一種低軌衛星星地鏈路評估系統的設計

吳躍春，丁斗博，徐瑞豐

(中電防務科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著通信領域天地一體化的不斷發展，衛星通信系統在其中承擔了重要的任務，而在衛星通信中，低軌衛星通信憑借靈活性強、覆蓋度高等優點被廣泛使用[1]。低軌衛星通信已成為天基信息系統領域的發展熱點[2]。

與傳統地面鏈路相比，低軌衛星通信系統中的星地鏈路具有長延時、高誤碼、上下行帶寬有限且不對稱等鮮明特性，是影響空間網絡性能的關鍵因素。因此，開展星地鏈路特性評估具有重要意義。

1 星地鏈路評估的必要性

低軌衛星通信系統星地鏈路的驗證及評估等工作，迫切需要建立真實可信的實驗驗證平臺，鏈路評估技術是低軌衛星通信系統星地環境構建中的關鍵技術之一。

星地鏈路評估工作的必要性主要體現在以下方面。

1.1 評估星地鏈路的復雜性和多樣性

在低軌衛星通信系統中，大氣對空間無線電波傳輸的影響取決于無線電傳輸頻率、當地氣候、當地地形、傳輸類型、衛星仰角。通常，隨著頻率的增加和仰角的減小，這種影響將變得更嚴重。傳播影響的隨機性和不可預測性，增加了對衛星通信傳輸損傷進行評估的復雜性。

另外，低軌衛星軌道高度低，運行速度快，多普勒頻偏較大且快速時變；低軌衛星地面站數量和類型眾多，用戶終端的移動性、天線類型差異也較大。

由此可見，低軌衛星通信系統中星地鏈路的可靠性和可用性評估涉及的因素眾多，和現有的無線鏈路評估系統差異較大。

1.2 可進行通信體制評估

通信體制的先進性主要體現在節省射頻信號帶寬和功率，提高信息傳輸質量和可靠性。星地鏈路的傳輸特性是影響通信體制設計的關鍵因素之一，著重體現在信道編碼、載波調制和多址技術等方面。信道編碼方案的設計主要用于提高數字通信系統的抗干擾能力，需結合空間鏈路的實際干擾情況進行設計。載波調制即進行調制和解調的過程，針對衛星通信系統功率受限和頻率受限的特點，需結合低軌衛星通信系統空間鏈路的實際特性進行。多址技術使眾多地球站可共享有限的衛星轉發器資源，能夠最大限度地利用空間無線鏈路資源。低軌系統的星地鏈路能力也是在方案設計、鏈路評估時需要重點考慮的。

1.3 可對系統容量進行實時、確定分析

衛星通信系統的傳輸容量受限于分配到的通信帶寬、載波功率和噪聲功率比(載噪比C/N)，分配給所有地球站的載波頻率和帶寬構成了衛星的頻率圖案。低軌衛星通信系統星地鏈路的空間環境特性和傳輸特性直接影響到系統通信容量。在系統容量分析過程中，引入星地鏈路評估結果，可大大提高系統容量分析的準確性和時效性。

綜上分析，在不同情況下，評估低軌衛星通信系統中星地鏈路的可靠性和可用性，是低軌衛星通信系統的無線鏈路評估、通信體制設計、系統容量評估等方面不可或缺的部分，因此，開展星地鏈路評估系統的開發工作至關重要。

2 評估內容

2.1 評估對象

星地無線通信鏈路評估系統的評估對象包括衛星和用戶終端之間的用戶鏈路以及衛星和地面站之間的饋電鏈路。評估系統能夠在不同的氣候條件(晴空、不同降雨率)、不同的大氣條件(弱、中、強湍流)下，當終端的移動性、天線類型不同以及終端和衛星的相對位置不同時，對用戶鏈路的可靠性和可用性進行評估；在不同的氣候條件(晴空、不同降雨率)、不同的大氣條件(弱、中、強湍流)下，當地面站的移動性、天線類型不同以及地面站和衛星相對位置不同時，可對饋電鏈路的可靠性和可用性進行評估。

2.2 評估指標

星地鏈路質量的評估指標可分為兩大類：硬度量指標和軟度量指標[3]，如圖1所示。

硬度量指標主要是指能夠由物理層直接測得或經簡單計算能夠得到的指標，主要包括接收信號強度指標(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)、信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)、鏈路質量指示(Link Quality Indicator，LQI)、多普勒頻偏和多普勒頻偏變化率、時延等。

