衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)工程應(yīng)用研究*

甘忠良，白如順

（1.解放軍92785 部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125208；2.解放軍91404 部隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

0 引言

衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界通信基礎(chǔ)設(shè)施必不可少的一部分，在視頻、數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)接入、電話與導(dǎo)航服務(wù)等方面，服務(wù)著數(shù)以十億計(jì)人口[1]。雖然光纖的出現(xiàn)曾一度讓衛(wèi)星通信發(fā)展蒙受陰影，但這些年來，人們發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星通信仍然不可替代，特別是在光纖無法接入或接入成本太高的的空中、海洋、沙漠等地方。

作為衛(wèi)星通信地球站建設(shè)的關(guān)鍵，衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)直接影響著通信衛(wèi)星的吞吐量，衛(wèi)星通信地球站的可靠性和建設(shè)使用成本。本文從衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站工程建設(shè)的角度，從使用需求出發(fā)，分析衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，提出衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)方法與步驟，結(jié)合工程實(shí)際案例進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)，實(shí)際使用驗(yàn)證了此建設(shè)方案可行。

1 衛(wèi)星通信鏈路性能分析

1.1 典型衛(wèi)星通信鏈路

衛(wèi)星通信鏈路是指在發(fā)射站和接收站之間經(jīng)通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星信號(hào)鏈路。其中從發(fā)射站到衛(wèi)星方向傳輸?shù)逆溌贩Q為上行鏈路，從衛(wèi)星到接收站方向傳輸?shù)逆溌贩Q為下行鏈路。

衛(wèi)星通信鏈路由發(fā)端地球站、上行鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行鏈路和收端地球站組成，典型的單向衛(wèi)星通信鏈路如圖1 所示。

轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星的關(guān)鍵，常用的轉(zhuǎn)發(fā)器有處理轉(zhuǎn)發(fā)器(對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重新解調(diào)調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā))和透明轉(zhuǎn)發(fā)器（有的文獻(xiàn)稱彎管轉(zhuǎn)發(fā)器[2]），透明轉(zhuǎn)發(fā)器只對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻率變換和信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用廣泛。這里討論的都是基于透明轉(zhuǎn)發(fā)器的通信鏈路。由于沒有進(jìn)行星上信號(hào)處理，上行鏈路信號(hào)經(jīng)過傳播衰減，并引入一定噪聲，這些衰減和噪聲也會(huì)影響下行鏈路，因此整個(gè)通信鏈路的性能取決于上行鏈路和下行鏈路質(zhì)量。

圖1 典型單向衛(wèi)星通信鏈路

從通信系統(tǒng)的可靠性角度考慮，通常用通信接收機(jī)接收信號(hào)的信噪比來衡量。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，一般用誤碼率來評(píng)估，但起決定性因素的還是接收信號(hào)信噪比?，F(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，大多采用數(shù)字相位調(diào)制方式，如常用的QPSK、8PSK 等，信號(hào)的幅度由載波決定，其功率可以用載波的功率來表示。因此，衛(wèi)星通信鏈路的質(zhì)量一般用載波功率與噪聲功率的比值（載噪比）來衡量?？梢酝ㄟ^計(jì)算上下行鏈路載噪比來分析衛(wèi)星通信質(zhì)量，確定影響鏈路性能的關(guān)鍵因素。

1.2 影響通信鏈路質(zhì)量的因素

（1）傳播損失

電磁波在上下行鏈路的傳播損失，主要包含在自由空間由于能量擴(kuò)散而產(chǎn)生的損失，以及大氣中氧分子、水蒸氣吸收而產(chǎn)生大氣衰減。

（2）噪聲

上下行鏈路各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的噪聲來源不一樣，通信衛(wèi)星接收端的主要噪聲包含大氣噪聲、接收天線噪聲以及衛(wèi)星接收機(jī)系統(tǒng)噪聲；地球站接收端噪聲包含地球站天線噪聲、上行鏈路噪聲、接收機(jī)內(nèi)部噪聲以及其它通信系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。

