衛(wèi)星通信中雨衰影響的仿真軟件及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究

梅妍玭

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225009)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信由于基本不受地域和自然條件的限制以及通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞。當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用到Ka頻段時(shí)，降雨衰減就成為了影響通信質(zhì)量的主要原因，研究此頻段上降雨衰減對(duì)衛(wèi)星通信鏈路的影響十分重要。本文基于Visual Basic 6.0[1]程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，依據(jù)地球站天線增益、天線效率、系統(tǒng)噪聲溫度以及降雨衰減對(duì)衛(wèi)星鏈路性能的影響的公式，以假設(shè)的Ka頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為例，對(duì)衛(wèi)星鏈路特性進(jìn)行分析和推導(dǎo)，綜合考慮臨信道干擾、正交極化干擾、鄰星干擾、降雨衰減、系統(tǒng)噪聲溫度、饋線損耗、指向損耗等因素對(duì)衛(wèi)星鏈路的影響，盡量切合實(shí)際工程應(yīng)用中的情況，設(shè)計(jì)了雨衰對(duì)衛(wèi)星鏈路影響的仿真軟件，提供友好且易于操作的界面，可作為實(shí)際工程設(shè)計(jì)的工具。

1 雨衰對(duì)衛(wèi)星鏈路影響的仿真軟件設(shè)計(jì)

1.1 參數(shù)設(shè)置

衛(wèi)星鏈路計(jì)算所需參數(shù)設(shè)置有:(1)上行鏈路:打開(kāi)上行鏈路參數(shù)值的設(shè)置頁(yè)面，天線效率默認(rèn)為由公式計(jì)算得到，顯示為“計(jì)算得”，也可以選擇自己設(shè)定參數(shù)值;(2)下行鏈路:打開(kāi)下行鏈路參數(shù)值的設(shè)置頁(yè)面，天線效率默認(rèn)為由公式計(jì)算得到，顯示為“由計(jì)算得”，也可以選擇自己設(shè)定參數(shù)值;(3)雨衰模式:打開(kāi)雨衰模式的設(shè)置頁(yè)面，選擇上下行鏈路的雨衰模型，選擇ITU模型[2]默認(rèn)為從ITU－R P.837建議中所給出的降雨率圖中獲取一個(gè)估值，顯示“默認(rèn)”，也可以輸入當(dāng)?shù)貙?shí)際的平均年0.01%時(shí)間概率降雨率;(4)衛(wèi)星參數(shù):打開(kāi)衛(wèi)星參數(shù)值的設(shè)置頁(yè)面;(5)載波調(diào)制:打開(kāi)調(diào)制方式的設(shè)置頁(yè)面。

1.2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)行模式有三種:普通模式[3]、最小發(fā)射功率模式[4]和最小發(fā)射天線口徑模式。程序流程見(jiàn)圖1。

圖1 程序流程

雨衰影響下最小發(fā)射功率模式是先假設(shè)一個(gè)發(fā)射功率，以反復(fù)迭代，逐次逼近的方法求得最小發(fā)射功率，最小發(fā)射功率計(jì)算的程序流程見(jiàn)圖2。圖中Eb/No為系統(tǒng)最低載噪比;C為(Eb/No)u、(Eb/No)d中較小的值;ε為允許的誤差值。

圖2 雨衰影響下最小發(fā)射功率模式的程序流程

1.3 輸出計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果輸出界面見(jiàn)圖3。

圖3 鏈路計(jì)算結(jié)果

上行鏈路:顯示上行鏈路相關(guān)參數(shù)值的計(jì)算結(jié)果，包括發(fā)射天線EIRP、路徑損耗、雨衰以及上行Eb/No。

下行鏈路:顯示下行鏈路相關(guān)參數(shù)值的計(jì)算結(jié)果，包括衛(wèi)星天線EIRP、路徑損耗、雨衰、降雨引起的衰減、下行鏈路衰減、系統(tǒng)噪聲以及下行Eb/No。

完整鏈路:顯示整個(gè)鏈路相關(guān)參數(shù)值的計(jì)算結(jié)果，包括系統(tǒng)載噪比C/N，系統(tǒng)能噪比Eb/No以及系統(tǒng)裕量。

系統(tǒng)功率:顯示系統(tǒng)功率相關(guān)參數(shù)值的計(jì)算結(jié)果，包括上行天線效率、上行天線增益、下行天線效率、下行天線增益、最小發(fā)射功率、占用轉(zhuǎn)發(fā)器功率百分比、最小使用帶寬以及占用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬百分比。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 雨衰對(duì)Ka頻段上下行鏈路的影響

假設(shè)Ka頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射載波頻率為Ft=30.5GHz，接收載波頻率為Fr=20.7GHz，衛(wèi)星經(jīng)度為100°E，年使用率為99.5%，同樣在南京地區(qū)收發(fā)。雨衰對(duì)上下行鏈路的衰減見(jiàn)圖4。

