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1、“卫星”QC小组活动成果汇报,“卫星”QC小组活动成果汇报,节约卫星转发器资源的研究,问题解决型小组,发表者 王建伟,卫星QC小组,小组简介 于2012年6月成立了QC小组。从优化质量管理、加强现场过程控制着手，将优化卫星网资源到工作中，达到不断提升卫星网质量的目的。,一、课题选定,活动计划,注：,实际进度,计划进度,二、设定目标,根据1-5月份的数据统计，现网卫星站点带宽使用285.01M，集团公司06年给予西藏公司约526.25M。现有卫星网转发器带宽资源使用率54%。优化后卫星网带宽使用率为47%,目标值设定为43%。如下表实践后QPSK每兆占用835KHZ，而8PSK每兆占用600KH
2、Z;且每兆带宽可节约1/3的资源。,目标值理论分析：1、转发器资源有限；2、租凭转发器带宽昂贵、3、节约成本。现网统计情况说明：现网在运行258个卫星站点，占用转发器资源284.26MHz带宽。QC团队人员能力经验分析：1、人员技术水平有限；2、人员卫星网优化维护能力不足；3、集体团队意识不强。,小组成员通过对卫星转发器的特点的研究，卫星转发器而言,其带宽和功率都是恒定的,因此,无论占用了功率还是占用了带宽,都是占用了宝贵的转发器资源,卫星运营商收费将综合考虑带宽和功率的占用情况来计算。如果占用的功率比例大于占用的带宽的比例,就是功率受限,反之则是带宽受限。系统设计时,应尽量使占用的带宽和功率
3、达到平衡,节省转发器的带宽主要可以有多种技术手段，小组成员结合自身知识和多年优化经验，集思广益，通过“头脑风暴法”，提出了一系列的解决意见,用适当的编码调制方式，同样的信息速率，调制方式8PSK会比调制方式QPSK大概节省百分之十六的带宽。FEC3/4的编码方式也会比FEC1/2大概节省百分之三十的带宽。基本公式如下：符号速率=（信息速率/FEC编码率/R-S编码率）*调制因子，而载波噪声带宽和占用带宽的取值一般分别为符号速率的1.2倍和1.4倍。,降低信号来源数据的速率，采用Abis接口压缩设备，降低Abis接口的数据速率。,在有条件的地方，采用载波重叠技术，降低占用的带宽。,头脑风暴,三、
4、提出方案,小组成员针对卫星网带宽资源问题进行了全面分析：,方案一：编码和调制方式的选择 为了尽可能的节约转发器带宽，减少每年的租用成本，采用Abis优化设备已经做到了很大限度的减少带宽。如果想在此基础上进一步减少租用的带宽，从卫星编码调制方式的选择上入手也可以节省一部分租用的带宽。在确定调制解调方式时，应考虑到卫星信道的特点，充分利用有限而宝贵的卫星频率和功率资源。数字调制中，信号传输质量主要取决于比特差错率(以下简称BER),因此要尽可能采用在相同的每比特信号能量与噪声功率谱密度比(Eb/No)的条件下的BER低的调制方式，以节省卫星功率；另外，频谱利用率(单位频带的传输比特率)要尽可能高，
5、以节省宝贵的卫星频带。当然，这两个目标往往是互相矛盾的，在实际进行系统设计时要在两者之间取得平衡。对于常用的Turbo Codec编码相比其他方式有以下特性：Eb/N0性能大大优于同等带宽条件下的链接编码，占用带宽明显小于同等通信质量下的链接编码，编解码延时明显减小。,在使用FDMA的情况下，将卫星转发器的可用射频频带分割成若干互不重叠的部分，再分配给各地球站所要发送的各载波使用，FDMA方式中各载波的射频频率不同，发送的时间可以重合，但载波占用的频带是彼此严格分开的。,对此系统来说分配带宽=信息速率/FEC码率/每符号比特率*分配带宽滚降系数 例：如用QPSK,3/4FEC,(204,188
