衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計方法與實(shí)例研究

張婉麗

摘要：衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計是指根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)需求所提出的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可用度和誤比特率等性能要求，對衛(wèi)星鏈路進(jìn)行設(shè)計和計算，以確定衛(wèi)星地面站的天線口徑、發(fā)射功率，以及載波特性的方法。文章對衛(wèi)星鏈路設(shè)計基本概念和方法進(jìn)行了介紹，并通過一個實(shí)例介紹了一款鏈路設(shè)計的軟件，對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工作具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；鏈路設(shè)計；Satmaster

對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，空間段的成本是系統(tǒng)運(yùn)營過程中的主要開銷。如何更加有效地使用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，降低設(shè)備成本和系統(tǒng)運(yùn)營成本，提高系統(tǒng)工作的可靠性，使系統(tǒng)簡單易用，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計中最重要的工作。合理化的衛(wèi)星鏈路設(shè)計，可以使衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

1.衛(wèi)星鏈路設(shè)計的任務(wù)

衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計包括兩方面的任務(wù)：一是對線路進(jìn)行評估，即根據(jù)已確定的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器及地面站的參數(shù)，計算地球站能得到的載噪比以及相應(yīng)的發(fā)射EIRP：二是對設(shè)備配置進(jìn)行估算，即根據(jù)已確定的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器及接收機(jī)的基本參數(shù)，確定地球站的天線尺寸、發(fā)射功率等。實(shí)際工程中，這兩方面的任務(wù)是相互交匯的。

在設(shè)計一個通信系統(tǒng)時，最主要的工作是根據(jù)鏈路參數(shù)確定系統(tǒng)的通信體制和設(shè)備配置，所以，衛(wèi)星鏈路設(shè)計的工作也就是確定編碼方式、調(diào)制方式、功放輸出功率和天線口徑。這4個要素會有多種滿足要求的組合，鏈路設(shè)計的任務(wù)就是要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求和原則等篩選出最優(yōu)的組合。

2.衛(wèi)星鏈路設(shè)計的常用術(shù)語和基本概念

2.1調(diào)制方式

調(diào)制的目的是對信息進(jìn)行壓縮，使傳輸速率增大，提高信道的利用率。

盡管新的調(diào)制方式不斷出現(xiàn)，但目前衛(wèi)星地球站的數(shù)字通信設(shè)備中使用的調(diào)制方式仍主要是數(shù)字調(diào)相，其中主要包括以下幾種：BPSK，QPSK，MSK，0QPSK，16QAM等。

調(diào)制因子=log₂（相位）

高階調(diào)制方式比低階調(diào)制方式有更高的效率，能夠節(jié)省頻帶資源，但付出的代價是需要增加射頻的功率。

2.2信道編碼

信道編碼的目的是對信息進(jìn)行糾錯，以提高信道傳輸?shù)挠行?，但增加了冗余信息，使傳輸速率降低?/p>

常用的編碼技術(shù)有：卷積碼維特比譯碼（常用FEC方式1/2，2/3，3/4，5/6，7/8）。

Reed-Solomon編碼（簡稱RS編碼）與卷積碼（維特比譯碼）構(gòu)成雙層級聯(lián)碼（如DVB業(yè)務(wù)）。

Turbo編碼（Turbo Product Coding）：一種新型FEC技術(shù)，可得到更高的編碼增益或占用更少的帶寬。

高效率的編碼方式可以更節(jié)省功率，但付出的代價是增加了編碼開銷，需要更大的頻帶。因此必須將調(diào)制方式和編碼方式合理地結(jié)合起來，才能達(dá)到最佳的頻帶利用率和合理的射頻功率要求。

2.3衛(wèi)星通信中的3種速率和兩種帶寬

一般的數(shù)字衛(wèi)星傳輸鏈路如圖1所示。

由圖1可見，衛(wèi)星通信傳輸鏈路中涉及3種速率和兩種帶寬，分別為：

（1）信息速率（Rb）：原始的二進(jìn)制信息比特流，單位為bps。信息速率Rb是原始的模擬信號經(jīng)過信源編碼，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字壓縮后，得到的二進(jìn)制信息比特流速率。

（2）傳輸速率（Ri）：信道中實(shí)際傳輸?shù)谋忍亓鳎瑔挝粸閎ps。傳輸速率Ri是二進(jìn)制信息比特流經(jīng)過信道編碼，加入了糾錯碼后，得到的在數(shù)字信道中傳輸?shù)谋忍亓鳌?/p>

