衛星通信系統中功率控制的設計實現

楊仁慶，楊清森，許 陵，陳 濤

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210004）

1 信道資源與功率資源

隨著衛星通信技術的快速發展和廣泛應用，衛星通信系統越來越龐大，信道資源和功率資源成為限制衛星通信系統發展的關鍵因素[1]。在衛星通信系統中，衛星轉發器的信道資源和地球站的功率資源是極其珍貴的系統資源，合理使用和分配信道資源、功率資源可以有效的增加系統容量及通信可靠性。信道資源的使用分配是為降低鄰道干擾的同時實現頻譜效率最大化，受調制解調方式及收發設備性能影響，其方案在系統建成之初即已確定。而功率控制則從通信系統建成開始，跟隨系統的擴建、改造、維修等不斷調整修正。

2 系統分析

衛星通信系統是一個功率受限系統，功率控制是其最重要的功能之一[2]。由于衛星轉發器有容量和功率限制，因此控制發射功率使得地球站接收的衛星信號均能達到可靠通信所需的最小信噪比，則衛星通信系統可在容量允許范圍內提供更多的通信數量。衛星通信的功率控制是根據地球站接收信號的信噪比等指標，在保證通信質量的條件下，適時改變地球站的發射電平來補償衛星信道中的損耗和衰減，使得系統和轉發器性能最優[3]。

傳統的功率控制采用功率參考值控制方案，對系統站型進行統一分類，設置固定的參考功率值，進行功率的簡單調整和限制[4]。此方案模型簡單，沒有充分考慮不同地區的雨衰、場強分布以及地球站的天線尺寸、功放大小、接收能力、線路衰減等因素，使得功率控制效果較差。結果便是地球站發送功率不均衡，部分地球站發送超大功率信號，惡化衛星轉發器底噪，整個系統的承載能力大大降低。

為了解決傳統功率控制方法帶來的問題，本文深入研究衛星通信系統鏈路中的傳輸規律，充分考慮各方面影響因素，推導出地球站接收功率的計算公式。依據理論推導公式，提出了一種適合大型衛星通信系統的功率控制方案，并給出詳細的實施步驟。

2.1 站內上行發射線路分析

在衛星通信地面站中，上行發射功率的影響設備有：調制器、上行處理設備、上變頻器、高頻功率放大器、衛星天線，如圖1所示[5]。

根據對地球站內上行發射線路的分析，可以得出某一調制器發出的信號在天線出口處的電平值為：

圖1 站內上行發射線路

式中，Pi為第i 路調制器的發送電平值；GC為上行處理設備的增益；GF為上變頻器的增益；GP為功放的增益；GA為天線的發射增益；LL為站內線路得衰減。

由于地面站的建設環境、施工工藝的不同，GC、GF、GP、GA、LL這些值存在差異，但是對于一個地面站來說，這些值又是固定不變的。為了簡化分析過程，假設站內上行增益為GS，即：

則

由此可以看出，上行電平值PSi與調制器的電平值Pi是線性正相關的，可通過調節調制器的輸出電平值來調節地面站的發射功率。

2.2 空間射頻鏈路分析

衛星通信系統的信息傳輸中，一條傳輸鏈路是由發端地球站經過上行鏈路，到達衛星轉發器，處理放大后經過下行鏈路到達收端地球站。空間射頻鏈路部分包括：上行鏈路、衛星轉發器、下行鏈路。影響其通信性能的因素主要有：上下行傳輸過程中的損耗、傳輸過程中所引入的噪聲與干擾、衛星轉發器的接收增益與發射增益等[6]。為了對衛星通信傳輸路徑進行定量計算，把損耗如：傳輸損耗，還有大氣損耗、降雨損耗、天線跟蹤誤差損耗、極化誤差損耗等加到鏈路中進行分許，如圖2 所示。

圖2 空間射頻鏈路

根據空間鏈路分析，可以得出地面站接收天線入口處的電平值為

式中，LU為上行鏈路損耗；GRS為衛星接收增益；為LD下行鏈路損耗；GSS為衛星發送增益。

將上行鏈路和下行鏈路分開討論，假設空間鏈路上行部分的總增益為GU，空間鏈路下行部分的總增益為GD，則：

由于衛星覆蓋范圍大，各地區的衛星G/T 值、ERIP 值均不一致。為了實現對空間鏈路工程計算，依據ERIP 分布圖、G/T分布圖等，制作上下行鏈路場強補償圖。

由地區部不同引起的上行鏈路增益和下行鏈路增益可通過功率補償進行均衡。補償是通過調整發送電平來實現，假設上下行鏈路增益的標準值為：GUS、GDS，上行補償值為：GUi，下行補償值為：GDi，則