6、)的RS码，则 符号速率=信息速率(4/3)(204/188)(1/2),Ku波段雨衰对编码调制方式选择的影响,以湖南为例，如果在湖南采用Ku 频段，由于湖南处在M 区，即使按99.95%的可用度计算，上下行雨衰也分别达到了7.9dB 和6dB，从链路计算的结果看，当湖南上行有降雨时，则湖南基站北京主站载波所占的转发器功率为0.3%，带宽为0.4%。而由于边远基站设备没有上行功率控制功能，因此，为了保证系统在降雨时的余量，即使在晴天（上行雨衰为0），边远基站的发射功率也要足够补偿上行雨衰，而此时，湖南基站北京主站载波所占的转发器功率则达到了1.9%，远大于带宽占用的比例。由此会产生转发器功率用
7、满时，带宽仍有空余的情况。解决此问题的方法，只能通过改变编码调制方式或者采用C 频段来实现。如果改用QPSK 方式时，当湖南上行有降雨时，则湖南基站北京主站载波所占的转发器功率为0.1%，带宽为0.7%，晴天时所占的转发器功率为0.8%，基本达到了平衡。如果采用C 频段，由于C 频段雨衰非常小，则基本不会受到降雨的影响。如果对那些处于K 区的四川省基站采用Ku 频段，当可用度为99.95%时，上下行雨衰分别为4.9dB和3.6dB，当四川站上行雨衰为0时，边远基站发射的载波占用的转发器功率比例为1.3%，也远大于带宽占用的0.4%的比例。但改为QPSK 方式，则能够实现功率和带宽的基本平衡。C
8、频段的降雨衰耗通常都不会超出链路设计的余量。有资料显示，新加坡和台湾发送的C频段电视载波的上行EIRP都曾在暴雨时出现过3到5dB的下降。用国际电联所建议的雨衰计算公式并不能求得如此高的C频段雨衰量。仅有的合理解释为，这类现象出于高仰角天线的主反射面因暴雨而形成积水，从而使天线增益遭到的大幅度降低。,降雨衰耗对Ku频段卫星通信的负面影响比预期的严重。在香港监测Ku频段卫星信标时发现，夏季阵雨时的短时间下行降雨衰耗可达20dB甚至30dB。中国南部沿海某地所发的Ku载波在台风季节的上行雨衰，曾有连续半小时维持在10dB以上的纪录。即使是位于中国北方的北京，Ku设备的 8dB上行功率控制量也不足以
9、补偿夏季阵雨所产生的降雨衰耗。由此看来，通常能为系统预留的下行降雨余量、以及上行功率补偿量，都不能补偿短时间的暴雨所产生的降雨衰耗。对于实时性不强的数据业务，由Ku雨衰所造成的误码和通信中断可以通过重发等手段得到解决。对于必须保证实时传输质量的数据业务，和音频、视频等连续的数据流业务，最好还是选择在C频段上工作。雨衰估算结果表明，在同等的降雨条件下，不同频率和极化的载波所遭受的雨衰也不相同。在Ku频段，频率高端的水平极化载波所受的雨衰最大，频率高端的垂直极化和频率低端的水平极化载波所受的雨衰居中，频率低端的垂直极化载波所受的雨衰最小。在选择Ku频段转发器时，应该考虑这一因素。,Ku波段雨衰对编
10、码调制方式选择的影响,雨衰的计算公式为单位路程的雨衰量与电波穿越斜距以及路程缩短因子的乘积。其中，电波穿越斜距为降雨高度与天线仰角的正弦值之商。一般说来，天线仰角越低，穿越斜距越长，雨衰量越大。但是，路程缩短因子的计算公式考虑了电波穿越斜距在水平方向上的投影距离、以及降雨强度的影响。降雨高度越高，天线仰角越低，水平投影距离就越长，相应的路程缩短因子也就越小。其物理解释为，水平投影距离越长，电波笼罩在雨团中的部分就越少。此外，降雨强度越高，路程缩短因子也越小。其解释为，降雨强度越高，雨区在水平方向上的分布就越窄，电波被该强度雨区所笼罩的比例也就越小。路程缩短因子的值在天线仰角较低和雨量较大时可小
11、至0.4左右。为此，在考虑Ku频段降雨衰耗时，不必过分强调天线仰角的影响。Ku频段卫星通信通常采用上行站设备中的上行功率控制（UPC）、或者卫星转发器中的自动电平控制（ALC）补偿降雨衰耗对上行载波的影响。ALC的工作原理为根据接收到的载波强度调整转发器的SFD灵敏度。它的使用条件为，转发器中的所有载波都由同一个地点发送上星。ALC的初始设置方式为，通过调整转发器 SFD，使在晴空条件下的载波上行功率略高于不采用ALC时。这是因为，若在晴空时不增加上行功率，降雨时就全靠提高SFD灵敏度以使下行EIRP维持不变。由于到达卫星的功率因雨衰而降低，上行C/N也随之下降，从而使系统C/N变差。但是，晴