傳輸速率=信息速率/（FEC碼率×Rs碼率）

（3）符號速率（Rs）：信道中實(shí)際傳輸?shù)拇a元流，單位為symbol/s或sps。符號速率Rs是經(jīng)過調(diào)制器對信息進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，提高信道的傳輸效率。

符號速率=信息速率/（FEC碼率×Rs碼率×調(diào)制因子）

（4）噪聲帶寬。考慮了信道濾波器的升余弦滾降特性系數(shù)，信號的有效傳輸帶寬，即噪聲帶寬。

噪聲帶寬=符號速率×滾降因子（一般為1.2）

（5）分配帶寬。對于一個頻分多址（FDMA）的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為了防止和減少相鄰信道之間的干擾，各載波之間要留出一定的頻率間隔余量，因此，計算載波占用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬時，必須將理論帶寬乘以帶寬分配因子，才能得到實(shí)際的分配帶寬。

分配帶寬=符號速率×分配因子（一般為1.4）

2.4載波噪聲比（C/N）

平均的載波信號功率（c）與同一參考點(diǎn)處接收系統(tǒng)的噪聲功率（N）的比值，表示空間鏈路的傳輸性能。

2.5E_hN_o。

EdNo表示每比特能量對噪聲譜密度的比值，其值越高，系統(tǒng)的傳輸性能越好。

2.7有效全向輻射功率

有效全向輻射功率（Effective Isotropic RadiatedPower，EIRP），是綜合了發(fā)射天線定向輻射作用和發(fā)射機(jī)射頻輸出功率后的等效發(fā)射功率。EIRP=P_TG_T。

地球站EIRP是高功放的輸出功率與天線增益的乘積，而且要考慮高功放輸出口到天線饋源口連接波導(dǎo)的損耗，用分貝數(shù)表示：[EIRP]_E=10LgP_T+10LgG_T-10LgL_F

衛(wèi)星ENEIRP是指經(jīng)衛(wèi)星發(fā)射天線后輸出的衛(wèi)星功率，用[EIRP]_s示。飽和[EIRP]_s的大小與衛(wèi)星上行波管放大器的功率有關(guān)，用衛(wèi)星EIRP等值線圖來表示，位于同一等值線上的地球站所對應(yīng)的飽和[EIRP]_s相同。

2.8接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（G/T）

接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪聲溫度的比值稱為接收系統(tǒng)的G/T值，也稱性能因數(shù)或品質(zhì)因數(shù)（Figure ofMerit，F(xiàn)oM）。用來表征接收系統(tǒng)的接收靈敏度。

用分貝數(shù)表示：[G/T]-10LgG-IOLgT

3.衛(wèi)星鏈路設(shè)計的步驟與方法

3.1衛(wèi)星鏈路設(shè)計的一般步驟

進(jìn)行衛(wèi)星鏈路設(shè)計時，一般按照以下的步驟：

（1）首先要根據(jù)實(shí)際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需求，建立衛(wèi)星鏈路的通信模型，明確鏈路計算的目的，是對新建系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備估算，還是已有系統(tǒng)進(jìn)行線路評估。

（2）確定己知條件及所需計算的參數(shù)，包括：

衛(wèi)星參數(shù)：衛(wèi)星的軌道位置、工作頻率、頻率計劃、EIRP，G/T，SFD、轉(zhuǎn)發(fā)器的載波輸入功率回退（IBO）和輸出功率回退（OBO）等，衛(wèi)星參數(shù)可從相關(guān)衛(wèi)星公司處獲取。

地球站參數(shù)：發(fā)射站和接收站的經(jīng)緯度、海拔高度、雨區(qū)系數(shù)等。

載波參數(shù)：同時發(fā)送載波的個數(shù)，每一個載波的調(diào)制特性、糾錯方式、調(diào)制系數(shù)及E_h/Nn門限值。

設(shè)備配置：發(fā)射、接收天線的口徑，發(fā)送端功放功率，接收端LNA的噪聲系數(shù)等。

（3）明確需計算的參數(shù)。選擇鏈路計算的方法（正推法和倒推法）及原則進(jìn)行計算。

3.2衛(wèi)星鏈路設(shè)計的基本方法

衛(wèi)星鏈路設(shè)計可以采用兩種設(shè)計思路：正推法和倒推法。

正推法首先擬定地面站上行載波EIRP值，計算出上行鏈路載噪比。根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益以及輸入輸出回退，計算出衛(wèi)星下行EIRP值及下行鏈路載噪比，從而得出全鏈路的載噪比。將干擾因素引入計算，得到總的載噪比，與門限載噪比作比較，得出系統(tǒng)及E_h/No余量，若余量大于0，則符合設(shè)計要求，否則需重新進(jìn)行數(shù)值擬定。

