)方式;還有一類低速時分多址(LA-TDMA)方式,這種方式所需的全向有效輻射功率(EIRP)小,便于大規模集成電路的應用,成本低,斟而發展較快。

CDMA技術具有抗干擾、保密等優點,對軍事通信系統有很大的吸引力,且有多種使用方式。時分復用/碼分多址(TDM/CDMA)方式已在VSAT衛星通信系統中應用;直接序列擴頻/跳頻/碼分多址(DS/FH/CDMA)是直接序列擴頻與低速跳頻混合的多址方式,具有信道容量更大、抗干擾能力更強等優點;隨機分配碼分多址(RA-CDMA)方式是把碼分多址的優點與數據分組通信方式(數據傳輸和交換的動態分配技術ALOHA)的特點結合在一起,使信道通信容量和抗干擾能力進一步提高。

二、衛星通信在鐵路應急搶險中的作用

2.1工作模式

(1)衛星通信接收示意圖(見圖1)。

2.2使用容量

目前,鐵通公司在全國有九個基站將衛星數據通信作為搶險備份通道。開通一個2M帶寬作為語音通道,一個2M帶寬作為圖像通道。

2.3基站系統維護

鐵通公司的衛星系統維護包括下內容:

(1)定期測試:網管室(站)定期核對網關的各種參數及與北京主站的聯網通話功能;

(2)硬件設備巡檢:電源、饋線、天線;

(3)站內自檢。

三、結束語

信息技術作為本世紀重要的主導產業,其發展方興未艾,衛星通信后來居上,兇猛異常地發展起來。一向落后的鐵路通信,隨著衛星通信設備的采用,其狀況必將發生翻天覆地的變化。因此,了解衛星通信的基本原理及特點,并進一步引進吸收國內外先進技術,是我們發展鐵路通信的必經之路。

參考文獻:

[1] 陳九冶.衛星通信系統[M].北京:人民郵電出版社,1990.

[2] 丁龍剛.衛星通信技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3] 張育林.分布式衛星系統理論及應用[M].北京:科學技術出版社,2007.作者簡介:王莉(1957- ),女,現就職于鐵通西安分公司線路中心。