衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

楊仁慶，楊清森，許 陵，陳 濤

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210004）

1 信道資源與功率資源

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星通信系統(tǒng)越來越龐大，信道資源和功率資源成為限制衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的信道資源和地球站的功率資源是極其珍貴的系統(tǒng)資源，合理使用和分配信道資源、功率資源可以有效的增加系統(tǒng)容量及通信可靠性。信道資源的使用分配是為降低鄰道干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜效率最大化，受調(diào)制解調(diào)方式及收發(fā)設(shè)備性能影響，其方案在系統(tǒng)建成之初即已確定。而功率控制則從通信系統(tǒng)建成開始，跟隨系統(tǒng)的擴(kuò)建、改造、維修等不斷調(diào)整修正。

2 系統(tǒng)分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)功率受限系統(tǒng)，功率控制是其最重要的功能之一[2]。由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有容量和功率限制，因此控制發(fā)射功率使得地球站接收的衛(wèi)星信號(hào)均能達(dá)到可靠通信所需的最小信噪比，則衛(wèi)星通信系統(tǒng)可在容量允許范圍內(nèi)提供更多的通信數(shù)量。衛(wèi)星通信的功率控制是根據(jù)地球站接收信號(hào)的信噪比等指標(biāo)，在保證通信質(zhì)量的條件下，適時(shí)改變地球站的發(fā)射電平來補(bǔ)償衛(wèi)星信道中的損耗和衰減，使得系統(tǒng)和轉(zhuǎn)發(fā)器性能最優(yōu)[3]。

傳統(tǒng)的功率控制采用功率參考值控制方案，對(duì)系統(tǒng)站型進(jìn)行統(tǒng)一分類，設(shè)置固定的參考功率值，進(jìn)行功率的簡單調(diào)整和限制[4]。此方案模型簡單，沒有充分考慮不同地區(qū)的雨衰、場(chǎng)強(qiáng)分布以及地球站的天線尺寸、功放大小、接收能力、線路衰減等因素，使得功率控制效果較差。結(jié)果便是地球站發(fā)送功率不均衡，部分地球站發(fā)送超大功率信號(hào)，惡化衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器底噪，整個(gè)系統(tǒng)的承載能力大大降低。

為了解決傳統(tǒng)功率控制方法帶來的問題，本文深入研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路中的傳輸規(guī)律，充分考慮各方面影響因素，推導(dǎo)出地球站接收功率的計(jì)算公式。依據(jù)理論推導(dǎo)公式，提出了一種適合大型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率控制方案，并給出詳細(xì)的實(shí)施步驟。

2.1 站內(nèi)上行發(fā)射線路分析

在衛(wèi)星通信地面站中，上行發(fā)射功率的影響設(shè)備有：調(diào)制器、上行處理設(shè)備、上變頻器、高頻功率放大器、衛(wèi)星天線，如圖1所示[5]。

根據(jù)對(duì)地球站內(nèi)上行發(fā)射線路的分析，可以得出某一調(diào)制器發(fā)出的信號(hào)在天線出口處的電平值為：

圖1 站內(nèi)上行發(fā)射線路

式中，Pi為第i 路調(diào)制器的發(fā)送電平值；GC為上行處理設(shè)備的增益；GF為上變頻器的增益；GP為功放的增益；GA為天線的發(fā)射增益；LL為站內(nèi)線路得衰減。

由于地面站的建設(shè)環(huán)境、施工工藝的不同，GC、GF、GP、GA、LL這些值存在差異，但是對(duì)于一個(gè)地面站來說，這些值又是固定不變的。為了簡化分析過程，假設(shè)站內(nèi)上行增益為GS，即：

則

由此可以看出，上行電平值PSi與調(diào)制器的電平值Pi是線性正相關(guān)的，可通過調(diào)節(jié)調(diào)制器的輸出電平值來調(diào)節(jié)地面站的發(fā)射功率。

2.2 空間射頻鏈路分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信息傳輸中，一條傳輸鏈路是由發(fā)端地球站經(jīng)過上行鏈路，到達(dá)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，處理放大后經(jīng)過下行鏈路到達(dá)收端地球站。空間射頻鏈路部分包括：上行鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行鏈路。影響其通信性能的因素主要有：上下行傳輸過程中的損耗、傳輸過程中所引入的噪聲與干擾、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的接收增益與發(fā)射增益等[6]。為了對(duì)衛(wèi)星通信傳輸路徑進(jìn)行定量計(jì)算，把損耗如：傳輸損耗，還有大氣損耗、降雨損耗、天線跟蹤誤差損耗、極化誤差損耗等加到鏈路中進(jìn)行分許，如圖2 所示。

圖2 空間射頻鏈路

根據(jù)空間鏈路分析，可以得出地面站接收天線入口處的電平值為

式中，LU為上行鏈路損耗；GRS為衛(wèi)星接收增益；為LD下行鏈路損耗；GSS為衛(wèi)星發(fā)送增益。

將上行鏈路和下行鏈路分開討論，假設(shè)空間鏈路上行部分的總增益為GU，空間鏈路下行部分的總增益為GD，則：

由于衛(wèi)星覆蓋范圍大，各地區(qū)的衛(wèi)星G/T 值、ERIP 值均不一致。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空間鏈路工程計(jì)算，依據(jù)ERIP 分布圖、G/T分布圖等，制作上下行鏈路場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償圖。

由地區(qū)部不同引起的上行鏈路增益和下行鏈路增益可通過功率補(bǔ)償進(jìn)行均衡。補(bǔ)償是通過調(diào)整發(fā)送電平來實(shí)現(xiàn)，假設(shè)上下行鏈路增益的標(biāo)準(zhǔn)值為：GUS、GDS，上行補(bǔ)償值為：GUi，下行補(bǔ)償值為：GDi，則

