衛星通信系統中功率控制的設計分析

中國電子科技集團公司第五十四研究所 姚涉

衛星通信系統中有很多的組成部分，其中最主要的兩個部分是衛星以及地球站。地球站利用電磁波將信息傳送到衛星上，衛星再將接收到的信息轉送到另一個地球站，實現兩個地球站之間的信息互傳，這是衛星通信系統的重要作用之一。但是在這個過程中為了使得信息的傳送更加精準就需要對衛星系統進行功率控制，以確保信息在傳送中的一致性。

1 衛星通信系統以及功率控制含義

衛星通信是一個龐大的系統，在進行高效運轉的過程中需要多個設備進行協調配合，才能實現最好的效果。當下社會經濟的快速提升，促進了我國衛星通信的發展和完善，在大量信息進入到衛星系統之后，如何科學高效的對信息展開分類整理成為了目前衛星通信中的重大難題之一。在衛星通信的系統中可以根據信息的種類和來源進行分類儲存和傳送。

在衛星系統的通信過程中會涉及到功率控制[1]。所謂功率控制主要是在地球站和衛星發射信息的環節，合適的功率可以保證信息的準確度和完整性，還能減少電磁波，從而實現節能的目標。在衛星通信系統工作的時候，功率控制要在確保對接端設備完好以及信號接收強度高于接收電平門限的前提下開展，這是發揮功率控制在衛星通信中最大作用的重要基礎，同時也是保證信息發送中減少對周圍通信系統產生干擾的有效辦法。對于衛星通信系統的整體而言，功率控制是其中一項重要的內容，將功率控制在一個合適的強度可以促進衛星系統的良好運轉。相反則會導致衛星通信功能在信息傳送中出現誤碼、誤幀，從而使得衛星系統通信質量下降。減少衛星發射中的電磁波是一個長期的探索創新過程，目前現有的技術限制著電磁波使用量。使用合適的功率控制設備，將衛星通信過程中的功率控制在一個特定的數值范圍內，從而充分發揮衛星通信在數據傳遞以及信息交流中的最大價值。

2 衛星通信系統中功率控制的重要意義

衛星通信系統其實是一種微波通信，通過衛星轉發微波信號，在不同地面之間實現通信，可以實現地面的無縫隙覆蓋。衛星通信對地面設備的發射功率要求較高，因此，在使用過程中要做好功率控制工作才能保證衛星通信的正常運轉和使用。隨著互聯網技術的快速發展，網絡終端和業務類型不斷增加，寬帶業務的應用越來越廣泛，傳統的波段已經不能滿足寬帶業務的需求，Ka波段成為寬帶業務的主要發展趨勢，但是Ka波段容易受空氣以及環境的影響，出現信號的衰減，功率控制可以很好的解決這一問題。功率控制方法研究的重點是衛星信道衰落對信號功率的影響，提高衛星通信系統的誤碼性能。因此，在衛星通信系統中通過功率控制方法可以有效的提高衛星通信系統的容量，保證衛星通信系統的資源得到有效的利用，對衛星通信系統有重要的意義。

另外，衛星通信系統由星載轉發器和功率放大器組成，功率放大器可以直接線性的提高傳輸信號的傳輸功率。但是功率放大器也具有非線性的特點，使信號在傳輸過程中產生失真的情況，可以通過預失真方法來改善功率放大器所產生的非線性特性，提高衛星通信系統整體的誤碼性。功率控制方法可以很好的改善衛星通信系統的業務質量，控制衛星通信系統的衰減現象。

