干擾條件下衛(wèi)星通信鏈路計算模型研究*

劉冠邑，張海勇，任 重

（海軍大連艦艇學院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連116018）

0 引 言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠、傳輸容量大、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點。但是，由于電磁波曝露在自由空間，使得衛(wèi)星通信易被干擾，尤其是當星上應用不具備抗干擾能力的透明轉發(fā)器時，干擾對通信的影響更加嚴重[1]。在無干擾時，衛(wèi)星通信執(zhí)行嚴格的功率控制，確保透明轉發(fā)器工作在線性區(qū)域。但是，實際中衛(wèi)星通信可能受到來自上行鏈路或下行鏈路的干擾。當存在上行干擾時，隨著干擾功率的逐漸加大，轉發(fā)器會從線性狀態(tài)進入到非線性狀態(tài)，甚至是飽和狀態(tài)，從而對通信產(chǎn)生影響。

現(xiàn)有針對衛(wèi)星通信干擾性能的研究各有側重。文獻[2]側重研究了轉發(fā)器工作于非線性區(qū)時不同干擾樣式的干擾性能，但未研究干擾對通信性能的影響；文獻[3]側重研究了轉發(fā)器工作于線性區(qū)和飽和區(qū)的干擾性能，但在飽和區(qū)僅將轉發(fā)器增益視為某一經(jīng)驗值，未考慮干擾功率對轉發(fā)器增益的影響?？紤]到實際應用中上行干擾與下行干擾均會存在，且隨著上行干擾功率逐漸增大，轉發(fā)器會遍歷各種狀態(tài)，以上研究不能直接適用于實際干擾條件下的鏈路性能研究。針對上述問題，本文將研究轉發(fā)器工作在各個工作狀態(tài)時的功率條件，得出不同上行干擾功率范圍下的轉發(fā)器增益，并研究下行干擾對通信性能的影響，在此基礎上得出干擾條件下的鏈路計算模型，為衛(wèi)星通信中通信抗干擾問題的研究提供理論依據(jù)。

1 干擾條件下的透明轉發(fā)器性能研究

衛(wèi)星透明轉發(fā)器只起到功率放大和頻率變換的作用，其功率放大主要利用行波管放大器（TWTA）。TWTA具有如下特性：當輸入功率小于線性工作點功率時，功放工作在線性區(qū)域，功率增益恒定；當輸入功率介于線性工作點功率與飽和工作點功率之間時，隨著輸入功率的逐漸增大，功率增益減小，且增益衰減速率逐漸增大；當輸入功率大于飽和工作點功率時，輸出功率恒定，此時隨著輸入功率繼續(xù)增大，功率增益會以恒定的衰減速率迅速減小。TWTA的功率特性如圖1所示。

圖1 TWTA功率特性

在頻分多址（FDMA）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，載波所占用的功率資源與頻率資源相匹配。當載波輸入功率小于線性工作點功率時，載波不會對其他鏈路造成影響[4]。當上行干擾功率較小時，總輸入功率小于線性工作點功率，衛(wèi)星轉發(fā)器增益恒定。線性工作點的輸入功率Pinline為：

其中SFD為轉發(fā)器飽和通量密度，BOi為轉發(fā)器輸入回退。又因為天線有效面積Ae與衛(wèi)星接收天線增益Gs存在數(shù)學關系：

其中λ為載波波長。所以，式（1）化簡后有如式（3）所示的分貝形式：

線性工作點的輸出功率Poutline計算公式為：

其中EIRPss為衛(wèi)星飽和全向輻射功率，BOo為輸出回退，分貝形式計算公式為：

可以求得透明轉發(fā)器工作在線性狀態(tài)時的功率增益G：

將式（3）、式（5）帶入式（6），可求出透明轉發(fā)器的線性增益。

當干擾功率繼續(xù)增大，輸入功率大于線性工作點時，則轉發(fā)器工作于非線性狀態(tài)。此時，輸入功率大于預分配的最大功率，受干擾的載波會侵占其他載波的功率資源，且功放特性呈現(xiàn)非線性，功率增益逐漸減小，可以利用Saleh模型求得轉發(fā)器增益。Saleh模型是描述行波管放大器（TWTA）非線性特性的常用形式，幅度—幅度特性表示為[5]：

