一種FDMA-DAMA衛星通信網功率控制方案

李斌成，李 影

一種FDMA-DAMA衛星通信網功率控制方案

李斌成1，李 影2

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.石家莊郵電職業技術學院，河北石家莊050031）

衛星通信系統中對系統功率的控制非常重要，這直接關系到系統的可用性程度，并且隨著系統工作頻率的提高尤為顯著。針對資源按需分配頻分多址 （FDMA-DAMA）體制衛星通信系統功率控制問題，分析了傳統方案的局限性和不足，在工程實際經驗基礎上，通過理論推導提出了一種新的功率控制方案，并給出了具體的功率參考值測試方法。通過與實際系統鏈路發射功率參考值測試數據比對，驗證了新功率控制方案的發射功率參考值測試以及計算方法的正確性。

頻分多址；按需分配；功率控制；衛星通信；比特信噪比

引用格式：李斌成，李 影.一種FDMA-DAMA衛星通信網功率控制方案［J］.無線電工程，2016，46（5）：75-79.

0 引言

在衛星通信系統中，對系統功率的控制是關系到整個衛星通信系統可用性的關鍵因素。系統功率控制主要是指各站發射功率的設置，系統發射功率應根據衛星轉發器的地域覆蓋特性、通信雙方所處地理位置、站型大小、天氣情況和載波速率等因素進行合理的設置。在FDMA-DAMA衛星通信系統中，全網狀網、多載波和資源按需動態分配等特點使系統的功率控制更加復雜。某系統中采用了站到站型功率參考值功率控制方案，考慮了雨衰補償，但對不同目的站的地理衰減補償不完善，導致系統對個別站功率控制效果不佳。

為了完善上述功率控制方案中對地理衰減補償的不足，需要尋找基于站到站功率參考值的系統功率控制方案。通過研究分析網狀網衛星通信系統鏈路功率信號的傳輸規律，將站到站的功率關系轉換到各站相對基準站的功率關系，以此為基礎提出了相對基準站功率參考值的系統功率控制改進方案。

1 功率控制技術

大氣傳輸損傷，包含降雨產生的衰耗和去極化的影響會引起系統性能下降，增加了系統的不可用度。在10 GHz以上頻段，雨的衰減是衛星鏈路衰減的主要因素［1］，需要增加額外的功率補償（采用功率控制）才能保證通信信道的正常工作［2］。

上行鏈路開環功率控制是衛星通信最常使用的抗衰技術之一，其主要作用是在降雨期間對上行鏈路衰減進行估算，然后根據衰減量相應增大發射功率，使衛星接收的信號功率保持在一定的范圍之內，其目的是補償慢變化的衰減量和幅度閃爍。其他因素，如溫度等所引起的慢變化衰減，在補償過程中都當作降雨衰減來處理［2］。

功率控制技術從不同的角度來考慮可以有不同的分類方法［3］，從通信的上下行鏈路來考慮，可分為反向功率控制與前向功率控制；從實現功率控制的方式來考慮，則可劃分為集中式功率控制與分布式功率控制；從功率控制環路的類型來劃分，可分為開環功率控制與閉環功率控制等。

現在，一般在系統中采用自適應功率控制技術控制發射功率。自適應功率控制技術通過改變發送端信號的發送功率來補償信號在信道傳輸過程中的功率衰減［4］。功率控制算法按照控制準則一般包括基于功率平衡準則和基于信噪比平衡準則兩大類。基于功率平衡準則是指通過發送端功率的自適應從而保證接收端接收信號的功率保持在一定的范圍內。基于信噪比平衡準則是指通過發送端功率的自適應使接收端的信噪比保持在一定的范圍內，從而保證整個通信系統穩定的工作。文獻［5-17］中從不同角度對功率控制方法進行了研究。