12、空时的上行功率也不能过高，因为这将增大对邻星和反极化转发器的干扰。UPC的工作原理为，根据检测到的当地雨衰量调整上行功率。采用UPC方式时，上下行C/N基本保持不变，但它要求上行站拥有足够的功率备余量。,Ku波段雨衰对编码调制方式选择的影响,压料板上凹槽明显,从以上方面考虑，确定了Turbo 3/4 和QPSK 或者8PSK 作为村通工程的编码调制方式。从实际使用的情况看，8PSK 的抗干扰、抗雨衰能力稍差，适宜用在降雨少的地区；QPSK 相对来说抗干扰能力较强，适合在降雨较多的地区采用。,Ku波段雨衰对编码调制方式选择的影响,目前，在IDR/IBS系统中所能支持的调制方式主要有BPBK,QP
13、BK,8P8K,16QAM等，而编码则有1/2,2/3,3/4维特比编码，TPC编码，Reed-Solomon编码等。不同的编码调制方式，其门限Eb/No,以及频谱利用率各不相同。不同的编码调制方式，其门限Eb/No 以及频谱利用率如表1所示：,方案二：Abis接口压缩设备和技术的引入,为了尽可能的节约转发器带宽，减少每年的租用成本，采用8PSK+Turbo 编码方式，从卫星编码调制方式上看，已经做到了很大限度的减少带宽。如果想在此基础上进一步减少租用的带宽，只能从引入新的信源编码方式考虑。近年市场上出现了很多针对Abis 接口压缩的产品，这些产品从实现原理上基本相同。由于G S M 系统A
14、b i s 接口传输的已经是压缩的13kbit/s编码的话音信号，很难再对其进行进一步的压缩，但在通话过程中，双方一般不会同时说话，因此会产生静音帧，通过分析Abis 信号中的静音帧，并对其进行大幅度的压缩，可以减少实际传输的数据速率。目前已经有产品能够支持这种应用，其原理就是通过分析不同的数据类型进行不同的处理算法，如表2所示：,该设备的引入不会影响原有的卫星传输基站所支持业务的正常使用，包括话音、GPRS、V.110 传真、调制解调器、WAP、短信、彩信等，而且具备拥塞处理能力，当话务量高时，不会影响原基站的话音接通率，同时话音压缩率可调，可以根据希望达到的话音质量调节压缩比例。该技术的采
15、用适合于载频比较多的基站，因为通话的数量越多，其统计分布特性越好。Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体BSC(基站数据控制中心)和BTS(基站收发信台)之间的通信接口，用于BTS与BSC之间的远端互连方式，该接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。其第一、第二、第三层接口协议分别满足GSM建议书08.54、08.56、08.58的要求。其物理连接通过2Mb/s数据/链路实现，并且符合CCITTG.703和G.704要求。信号方式也采用开放互连结构，Abis接口为私有接口，即BTS和BSC的协议可以根据各设备商自行规定。,近年市场上出现了很多针对Abis
16、接口压缩的产品，这些产品从实现原理上基本相同。2 Mbit/s的链路通常划分32个64kbit/s的E1时隙，除了一个时隙承载E1信令，其他31个时隙都可以承载业务。GSM语音业务一般为16 kbit/s每路，在实际应用时，每个E1时隙又通常划分为4个16 kbit/s的时隙，每个16 kbit/s时隙对应1路语音。为传输一个完整的载频数据，一般需要2个E1时隙，同时根据3GPP时隙0.852规定，每个载频必须有一路无线信令线路（RSL），一路维护操作线路（OML）和一路2层管理线路（L2ML）。RSL/OML/L2ML需要占用多个16 kbit/s时隙，实际上信令往往不足6 kbit/s，而