對(duì)于TDMA 系統(tǒng)，地球站接收端總噪聲為上行線路熱噪聲和下行線路熱噪聲之和。而對(duì)于FDMA系統(tǒng)，由于需要同時(shí)放大多個(gè)載波，轉(zhuǎn)發(fā)器行波管非線性，會(huì)產(chǎn)生互調(diào)噪聲，此時(shí)接收系統(tǒng)總噪聲為上行鏈路噪聲、下行鏈路噪聲和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲。雖然這三部分噪聲到達(dá)接收站接收機(jī)輸入端時(shí)，已混合在一起，但因各部分噪聲之間彼此獨(dú)立，所以計(jì)算噪聲功率時(shí)，可以將三部分相加。

（3）干擾

工程鏈路計(jì)算中，還需要考慮各種干擾對(duì)載波的影響，主要有：a）來自相鄰衛(wèi)星系統(tǒng)的上行干擾和下行干擾。b）來自同一衛(wèi)星交叉極化轉(zhuǎn)發(fā)器的上行干擾和下行干擾。

這些干擾都會(huì)在載波接收端形成噪聲，影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路性能。

其它可能產(chǎn)生的干擾還有：地球站互調(diào)干擾、衛(wèi)星上相鄰轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾、相鄰載波之間的干擾、來自地面環(huán)境的干擾等，這些干擾通?？梢酝ㄟ^系統(tǒng)設(shè)計(jì)、站址選擇來減輕或消除，在鏈路計(jì)算中可不予考慮。

（4）雨衰

在雨天，降雨會(huì)導(dǎo)致電磁波在空中傳播時(shí)產(chǎn)生衰減，衰減量與雨量大小和信號(hào)頻率等因素有關(guān)。這種影響主要體現(xiàn)在：一是引起信號(hào)衰減，二是導(dǎo)致接收系統(tǒng)噪聲溫度升高。Ku 頻段衛(wèi)星通信受雨衰影響較大，而且與地理位置有很大的關(guān)系，具體計(jì)算可參考ITU-R 564-4 中建議的方法。

（5）輸入輸出補(bǔ)償

為避免或降低FDMA 系統(tǒng)的互調(diào)干擾，可以進(jìn)行輸入補(bǔ)償，盡量使行波管工作在線性狀態(tài)[3]。通常，輸入補(bǔ)償越大，互調(diào)噪聲越小甚至消失，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率也會(huì)減小，但會(huì)導(dǎo)致上下行鏈路載噪比降低，轉(zhuǎn)發(fā)器能力得不到充分發(fā)揮。因此，為使衛(wèi)星鏈路工作在最佳傳輸狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償值至關(guān)重要，這個(gè)值一般需要經(jīng)過多次試驗(yàn)才能得到。

（6）其它損耗

在進(jìn)行下行鏈路計(jì)算時(shí)，通常引用的是衛(wèi)星的等效全向輻射功率EIRP 或飽和功率通量密度Ws，這些都是衛(wèi)星下行波束軸向上的量值，實(shí)際地球站在對(duì)星時(shí)，由于星體漂移、天線跟蹤誤差等，導(dǎo)致實(shí)際對(duì)星角度偏離理論對(duì)星角度，引起天線跟蹤誤差損耗。

對(duì)于同一轉(zhuǎn)發(fā)器，由于轉(zhuǎn)發(fā)器波束指向的原因，處于不同地理位置的地球站收到的信號(hào)大小不一樣，這樣會(huì)導(dǎo)致不同位置的EIRP 值不同。工程上，通常以衛(wèi)星信號(hào)等高線邊緣區(qū)域（最壞情況）或軸向（最好情況）為參考點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其它位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)地理增益。另，線極化電磁波在通過電離層時(shí)由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，產(chǎn)生極化偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致極化損耗。

2 衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)步驟

衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的過程，需要折中許多因素，以求達(dá)到最好的性能和用戶可以接受的成本[1]，這里給出一般通信鏈路設(shè)計(jì)步驟：

