低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析與設(shè)計(jì)*

周 慧，郝興斌，湯 輝，鄭金秀

（1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036；2.解放軍32381 部隊(duì)，北京 100070）

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，地面蜂窩通信系統(tǒng)已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)日益增長(zhǎng)的通信需求[1]。作為地面5G 通信系統(tǒng)的補(bǔ)充，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)可為全球用戶(hù)提供低延時(shí)、高帶寬、全球無(wú)縫覆蓋以及靈活便捷的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[2]，因此將成為實(shí)現(xiàn)全球通信的重要組成部分。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算是指衛(wèi)星通信系統(tǒng)中對(duì)發(fā)送段、通信鏈路、傳播環(huán)境和接收段中所有增益和衰減的核算，需要考慮自由空間衰減、大氣衰減、云霧衰減、降雨衰減、天線指向衰減以及極化衰減等[3]。文獻(xiàn)[4]針對(duì)衛(wèi)星通信鏈路的逐步計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。文獻(xiàn)[5]針對(duì)Ku 頻段的衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行了預(yù)算，考慮了雨衰對(duì)鏈路的影響。文獻(xiàn)[6]以火星-地球中繼通信為背景進(jìn)行了鏈路預(yù)算，頻率高達(dá)Ka 頻段，分析了降雨、云霧等對(duì)鏈路傳輸?shù)挠绊憽?/p>

我國(guó)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)饋電側(cè)工作于Q/V 頻段，用戶(hù)側(cè)工作于K/Ka 頻段，而針對(duì)Q/V頻段的星地鏈路預(yù)算，鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，仔細(xì)分析了大氣衰減、云霧衰減、降雨衰減以及自由空間衰減對(duì)高頻段信號(hào)鏈路傳輸?shù)挠绊?，給出了詳細(xì)的星地鏈路預(yù)算分析過(guò)程，分析結(jié)果對(duì)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 鏈路衰減分析

1.1 大氣衰減

無(wú)線電波通過(guò)地球大氣層傳播時(shí)，傳播路徑上存在著多種氣體成分，會(huì)降低信號(hào)電平。信號(hào)衰減的程度取決于頻率、溫度、濕度和氣壓[7]。目前，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信的工作頻率最高至V 頻段，所以本文只針對(duì)52 GHz以下頻率的大氣吸收衰減進(jìn)行分析。

在進(jìn)行大氣衰減計(jì)算時(shí)，需要明確幾個(gè)參數(shù)數(shù)值：（1）工作頻率f，單位GHz；（2）大氣壓強(qiáng)Bp，單位hPa；（3）當(dāng)?shù)貧鉁豻，單位℃；（4）相對(duì)濕度RH，單位%。

具體計(jì)算過(guò)程如下。

步驟1：計(jì)算干燥空氣的衰減率γ0(dB/km)。

1.2 云霧衰減

云和霧屬于水懸體，對(duì)于工作在20 GHz 以上的系統(tǒng)，水懸體造成的衰減很大。對(duì)于高余量系統(tǒng)，雨衰是最主要的衰減。然而，對(duì)于低余量系統(tǒng)和更高的頻率，云引起的衰減將起到主要作用。由于衛(wèi)星鏈路穿過(guò)霧的總路徑較短（幾百米量級(jí)），且對(duì)于大霧來(lái)講水汽密度約為0.5 g/m3，因此對(duì)于100 GHz 以下的系統(tǒng)，霧引起的衰減可以忽略不計(jì)[8]。云衰的程度取決于工作頻率和液態(tài)水總柱含量[9]。

在進(jìn)行云衰計(jì)算時(shí)，需要明確如下幾個(gè)參數(shù)的數(shù)值：

（1）工作頻率f，單位GHz；

（2）液態(tài)水總柱含量L，單位kg/m2。

具體計(jì)算過(guò)程如下。

步驟1：計(jì)算水的復(fù)介電常數(shù)。

1.3 降雨衰減

在10 GHz 以上時(shí)，雨衰將成為無(wú)線電波通過(guò)對(duì)流層傳播的主要衰減。雨衰的程度取決于頻率、地面站緯度、極化傾角、地面站海拔高度以及地面站平均年0.01%時(shí)間的降雨率[10]。