因為功率與幅度的平方存在線性關系，則可得轉發(fā)器工作在非線性區(qū)域的轉發(fā)器增益：

其中，輸入功率Pin=Cin+Jin，為轉發(fā)器輸入載波功率Cin與轉發(fā)器輸入干擾功率Jin之和；Pout為輸出功率。將線性工作點和飽和工作點帶入式（8），可求出參數(shù)α、β，從而得到轉發(fā)器工作在非線性狀態(tài)時的功放特性。線性工作點可由式（3）、式（5）求得，飽和工作點輸出功率Poutsat為EIRPss，輸入功率由式（9）可求：

當輸入功率大于飽和點輸入功率時，轉發(fā)器工作于飽和狀態(tài)，輸出功率恒為EIRPss，功率增益G小于1，且隨著輸入功率增大增益逐漸減小。此時，所有載波均會受到干擾引起的信號壓縮效應和互調噪聲的影響。飽和狀態(tài)的功率特性為：

其中Pi為飽和時非線性引起的互調噪聲功率，其計算公式為[6]：

當?shù)确⒌乳g隔載波通過行波管放大器時，一般取γ=5.38。可知，此時的互調噪聲功率僅與上行載波功率、轉發(fā)器增益以及輸出回退值有關。將式（11）帶入到式（10），可以得到此時的轉發(fā)器增益G為：

由式（12）可以看出，隨著衛(wèi)星接收的干擾功率Jin逐漸增大，轉發(fā)器增益逐漸減小，即上行功率的壓縮程度隨著干擾功率增大而增大。

綜上所述，在已知轉發(fā)器輸入載波功率Cin的情況下，衛(wèi)星轉發(fā)器增益G與轉發(fā)器輸入干擾功率Jin的關系為：

式（13）中相關參數(shù)已在上文給出，α、β則可由函數(shù)擬合得到。

2 干擾條件下的鏈路計算模型研究

在衛(wèi)星通信中可能存在上行干擾，也可能存在下行干擾，甚至二者同時存在。為了分析干擾條件下的鏈路性能，必須建立綜合分析上、下行干擾的計算模型。通常，可利用載波噪聲干擾比C/X來表征干擾條件下的鏈路性能：

其中，Cu與Cd分別為上行載波功率與下行載波功率；Ju與Jd分別為上行干擾功率與下行干擾功率；Ju′為接收端接收到的轉發(fā)后上行干擾功率；Nu與Nd分別為上行鏈路噪聲功率與下行鏈路噪聲功率。干擾條件下的C/X計算流程，如圖2所示。

圖2 鏈路計算流程

該模型能夠計算存在上行或下行干擾甚至二者同時存在情況下的鏈路載波噪聲干擾比C/X。下面為分析不同類型干擾對鏈路性能的影響，只考慮存在上行或下行中一種類型干擾的情況。

2.1 上行干擾條件下的鏈路計算模型

透明轉發(fā)器抗干擾能力差，當衛(wèi)星應用透明轉發(fā)器時，上行干擾不僅會對載波信號產(chǎn)生影響，還會通過影響轉發(fā)器性能來間接影響通信質量。當只存在上行干擾時，式（14）中的Jd=0，此時鏈路計算公式可化簡為：

式（15）中的上行鏈路載波功率Cu可由式（16）求得：

其中Gs為衛(wèi)星接收天線增益；Cin為轉發(fā)器輸入載波功率；Lcu為載波上行鏈路損耗；EIRPt為發(fā)信站全向輻射功率，可通過發(fā)信機功率Pt，與發(fā)射天線增益Gt求得；天線增益Gt可由天線效率η、天線口徑，工作頻率f以及發(fā)射天線饋線損耗LFTX計算得到：

同理，可通過上行干擾機功率Pju、干擾機增益Gju與干擾信號上行鏈路損耗Lju，求得轉發(fā)器輸入干擾功率Jin，進而求得上行干擾功率Ju：

需要注意，相較于人為干擾，自然因素造成的鏈路損耗對通信影響很小，所以在干擾性能分析中忽略自然因素的影響。此時，載波信號與干擾信號的鏈路損耗即為自由空間損耗。

自由空間損耗計算公式為：

其中R為傳輸距離，f為載波頻率，光速c=3×108m/s。

下行鏈路載波功率計算公式為：

同理，可知接收機接收的干擾功率Ju′為：

其中Lcd為載波下行鏈路損耗；Lju′為轉發(fā)后干擾信號的下行鏈路損耗；Gr為收信站接收天線增益，可利用式（17）求得；衛(wèi)星轉發(fā)器增益G需要分情況進行分析。當轉發(fā)器輸入干擾功率Jin不同時，轉發(fā)器增益G發(fā)生變化，可利用式（13）進行計算。