3 衛星通信系統中進行功率控制的系統分析

（1）上行發射信道的分析。在站內上行衛星信號的發射線路中，地面站是影響上行功率的重要設備。如圖1所示，其中包含衛星天線、高頻功率放大器以及調制器和上行處理設備等。通過地球站內上行衛星的發射線路，就可以獲取某調制發射器在信息發射時天線的出口位置所對應的具體電平值。經過一定的計算可知，調制器的電平值和上行電平值之間存在著線性正相關的聯系[2]。這種情況下就可以采用調節調制器的輸出電平數值，對地面站的發射功率進行調節。地球站的天線增益以及發射功率以及地理位置等都會對衛星接受端電平值產生影響。比如：在出現雨雪等天氣的時候，衛星系統在收發信息的時候就會受到影響，其中功率控制也會出現波動，從而影響信息的傳送準確性以及及時性。對于上行的發射信道來講，一旦衛星的信息接收端出現較大波動的時候，上行信號的接受質量就會明顯降低。另外，因為上行信道有著多個連接站點，各個站點之間具有不同的發射功率以及地址地理位置，有的時候下行鏈路功率控制較好，并且接受的信息質量較高，但是在進行信息發送的時候功率控制不到位，就會影響信息的發送質量。因此，在衛星的通信過程中一定要將功率控制在一個合理的范圍，才能實現高質量的接收和發送信息。針對衛星通信中存在的功率控制問題，提高對當地環境以及天氣狀況的判定，利用可調節的星載調節器，針對不同的環境設置不同的控制功率。例如：惡劣環境中可以增加發送功率，這是因為惡劣環境會影響衛星的信息接收以及發送能力。

圖1 上行衛星信號發射線路Fig.1 Uplink satellite signal transmission line

（2）空間當中的射頻鏈路分析。在衛星系統進行信息傳輸的過程中，傳輸鏈路從地球站發射之后，經由上行信號鏈路再傳送到轉發器中，然后對信息進行放大處理，再經由下行信號鏈路轉送到另外的地球站的接收端。其中需要重點說明的是，在衛星通信系統中空間射頻鏈路有上行鏈路以及下行鏈路和轉發器組成。對通信性能產生重要影響的是轉發器的發射效果、接收增益以及下行和上行傳輸階段所產生的損耗和傳輸階段出現的噪聲干擾等。如果要對衛星通信的傳輸途徑進行定量計算，需要對極化誤差損耗、傳輸損耗、大氣損耗、降雨損耗、天線跟蹤誤差損耗等所有損耗在鏈路中進行全面分析。衛星通信的覆蓋范圍較大，所以不同區域之間的ERIP值和G/T值有所不同。為了計算空間鏈路就需要結合ERIP和 G/T值的分布圖，從而確定上行以及下行鏈路中各自的場強補償圖。區域之間的差異性會影響上行以及下行鏈路增益，可以通過功率控制和補償來達到均衡。在進行實驗計算之后可知，補償場強后各個區域空間中的鏈路增益趨于相同[4]。

（3）下行信號接收鏈路分析。地面站接收電平的設備包含衛星天線、低噪聲放大器、下行處理裝置和下變頻器等。在下行鏈路的功率控制中，因為地球站和衛星的距離相對較遠，導致信息發送的過程和時間比較長。通信信號質量在下行鏈路工作中容易受到天氣的影響。為了地球站能穩定工作，并且減少環境變化對其產生的影響，通常選擇使衛星通信系統在最大發射功率狀態下運行。因為地球站的接收信道和天線增益差異不同，因此，不同接收站的工作頻段和最大速率也不盡相同，這就需要對電平進行合理分配。解調器擁有自動增益控制功能之后，在下行鏈路中，可以通過控制功率，減少天氣對衛星通信的不利影響，提高衛星通信系統對惡劣環境的適應能力。但是下行鏈路中受到電波的影響較大，只能減少環境對此產生的影響，卻不能完全消除。采用FEC技術適當增加冗余校驗信息，降低系統的誤碼率，從而最大限度減少惡劣環境對衛星通信質量的影響。

4 在衛星通信系統中開展功率控制研究條件背景分析

功率控制在衛星通信系統的運行中發揮著重要的作用。目前信息能夠實現快速傳播，并且傳播速度明顯加快，同時準確度也得到明顯提升。呈現這一效果的原因在于衛星通信系統對功率控制能力的增強。第一顆通信型衛星在美國發射成功，早期此衛星服務于商務活動，技術水平也只能實現短途短時的信息傳輸。但是第一顆衛星的成功發射給人類帶來了很大的信心，促進了衛星通信事業的發展和進步。衛星系統能夠將一個完整且透明的信息傳遞到另一個地方，例如：在發生災難等公共事件的時候，信息傳遞效率很低，不利于信息的快速傳播。然而利用衛星通信技術就能夠快速實現大范圍的信息傳播，從而減輕災難程度。尤其近些年，網絡技術的快速發展為衛星通信系統的發展帶來了新的生機和活力，隨著人們對通信要求的提高，傳統的通信技術已經不能滿足當今人們的生活需求，這就為衛星通信系統提供了機會。通過完善衛星通信系統中的功率控制能力，將寬帶與不同的接送端進行連接，從而提升通信質量和效率，還能幫助衛星通信擴大其業務范圍。目前低波段衛星通信因為使用過多，呈現出市場飽和的現象，這也是通信衛星系統中的瓶頸環節。為了更好的解決低波段市場飽和情況，在衛星通信中利用功率控制的方法，實現衛星系統升級，突破現有發展瓶頸[5]。