在進(jìn)行雨衰計(jì)算時(shí)，需要明確如下參數(shù)的數(shù)值：

（1）工作頻率f，單位GHz；

（2）地面站緯度φ，單位°；

（3）極化傾角τ，單位°，對(duì)于圓極化取τ=45°；

（4）地面站海拔高度hs，單位km；

（5）地面站平均年0.01%時(shí)間的降雨率R0.01。

具體計(jì)算過(guò)程如下。

步驟1：計(jì)算地面站的降雨高度hR（km）。

其中，kH、kv、αH和αV是與頻率相關(guān)的回歸系數(shù)，可以在文獻(xiàn)[11]中查詢(xún)到。

步驟4：計(jì)算水平縮減因子r0.01和垂直縮減因子v0.01。

式中，當(dāng)|φ|<36 時(shí)，χ=36-|φ|，否則χ=0。

步驟4：計(jì)算平均年0.01%時(shí)間超出的衰減A0.01（dB）。

步驟5：計(jì)算平均年p%時(shí)間超出的衰減Ap（dB）。

1.4 自由空間衰減

無(wú)線電波通過(guò)自由空間時(shí)，其信號(hào)衰減與工作頻率和距離相關(guān)，具體傳輸衰減如：

式中，f的單位為MHz；R的單位為km，是衛(wèi)星與地球之間的距離：

式中，Re為地球半徑，取值6 378.14 km，h為衛(wèi)星軌道高度，θ為地面站天線工作仰角，且有：

2 仿真分析

使用Matlab 對(duì)大氣衰減、云霧衰減以及降雨衰減的影響因素進(jìn)行仿真分析，仿真輸入條件如表1所示。

表1 我國(guó)典型站點(diǎn)信息

2.1 大氣衰減仿真分析

仿真結(jié)果如圖1～圖5 所示。

由仿真結(jié)果可以看出，天線仰角在5°時(shí)，由于電磁波穿過(guò)大氣層的路徑較長(zhǎng)，所以衰減很大。隨著天線仰角增加，電磁波穿過(guò)大氣層的路徑縮短，衰減逐漸減小。當(dāng)仰角到20°以上時(shí)，衰減的變化率急劇減小。

圖1 北京站不同仰角和頻率下的大氣衰減

圖3 三亞站不同仰角和頻率下的大氣衰減

圖4 喀什站不同仰角和頻率下的大氣衰減

圖5 昆明站不同仰角和頻率下的大氣衰減

由仿真結(jié)果還可以看出，大氣衰減在22.3 GHz附近有一個(gè)峰值，這是由于水蒸氣在22.3 GHz 左右具有明顯的諧振頻率，導(dǎo)致在此頻點(diǎn)附近總的大氣衰減出現(xiàn)明顯的峰值。除此頻點(diǎn)之外，總的大氣衰減隨頻率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。對(duì)比5 個(gè)站的仿真結(jié)果和站點(diǎn)信息，隨著濕度、氣壓和溫度的增加，大氣衰減在逐漸增大。

2.2 云霧衰減仿真分析

仿真結(jié)果如圖6～圖11所示。

圖6 北京站不同仰角和頻率下的云衰

圖7 西安站不同仰角和頻率下的云衰

圖8 三亞站不同仰角和頻率下的云衰

圖9 喀什站不同仰角和頻率下的云衰

圖10 昆明站不同仰角和頻率下的云衰

圖11 液態(tài)水總柱含量（P=0.5%）對(duì)不同頻段云衰的影響（θ=10°）

由仿真結(jié)果可以看出，云衰隨著頻率的增加逐漸增大，且當(dāng)天線仰角到20°以上，衰減的變化率迅速降低。同時(shí)，由圖11 可以看出，液態(tài)水總柱含量對(duì)衰減的影響很大，因此在確定云衰時(shí)，液態(tài)水總柱含量的精確測(cè)量十分重要。文獻(xiàn)[9]給出了在不同時(shí)間百分比下全球歸一化云中液態(tài)水總柱含量的分布。

2.3 降雨衰減仿真分析

仿真結(jié)果如圖12～圖17 所示。

圖12 北京站不同仰角和頻率下的雨衰（P=0.01%）

圖13 西安站不同仰角和頻率下的雨衰（P=0.01%）

圖14 三亞站不同仰角和頻率下的雨衰（P=0.01%）

圖15 喀什站不同仰角和頻率下的雨衰（P=0.01%）

圖16 昆明站不同仰角和頻率下的雨衰（P=0.01%）

圖17 北京站不同時(shí)間百分比下的雨衰（θ=10°）

由仿真結(jié)果可以看出，雨衰隨著頻率的增加逐漸增大，且當(dāng)天線仰角到20°以上，衰減的變化率迅速降低；對(duì)比5 個(gè)站點(diǎn)的仿真結(jié)果及站點(diǎn)信息，地面站平均年0.01%時(shí)間的降雨率對(duì)雨衰的影響最大。降雨率越大，衰減數(shù)值越大。在相同降雨率的條件下，地面站海拔高度越高，雨衰數(shù)值越小。

由圖17 可以看出，選取計(jì)算的時(shí)間百分比對(duì)雨衰的數(shù)值計(jì)算影響很大。時(shí)間百分比越小，衰減越大。通常地面站要求的系統(tǒng)可用度為99.75%或者99.5%，即一年內(nèi)業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間分別為21.9 h和43.8 h，對(duì)應(yīng)時(shí)間百分比分別為0.25%和0.5%。

