海上衛星通信最優發射功率算法研究?

劉冠邑 張海勇 任 重

（海軍大連艦艇學院信息系統系 大連 116018）

1 引言

衛星通信具有傳輸距離遠、通信范圍廣、信道容量大等優點，在軍事與民用的諸多領域得到廣泛應用［1～2］。海上衛星通信相比一般衛星通信，其特殊之處在于：船舶空間狹小，天線尺寸受限；船載衛星通信系統網絡結構復雜；海上衛星通信抗干擾能力較差［3～5］。正是因為通信難度大、效率低，所以如何基于現有技術和裝備條件，保持通信鏈路可通，保證通信順利，就成為海上衛星通信的首要任務。

由于通信可用頻率資源有限，天線尺寸受船舶空間限制，所以當通信受到外界干擾時，最直接有效的調整方式就是增大發射機功率。現階段工作人員調整發射機功率時大多是靠經驗操作，缺乏具體的理論依據，如果功率調整不當，不僅無法改善通信質量，甚至會使轉發器飽和，導致通信徹底中斷。

針對上述功率控制存在的問題，已有學者進行研究，提出了一種最優發射功率算法［6］。但該算法過于理想化，未考慮海上通信受到的海面反射等自然因素引起的噪聲。本文在此基礎上，提出一種適用于透明轉發器多載波工作模式的載噪比計算模型，以便于計算不同干擾條件下的最優發射功率，并研究了海上復雜環境下的發射機建議功率范圍與最優發射功率，為海上衛星通信的功率控制策略提供技術支持。

2 海上衛星通信載噪比計算模型

計算最優發射功率首先要計算鏈路載噪比。因為載噪比作為衛星通信中的一個重要參數，是衡量通信鏈路性能的唯一指標。載噪比越大，則通信鏈路性能越好。只有當鏈路總載噪比大于門限載噪比，即鏈路余量大于零時，通信鏈路可通。衛星通信鏈路通常分為兩部分，從船載發射機到衛星接收機部分稱為上行鏈路，從衛星發射機到船載接收機部分稱為下行鏈路，因此載噪比計算也要分為上行鏈路與下行鏈路兩部分考慮［7］。如下圖，從A站到衛星部分為上行鏈路，從衛星到B站部分為下行鏈路。

上行鏈路載噪比主要取決于上行鏈路損耗和船載發射機天線有效全向輻射功率EIRPE，EIRPE是衛星通信上行鏈路發射端唯一的“品質因數”指標，可根據天線發射功率PT求得。同理，下行鏈路載噪比取決于下行鏈路損耗和衛星發射天線有效全向輻射功率EIRPS，當衛星透明轉發器工作在線性區域時，EIRPS與PT存在線性關系，此時EIRPS也可根據天線發射功率求得。因此在已知外界干擾因素，和衛星通信相關參數的情況下，能夠得到船載發射功率PT與上、下行鏈路載噪比的關系，從而通過PT求得鏈路總載噪比。載噪比計算流程如圖2所示。

海上衛星通信干擾因素多，天線尺寸與發射功率受限。當衛星通信系統受到干擾時，工作人員只能基于現有裝備條件進行調整，最常見的就是調整天線發射功率。本節通過建立關于船載天線發射功率的載噪比計算模型，為給出合理的功率控制建議奠定基礎。

2.1 上行鏈路載噪比

上行鏈路載噪比取決于上行鏈路損耗和艦船載發射機的有效全向輻射功率EIRPE，計算公式如下：

其中（G/T）S為衛星接收天線的品質因數；Lou為上行鏈路其他損耗，主要包擴雨衰、大氣吸收、云和霧衰減等造成的損耗；玻爾茲曼常數K=-228.6dBW·Hz/K；BN為載波噪聲帶寬，與信息速率、碼率和調制因子有關；全向輻射功率EIRPE與船載衛星天線發射功率PT相關，可由下式求得：

其中GT為天線增益，LFTE為船載發射天線饋線損耗。

自由空間路徑損耗存在于所有的無線電波傳播之中，只與通信頻率和距離有關，上行鏈路自由空間損耗計算公式如下：

fu為上行鏈路中心頻率，du為衛星與船載發射站的波束中心軸向距離，在已知發射站所處位置的經緯度（λ1，φ1）與衛星定點位置的經度λ的情況下，du可用如下公式計算：

將式（2）、（3）帶入式（1），可以得到上行鏈路載噪比（C/N）u關于船載衛星通信天線發射功率PT的計算公式：

2.2 下行鏈路載噪比

下行鏈路載噪比取決于下行鏈路損耗和衛星發射天線全向輻射功率EIRPS，計算公式如下：

（G/T）E為船載衛星通信接收天線的品質因數；Lod為下行鏈路其他損耗。下行鏈路自由空間路徑損耗Lfd計算方法與上行鏈路相似，可用如下公式計算：

其中fd為下行鏈路中心頻率；dd為衛星與船載接收站的波束中心軸向距離，算法與計算du相同。

下行鏈路載噪比計算的另一個關鍵參數是衛星天線全向輻射功率EIRPS。由于目前通信衛星上主要應用透明轉發器，當其工作于多載波工作模式時，工作點必須回退到特性曲線的線性區域，以降低交調失真對通信的影響，所以本文在轉發器功放工作在多載波模式的條件下，建立發射天線功率—載噪比計算模型。功率放大器的輸入/輸出特性如圖3所示，此時轉發器輸入/輸出特性與單載波模式在線性區域是相同的，可以利用單載波模式下的輸入功率回退BOi、輸出功率回退BOo、飽和通量密度SFD以及飽和全向輻射功率EIRPSS等參數，求出多載波模式工作點與功率放大器特性，進而求出EIRPS［8］。