軟度量指標則指物理層或數據鏈路層進行長時間統計試驗得到的指標，主要包括誤比特率(Bit Error Rate，BER)、包接收率(Packet Reception Ratio，PRR)、RNP(Required Number of Packet)、ETT(Expected Transmission Time)。其中，BER在物理層統計得到，PRR，RNP和ETT在數據鏈路層統計得到。

3 評估方法

低軌衛星的星地鏈路評估系統通過星地鏈路建模與仿真、數據統計分析以及結果可視化與決策等方法完成對星地鏈路質量的評估[4]。

3.1 仿真建模

與地面無線通信網絡相比，低軌衛星的星地鏈路有著傳播延時大、衰落情況復雜、多普勒頻移顯著等特點。對星地鏈路信道的仿真建模，利用信道模擬系統可以控制、改變各種信道參數，從而為評估一種通信系統或通信技術在不同信道條件下的性能；或在同一信道特性條件下，不同通信設備或通信手段的優缺點奠定了基礎。仿真建模也可縮短研發周期，降低研發費用，有利于新體制、新技術的使用，對支持低軌衛星的建設具有重要的意義。

3.2 數據統計分析

低軌衛星信道具有很強的實時性，并且低軌衛星系統中衛星、地面站的數量較大，低軌衛星星地鏈路評估系統需要對多種場景、多種節點狀態下的鏈路數據進行分析評估，因此，信道數據的數據量巨大，傳統的統計分析工具很可能難以挖掘出多維變量下的數據特征。在低軌衛星星地鏈路評估的數據分析階段，不能局限于傳統的研究方法，而要采用適合分析大量數據的分析方法，利用自動規律學習、大數據挖掘下的特征分析等技術，對得到的大量仿真數據進行深入的挖掘，以實現對仿真數據的有效利用。

3.3 結果可視化與決策

評估結果以表格、圖形等方式通過人機交互界面進行呈現，進一步地，該系統還能夠根據鏈路質量的評估結果，使用機器學習、大數據挖掘等先進的統計學習算法為低軌衛星系統的各模塊設計提供決策依據。

4 實現方案

低軌衛星星地鏈路評估系統大體由評估分析單元、協議加載單元、接口配置單元、大數據存儲與分析單元及相關評估平臺附屬單元組成，如圖2所示。

圖2 低軌衛星星地鏈路評估系統組成

(1)評估分析單元：主要對星地鏈路的各項指標進行評估，并將評估結果以表格、圖形、源碼等方式通過人機交互界面呈現；同時該系統還能夠接收任務定義模塊的任務請求，通過決策分析對需求任務進行規劃并傳送至任務定義模塊。

(2)協議加載單元：對待評估的物理層、網絡層協議進行加載，可通過接口配置模塊與其他評估系統進行協議交互模擬，也可通過內部模擬產生各網絡節點，在網絡節點上實現協議驗證。

(3)接口配置單元：實現模擬分系統與外部業務接口信息交互的重要組成部分，完成對衛星通信狀態、地面站設備以及網絡資源狀態等數據的輸入，同時具有移動衛星模型、地面站模型、用戶終端模型以及星地天線等模型配置庫，可根據業務需求對相關模型進行參數配置。

(4)星地模擬單元：能夠實現對互聯網低軌衛星星座設計仿真、波束覆蓋范圍設計仿真，地面站有效跟蹤范圍仿真、用戶終端業務數據情況、信道環境、業務數據接口、系統星地設備配置規模等進行仿真。當外部存在星地模擬系統時，可通過接口配置單元，與其進行交互，可不使用該單元。

(5)任務定義單元：為模擬仿真中的星地設備提供低軌衛星網絡資源、地面站變更以及系統更新等業務的規劃任務。當外部存在任務規劃模擬系統時，可通過接口配置單元，與其進行交互，可不使用該單元。

5 結語

低軌衛星通信是無線通信系統未來發展的新方向，針對低軌衛星通信系統的星地鏈路特點，設計、實現對多種星地鏈路指標的評估方法，為低軌衛星通信系統的研制和應用奠定堅實的理論研究和實踐基礎。