5 衛星通信系統進行功率控制的具體實施步驟

目前衛星通信系統中，大多數鏈路層沒有準確的定量計算方法，這就需要借助于系統校準比對功能，并對發送的電平值進行科學計算，從而有效控制衛星鏈路的功率。

5.1 校準工作

對衛星通信系統進行功率控制是一項技術含量高的工作，尤其在信息的接收和發送重要信息時保證高度準確性，因此需要衛星通信系統具備高效的校準工作。對衛星通信系統進行校準工作主要是利用校準電平來完成的。對電平進行校準主要包含兩方面內容：接收電平校準和發送電平校準。接收電平校準首先要對接收信號的底噪進行校準，確保衛星通信系統內的所有解調器的入口底噪滿足解調器性能，并且還要對地面接收站的信號接收能力進行校準。網控中心會不斷的發送TDM信號，各個地面站接收到信號后會將時時電平值經過ALOHA傳送到網控中心。除此之外，網控中心通過地球站獲得的下行信號鏈路相應增益的補償數值，進而得到地球站對應的接受增益的補償數值，網控中心通過接收地球站發出的信號來校準地球站的功率，對地球站調制器的發送電平進行調整。與此同時，發送電平當中囊括網控中心下行信號鏈路的增益補償以及地球站上行信號鏈路的增益補償等，所以能夠得到地球站調制器所發出的基準電平值，其能夠將地球站發送性能反映出來。

5.2 計算電平

在衛星通信環節，地面地球站發送電平包含基準電平值、地球站下行信號鏈增益補償值、接受增益補償值、上行信號增益補償值。因此在地球站需要在固定周期內（每三個月）進行一次電平校準，以保證計算的精準性和有效性[6]。

5.3 控制功率

利用計算所得來發送電平屬于開環值，但只能保證雙方之間實現通信。在初期通信雙方按照實際通信的效果，進行閉環互調操作。因此地球站要嚴格控制發送功率并落實以下兩點。首先，按照地球站發送電平對調制器的相應發送電平展開計算；其次通信雙方按照最終的效果進行功率互調操作。衛星在傳輸中會有較大延遲性，因此需要利用閉環算法，并且結合微分+比例控制器，才能將調節環節中可能出現的問題進行有效解決，以保證衛星通信系統的穩定工作。

5.4 檢查改進

將功率控制設計方案應用到具體的衛星通信系統中，系統內的轉發器底噪有了明顯的降低，而且信號整體都比較穩定，經過幾個月的觀察，應用設計方案后的通信系統的效果相比之前有了較高的提升。

6 結語

通過對衛星通信系統的全面分析，尤其是對空間鏈路以及上下行信號鏈路的分析，可以利用科學的方法獲得需求的功率電平。還能夠按照不同的功率控制實現校準電平、計算電平和控制功率等作用。在衛星通信系統的運行中也要重視檢查改進，以確保衛星通信系統能夠在安全穩定的狀態下運行，促進行業的發展和進步。

引用

[1] 陳鵬,吳成杰,朱俊清,等.衛星通信系統中功率控制的設計分析[J].數字通信世界,2022(3):66-68.

[2] 吳必旗,宋穎.衛星通信系統中功率控制的設計分析[J].無線互聯科技,2020,17(19):9-10.

[3] 楊仁慶,楊清森,許陵,等.衛星通信系統中功率控制的設計實現[J].數字通信世界,2019(12):11-12.

[4] 熊晨旭,韋妙云,唐勝達.基于事件驅動的通信衛星傳輸功率的最優控制[J].廣西師范大學學報(自然科學版),2019,37(4):94-102.

[5] 熊晨旭.基于事件驅動的衛星通信系統建模與傳輸功率優化控制[D].桂林:廣西師范大學,2019.

[6] 李朝輝,婁景藝,屈曉旭.基于MCPC/FDMA衛星通信網絡的功率控制優化算法[J].通信技術,2017,50(7):1437-1442.