可以看出，經過場強補償后的空間鏈路部分總增益在各地區可認為是相同的。

2.3 站內下行接收線路分析

在衛星通信地面站中，下行接收電平的影響設備有：解調器、下行處理設備、下變頻器、低噪聲放大器、衛星天線，如圖3所示。

圖3 站內下行接收線路

根據對地球站內下行接收線路的分析，可以得出解調器入口電平值為：

式中，PRi為衛星天線收到的i 路信號電平值；GS為下行處理設備的增益；GF為下變頻器的增益；為GL低噪放的增益；GA為天線的接收增益；LL為站內線路得衰減。

同理，但是對于一個地面站來說，GS、GF、GL、GA、LL值是固定不變的。假設站內下行增益為GR，即：

則，

帶入之前公式可得出：

這既是解調器接收電平值GRi的計算公式。下面根據此公式設計地面站發送電平的控制方法和實施步驟。

3 實施步驟

由上述推導過程可以看出，許多鏈路參數無法精確定量計算，因此本文采用系統校準對比的方法得到發送電平值，實現衛星鏈路的功率控制。

3.1 電平校準

電平校準分兩個部分，接收電平校準和發送電平校準。

接收電平校準一方面是校準接收信號底噪，要求衛星通信系統內所有解調器的入口底噪滿足解調器性能，且保持一致。另外一方面是校準地球站接收能力。網控中心站會一直發送TDM 信號，各地地面站接收道德地面站接收此信號后，需將實時電平值PTi經過ALOHA 發送給網控中心站。同時中心站根據地面站所在地區得出下行鏈路的增益補償值為GDi，則地面站的接收增益補償值：

式中，PT為中心站收到TDM 的電平值。

發送電平校準是對地球站發送能力進行校準。中心站通過接收地球站發送的信號對地球站進行功率校準，調整地球站調制器發送電平為Pi，使得中心站解調器入口電平為解調門限值。此時的發送電平為Pi包含地球站的上行鏈路增益補償GUi、中心站的下行鏈路增益補償GDi，因此，地球站調制器的發送基準電平為

此值反應地球站的發送性能，是通信時發送電平的計算基準。

3.2 電平計算

在通信時，地球站的發送電平由基準電平Pref、上行線路增益補償GU以及接收地球站的下行鏈路增益補償GD、接收增益補償組成ΔPA，即

其中，GU、GD、ΔPA由中心站通過TDM 發送給地球站。

地球站需每3個月進行一次電平校準，以保證計算的準確有效。

3.3 功率控制

由于計算得出的發送電平值是開環值，僅保證雙方可通信，在正式初始階段，通信雙方可根據實際的通信效果，進行閉環互調。因此地球站發送功率控制分為兩步：首先根據發送電平計算值設置調制器的發送電平；然后收發雙方根據通信效果進行功率互調。

功率互調是以實際通信效果為依據的，通過接收地球站反饋的接收信噪比來動態調節發送電平。由于衛星傳輸延遲較大，有較大的滯后性，因此閉環算法采用比例+微分（PD）控制器，可以有效解決調節過程中可能會出現的過調現象，保證通信系統的穩定性。

4 試驗驗證

在某衛星系統中實施功率控制后，衛星轉發器底噪有顯著降低，再無特大信號出現，信號相對比較均衡，如圖4所示。

圖4 功率控制頻譜效果

經過數月觀察，整個衛星通信系統通信效果顯著提高，首次呼通率超過95%，未出現功放飽和報警。

5 結束語

本文通過對衛星系統的站內發射線路、站內接收線路以及空間鏈路的詳細分析，得出了衛星通信中各功率電平之間的計算關系。依據公式給出了功率控制的實施辦法，包括電平校準、電平計算以及閉環互調。通過驗證結果可以看出本文設計的功率控制方案效果顯著，具有很高的實用推廣價值。