動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算及實例分析*

楊新華，劉 楊，雷迪偉

（北京航天控制儀器研究所，北京 100094）

0 引 言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣﹑通信距離遠(yuǎn)﹑通信容量大等優(yōu)點。動中通天線[1]能在載體移動過程中快速準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星，不受載體搖擺﹑顛簸影響，實現(xiàn)了移動中通過衛(wèi)星進行通信。動中通具有機動性強﹑使用方便﹑可靠性高等優(yōu)點，能在運動過程中實時﹑大容量﹑不間斷傳遞語音﹑數(shù)據(jù)﹑圖像等多媒體信息，廣泛應(yīng)用于軍用和民用通信。

動中通系統(tǒng)進行衛(wèi)星通信時，需要進行鏈路預(yù)算，構(gòu)建動中通移動站與中心站間的通信鏈路，合理設(shè)計動中通天線口徑和功放功率，使系統(tǒng)既能滿足通信需求，又能節(jié)約成本。

1 鏈路預(yù)算的目的及步驟

鏈路計算的目的是在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上的功率占用

比等于或小于帶寬占用比的情況下，保證接收端調(diào)制解調(diào)器輸入端口的Eb/N0大于調(diào)制解調(diào)器的門限值，并留有一定的余量。

鏈路分析與預(yù)算的方法主要有順推法﹑倒推法和功帶平衡法。功帶平衡法Eb/N0是基于載波在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率和帶寬占有比相等的原則下進行鏈路計算，通過衛(wèi)星對發(fā)射站的衛(wèi)星飽和通量密度（SFD）﹑下行損耗等，計算所需發(fā)射站功放功率，并逐步計算上﹑下行載噪比，推算系統(tǒng)Eb/N0余量。然后，根據(jù)Eb/N0余量的情況調(diào)整接收站天線口徑，使系統(tǒng)余量達到設(shè)計使用要求，如圖1所示。

圖1 功帶平衡法模型

2 鏈路預(yù)算

本文采用功帶平衡法進行計算，先給定地面站（發(fā)射站﹑接收站）參數(shù)﹑衛(wèi)星及轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)﹑業(yè)務(wù)載波參數(shù)﹑干擾參數(shù)四類參數(shù)。根據(jù)給定參數(shù)分別計算分配帶寬﹑鏈路損耗﹑上行載噪比﹑下行載噪比﹑鏈路總的載波比﹑鏈路余量等，并根據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)整。鏈路預(yù)算圖如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星鏈路預(yù)算

2.1 相關(guān)參數(shù)

設(shè)計實例系統(tǒng)采用Ku頻段衛(wèi)星通信，通信速率為2 Mb/s；動中通站天線口徑為0.7 m，功放飽和輸出功率為55 W，中心主站為4.5 m，功放飽和輸出功率為20 W，通信地點為長沙，通信衛(wèi)星為中星6 A。

2.1.1 已知參數(shù)

鏈路預(yù)算實例中給定的已知參數(shù)，如表1所示。

2.1.2 信息傳輸速率及載波分配帶寬預(yù)算

信息速率定義為單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)，一般指信號在傳輸鏈路中信道編碼前的速率。經(jīng)過信道編碼后，傳輸線路中實際傳輸?shù)谋忍亓鳛閭鬏斔俾省Ｕ{(diào)制映射后的速率為信道中實際碼元流即符號速率[2]，計算公式為：

表1 鏈路預(yù)算已知相關(guān)參數(shù)

（續(xù)表1）

設(shè)滾降系數(shù)為α，載波噪聲帶寬﹑占用帶寬及分配帶寬與符號速率的的關(guān)系如下：

按表1中載波信息進行計算，代入式（1）～式（4）進行計算，求得符號速率為1 365.33 kb/s，載波噪聲帶寬為1 638.4 kHz，分配帶寬為1 844 kHz。

2.1.3 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器每載波的輸入輸出回退量

轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和輸入功率密度是對單一上行載波，當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端工作于多個載波時，每個載波的衛(wèi)星輸入功率通量密度比飽和輸入功率密度SFD少一個回退量Y。采用功帶平衡法，同一轉(zhuǎn)發(fā)器每載波回退量為：