17、且这些大部分都在重复使用，因此，这些数据可以统计使用。不管一个基站的载频数为多少，有用数据占据的E1时隙有多少，2 Mbit/s的地面链路传输的都是32个E1时隙，然而由于基站载频数的不同，其中有用的E1时隙各不相同。另外，时隙主要传送帧定位信号、循环兀余校验和对端告警指示等，卫星MODEM之间不传输时隙，时隙在地面链路重新恢复。由此可见，在载频数小的情况下，传输32个E1时隙对带宽造成了很大的浪费。采用卫星MODEM的时隙提取功能可以进行有用的时隙进行传输，有效的节约卫星带宽。时隙提取分为“取出”和“插入”两部分功能。“取出”功能使用户可以从地面线路来的E1帧结构中取出一些需要通过卫星信道来
18、传送的时隙，送给卫星调制器发向卫星信道。“插入”功能则负责在地球站收到卫星传来的数据后，插入到地面E1帧结构中。时隙提取功能为通过卫星传输PCM数据提供了一个较好的传送部分E1电路的方式，从而使得卫星地面站之间可以采用NX 64 kbit/s的速率进行通信，信道的利用更加的灵活。由于时隙提取功能只是去除空闲时隙，对活跃的时隙不进行任何的操作，因此，对通信不会产生任何不良的通话效果。,卫星MODEM时隙的提取,GSM系统静音帧的过滤,由于GSM系统Abis接口传输的已经是压缩的13kbit/s编码的话音信号，很难再对其进行进一步的压缩，但在通话过程中，一方在说话的过程中另一方往往处于静音状态，为
19、了降低空中干扰，提高GSM系统容量和质量，同时为了降低电源消耗，增加手机的电池使用寿命，通常GSM系统采用非连续传输，即移动电话仅在有语音信号时才进行传输。如果通话一方处于静音状态，Abis接口会传输带有SID或者BFI标志的帧。此类帧仅仅是做个标记或仅含有少量静音参数而已，无实际语音编码，在实际数据传输过程中可以只传送必要的比特位，在对端通过标记对数据进行还原。该方式对有用的语音信息不进行处理，因此对语音质量影响很小。因此会产生静音帧，通过分析Abis信号中的静音帧，并且对其进行大幅度的压缩，可以减少实际传输的数据速率。对现有的语音网统计可知，一般的全网静音比例都超过40%,即网络中有40%
20、的语音数据是静音帧，而SID占用的比特位仅占个帧数据的90%左右。如果只传输SID或BFI可以节省36%以上的语音数据带宽。目前已经有产品能够支持这种应用，其原理就是通过分析不同的数据类型进行不同的处理算法。,具体工程实现某网络构成如图,其中cx1010即为Abis优化设备，Abis接口中数据结构：,Abis传输线路中的信号属性：（1）每个64kbps时隙被分为4个子信道，称之为TCH（2）信令：OML、RSL，分为64kbps、32kbps和16kbps（3)话音:全速率,半速率,SID(4)数据（任何非信令和话音的信息）(5)Idle（空闲）优化原理包括：初级，时隙插取；中级，包处理；高级
21、，包处理QoS；超级，动态拥塞控制。此Abis优化技术是一种超越去除E1中不用时隙的深层次优化。打开Abis 信道实时探查和识别各种子信道(SIG,Voice,Data,OAM,IDLE)，空闲(IDLE)信道数据删除，正在工作的话音信道中，删除静音帧(SID)（需要打开DTX功能)，信令信道(RSL和OML)优化，用户数据业务(GPRS/EDGE/V110)透明传输。优化后的Abis业务重新封装(帧中继或IP),以包交换进行传输。优先级:QoS 1:Abis的信令；QoS 2:话音；QoS 3:EDGE。,方案三：载波重叠技术的引入,目前，Moden编码调制技术的发展使带宽和功率的使用效率接