圖4 Ka頻段雨衰對(duì)上下行鏈路的衰減

由圖4可知，降雨量較小(小于20mm·h－1)時(shí)，降雨對(duì)上下行鏈路的衰減相差不大，對(duì)下行鏈路的影響略大于上行鏈路，當(dāng)雨強(qiáng)較大(大于20mm·h－1)時(shí)，高頻率雨衰急劇加大，同樣雨強(qiáng)對(duì)上行鏈路的影響較大;調(diào)制方式確定，占用頻帶寬度確定，占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬百分比為4.44%，Ka頻段是功率受限系統(tǒng)。

2.2 通過(guò)自適應(yīng)上行功率控制抗上行雨衰

2.2.1 有雨時(shí)上行鏈路的自適應(yīng)功率控制

假設(shè)北京發(fā)射，南京接收，北京地區(qū)有雨即上行鏈路有雨，Ka頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)同上文所設(shè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得表2。

2.2.2 有雨時(shí)下行鏈路的自適應(yīng)功率控制

參數(shù)設(shè)置同上一實(shí)驗(yàn)設(shè)置完全相同，考察下行有雨時(shí)的情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表1 上行有雨時(shí)自適應(yīng)功率控制

表2 上行鏈路有雨時(shí)系統(tǒng)性能變化

表3 下行有雨時(shí)自適應(yīng)功率控制

表4 下行鏈路有雨時(shí)系統(tǒng)性能變化

定性地把兩組數(shù)據(jù)合在一張圖上，可見(jiàn)兩者之間的關(guān)系，見(jiàn)圖5。

由圖5可知，下行鏈路降雨對(duì)系統(tǒng)鏈路能噪比的損耗與上行補(bǔ)償?shù)墓β士梢钥醋鲆欢ǖ木€性關(guān)系，上行由于高頻雨衰嚴(yán)重，隨著降雨量的增加雨衰急劇加大;同樣的降雨量上行雨對(duì)系統(tǒng)能噪比的影響較大。

當(dāng)上行有雨時(shí)采用自適應(yīng)上行功控，占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率百分比略有增加，而下行有雨時(shí)如果采用自適應(yīng)上行功控會(huì)極大的占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率，見(jiàn)表3、表4。

圖5 雨強(qiáng)變化對(duì)自適應(yīng)功控的影響

如果下行鏈路有雨，通常不可能通過(guò)加大發(fā)射功率來(lái)補(bǔ)償下行雨衰，這樣會(huì)加大衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率占用，這在實(shí)際應(yīng)用中是不允許的。通過(guò)上行功率控制補(bǔ)償上行鏈路雨衰是合理的抗上行雨衰的策略。

2.3 通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)設(shè)置抗下行雨衰

加大接收天線口徑的抗下行雨衰策略會(huì)帶來(lái)一系列弊端。例如，大口徑天線的波束窄，通常需要自動(dòng)跟蹤裝置，帶來(lái)設(shè)備成本的大幅度上升和可靠性下降，也失去了Ka頻段小站小型化的優(yōu)勢(shì)。在Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的角度考慮如何抗下行雨衰。

假設(shè)Ka頻段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)主要城市EIRP、G/T值的覆蓋圖見(jiàn)表5。

表5 Ka頻段衛(wèi)星對(duì)部分主要城市EIRP、G/T值

在雨衰條件下，首先考慮衛(wèi)星EIRP對(duì)衛(wèi)星鏈路性能的影響。采用1m口徑天線作為接收天線，SFD為－100dBW·m－2，G/T值為7dB·K－1，年可用率99.5%，門(mén)限能噪比為5dB，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器EIRP分別為48dBW和54dBW，仿真結(jié)果見(jiàn)表6。

從結(jié)果可以看出，增加衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP是一種有效的抗下行雨衰的策略。

表6 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器EIRP對(duì)衛(wèi)星鏈路的影響

在雨衰條件下，考慮衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器SFD值對(duì)衛(wèi)星鏈路的影響，采用1m口徑天線，EIRP為54 dBW，G/T值為7 dB·K－1，年可用率99.5%，門(mén)限能噪比5dB，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器SFD值分別為－100dBW·m－2和－90dBW·m－2，仿真結(jié)果見(jiàn)表7。

從結(jié)果可以看出，增加衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的SFD值，也是一種有效的抗下行雨衰的策略。

在雨衰條件下，考慮衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T值對(duì)衛(wèi)星鏈路的影響，采用1m口徑天線，SFD為－90dBW·m－2，EIRP為54 dBW，年可用率99.5%，門(mén)限能噪比5dB，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的G/T值分別為2dB·K－1和7dB·K－1，仿真結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T對(duì)衛(wèi)星鏈路的影響

從結(jié)果可以看出，增加衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的G/T值，也是一種有效的抗下行雨衰的策略。

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