衛(wèi)星通信鏈路計算方法研究*

戶凌志 張海勇 賀 寅

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

在進行衛(wèi)星通信時，鏈路計算是合理規(guī)劃設(shè)計衛(wèi)星系統(tǒng)的重要依據(jù)［1］。在計算衛(wèi)星鏈路時，有必要充分考慮鏈路傳輸過程中可能受到的各種損耗及干擾影響。目前對鏈路計算過程噪聲及干擾的研究還不夠細致。文獻［2］提出了一種ku頻段下的衛(wèi)星通信鏈路計算方法，但未考慮上行鏈路雨衰的影響；文獻［3］提出了一種干擾條件下的計算鏈路性能的計算模型，但是未考慮交調(diào)干擾等干擾的影響。本文將對各種可能影響鏈路質(zhì)量的噪聲及干擾進行研究，并對鏈路計算步驟進行細化，精確鏈路計算，為合理規(guī)劃設(shè)計衛(wèi)星傳輸鏈路提供支持。

2 鏈路損耗

1）自由空間傳播損耗，與信號的頻率及傳播距離成正比，當d用km、f用GHz表示時，計算公式如下［4］

2）大氣吸收損耗，與載波工作頻率f及天線仰角E有關(guān)，工程上近似計算公式為［5］

3）天線指向損耗，指地面站天線與衛(wèi)星天線偏離軸向的增益降低，一般Le約0.4dB。

4）鏈路雨衰損耗，在降雨天氣時需加以考慮。參考ITU-R的建議，可得雨衰計算公式［6］。

上式中 Rp為降雨強度；γR=a（Rp）b為雨衰率，表示單位傳輸距離的雨衰量，a和b數(shù)值可根據(jù)文獻［7］中公式及相關(guān)表數(shù)據(jù)得到；LE為雨區(qū)斜路徑長度；hR是海拔0℃以上等溫線高度，hS為地球站高度；rp為距離減小因子；LG為斜路徑的水平投影長度。

因此，將上述損耗疊加得到上行鏈路總損耗Lu=Lfu+Lau+Leu+Lru。同理可得下行鏈路總損耗Ld=Lfd+Lad+Led+Lrd。

3 鏈路載噪比計算

衛(wèi)星通信過程中，模擬通信系統(tǒng)常用信噪比（S/N）表示鏈路性能；數(shù)字通信系統(tǒng)用誤比特率（BER）表示［8］。模擬信號和數(shù)字信號的功率都等于其未調(diào)制載波的功率，而鏈路所受到的噪聲可等效為接收端的噪聲溫度，因此無論（S/N）和（BER）都可用載溫比（C/T）或載噪比（C/N）表示。由于載噪比C/N是帶寬Bn的函數(shù)，對于不同帶寬系統(tǒng)的比較不方便，因此該表示方法缺乏通用性，所以鏈路性能常采用載溫比C/T表示。以下變量加方括號表示取10lg（）計算。

3.1 上下行鏈路載溫比計算

1）上行鏈路載溫比計算

EIRPE為地球站有效全向輻射功率，與輸出功率PT及發(fā)射天線增益GT有關(guān)，計算如下：

式中LFT為發(fā)射天線饋線損耗。設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收增益為GR，則接收機輸入端載波功率為

已知衛(wèi)星接收系統(tǒng)等效噪聲溫度Ts及有效噪聲帶寬 Bn，則上行噪聲功率 Nu=kTsBn［9］。

根據(jù)式（4）、（5），可得到上行鏈路載噪比為

其中玻爾茲曼常數(shù)［k］=-228.6dBW/（K·Hz）。

以上是單載波工作時的載噪比計算［10］，而工作在多載波模式時，需要對式（11）修正：

上式中［BO］oe為地球站放大器輸出補償；EIRPES為使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和時的地球站EIRP。設(shè)衛(wèi)星接收飽和通量密度為SFD=EIRPES-[Lu]+，將其帶入式（13）得：