2 傳統方案及其局限性

2.1 工作過程

閉環功率控制和開環功率控制2種控制方式，閉環功率控制穩態性能好，但收斂時間較長，開環功率控制響應快，但誤差較大。對于工作于DAMA方式的系統需要實時建立雙向單路單載波（SCPC）衛通鏈路，要求建鏈時間短，建鏈可靠性高，因此在基于FDMA-DAMA系統中，一般傳統功率控制方案采用開環+閉環的混合功率控制方案，以兼顧響應時間、調整誤差和建鏈可靠性，即在進行業務信道DAMA分配時，由網管中心為通信雙方站分配一個初始功率值，鏈路建立后由通信雙方自動進行閉環功率控制。混合功率控制方案流程如圖1所示。

圖1　系統功率控制流程

混合功率控制方案工作過程如下：

①測試晴天情況下地球站到某站型通信時的參考發射功率，即按基準速率（如IR=128 kbps）發射載波使接收信噪比為基準Eb/N0（如7.0 dB）時的發送站發射功率，并將該參考值保存在網管中心數據庫中；

②根據站點所在雨區分配合適的固定雨衰補償，保證其在下雨情況下能夠正常通信，將該補償值保存在網管中心數據庫中；

③中心站在分配信道時，根據通信雙方所處地理位置、站型大小、雨衰情況、載波速率和允許最大發射功率等因素計算分配給通信雙方的發射功率；

④各站根據中心站分配的發射功率值對本站調制解調器的發射功率進行配置；

⑤通信過程中調制解調器監視通信對端信號接收情況，自動閉環調整本站發射功率；

⑥轉發器參數發生變化或轉星后，重新測試各站功率參考值并更新數據庫數據。

2.2 功率參考值

功率參考值指DAMA系統中衛通地球站在鏈路建立時使用的初始發送功率值（含固定雨衰補償）。該值應能保證鏈路通信雙方初始能夠獲得良好的接收Eb/N0，建立起良好通信，通信過程中由雙方通信終端根據規則自動進行閉環功率調整。

功率參考值體現了一個衛通地球站與其他站通信的功率特性，是FDMA-DAMA衛星通信系統自動功率控制機制中的主要參數。

功率參考值的常規測試方法：衛星通信系統開通時，各站在晴天情況下測試與不同站點（或站型）之間采用基準信息速率通信時所需的最小發射功率（接收Eb/N0等于基準值時），然后將該數值保存到網管中心數據庫。

根據各地球站能力、地理位置和雨衰等因素在最小發射功率的基礎上適當增加補償（主要是補償雨衰），作為地球站通信功率參考值。

2.3 局限性

傳統方案雖然能夠完成自動功率控制的初始參考值測試、分配，但存在以下不足：

①測試過程復雜，針對一個站到一個站型的功率參考值測試，需建立到該站型多個站的多條鏈路多次測試獲得到該站型的功率參考值，并且需測試該站到每個站型的功率參考值，當站較多時整個系統的測試量較大；

②誤差較大，當采用站到站型的功率參考值方案時，由于同型地球站所處地理位置不同，該參考值實際是由對多個同型地球站測試值平均后得到的，有時與實際參考值差別較大；

③系統建成或換星進行功率參考值測試時工作量較大。

通過分析及理論推導，提出一種相對基準站的功率參考值方法，可以減少功率參考值測試工作量，同時提高功率參考值的精度。

3 相對功率參考值方案

3.1 依據的導出

傳統功率控制方案由于直接針對站到站進行功率參考值測試造成了測試工作量較大。雖然為減少測試工作量優化為按站到站型進行測試，一定程度減少了測試量，卻又引入了同型站地理位置不同造成的誤差。

新方法嘗試通過將所有站收發能力與中心站收發能力建立歸一化關系，經由中心站為媒介，間接估計2個遠程站之間的通信功率參考值，即采用新的方法測試、計算參考值。

由發站A、基準站O（中心站）和收站B這3個站組成的衛通網（如圖2所示），在相同的通信信息速率、調制編碼方式及相同的基準Eb/N0前提下，考察它們構成的 4個鏈路：A→O、O→O、O→B 和A→B。

