衛星通信鏈路設計方法與實例研究
2017-04-21 16:23:37張婉麗
無線互聯科技 2017年3期
張婉麗
摘要：衛星通信鏈路設計是指根據衛星通信系統網絡結構和業務需求所提出的衛星網絡的可用度和誤比特率等性能要求，對衛星鏈路進行設計和計算，以確定衛星地面站的天線口徑、發射功率，以及載波特性的方法。文章對衛星鏈路設計基本概念和方法進行了介紹，并通過一個實例介紹了一款鏈路設計的軟件，對衛星通信網絡規劃設計工作具有較強的實際指導意義。
關鍵詞：衛星通信；鏈路設計；Satmaster
對于衛星通信系統來說，空間段的成本是系統運營過程中的主要開銷。如何更加有效地使用衛星轉發器，降低設備成本和系統運營成本，提高系統工作的可靠性，使系統簡單易用，是衛星通信系統設計中最重要的工作。合理化的衛星鏈路設計，可以使衛星通信系統的有效性、可靠性和經濟性達到最優。
1.衛星鏈路設計的任務
衛星通信鏈路設計包括兩方面的任務：一是對線路進行評估，即根據已確定的衛星轉發器及地面站的參數，計算地球站能得到的載噪比以及相應的發射EIRP：二是對設備配置進行估算，即根據已確定的衛星轉發器及接收機的基本參數，確定地球站的天線尺寸、發射功率等。實際工程中，這兩方面的任務是相互交匯的。
在設計一個通信系統時，最主要的工作是根據鏈路參數確定系統的通信體制和設備配置，所以，衛星鏈路設計的工作也就是確定編碼方式、調制方式、功放輸出功率和天線口徑。這4個要素會有多種滿足要求的組合，鏈路設計的任務就是要根據系統設計要求和原則等篩選出最優的組合。
2.衛星鏈路設計的常用術語和基本概念
2.1調制方式
調制的目的是對信息進行壓縮，使傳輸速率增大，提高信道的利用率。
盡管新的調制方式不斷出現，但目前衛星地球站的數字通信設備中使用的調制方式仍主要是數字調相，其中主要包括以下幾種：BPSK，QPSK，MSK，0QPSK，16QAM等。
調制因子=log2（相位）
高階調制方式比低階調制方式有更高的效率，能夠節省頻帶資源，但付出的代價是需要增加射頻的功率。
2.2信道編碼
信道編碼的目的是對信息進行糾錯，以提高信道傳輸的有效率，但增加了冗余信息，使傳輸速率降低。
常用的編碼技術有：卷積碼維特比譯碼（常用FEC方式1/2，2/3，3/4，5/6，7/8）。
Reed-Solomon編碼（簡稱RS編碼）與卷積碼（維特比譯碼）構成雙層級聯碼（如DVB業務）。
Turbo編碼（Turbo Product Coding）：一種新型FEC技術，可得到更高的編碼增益或占用更少的帶寬。
高效率的編碼方式可以更節省功率，但付出的代價是增加了編碼開銷，需要更大的頻帶。因此必須將調制方式和編碼方式合理地結合起來，才能達到最佳的頻帶利用率和合理的射頻功率要求。
2.3衛星通信中的3種速率和兩種帶寬
一般的數字衛星傳輸鏈路如圖1所示。
由圖1可見，衛星通信傳輸鏈路中涉及3種速率和兩種帶寬，分別為：
（1）信息速率（Rb）：原始的二進制信息比特流，單位為bps。信息速率Rb是原始的模擬信號經過信源編碼，完成模/數轉換和數字壓縮后，得到的二進制信息比特流速率。
（2）傳輸速率（Ri）：信道中實際傳輸的比特流，單位為bps。傳輸速率Ri是二進制信息比特流經過信道編碼，加入了糾錯碼后，得到的在數字信道中傳輸的比特流。
傳輸速率=信息速率/（FEC碼率×Rs碼率）
（3）符號速率（Rs）：信道中實際傳輸的碼元流，單位為symbol/s或sps。符號速率Rs是經過調制器對信息進行數字調制，提高信道的傳輸效率。
符號速率=信息速率/（FEC碼率×Rs碼率×調制因子）
（4）噪聲帶寬。考慮了信道濾波器的升余弦滾降特性系數，信號的有效傳輸帶寬，即噪聲帶寬。
噪聲帶寬=符號速率×滾降因子（一般為1.2）
（5）分配帶寬。對于一個頻分多址（FDMA）的衛星通信系統，為了防止和減少相鄰信道之間的干擾，各載波之間要留出一定的頻率間隔余量，因此，計算載波占用轉發器帶寬時，必須將理論帶寬乘以帶寬分配因子，才能得到實際的分配帶寬。
分配帶寬=符號速率×分配因子（一般為1.4）
2.4載波噪聲比（C/N）
平均的載波信號功率（c）與同一參考點處接收系統的噪聲功率（N）的比值，表示空間鏈路的傳輸性能。
2.5EhNo。
EdNo表示每比特能量對噪聲譜密度的比值，其值越高，系統的傳輸性能越好。
2.7有效全向輻射功率