2）下行鏈路載溫比計算

衛(wèi)星接收到的信號經(jīng)下變頻后放大，發(fā)射給地球接收站，此時衛(wèi)星為發(fā)射系統(tǒng)，與上行鏈路相似，根據(jù)上述討論，可得單載波工作時，下行鏈路載溫比為

式中，EIRPSS為衛(wèi)星單載波飽和輸出功率，［BO］OC為轉(zhuǎn)發(fā)器載波輸出補償，GRE為地球站接收天線增益，TE為地球接收站等效噪聲溫度，其計算公式為［11］

式中LFR為饋線損耗；T0是參考溫度，通常為293K；Ta為天線噪聲溫度。同理，多載波工作時，下行載溫比為

其中［BO］O為轉(zhuǎn)發(fā)器輸出補償。

3.2 干擾信號

1）交調(diào)干擾

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站中的功率放大器均為非線性器件，飽和放大多載波時，載波之間會產(chǎn)生大量的互調(diào)噪聲［12］。亞洲衛(wèi)星公司提供的計算方法如下。

2）鄰星干擾

靜止衛(wèi)星的軌位間距很小，地球站天線會在指向鄰近衛(wèi)星的方向上產(chǎn)生干擾，同時，鄰星也會對地面接收天線產(chǎn)生干擾。根據(jù)亞洲衛(wèi)星公司給出的計算方法：

式中GRE為地球站接收天線增益；［BO］IC為轉(zhuǎn)發(fā)器載波輸入補償；G0是接收站天線旁瓣對干擾星方向上的增益，通常設(shè)為21.45dB。

3）交叉極化干擾

正交極化頻率復(fù)用時，不同極化的同頻載波可能發(fā)生相互干擾，這種干擾叫做交叉極化干擾。亞洲衛(wèi)星公司提供的計算方法如下。

4）其他干擾

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，除了前面討論的交調(diào)、極化、鄰星干擾外，還有一些干擾分量，如：同頻干擾損耗、地面干擾損耗、其他地面設(shè)備噪聲、地球站功放交調(diào)損耗等。為了方便計算，總損耗為以上4項均方和相加，為LRSS≈1dB。

綜上討論，可得鏈路總載溫比為

式中圓括號內(nèi)的數(shù)值表示其真值計算。

3.3 鏈路余量

鏈路余量計算公式如下［13］：

載溫比門限［C/T］th，與所用的設(shè)備、載波調(diào)制模式、前向糾錯方式和誤比特率要求有關(guān)，其計算公式如下：

Gc為編碼增益，De為設(shè)備性能損失，［Eb/N0］為接收端解調(diào)器入口單位比特能量噪聲功率密度比。

4 實例驗證

通過使用中衛(wèi)1號衛(wèi)星［14］，以某岸基發(fā)射站與我國東海某船通信為例，通過計算分析鏈路通信是否達到要求。主要參數(shù)引用自文獻［2］，見下文參數(shù)1）～4）。

4.1 鏈路通信要求

1）載波參數(shù)

已知信息速率Rb為8Mbit/s；系統(tǒng)誤碼率要求為Pe≤1x10-6；采用QPSK調(diào)制；前向糾錯編碼FEC為3/4；設(shè)備性能損失De=0.8dB；編碼增益Gc=5dB。

2）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)

中衛(wèi)1號衛(wèi)星（87.5°E），采用ku頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器 ；上 行 頻 率 14.0GHz～14.5GHz；下 行 頻 率12.2GHz～12.7GHz；飽 和 輸 出 功 率 EIRPSS=55.39dBW；接收品質(zhì)因數(shù)［G/T］s=3.82dB/K；飽和通量密度SFD為-87.82dBW/m2；轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬BT=72MHz；輸入補償BOI為6dB；輸出補償BOo為3dB。

3）發(fā)地球站參數(shù)

天線發(fā)射增益GT=55.6dBi；發(fā)射天線饋線損耗LFT為3dB；上行發(fā)射頻率fu為14.2GHz；功放輸出功率PT=49dBW。

4）收船載站參數(shù)