倒推法則是正推法的逆運(yùn)算。首先設(shè)定地面站門限載噪比，根據(jù)鏈路可用度確定降雨備余量，由下行鏈路載噪比計算出衛(wèi)星下行EIRP值，根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益及輸入輸出回退，計算出上行鏈路載噪比及地面站發(fā)射載波EIRP值。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般采用倒推法進(jìn)行鏈路設(shè)計，提高了針對性和可行性。

3.3用Satmaster軟件進(jìn)行衛(wèi)星鏈路設(shè)計

3.3.1 Satmaster軟件介紹

由y-z星鏈路在設(shè)計時，涉及大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，且變量較多，因此大多數(shù)工程師多選用計算機(jī)輔助的方式進(jìn)行計算。Satmaster是Arrowe公司開發(fā)的一款衛(wèi)星鏈路設(shè)計軟件，它將復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件化，使用Windows界面，操作方便。

Satmaster軟件有點(diǎn)對點(diǎn)和廣播鏈路兩種計算模式可選，.界面略有不同，適用于不同的業(yè)務(wù)類型，可在新建文件時進(jìn)行選擇。

點(diǎn)對點(diǎn)鏈路（文件名：udp）：適用于雙向點(diǎn)對點(diǎn)業(yè)務(wù)，點(diǎn)擊linkN以互換上下行鏈路參數(shù)。

廣播鏈路（文件名：brd）：適用于單向廣播業(yè)務(wù)，可預(yù)設(shè)每轉(zhuǎn)發(fā)器的載波個數(shù)，并據(jù)此分配轉(zhuǎn)發(fā)器功率（如1個轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)1+MCPC電視載波，將占用100%的轉(zhuǎn)發(fā)器功率），有鏈路自動優(yōu)化功能。

使用Satmaster軟件進(jìn)行衛(wèi)星鏈路設(shè)計和優(yōu)化時應(yīng)遵循以下的基本原則：

功帶平衡的原則：使用轉(zhuǎn)發(fā)器功率與轉(zhuǎn)發(fā)器總功率的比值等于租用帶寬與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的比值，即：

使用轉(zhuǎn)發(fā)器功率 租用帶寬

轉(zhuǎn)發(fā)器的總功率 轉(zhuǎn)發(fā)器的總帶寬

衛(wèi)星公司是按用戶租用的占衛(wèi)星帶寬百分比與用戶使用的占衛(wèi)星功率百分比的較高者來收取轉(zhuǎn)發(fā)器租金，因此為了使用戶最大限度地利用帶寬，應(yīng)盡量將鏈路優(yōu)化至這兩個百分比基本相同。

在系統(tǒng)余grin時，可對以下參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的頻帶利用率和合理的設(shè)備配置：（1）提高鏈路可用度（Ku波段）；（2）減小接收天線尺寸，占衛(wèi)星功率會增加；（3）使用效率更高的FEC方式，從而節(jié)省占衛(wèi)星帶寬。Satmaster的界面有Uplink，Downlink，Satelitte，Carriers and Modulation 4個輸入模塊，使用者總共需輸入包括地面站（發(fā)射站、接收站）參數(shù)、衛(wèi)星及轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)、業(yè)務(wù)載波參數(shù)、干擾參數(shù)這4類共幾十個參數(shù)。下面結(jié)合工程實(shí)例分別介紹這些參數(shù)的意義和典型值。

3.3.2衛(wèi)星鏈路設(shè)計實(shí)例

（1）工程實(shí)例。北京6米站發(fā)射，廣州1.8米站接收，使用亞洲3s衛(wèi)星Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，信息速率2Mbps，信道編碼方式為3/4FEC，調(diào)制方式QPSK，誤比特率10^-7，鏈路可用度大于99.5%。