圖2 新的功率控制方案原理

圖2中，PAB、PAO、POB和POO分別表示發送站（A或O）以基準信息速率IR（記為IRRef）與接收站（O或B）通信時，為使接收站接收達到基準Eb/N0（記為Eb/N0Ref），需發送站發射的功率；GOu、GOd分別表示基準站的上下行鏈路總增益；GA、GB分別表示A和B站的上、下行鏈路總增益；GX表示衛星轉發器總增益，NONB分別表示O和B站接收端噪聲，4個鏈路的特征如下：

①鏈路A→O，特征：PAO、GA、GX、GOd、NO和Eb/N0Ref；

②鏈路O→O，特征：POO、GOu、GX、GOd、NO和Eb/N0Ref；

③鏈路O→B，特征：POB、GOu、GX、GB、NB和Eb/N0Ref；

④鏈路A→B，特征：PAO、GA、GX、GB、NB和Eb/N0Ref。

一般O站選擇為中心站。相對參考功率方案的思路是，通過測試鏈路A→O、O→O和O→B的發站發送功率，采用等效代替法，尋求鏈路A→B功率參考值與鏈路A→O、O→O和O→B的功率參考值的關系，從而將鏈路A→B功率參考值問題轉換為A、B站到基準站（中心站）功率參考值的問題。

根據文獻［15］全鏈路質量公式：

式中，T為接收端系統噪聲溫度包含了上行鏈路、轉發器和下行鏈路噪聲溫度，對確定的站確定環境下是一定的。認為鏈路傳輸過程是對原始信號功率P在傳輸中進行放大、衰減后到達接收端，在接收端引入噪聲N形成Eb/N0，可將傳輸（含上行、下行）鏈路質量描述為：

在固定調制編碼方式、IRRef和晴空環境條件下為達到基準Eb/N0，因Gu、GX、Gd、N、BN均為定值，所以需要發射的P值是一定的。采用基準IR、Eb/N0基準值對P進行測量，有

式（4）+式（5）-式（3）得：

式（6）-式（7）得到：

式（8）即相對功率參考值方案的理論基礎，表示A→B鏈路發功率參考值可等效為A→O、O→B鏈路發功率參考值之和與O→O自環鏈路發功率參考值的差值。

3.2 基準站選擇

FDMA-DAMA衛星通信系統中，一般網管中心部署在較大的固定中心站，通常情況下也是衛通網管理部門的所在地。

基于以下因素，一般選擇中心站作為功率參考值測試的基準站。

①各站與中心站的通信較多；

②一般中心站運行維護情況較好，衛通站電特性穩定；

③系統更換所用衛星時在中心站方便對功率參考值重新測試。

3.3 功率參考值測試

通過將序號為i=0，1，2，...的一系列站與基準站建立歸一化關系，間接計算2個遠端站之間的功率參考值，約定：

①站發射能力：保證基準站接收 Eb/N0= Eb/N0Ref，遠端站i需發射功率電平，記為Pui；

②站接收能力：保證遠端站i接收 Eb/N0= Eb/N0Ref，基準站需發射的功率電平，記為Pdi；

③基準站發射/接收能力：為保證基準站接收Eb/N0=Eb/N0Ref時，基準站需發射的功率電平值，記為Pu0、Pd0，Pu0=Pd0；

④站相對發射能力：遠端站i相對基準站的發射能力差：Dui=Pui-Pu0；

⑤站相對接收能力：遠端站i相對基準站的接收能力差：Ddi=Pdi-Pd0。

在以下約束下進行各站發射功率參考值的測試：

①衛星轉發器工作在線性區內；

②地球站高功放工作在線性區內；

③ 確定調制編碼方式、IRRef、Eb/N0Ref。

測試得到基準站0到各站i、以及各站i到基準站0的發射功率參考值，即星型網絡拓撲結構的功率參考值，記錄到表1中形成基本的發射功率參考庫。

表1　功率參考值測試表

3.4 任意站間功率參考值計算

發射功率參考值測試工作完成后，形成如表1所示得基本數據庫表，在此基礎上，依據式（8）可得到任意2個站 i、j之間的功率參考值，計算公式如下：

式（9）是式（8）的通用形式，以式（9）為依據，在以上發射功率測試表結果基礎上，可實時計算全網網狀網鏈路請求的Pij。

3.5 功率分配計算流程

實際衛星通信系統中，常需要支持不同調制編碼方式和信息速率等，以上發射功率參考值表是在確定的調制編碼方式、IRRef和Eb/N0Ref等約束下測試得到的，測試數據需經過校正才可使用。