可以看出，經(jīng)過場(chǎng)強(qiáng)補(bǔ)償后的空間鏈路部分總增益在各地區(qū)可認(rèn)為是相同的。

2.3 站內(nèi)下行接收線路分析

在衛(wèi)星通信地面站中，下行接收電平的影響設(shè)備有：解調(diào)器、下行處理設(shè)備、下變頻器、低噪聲放大器、衛(wèi)星天線，如圖3所示。

圖3 站內(nèi)下行接收線路

根據(jù)對(duì)地球站內(nèi)下行接收線路的分析，可以得出解調(diào)器入口電平值為：

式中，PRi為衛(wèi)星天線收到的i 路信號(hào)電平值；GS為下行處理設(shè)備的增益；GF為下變頻器的增益；為GL低噪放的增益；GA為天線的接收增益；LL為站內(nèi)線路得衰減。

同理，但是對(duì)于一個(gè)地面站來說，GS、GF、GL、GA、LL值是固定不變的。假設(shè)站內(nèi)下行增益為GR，即：

則，

帶入之前公式可得出：

這既是解調(diào)器接收電平值GRi的計(jì)算公式。下面根據(jù)此公式設(shè)計(jì)地面站發(fā)送電平的控制方法和實(shí)施步驟。

3 實(shí)施步驟

由上述推導(dǎo)過程可以看出，許多鏈路參數(shù)無法精確定量計(jì)算，因此本文采用系統(tǒng)校準(zhǔn)對(duì)比的方法得到發(fā)送電平值，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路的功率控制。

3.1 電平校準(zhǔn)

電平校準(zhǔn)分兩個(gè)部分，接收電平校準(zhǔn)和發(fā)送電平校準(zhǔn)。

接收電平校準(zhǔn)一方面是校準(zhǔn)接收信號(hào)底噪，要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)所有解調(diào)器的入口底噪滿足解調(diào)器性能，且保持一致。另外一方面是校準(zhǔn)地球站接收能力。網(wǎng)控中心站會(huì)一直發(fā)送TDM 信號(hào)，各地地面站接收道德地面站接收此信號(hào)后，需將實(shí)時(shí)電平值PTi經(jīng)過ALOHA 發(fā)送給網(wǎng)控中心站。同時(shí)中心站根據(jù)地面站所在地區(qū)得出下行鏈路的增益補(bǔ)償值為GDi，則地面站的接收增益補(bǔ)償值：

式中，PT為中心站收到TDM 的電平值。

發(fā)送電平校準(zhǔn)是對(duì)地球站發(fā)送能力進(jìn)行校準(zhǔn)。中心站通過接收地球站發(fā)送的信號(hào)對(duì)地球站進(jìn)行功率校準(zhǔn)，調(diào)整地球站調(diào)制器發(fā)送電平為Pi，使得中心站解調(diào)器入口電平為解調(diào)門限值。此時(shí)的發(fā)送電平為Pi包含地球站的上行鏈路增益補(bǔ)償GUi、中心站的下行鏈路增益補(bǔ)償GDi，因此，地球站調(diào)制器的發(fā)送基準(zhǔn)電平為

此值反應(yīng)地球站的發(fā)送性能，是通信時(shí)發(fā)送電平的計(jì)算基準(zhǔn)。

3.2 電平計(jì)算

在通信時(shí)，地球站的發(fā)送電平由基準(zhǔn)電平Pref、上行線路增益補(bǔ)償GU以及接收地球站的下行鏈路增益補(bǔ)償GD、接收增益補(bǔ)償組成ΔPA，即

其中，GU、GD、ΔPA由中心站通過TDM 發(fā)送給地球站。

地球站需每3個(gè)月進(jìn)行一次電平校準(zhǔn)，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確有效。

3.3 功率控制

由于計(jì)算得出的發(fā)送電平值是開環(huán)值，僅保證雙方可通信，在正式初始階段，通信雙方可根據(jù)實(shí)際的通信效果，進(jìn)行閉環(huán)互調(diào)。因此地球站發(fā)送功率控制分為兩步：首先根據(jù)發(fā)送電平計(jì)算值設(shè)置調(diào)制器的發(fā)送電平；然后收發(fā)雙方根據(jù)通信效果進(jìn)行功率互調(diào)。

功率互調(diào)是以實(shí)際通信效果為依據(jù)的，通過接收地球站反饋的接收信噪比來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)送電平。由于衛(wèi)星傳輸延遲較大，有較大的滯后性，因此閉環(huán)算法采用比例+微分（PD）控制器，可以有效解決調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)的過調(diào)現(xiàn)象，保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某衛(wèi)星系統(tǒng)中實(shí)施功率控制后，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器底噪有顯著降低，再無特大信號(hào)出現(xiàn)，信號(hào)相對(duì)比較均衡，如圖4所示。

圖4 功率控制頻譜效果

經(jīng)過數(shù)月觀察，整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信效果顯著提高，首次呼通率超過95%，未出現(xiàn)功放飽和報(bào)警。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的站內(nèi)發(fā)射線路、站內(nèi)接收線路以及空間鏈路的詳細(xì)分析，得出了衛(wèi)星通信中各功率電平之間的計(jì)算關(guān)系。依據(jù)公式給出了功率控制的實(shí)施辦法，包括電平校準(zhǔn)、電平計(jì)算以及閉環(huán)互調(diào)。通過驗(yàn)證結(jié)果可以看出本文設(shè)計(jì)的功率控制方案效果顯著，具有很高的實(shí)用推廣價(jià)值。