代入表1參數(shù)計算，則每載波回退量Y=14.67 dB。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器工作于多載波時[3]，每載波的輸入功率(BO)is除了因多載波原因減少的一個回退Y外，還必須把每載波輸入功率再回退衛(wèi)星公司提供的回退量(BO)i，即：則實例中每載波輸入回退量為20.67 dB。

轉(zhuǎn)發(fā)器在多載波運行時，為了抑制互調(diào)噪聲，通常轉(zhuǎn)發(fā)器的總輸出從飽和點有一定的回退，稱為轉(zhuǎn)發(fā)器輸出回退。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功放輸入﹑輸出功率特性如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率特性曲線

多載波工作時輸入回退為IBO，多載波工作時輸出回退為OBO，每載波工作時輸入回退為IPBO，則每載波工作時輸出回退OPBO計算如下：

代入表1參數(shù)IBO=6 dB，OBO=3 dB，可得OPBO=17.67 dB。

2.1.4 地面站天線增益及G/T

天線的增益為：

當(dāng)D≥2.4 m時，天線口徑效率按65%計算；當(dāng)D＜2.4 m，天線口徑效率按60%計算。動中通天線口徑代入，計算得天線發(fā)射增益GTX=38.16 dBi，主站接收增益GRX=53.53 dBi，接收系統(tǒng)的噪聲溫度為120 K，故T=20.79 dBK，即G/T=32.74 dB/K。

2.1.5 空間損耗

LU為上行路徑總損耗。它是上行自由空間損耗LUF﹑上行大氣損耗Lau﹑發(fā)射指向誤差損耗Lou和雨衰損耗Lrainu幾項損耗的總和，即：

式（9）中的自由空間損耗如下：

d為發(fā)射地球站到衛(wèi)星的距離：

其中，RE為地球半徑，hE為靜止衛(wèi)星距離星下點高度；1φ為地球站經(jīng)度，θ1為緯度，2φ為衛(wèi)星

地球半徑RE=6 378 km，衛(wèi)星距地面的距離高度hE=35 786.6 km。將上述參數(shù)代入式（10）﹑式（11），計算得d=36 822.6 km，LUF=206.85 dB。

考慮上行大氣損耗Lau=0.12 dB﹑上行指向誤差損耗Lou=0.5 dB，考慮晴天，雨衰損耗Lrainu=0，則LU=207.47 dB。

同理，下行路徑總損耗是由下行自由空間損耗LDF﹑下行大氣損耗Lad﹑接收指向誤差損耗Lod﹑雨衰損耗Lraind幾項損耗的總和：

代入表1參數(shù)，計算得接收站的傳輸距離d=37 558.74 km，LDF=205.88 dB，考慮Lad=0.12 dB，Lod=0.3 dB，晴天雨衰Lraind=0，則LD=206.3 dB。

2.1.6 干擾

本文考慮星上轉(zhuǎn)發(fā)器為透明轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星通信會存在一些干擾，衛(wèi)星鏈路總的載噪比除了考慮上下行載噪比，還要考慮各種干擾[4]。常見的干擾包括交叉極化干擾﹑鄰星干擾和鄰道干擾。

上下行鄰星干擾：工作于相同頻率的鄰近衛(wèi)星系統(tǒng)信號對本系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾稱為鄰星干擾。上行鏈路中有來自鄰近衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星站發(fā)送信號的干擾，下行鏈路中有來自鄰近衛(wèi)星的下行鏈路信號的干擾。計算公式如下：

上下行極化干擾：Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器采用極化隔離進行頻率復(fù)用。一般，衛(wèi)星天線和地面極化隔離不理想，傳輸中由雨滴也會引入極化方向改變，故會引起交叉極化干擾。計算公式如下：

互調(diào)干擾：互調(diào)干擾是轉(zhuǎn)發(fā)器多載波工作時，因輸入輸出非線性特性影響，總輸出功率比單載波工作時小，會產(chǎn)生新的互調(diào)頻率。引用回退等效噪聲溫度概念表示其影響，互調(diào)干擾計算方法如下：

干擾引起的總載噪比如下：

代入表1衛(wèi)星公司給定最嚴(yán)重的衛(wèi)星干擾參數(shù)，則有：[C/N]ASIu=26.19 dB，[C/N]ASId=52.67 dB，[C/N]XPIu=21.29 dB， [C/N]IMu=22.29 dB， [C/N]IMu=22.19 dB，[C/N]IMd=16.89 dB。