亞洲3S衛(wèi)星Ku轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)如表1所示。

3.3.3Satmaster參數(shù)設(shè)置

選用點(diǎn)對點(diǎn)鏈路模塊，將以上己知條件填入Satmaster的對應(yīng)參數(shù)中，4個模塊的輸入如圖2所示，方框圈住的參數(shù)是在計算過程中可適當(dāng)調(diào)整的參數(shù)。

上行鏈路可用度：直接影響上行鏈路降雨時的雨衰。

發(fā)射天線口徑：對鏈路計算無影響，但影響發(fā)射功率，天線口徑越小，HPA功率要求越高。

上行功率控制（UPC）：與所在雨區(qū)、上行可用度要求和功放容量有關(guān)，一般只在Ku波段設(shè)置，UPC的設(shè)置應(yīng)略低于雨衰值。

下行鏈路可用度：直接影響鏈路計算過程中的下線鏈路降雨備余量的大小。

接收天線口徑：影響[G/T]_R，小口徑天線接收將使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器需要發(fā)送大功率載波，直接影響鏈路計算結(jié)果。

衛(wèi)星接收G/T和SFD-對應(yīng)于上行站，查衛(wèi)星公司資料得到。

衛(wèi)星EIRP值：對應(yīng)于下行站，查衛(wèi)星公司資料得到。

門限E_b/N_o：通常與使用的調(diào)制方式、FEC碼、誤比特率有關(guān)，直接影響門限c/N。

信息速率：由用戶需求決定，是原始的未經(jīng)編碼調(diào)制的信息傳輸速率。

FEC碼率：直接影響占用帶寬，并與門限E_h/N_o相關(guān)聯(lián)。

3.4鏈路計算結(jié)果分析

Satmaster自動生成一個鏈路設(shè)計結(jié)果報告，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)論性的數(shù)據(jù)包括：

（1）Total HPA power required/Required HPA powercapability：反映了地面站HPA的設(shè)備配置要求。

Total HPA power required

-3.68 dBW

Required HPA power capability 0.43W

由此可見，北京發(fā)射站的HPA高功放可選擇1W規(guī)格的。

（2）Allocated transponder bandwidth：占用的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬及其占總帶寬的百分比（頻帶分配因子）

Allocated transponder bandwi&h 1.8000dBW

Allocated transponder bandwi&h 3.33%

（3）Used transponder power：占用轉(zhuǎn)發(fā)MEIRP值及其占當(dāng)前工作點(diǎn)總EIRP的百分比（功率分配因子）

Used transponder power 37.23dBW

Used transponder power 3.33%

該載波使用了37.23dB/W的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率，占衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器總功率的3.33%。分析一個鏈路設(shè)計是否合理滿足要求，可以從以下幾，個方面來考量：

Excess margin：分為Clear晴空、Rain Up上行降雨、RainDnT行降雨3個值。成功的鏈路設(shè)計，必須使這3個值全為正或0。對于Ku波段，應(yīng)盡量使上行降雨余量和下行降雨余量接近于0，同時晴空余量盡可能??；對于c波段，因不考慮降雨備余量，因此必須做到這3個值相等。

以上鏈路計算結(jié)果如下：

Excess margin 2.22 0.00 0.00dB

Rain Up和Rain Dn降雨余量為0，晴空余量為2.22dB，該鏈路設(shè)計合理。

功帶平衡：好的鏈路設(shè)計，應(yīng)盡可能做到頻帶分配因子與功率分配因子相等，如果相差較大，則應(yīng)該重新調(diào)整鏈路參數(shù)。

該鏈路的頻帶分配因子和功率分配因子相等，為3.33%，做到了功帶平衡。

鏈路可用度：是否達(dá)到了用戶的鏈路可用度要求。

總鏈路可用度=1-[（1-上行鏈路可用度）+（1-下行鏈路可用度）]

該鏈路設(shè)計的上行鏈路可用度為99.713%，下行鏈路可用度為99.849%。

總鏈路可用度=1-[（1-99.713%）+（1-99.849%）1=99.562%>99.5%。

因此，鏈路設(shè)計滿足用戶要求。

4.結(jié)語

衛(wèi)星鏈路設(shè)計是一個比較復(fù)雜的過程，雖然可以借助一些輔助軟件簡化工作量，但工程設(shè)計人員必須在深入理解衛(wèi)星通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和業(yè)務(wù)需求，選擇適合的衛(wèi)星通信體制，進(jìn)行合理的鏈路設(shè)計，提高系統(tǒng)的可用度和經(jīng)濟(jì)性。