在計算噪聲功率時，噪聲帶寬即為載波帶寬Bn，則有上行噪聲功率為：

下行噪聲功率為：

其中k為玻爾茲曼常數(shù)，Ts、Tr分別為衛(wèi)星接收天線與收信站天線的噪聲溫度。

由式（16）～式（21）計算得到的參數(shù)，可以得到：

其中(G/T)s與(G/T)r分別為衛(wèi)星接收天線與收信站天線品質因數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)[k]=-228.6 dBW·Hz，載波帶寬Bn可由式（28）求得：

其中載波帶寬與滾降系數(shù)α、碼速Rb、編碼效率Cr以及調制方式等因素相關。

將式（24）～（27）帶入式（15），可求得當存在上行干擾情況下的總載波噪聲干擾比。

2.2 下行干擾條件下的鏈路計算模型

衛(wèi)星通信發(fā)信站通常執(zhí)行嚴格的功率控制，以確保星上轉發(fā)器正常工作。當衛(wèi)星通信下行鏈路受到干擾時，轉發(fā)器不會受到影響，仍然工作在線性區(qū)域。當僅有下行干擾時，式（14）中的==0，此時計算公式可化簡為：

其中的參數(shù)Jd、(Cu/Nu)、(Cd/Nd)算法與上文相同。需要注意，此時轉發(fā)器工作狀態(tài)與干擾功率無關，僅取決于上行載波功率，轉發(fā)器增益可由式（13）求得。

下行干擾的鏈路計算關鍵在于下行鏈路干擾功率Jd的計算。下行干擾一般采用機載干擾機對收信站進行干擾。由于接收天線對準衛(wèi)星，載波信號始終從主瓣進入，天線對載波信號增益恒為Gr。主瓣寬度可由信號波長λ與天線口徑D求得：

但干擾機與天線的相對位置不斷變化，當干擾信號與接收天線主瓣存在夾角時，天線對干擾信號的增益減小。根據(jù)《GB13615-92地球站電磁環(huán)境保護要求》規(guī)定，干擾信號入射角α與干擾信號增益Gjr的關系為：

在此基礎上，可以得出下行鏈路載波干擾功率比計算公式為：

將式（25）、式（27）、式（32）帶入式（29），可求得下行干擾條件下的總載波噪聲干擾比。

3 干擾性能分析

3.1 上行鏈路干擾性能分析

在對衛(wèi)星通信上行鏈路干擾時，一般采用大功率地基干擾機。上行干擾優(yōu)勢在于干擾機功率增益大，直接影響轉發(fā)器性能且影響范圍廣。但是，由于干擾機與衛(wèi)星距離遠，會使干擾信號受到較大損耗。本文以噪聲干擾為例，研究上行干擾功率與干擾性能的關系。

在發(fā)信站A與收信站B的通信中，相關通信參數(shù)參照文獻[7]中的通信實例，分別如表1～表3所示。

當系統(tǒng)采用QPSK調制方式，1/2卷積碼編碼方式，濾波器滾降系數(shù)為0.3時，發(fā)信機發(fā)送速率為2 Mb/s，功率為1 dBW的載波信號。此時，計算可得鏈路性能相關參數(shù)如表4所示。

表1 發(fā)信站A相關參數(shù)

表2 收信站B相關參數(shù)

表3 中衛(wèi)10號衛(wèi)星轉發(fā)器相關參數(shù)

表4 鏈路性能相關計算結果

當?shù)鼗蓴_機位于（110.5°E，20°N），天線增益為50 dB，干擾信號頻率與上行載波頻率一致時，可以得到干擾上行鏈路損耗Lju=208.0 dB，干擾下行鏈路損耗Lju′=Lcd=207.0 dB。通過計算可得，轉發(fā)器處于線性工作點時的干擾功率為17.1 dBW，轉發(fā)器處于飽和點時的干擾功率為23.5 dBW。上行干擾功率與轉發(fā)器增益存在的關系如圖3所示。