22、近理论的极限，载波重叠技术使用先进的数字处理(DSP)技术，从另一个方面开辟了节省转发器带宽的新方法。所谓载波重叠技术是指在同一个频点上传送两个功率和带宽不同的载波。在变频器与调制解调器之间插入一台载波重叠设备，抵消其中自己的载频，只要抵消后的残余很小，就能保证正确接收对方的载频。其原理与回声抵消器一样，在调制器的输出将信号分成两路，一路被发射，一路经延时、放大、反相后送到解调器输入端，与从卫星接收的信号相加，由于与调制器发射的信号在相位上相反，幅度相等，延时相同，所以相加时互相抵消。这种系统可以有3种主要的应用模式:在同样的带宽上利用载波重叠技术在每个链路上达到史高的数据率;在维持同样的数据
23、率情况下，应用载波重秀技术可以使每个链路连接占用史少的带宽。这样就能使得每个网络能支持史多的用户；,在维持同样的数据率和同样的带宽下，在每个链路上应用载波重秀技术后可使信道编码速率降低。这样将带宽增益转换为编码增益，以提高链路的抗干扰容限，或者减少维持同等的通信质量的情况下所需的功率。例如某工程需要在位于北京地球站和位于境外某地地球站之间建立一条卫星电路，用于传输网管等IP数据，数据带宽为12Mbps，采用了CDM625载波叠加功能。CDM625的载波叠加功能提供了一种针对512Kbps以上大载波节省带宽的方式。带宽压缩是Carrier-in-Carrier（载波重叠技术）的设计目标，以应用信
24、号技术公司DoubleTalk技术为基础，DoubleTalk采用了一种名称为“自适应减扰”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点和频段内同时发射业务载波,可以使占用带宽减少50%以上。,减扰处理包括时延和频率估计与跟踪、自适应滤波和相干合成。向卫星发送载波的同时，调制器把一份发射载波的拷贝留下来。Modem对本地发射信号拷贝和其下行镜象之间的所有参数差异进行连续性的估算和跟踪，通过专用的自适应滤波和锁相环路处理，动态地对本地发射载波拷贝的延时、频率、相位与幅度进行相应的调整，使本地发射载波经过这一系列处理后，能够模拟卫星链路传输后得到的镜像信号，用于从合成载波中抵消掉自己
25、所发射的载波成分，得到对方发射的载波。CDM-625的减扰性能可达到30dB。使用载波叠加会出现轻微的信噪比恶化，与未采用载波叠加的工作方式相比，典型解调器门限Eb/No恶化不超过0.5dB。此外，转发器总体EIRP的使用也会有所增加。由于编码、调制方式或地面站天线尺寸的不同，两个载波的下行EIRP总是不一致，在两载波下行EIRP差达到10dB时，载波叠加仍然能够正常工作，在大多数链路功率不等的情况下工作性能很好。,四、方案确定：,根据以上三种模式的优化方案，网络部地面卫星站全体人员通过相关讨论一致确定最终为一号方案为可实施并最省成本的方案。,方案一：通过PASS,五、制定对策,针对卫星网优化
26、相关方案的制定，小组成员经讨论，制定了相应的对策，编制如下的对策表。,实施一：建立维护员优化带宽操作技能培训计划(10.1-10.30),六、对策实施,维护人员进行频谱仪操作,维护人员进行MODEM参数设置,此对策有效,实施二：建立带宽保护规程(10.1-10.30),维护人员进行卫星网优化章程编写,优化章程讲解,提问与回答,此对策有效,七、效果检查,如下图所示：卫星网优化带宽活动后，带宽使用率降低到42%，低于目标值43%。优化带宽在活动最后一次下降到41%,符合目标值。,效益分析,效益评估：前期租用的带宽资源金额约为250万元，通过优化方案后，明显节省约为80万元。,八、总结打算,有形效果,通过本次QC小组的创新型研究，可以合理的规划相关转发器资源，为公司节约一定成本。小组下次QC将针对卫星网衰减问题提出相关问题与整改措施，保证卫星网基站的顺畅运行。,无形效果,自我评价,通过此次活动，我们小组各人员及其他各部门都有了很好的提升，更让大家了解了活动带来的益处。,谢 谢！,