有效全向輻射功率（Effective Isotropic RadiatedPower，EIRP），是綜合了發射天線定向輻射作用和發射機射頻輸出功率后的等效發射功率。EIRP=PTGT。
地球站EIRP是高功放的輸出功率與天線增益的乘積，而且要考慮高功放輸出口到天線饋源口連接波導的損耗，用分貝數表示：[EIRP]E=10LgPT+10LgGT-10LgLF
衛星ENEIRP是指經衛星發射天線后輸出的衛星功率，用[EIRP]s示。飽和[EIRP]s的大小與衛星上行波管放大器的功率有關，用衛星EIRP等值線圖來表示，位于同一等值線上的地球站所對應的飽和[EIRP]s相同。
2.8接收系統的品質因數（G/T）
接收天線增益與接收系統總的等效噪聲溫度的比值稱為接收系統的G/T值，也稱性能因數或品質因數（Figure ofMerit，FoM）。用來表征接收系統的接收靈敏度。
用分貝數表示：[G/T]-10LgG-IOLgT
3.衛星鏈路設計的步驟與方法
3.1衛星鏈路設計的一般步驟
進行衛星鏈路設計時，一般按照以下的步驟：
（1）首先要根據實際的衛星通信系統需求，建立衛星鏈路的通信模型，明確鏈路計算的目的，是對新建系統進行設備估算，還是已有系統進行線路評估。
（2）確定己知條件及所需計算的參數，包括：
衛星參數：衛星的軌道位置、工作頻率、頻率計劃、EIRP，G/T，SFD、轉發器的載波輸入功率回退（IBO）和輸出功率回退（OBO）等，衛星參數可從相關衛星公司處獲取。
地球站參數：發射站和接收站的經緯度、海拔高度、雨區系數等。
載波參數：同時發送載波的個數，每一個載波的調制特性、糾錯方式、調制系數及Eh/Nn門限值。
設備配置：發射、接收天線的口徑，發送端功放功率，接收端LNA的噪聲系數等。
（3）明確需計算的參數。選擇鏈路計算的方法（正推法和倒推法）及原則進行計算。
3.2衛星鏈路設計的基本方法
衛星鏈路設計可以采用兩種設計思路：正推法和倒推法。
正推法首先擬定地面站上行載波EIRP值，計算出上行鏈路載噪比。根據衛星轉發器增益以及輸入輸出回退，計算出衛星下行EIRP值及下行鏈路載噪比，從而得出全鏈路的載噪比。將干擾因素引入計算，得到總的載噪比，與門限載噪比作比較，得出系統及Eh/No余量，若余量大于0，則符合設計要求，否則需重新進行數值擬定。
倒推法則是正推法的逆運算。首先設定地面站門限載噪比，根據鏈路可用度確定降雨備余量，由下行鏈路載噪比計算出衛星下行EIRP值，根據衛星轉發器增益及輸入輸出回退，計算出上行鏈路載噪比及地面站發射載波EIRP值。
在實際工程應用中，一般采用倒推法進行鏈路設計，提高了針對性和可行性。
3.3用Satmaster軟件進行衛星鏈路設計
3.3.1 Satmaster軟件介紹
由y-z星鏈路在設計時，涉及大量的數學運算，且變量較多，因此大多數工程師多選用計算機輔助的方式進行計算。Satmaster是Arrowe公司開發的一款衛星鏈路設計軟件，它將復雜的數學運算軟件化，使用Windows界面，操作方便。
Satmaster軟件有點對點和廣播鏈路兩種計算模式可選，.界面略有不同，適用于不同的業務類型，可在新建文件時進行選擇。
點對點鏈路（文件名：udp）：適用于雙向點對點業務，點擊linkN以互換上下行鏈路參數。
廣播鏈路（文件名：brd）：適用于單向廣播業務，可預設每轉發器的載波個數，并據此分配轉發器功率（如1個轉發器轉發1+MCPC電視載波，將占用100%的轉發器功率），有鏈路自動優化功能。
使用Satmaster軟件進行衛星鏈路設計和優化時應遵循以下的基本原則：
功帶平衡的原則：使用轉發器功率與轉發器總功率的比值等于租用帶寬與衛星轉發器帶寬的比值，即：
使用轉發器功率 租用帶寬
轉發器的總功率 轉發器的總帶寬
衛星公司是按用戶租用的占衛星帶寬百分比與用戶使用的占衛星功率百分比的較高者來收取轉發器租金，因此為了使用戶最大限度地利用帶寬，應盡量將鏈路優化至這兩個百分比基本相同。
在系統余grin時，可對以下參數進行調整，以達到最優的頻帶利用率和合理的設備配置：（1）提高鏈路可用度（Ku波段）；（2）減小接收天線尺寸，占衛星功率會增加；（3）使用效率更高的FEC方式，從而節省占衛星帶寬。Satmaster的界面有Uplink，Downlink，Satelitte，Carriers and Modulation 4個輸入模塊，使用者總共需輸入包括地面站（發射站、接收站）參數、衛星及轉發器參數、業務載波參數、干擾參數這4類共幾十個參數。下面結合工程實例分別介紹這些參數的意義和典型值。