（1）確定衛(wèi)星系統(tǒng)的工作頻帶，進(jìn)行比較性設(shè)計(jì)以便做出設(shè)計(jì)選擇。

（2）查明衛(wèi)星的通信參數(shù)，估計(jì)某些未知的參數(shù)。

（3）查詢確定地球站發(fā)射和接收參數(shù)。

（4）計(jì)算基帶信噪比BER 或Eb/N0，確定鏈路余量。

（5）建立上行鏈路功率預(yù)算和轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率預(yù)算，計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)器的載噪比。

（6）基于轉(zhuǎn)發(fā)器增益或輸出補(bǔ)償，計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率。

（7）為接收地球站建立下行鏈路功率和噪聲預(yù)算，以處于衛(wèi)星波束覆蓋邊緣的站（最壞的情況）為例，計(jì)算下行鏈路載噪比和鏈路總載噪比。

（8）評(píng)估計(jì)算結(jié)果，并與具體需求參數(shù)比較。如不符合要求，更改系統(tǒng)參數(shù)以獲得可接受的聯(lián)合載噪比或信噪比，這步可能會(huì)重復(fù)多次，直到獲得可以接受的鏈路參數(shù)為止。

（9）查詢衛(wèi)星通信鏈路工作的傳播條件，確定上行鏈路和下行鏈路雨衰，分析計(jì)算鏈路可靠性。

（10）如果鏈路余量不夠，可通過改變某些參數(shù)重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。核查這些參數(shù)是否合理，這樣的設(shè)計(jì)是否可以實(shí)現(xiàn)，并且達(dá)到期望的鏈路預(yù)算。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

鏈路設(shè)計(jì)的根本目的是根據(jù)設(shè)定的衛(wèi)星和通信系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)、傳輸體制及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于衛(wèi)星資源使用總體要求功率平衡的原則，對(duì)載波及系統(tǒng)所需的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬、功率、地球站天線尺寸和功率等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇[4]。

鏈路設(shè)計(jì)通常有兩種情況，一是根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)和用戶業(yè)務(wù)帶寬和質(zhì)量需求，確定地球站設(shè)備參數(shù)；二是已知通信衛(wèi)星和地球站的電參數(shù)，計(jì)算通信鏈路的傳輸能力。這里以第一種情況為例進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)，某單位計(jì)劃建設(shè)Ku 頻段衛(wèi)星通信地球站，業(yè)務(wù)需求為傳輸速率2048 kb/s，誤碼率優(yōu)于10-6，采用MCPC/FDMA 工作體制,需要進(jìn)行地球站選擇及鏈路計(jì)算，以選擇合適的建設(shè)方案。已知某通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)

3.1 調(diào)制編碼方式選擇

在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，通常選擇典型的成熟產(chǎn)品進(jìn)行分析，不單獨(dú)進(jìn)行調(diào)制編碼設(shè)計(jì)。這里以常用的Comtech 公司生產(chǎn)的CDM-600L 調(diào)制解調(diào)器為例，計(jì)算鏈路需要的門限載噪比，基本選擇如下：

信息速率：2048 kb/s

誤碼率：優(yōu)于10-6

調(diào)制方式：QPSK

編碼方式：LDPC 3/4

理論上，在無FEC 條件下，要達(dá)到上述條件，接收機(jī)端比特信噪比Eb/N0為10.5 dB[5],當(dāng)采用LDPC 3/4 編碼時(shí),門限信噪比Eb/N0為2.7dB[6]。在忽略報(bào)頭的情況下，鏈路傳輸速率為2730.7 kb/s，符號(hào)速率為1 366 ks/s。工程上噪聲帶寬Bn一般取1.2～1.4 倍符號(hào)速率，這里取1.2Rs,故Bn為1 638.4 kHz,而占用帶寬通常取不小于22.5 kHz 的奇數(shù)倍帶寬，這里取1 935 kHz。由于：

其中，Rc為復(fù)合速率，Bn為噪聲帶寬，故：

3.2 鏈路設(shè)計(jì)與計(jì)算

（1）上行鏈路

表2 上行鏈路載波功率與噪聲功率鏈路預(yù)算

表中標(biāo)“*”的項(xiàng)需進(jìn)行計(jì)算，其它的為已知余下相同。不難得到發(fā)射站天線增益[3]，以dB 表示：

自由空間傳播損失：

上行鏈路其它總的損耗：

需要注意的是，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)中的飽和通量密度為單載波輸入時(shí)的值，對(duì)于同一轉(zhuǎn)發(fā)器，當(dāng)有多個(gè)載波輸入時(shí)，為使轉(zhuǎn)發(fā)器的功放處于線性工作狀態(tài)，每個(gè)載波的輸入功率通量密度還應(yīng)減去一個(gè)回退量?[7]，