圖3顯示，當干擾功率小于17.1 dBW時，轉發(fā)器增益恒定。當干擾功率在17.1 dBW與23.5 dBW之間時，轉發(fā)器增益逐漸減小。當干擾功率大于23.5 dBW時，轉發(fā)器增益迅速減小。將轉發(fā)器增益G帶入式（27），可以得到上行干擾條件下的載波噪聲干擾比C/X與干擾功率Pj的關系如圖4所示。

在干擾功率較小時，上行干擾對衛(wèi)星通信性能影響較小。當干擾功率超過-10 dBW后，隨著干擾功率煩人繼續(xù)加大，載波噪聲干擾比迅速減小，鏈路性能惡化嚴重。當干擾功率在0 dBW左右時，C/X已經(jīng)降低到門限值以下。此時，盡管轉發(fā)器仍工作在線性區(qū)域，干擾并未對轉發(fā)器性能造成影響，但該衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)無法保證正常通信。

圖3 上行干擾功率與轉發(fā)器增益曲線

圖4 上行干擾功率與鏈路性能曲線

3.2 下行鏈路干擾性能分析

對衛(wèi)星下行鏈路的干擾一般采用機載干擾方式，這種干擾方式的覆蓋范圍小，適合對確定目標進行干擾。因為距離干擾目標近、傳輸損耗小，所以機載干擾功率無需過大就能夠滿足實際需求。下行干擾性能主要取決于干擾機功率、干擾信號波束與主瓣夾角以及干擾信號傳輸距離。其中，干擾功率取決于干擾機工作情況，干擾信號波束與主瓣夾角、干擾信號信號傳輸距離可根據(jù)干擾機與收信站相對位置確定。

仍以發(fā)信站A與收信站B之間的通信為例，分析下行鏈路干擾對通信性能的影響。當機載干擾機與收信站B距離8 km，喇叭天線增益為8 dB，干擾信號頻率與下行載波信號相同時，可得此時干擾信號傳輸損耗為132.5 dB。由式（31）可以確定，存在不同干擾信號入射角時，接收天線對干擾信號的增益Gjr如表5所示。

表5 干擾信號入射角與增益關系

將相關參數(shù)帶入式（32），計算得出此時下行載波干擾比Cd/Jd。此時，上行鏈路不受干擾的影響，轉發(fā)器正常工作在線性區(qū)域，此時轉發(fā)器增益G由式（13）求得為186.4 dB，可由式（25）、式（27）計算的出上行鏈路載噪比Cu/Nu與下行鏈路載噪比Cd/Jd。將相關參數(shù)帶入式（29）可得載波噪聲干擾比C/X與下行干擾功率Pjd的關系如圖5所示。

圖5結果表明，下行干擾信號入射角α對下行干擾性能影響顯著。隨著入射角的不斷增大，干擾性能下降，即要達到相同的干擾效果，入射角大的干擾信號需要更大的功率。這是由于入射角增大，干擾信號從旁瓣進入接收天線，此時天線對干擾信號增益減小。同時，通過對比圖4、圖5可知，在對衛(wèi)星通信鏈路進行干擾時，要達到相同的干擾效果，下行干擾所需干擾功率更小。這一結論與實際“下行干擾距離目標近，所需功率較小”的事實相符。

圖5 下行干擾功率與鏈路性能曲線

4 結 語

本文提出了一種干擾條件下衛(wèi)星通信鏈路計算模型，綜合考慮了上行干擾情況與下行干擾情況，其中當通信鏈路受到上行干擾時，模型給出了不同轉發(fā)器工作狀態(tài)對應的功率范圍與轉發(fā)器增益，進而求得載波噪聲干擾比來表示鏈路性能；當存在下行干擾時，模型研究了干擾信號入射角與干擾性能的關系?；谝陨湘溌酚嬎隳Ｐ偷难芯?，本文最后利用發(fā)信站A與收信站B間的通信實例，分析了上行干擾與下行干擾的性能，得出結果符合實際情況，驗證了鏈路計算模型的可行性，說明本文提出的鏈路計算模型能夠應用于干擾條件下的鏈路性能分析中。本文提出的鏈路計算模型，能夠計算不同干擾條件下的鏈路性能參數(shù)，可用于評估鏈路性能，也可以預測抗干擾效果，為通信抗干擾技術的應用提供參考指標。