由上圖可知，當處于單載波工作點時，輸入功率通量密度為飽和通量密度SFD，輸出全向輻射功率為飽和全向輻射功率EIRPSS。則在回退到多載波工作點時，輸入功率通量密度PFD值為SFD-BOi，輸出全向輻射功率EIRPS值為EIRPSS-BOO。設功率放大器的增益為G，有效口徑面積為Ae，我們容易得出以下關系：

上式中GS為衛星發射天線增益，LFTS為衛星發射天線饋線損耗。整理式（9）、（10）可得：

將多載波工作點的參數帶入式（11），可以求得放大器增益G=EIRPSS-BOO-GS+LFTS-SFD+BOi-Ae，功率通量密度計算公式如下：

將式（12）中計算出的功率通量密度PFD與放大器增益G帶回到式（11），可以整理得到衛星天線全向輻射功率EIRPS關于船載天線發射功率PT的計算公式：

將式（8）、（13）帶入式（7），可以得到下行鏈路載噪比（C/N）d關于船載衛星通信天線發射功率PT的計算公式：

2.3 雨衰條件下的總載噪比

降雨引起的衰減會使鏈路性能嚴重下降，在載噪比計算中必須加以考慮［9］。衰減值A0.01取決于通信頻率與天線仰角，計算公式在ITU-R提供的雨衰模型［10］中給出：

其中kRα0.01為衰減率（dB/km），由不同地區的降雨強度決定；ν0.01為縮減因子；hR為降雨高度（km）；hS為船載站的海拔高度（km）；θ為路徑仰角。

通信鏈路受多種因素影響，其中雨衰的影響最為嚴重，本文重點考慮降雨衰減對通信鏈路的影響。降雨衰減一般只計算一次［11］，當上行鏈路受到降雨影響時，則令Lou=A0.01，Lod=0；同理當下行鏈路受到降雨影響時，則 Lou=0，Lod=A0.01。將 Lou、Lod帶入式（5）、（14）求得雨衰條件下的上、下行鏈路載噪比，進而由下式求得鏈路總載噪比：

3 海上衛星通信最優功率算法

3.1 最優發射功率計算模型

通信鏈路總載噪比（C/N）t大于門限載噪比（C/N）TH時鏈路可通。衛星通信受到不同干擾時，鏈路載噪比不同，因此為保持鏈路可通，需調整發射功率PT到合適范圍，在該范圍內選取通信代價最小的功率為最優發射功率。其意義在于：1）最優發射功率下鏈路始終可通，通信穩定可靠；2）轉發器增益高，且避免被推向飽和，使通信中斷；3）節省海上衛星通信的功率資源。

令總載噪比（C/N）t等于門限載噪比（C/N）TH，可求得鏈路可通的船載發射機最小功率PTmin。此時有如下關系：

門限載噪比（C/N）TH取決于門限比特信噪比Eb/N0，信息速率Rb以及載波噪聲帶寬BN。

將式（5）、（14）、（19）帶入式（18）并化簡可得：

為降低交調干擾對通信的影響，同時避免轉發器飽和，應使轉發器工作在線性區域。當轉發器處于線性區域最大點，即多載波工作點時，功率通量密度PFD取值為SFD-BOi，將此值帶入式（12）求得最大功率值PTmax。

通信鏈路受到外界影響時，將發射機功率調整到（PTmin，PTmax）范圍內，可以保持通信可通，且轉發器增益最高。

為使通信鏈路在復雜環境中保持穩定可靠，且通信代價最小，本文考慮到海面反射、大氣閃爍、宇宙噪聲等不確定因素帶來的傳輸損傷，鏈路應預留一定余量［12］。根據以往經驗值，令功率值為（PTmin+3）dB，得到最優發射功率。

3.2 實例分析

本文利用文獻［3］中給出的相關參數，計算了不同自然條件下的最優發射功率以及與之對應的鏈路載噪比。通過中衛10號衛星中繼的兩船載站之間通信實例，驗證了本文提出的最優發射功率算法的可靠性與適用性。船載站與衛星轉發器參數如表1～3。

表1 船載發射站參數

表2 船載接收站參數

表3 衛星轉發器參數

當業務要求門限信噪比Eb/N0=4dB時，船載站A的最優發射功率在不同的調制、編碼方式，信息速率以及不同自然環境條件下的最優發射功率計算結果如表4～5。

表4 晴天條件下的最優發射功率

表5 下行鏈路降雨的最優發射功率

通過以上計算結果分析，得出如下結論：

1）載波參數相同，不同自然干擾下，最優發射功率不同，自然干擾越強，最優發射功率越大。

2）最優發射功率與載波的調制、編碼方式無關，與信息速率相關，信息速率越大，最優發射功率越大。

3）最優發射功率下的載噪比只與調制、編碼方式有關，與信息速率、自然干擾因素無關，即調制、編碼方式決定了鏈路的靈敏度。

表6 上行鏈路降雨的最優發射功率

4 結語

本文研究了透明轉發器多載波工作模式的載噪比計算模型，通過船載發射功率直接計算鏈路載噪比，使載噪比計算簡化，并在此基礎上對船載天線發射功率進行研究，給出了在雨衰條件下的建議功率范圍與最優發射功率算法。通過中衛10號衛星通信實例，驗證了載噪比計算模型的有效性與最優功率算法的可靠性，說明了本文提出的最優功率算法能夠快速計算不同電磁環境下的最優發射功率，為復雜環境下的鏈路分析奠定基礎，為海上衛星通信裝備科學運用提供理論依據。