3.3.2衛星鏈路設計實例
（1）工程實例。北京6米站發射，廣州1.8米站接收，使用亞洲3s衛星Ku轉發器，信息速率2Mbps，信道編碼方式為3/4FEC，調制方式QPSK，誤比特率10-7，鏈路可用度大于99.5%。
亞洲3S衛星Ku轉發器參數如表1所示。
3.3.3Satmaster參數設置
選用點對點鏈路模塊，將以上己知條件填入Satmaster的對應參數中，4個模塊的輸入如圖2所示，方框圈住的參數是在計算過程中可適當調整的參數。
上行鏈路可用度：直接影響上行鏈路降雨時的雨衰。
發射天線口徑：對鏈路計算無影響，但影響發射功率，天線口徑越小，HPA功率要求越高。
上行功率控制（UPC）：與所在雨區、上行可用度要求和功放容量有關，一般只在Ku波段設置，UPC的設置應略低于雨衰值。
下行鏈路可用度：直接影響鏈路計算過程中的下線鏈路降雨備余量的大小。
接收天線口徑：影響[G/T]R，小口徑天線接收將使得衛星轉發器需要發送大功率載波，直接影響鏈路計算結果。
衛星接收G/T和SFD-對應于上行站，查衛星公司資料得到。
衛星EIRP值：對應于下行站，查衛星公司資料得到。
門限Eb/No：通常與使用的調制方式、FEC碼、誤比特率有關，直接影響門限c/N。
信息速率：由用戶需求決定，是原始的未經編碼調制的信息傳輸速率。
FEC碼率：直接影響占用帶寬，并與門限Eh/No相關聯。
3.4鏈路計算結果分析
Satmaster自動生成一個鏈路設計結果報告，重點關注結論性的數據包括：
（1）Total HPA power required/Required HPA powercapability：反映了地面站HPA的設備配置要求。
Total HPA power required
-3.68 dBW
Required HPA power capability 0.43W
由此可見，北京發射站的HPA高功放可選擇1W規格的。
（2）Allocated transponder bandwidth：占用的轉發器帶寬及其占總帶寬的百分比（頻帶分配因子）
Allocated transponder bandwi&h 1.8000dBW
Allocated transponder bandwi&h 3.33%
（3）Used transponder power：占用轉發MEIRP值及其占當前工作點總EIRP的百分比（功率分配因子）
Used transponder power 37.23dBW
Used transponder power 3.33%
該載波使用了37.23dB/W的衛星轉發器功率，占衛星轉發器總功率的3.33%。分析一個鏈路設計是否合理滿足要求，可以從以下幾，個方面來考量：
Excess margin：分為Clear晴空、Rain Up上行降雨、RainDnT行降雨3個值。成功的鏈路設計，必須使這3個值全為正或0。對于Ku波段，應盡量使上行降雨余量和下行降雨余量接近于0，同時晴空余量盡可能小；對于c波段，因不考慮降雨備余量，因此必須做到這3個值相等。
以上鏈路計算結果如下：
Excess margin 2.22 0.00 0.00dB
Rain Up和Rain Dn降雨余量為0，晴空余量為2.22dB，該鏈路設計合理。
功帶平衡：好的鏈路設計，應盡可能做到頻帶分配因子與功率分配因子相等，如果相差較大，則應該重新調整鏈路參數。
該鏈路的頻帶分配因子和功率分配因子相等，為3.33%，做到了功帶平衡。
鏈路可用度：是否達到了用戶的鏈路可用度要求。
總鏈路可用度=1-[（1-上行鏈路可用度）+（1-下行鏈路可用度）]
該鏈路設計的上行鏈路可用度為99.713%，下行鏈路可用度為99.849%。
總鏈路可用度=1-[（1-99.713%）+（1-99.849%）1=99.562%>99.5%。
因此，鏈路設計滿足用戶要求。
4.結語
衛星鏈路設計是一個比較復雜的過程，雖然可以借助一些輔助軟件簡化工作量，但工程設計人員必須在深入理解衛星通信技術的基礎上，根據不同的網絡規劃和業務需求，選擇適合的衛星通信體制，進行合理的鏈路設計，提高系統的可用度和經濟性。