天線口徑2m；天線接收增益GRE=34.9dBi；饋線天線罩損耗LFR為1.2dB；天線噪聲溫度Ta為105K；外部輸入噪聲溫度為45K；下行接收頻率fd為12.5GHz；接收端解調(diào)器入口單位比特能量噪聲功率密度比［Eb/N0］為10.5dB。

4.2 鏈路計算

1）鏈路衰減

由式（1）計算得自由空間衰減Lfu=206.6dB，Lfd=206.0dB。由式（2）得大氣吸收損耗Lau=0.38dB，Lad=0.45dB。天線指向損耗設(shè)為Leu=Led=0.4dB。

晴天時，不考慮雨衰，則雨衰值為0；雨天時，設(shè)上、下行鏈路可用度為99.9%，即p為0.01%，當接收站位于（123.2°E，26.08°N）東海區(qū)域，此地為熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，海拔高度hS為0km，0℃等溫線高度hR為 4.8km，查 表 得 ，a=0.0179，b=1.2076，Rp=100mm/h；同理，可得到發(fā)射站 hS為 0km，hR為5.2km，a=0.0165，b=1.1256，Rp=80mm/h［6］。將數(shù)據(jù)代入式（3），得到上、下行雨衰計算結(jié)果：Lru=22.8dB，Lrd=52.3dB。

綜上所述，可得上行鏈路總衰減為：晴天時Lu=207.38dB，雨天時Lu=230.18dB。同理，可得下行鏈路總衰減：晴天時，Ld=206.85dB，雨天時Ld=259.15dB。

2）鏈路余量計算

由參數(shù)4）得接收機等效噪聲溫度：T=105/1.2+(1-1/1.2)×293=136.3K，則接收站品質(zhì)因數(shù)為

將以上數(shù)據(jù)代入式（13）～（15）計算得到各干擾信號載溫比：［C/T］IM=-147.5dBW/K，［C/T］ASIu=-141.7dBW/K，［C/T］ASId=-154.35dBW/K，［C/T］XPIu=-138.9dBW/K，［C/T］XPId=-137.9dBW/K。

設(shè)晴天時發(fā)射站以60dBW的EIRP發(fā)射信號，則上、下行載溫比為

則可得晴天時總載溫比：

門限載噪比為

則鏈路余量為

同理，可得其他天氣條件下的鏈路總載溫比及鏈路余量，計算結(jié)果見表1。

表1 鏈路計算結(jié)果

4.3 實驗結(jié)果分析

以上分別對上下行鏈路可能存在的天氣狀況進行分析計算，可以看出晴天時，當發(fā)射站設(shè)定EIRP為60dBW時，計算鏈路余量為0.29dB，可達到鏈路通信的要求。

當上行或下行鏈路中有降雨存在時，此時鏈路中受到一定的雨衰，當發(fā)射站設(shè)定EIRP為70dBW時，計算鏈路余量大于零，鏈路可通。說明當鏈路受到一定的損耗時，通過適當提高發(fā)射站EIRP，也能達到通信要求。

當上下行鏈路都受到雨衰時，此時鏈路環(huán)境惡劣，余量嚴重不足，此時發(fā)射站功率無法達到通信要求，加大發(fā)射功率可能造成“功率掠奪”，因此需重新制定通信方案，以保證鏈路可通。

5 結(jié)語

本文詳細考慮了衛(wèi)星通信過程中可能存在的多種損耗及干擾，發(fā)射站及接收站天線特性及相關(guān)參數(shù)計算，并給出了完整的計算過程，使計算結(jié)果更加精確，通過實例計算得出不同環(huán)境條件下的載溫比、鏈路衰減及鏈路余量等參數(shù)，驗證了該計算方法的可行性。該計算模型可精細計算載噪比及鏈路余量等參數(shù)，幫助衛(wèi)星通信人員更準確預(yù)測鏈路性能，合理利用衛(wèi)星資源，對衛(wèi)星通信組織運用具有指導(dǎo)意義。