依據發射功率參考值測試數據和式（9），中心站（基準站）網管中心功率分配計算流程如圖3所示。其中，IRijIRji、MijMji分別表示站i、j雙向通信信息速率、調制編碼方式；DIRDM分別表示因通信信息速率、調制編碼方式不同對功率分配值進行的調整；Pth表示允許的最大發射功率值。

圖3　站發射功率初始值計算流程

3.6 DIR校正

DIR校正是指當通信使用的信息速率和測試功率參考值使用的基準信息速率IRRef不同時（調制編碼方式不變），需要對分配給站的發射電平值進行校正。

按照比特信噪比定義和公式：

因為調制編碼不變時N0不變，同一鏈路Gu、GX、Gd不變，當IR不同時為保證Eb/N0Ref相同，則

功率分配計算時按式（12）進行DIR的校正。

3.7 DM校正

DM校正是指當通信使用的調制編碼方式不同時（信息速率不變），需要對分配給站的發射電平值進行校正。

不同調制編碼方式對應的鏈路基準Eb/N0不同，記基準調制編碼方式和實際調制編碼方式對應功率參考值分別為P0、P1，對應的基準比特信噪比分別為Eb/N0Ref0和Eb/N0Ref1，依據式（10）在信息速率不變時有以下關系：

功率分配計算時按式（13）進行DM的校正。

4 方案數據驗證

在QPSK 1/2調制編譯碼方式下以IRRef=128 kbps，Eb/N0Ref=7.0 dB為標準對某衛星通信網地球站的調制解調器的發射電平參考值進行了實際測試。測得基準站（中心站）射頻自環參考功率電平為Pu0=Pd0=-29.5 dBm。依據Pu0、各站實測Pui、Pdi和式（9）計算了各地球站間的發射功率參考值Pij，并實際測試了站到站間的發射功率參考值，站到站發射功率參考值的計算值和實測值如表2所示。分析顯示Pij計算值與實測值的平均誤差為0.11 dBm，排除測試過程人為誤差、天氣因素等，計算值與實測值基本一致（在1 dB之內），驗證了該方案的正確性。

表2　實測數據驗證表（Pu0=-29.5 dBm）

5 結束語

功率控制是衛星通信系統網絡控制中一個必須處理的問題，本文闡述了功率控制的基本原理，分析了傳統FDMA-DAMA系統功率控制方案的不足，通過理論推導分析提出了一種相對功率參考值功率控制方法，并給出了其測試方法和功率分配計算流程。通過實測數據驗證了該方法的正確性。

與傳統方案相比，相對發射功率參考值方案，系統發射功率參考值測試更方便、測試量更少，適應范圍更廣。在新建系統或更換衛星功率參考值測試時，僅需進行各站到中心站（基準站）的鏈路測試，且不區分站型，測試量比傳統方案大大減少。

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Research on Power Control Scheme in FDMA-DAMA Satellite Communication Systems

LI Bin-cheng1，LI Ying2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Shijiazhuang Posts and Telecommunications Technical College，Shijiazhuang Hebei 050031，China）

The system power control is very important in satellite communication systems，directly related to system availability，and its importance is remarkable with the increasing of working frequency.Aiming at the system power control problem in FDMA-DAMA satellite communication systems，a new power control scheme is proposed after analyzing the limitations and shortage of the traditional program by theoretical derivation.And the test method for specific reference value of power is designed in this paper.By comparing the test data of link transmitting power reference value of actual system，the test and computation methods of transmitting power reference value of this scheme are proved to be correct.

FDMA；DAMA；power control；satellite communication；Eb/N0

TN927.2

A

1003-3106（2016）05-0075-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.20

2016-02-04

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（2014AA7011017）。

李斌成 男，（1974—），高級工程師。主要研究方向：衛星通信與信息傳輸技術。

李 影 女，（1977—），副教授。主要研究方向：移動通信技術。