代入相關(guān)參數(shù)，得到回退量為12.7 dB,當(dāng)工作于多載波時(shí)，每載波總的輸入回退量IPBO應(yīng)該為回退量?與轉(zhuǎn)發(fā)器要求回退量之和，故總的輸入回退量為18.7 dB。

因此，上行鏈路載噪比為：

故：

（2）下行鏈路

表3 下行鏈路載波功率與噪聲功率鏈路預(yù)算

下行鏈路自由空間傳播損失：

代入相關(guān)參數(shù)，得207.0dB,下行鏈路其它總損耗：

與輸入功率回退相同，總的輸出回退量為：

代入相關(guān)參數(shù)，可得總的輸出回退量為15.7dB。

因此，可得下行鏈路載噪比為：

代入表3 相關(guān)參數(shù)，下行鏈路載噪比為20.5dB。

（3）鏈路總載噪比

考慮轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)干擾、鄰星干擾等，根據(jù)衛(wèi)星公司提供的數(shù)據(jù)，干擾產(chǎn)生的總載噪比(C/N)IM約為21 dB,因此衛(wèi)星鏈路總的載噪比：

當(dāng)發(fā)射地球站功放為6 W 時(shí)，上行鏈路載噪比為8.8 dB,鏈路總載噪比為8.3 dB，此時(shí)的鏈路余量約為4.6 dB。

3.3 鏈路性能評(píng)估

上面考慮的是在晴天時(shí)的鏈路性能，實(shí)際建設(shè)時(shí)需考慮降雨等因素的影響。在雨天時(shí)（假定收發(fā)站處于同一地區(qū)），由于衛(wèi)星接收天線波束通常都很寬，覆蓋地球面積很大，而衛(wèi)星天線噪聲溫度計(jì)算的是整個(gè)波束覆蓋范圍內(nèi)的平均噪聲溫度，因此某一地區(qū)降雨對(duì)整個(gè)上行鏈路噪聲溫度的影響可以忽略[1]，只需考慮其對(duì)上行鏈路信號(hào)造成的衰減。但是對(duì)下行鏈路的噪聲溫度影響不可忽略。

當(dāng)工作于Ku 頻段，可用度為99.9%時(shí)，葫蘆島地區(qū)雨衰值上行為5.4 dB，下行為4.3 dB。此時(shí)，下行鏈路總的大氣衰減為4.7 dB，雨衰引起噪聲溫度升高[1]：

系統(tǒng)噪聲增加：

代入表3 中參數(shù)，噪聲增量為4.1 dB。因此，由降雨導(dǎo)致下行鏈路總的載噪比下降8.4 dB，下行鏈路載噪比為12.1 dB。

表4 雨天鏈路性能

從表4 中可以看出，當(dāng)采用6 W 功放時(shí)，晴天能夠滿足用戶需求，但是雨天鏈路不能滿足要求。采用8 W 功放時(shí)，剛好能夠滿足，但是鏈路余量較小。不難理解，系統(tǒng)可用度越高，鏈路余量要求越大，對(duì)于VSAT 系統(tǒng)，功放體積和重量受限，功放功率一般較小，且大雨情況下VSAT 一般不適合使用，綜合分析比較，8 W 功放可靠性能夠滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過理論分析影響鏈路性能的因素，給出鏈路設(shè)計(jì)步驟和方法，并結(jié)合工程建設(shè)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，分析鏈路性能，驗(yàn)證了方法可行。鏈路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，涉及多方面的問題，不是一項(xiàng)一蹴而就的工作。需綜合業(yè)務(wù)需求、建設(shè)成本、環(huán)境條件等，多次反復(fù)比較、修改，折中選擇合適的鏈路性能和可接受的建設(shè)成本。