2.1.7 發(fā)射站天線及功放功率配置

則WS=-106.6 dBW/m2。

地球站發(fā)送的功率[EIRPES]與WS的關(guān)系如圖4所示，數(shù)學(xué)表示如下：

代入計算參數(shù)，得[EIRPES]=56.34 dBW。

圖4 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入功率通量密度與地球站的關(guān)系

發(fā)射站天線的增益為GTX=38.16 dBi，則發(fā)射站的全向輻射功率為：

其中PTX為發(fā)射站功放實際輸出功率，[LF]為功放到天線的饋電損耗。假設(shè)發(fā)射站饋電損耗為0.5 dB，則有[PTX]=18.68 dBW，即發(fā)射站所需的功放輸出功率為73.84 W。

2.2 衛(wèi)星鏈路載噪比

鏈路載噪比包括上行載噪比﹑下行載噪比﹑總載噪比及系統(tǒng)余量的計算。

2.2.1 上行鏈路載噪比預(yù)算

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器天線品質(zhì)因素[G/T]S，上行載噪比如下：

其中k=-228.6 dB為波爾曼茲常數(shù)，Bn為分配/噪聲帶寬。于是，可計算動中通站為發(fā)射站，[C/T]u=-141.2 dBW/K，[C/N]u=25.26 dB。

2.2.2 下行鏈路載噪比預(yù)算

下行鏈路載噪比計算公式為：

[C/T]d為下行鏈路載噪比，EIRPS為衛(wèi)星全向有效輻射功率，Ld為下行鏈路損耗，[G/T]E為船載站接收品質(zhì)因數(shù)。

轉(zhuǎn)發(fā)器每載波功放下行全向輻射功率為EIRP：

于是，計算得EIRPS.S=37.29 dBW。代入Ld=206.3 dB，[G/T]E=32.74 dB/K，得[C/T]d=-130.25 dBW/K，[C/N]d=30.19 dB。

2.2.3 鏈路總載噪比預(yù)算

系統(tǒng)鏈路總的載噪比與上行鏈路載噪比﹑下行鏈路鏈路載噪比及干擾的關(guān)系如下：

于是，計算得[C/N]總=13.35 dB

2.2.4 系統(tǒng)鏈路余量預(yù)算

設(shè)衛(wèi)星線路傳輸?shù)妮d波功率為C，傳輸線路的噪聲平均功率譜密度為N0（W/Hz）（相當(dāng)于每赫茲帶寬等效噪聲穩(wěn)態(tài)T的噪聲功率），則傳輸線路的載噪比與信噪比的關(guān)系如下：

其中，Eb為每比特信號的功率，Rb為載波信息速率，BN為載波傳輸帶寬。

于是，有：

接收機的載噪比門限值為：

鏈路余量計算公式如下：則鏈路余量為8.39 dB。

以晴天為例，按功帶平衡進行計算，考慮衛(wèi)星通信鏈路中海洋電離層閃爍﹑地面噪聲和宇宙噪聲等，一般需要留1～2 dB的余量。本文中余量較大，可以進一步進行資源優(yōu)化。調(diào)整輸入與輸出功率回退，令輸入回退為27.67 dB，輸出回退為24.67 dB，計算的系統(tǒng)鏈路余量為1.39 dB，車載站功放輸出功率為14.73 W，即可滿足需求。

考慮雨衰影響，可用度為99%的情況下，令上行雨衰為4.81 dB，下行雨衰為3.95 dB。在功帶平衡的情況下，發(fā)射站需求功放過大，故再保證鏈路余量的情況下，載波輸入輸出回退也為24.67 dB。此時，發(fā)射站功放輸出功率44.6 W，鏈路余量為1.24 dB，滿足使用需求。因此，系統(tǒng)可以配55 W功放，以滿足系統(tǒng)需求。

3 結(jié) 語

本文詳細(xì)講解了衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算的過程，并以動中通與主站通信為實例進行驗證。在鏈路預(yù)算時，需考慮各種損耗和干擾。實踐表明，該方法切實可行，具有實用價值。

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