2.4 自由空間衰減仿真分析

設(shè)定衛(wèi)星軌道高度為1 175 km，仿真結(jié)果如圖18 所示。

圖18 地面站不同工作仰角下的自由空間衰減（h=1 175 km）

由仿真結(jié)果看出，自由空間衰減隨著頻率的增加而增大，同時(shí)在當(dāng)前軌道高度下，地面站仰角從5°～90°時(shí)，自由空間衰減動(dòng)態(tài)約為9.5 dB。

3 鏈路預(yù)算過(guò)程

星地鏈路預(yù)算流程如圖19 所示，根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算鏈路余量，余量指標(biāo)以地面站品質(zhì)因數(shù)G/T值為標(biāo)尺進(jìn)行衡量，判斷鏈路余量是否滿(mǎn)足要求。若不滿(mǎn)足要求，則需要調(diào)整地面站的參數(shù)，包括地面站選址位置、天線口徑等。

步驟1：地面站參數(shù)輸入，包括地面站站址信息（降雨率、經(jīng)緯度、海拔、相對(duì)濕度、氣壓、氣溫以及液態(tài)水總柱含量）、工作頻率、天線口徑、天線效率、地球半徑、地面站工作仰角、解調(diào)器誤碼率要求、信息速率以及解調(diào)損耗。

步驟2：衛(wèi)星參數(shù)輸入，包括衛(wèi)星軌道高度和星上EIRP。

步驟3：計(jì)算鏈路衰減，包括大氣衰減、云霧衰減、降雨衰減、自由空間衰減、天線指向誤差帶來(lái)的信號(hào)衰減以及極化衰減。利用本文第2 章節(jié)進(jìn)行大氣衰減、云霧衰減、降雨衰減和自由空間衰減的計(jì)算，天線指向衰減和極化衰減需參考所使用的地面站天線的相關(guān)指標(biāo)。

圖19 星地鏈路預(yù)算流程

步驟4：計(jì)算解調(diào)所需的載噪比C/N0。

式中，Eb/N0為指定誤碼率下的理論值，Rb為編碼前的信息速率，M為解調(diào)損耗。

步驟5：計(jì)算系統(tǒng)所需的G/T值，可利用計(jì)算。

式中，EIRP為衛(wèi)星的有效全向輻射功率，L∑為鏈路衰減總和，K為玻爾茲曼常數(shù)，取值為-228.6 dB·W·Hz/K。

步驟6：計(jì)算地面站的品質(zhì)因數(shù)G/T值。

式中，GR為天線接收增益，Ts為系統(tǒng)噪聲溫度。

針對(duì)拋物面天線，它的接收增益為：

式中，D為天線主反射面直徑，η為天線總的輻射效率。

系統(tǒng)等效噪聲溫度（以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)）為：

式中，TA為天線饋源輸出口噪聲溫度，LF為天線饋源輸出口與接收機(jī)之間連線損耗，T1為連線的環(huán)境溫度，一般取值296 K（即23 ℃），Ter為接收機(jī)的等效噪聲溫度：

式中，Te1為第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度，Tei為其他各級(jí)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度，Gr為各級(jí)網(wǎng)絡(luò)的增益。

步驟7：比較步驟5 和步驟6 計(jì)算所得的G/T值的數(shù)值，確定鏈路余量是否滿(mǎn)足要求。若不滿(mǎn)足要求，則通過(guò)調(diào)整地面站參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算。

以北京站為實(shí)例進(jìn)行Q/V 頻段的鏈路預(yù)計(jì)，站址信息如表1 所示，頻率設(shè)定為50 GHz，衛(wèi)星軌道高度1 175 km，預(yù)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

由表2 可見(jiàn)，北京站在當(dāng)前預(yù)算條件下，鏈路最大衰減為257 dB，最小衰減為189.7 dB，動(dòng)態(tài)為67.3 dB。以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地面站解調(diào)器參數(shù)及衛(wèi)星EIRP 能力，進(jìn)行鏈路余量的計(jì)算。比較表2 的衰減數(shù)據(jù)，對(duì)于衛(wèi)星通信來(lái)講，可以采用自適應(yīng)編碼、功率控制、波束分集以及位置分集等技術(shù)提高系統(tǒng)的抗雨衰能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)工作于Q/V頻段的背景，分析了大氣衰減、云霧衰減、降雨衰減和自由空間衰減對(duì)鏈路傳輸?shù)挠绊?，給出了詳細(xì)的鏈路預(yù)算過(guò)程，并結(jié)合工程實(shí)際，預(yù)算了北京站在不同環(huán)境下的星地鏈路傳輸情況，分析結(jié)果和預(yù)算結(jié)果對(duì)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。