卫星通信链路性能分析

卫星通信链路性能分析李云;周旋浏期烈浏剑锋;封彬;魏武【摘要】Fortheanalysisofexistingproblemofexcessiveerrorrateinsatellitecommunicationslinktransmissionper-formanceparameters,thispaperproposesasatellitelinkpropagationcharacteristicsmodel,andaccordingtothebasisoftraditionalextrapolation,proposesanewlinkbudgetBPA(BackwardPassAlgorithm).Throughreversederivationcomputingsystemcarrier-to-noiseratio,fademargintoseekeffectiveisotropicradiatedpowervalueofthetransmittingend,andtheEffectiveIsotropicRadiatedPower(EIRP)valueisdynamicallyadjusted.Simulationresultsshowthat,inactualsituation,themethodundertheradiationpowerofthetransmittingterminaltooptimizetheimpactofthedifferentcondi-tionsoftheregion,theantennaelevationangle,meetsthesystembiterrorrateatthesametime,andimprovesthesystempowerefficiency.%针对卫星通信链路传输中对性能参数的分析存在系统误码率过大的问题，提出了一种卫星链路传播特性模型，并在传统正推法的基础上，运用一种新的链路预算方法一倒推法(BackwardPassAlgorithm)。该方法通过反向推导、计算出系统载噪比、衰减余量来求得发射端的有效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower)值，根据不同情况对EIRP进行动态调整，可以更好地提高地面站的信号传输质量。仿真结果表明，实际情况中，该方法可对地区、天线仰角等不同条件影响下发射端的辐射功率进行优化，在满足系统误码率的同时，提高了系统功率利用率。【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷)，期】2015(000)012【总页数】5页(P78-82)【关键词】卫星通信;倒推法;有效全向辐射功率(EIRP);误码率【作者】李云;周旋浏期烈浏剑锋;封彬;魏武【作者单位】重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065;重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065;重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065;国家移动卫星通信工程技术研究中心，南京210002;国家移动卫星通信工程技术研究中心，南京210002;国家移动卫星通信工程技术研究中心，南京210002【正文语种】中文【中图分类】TN927+.231引言卫星通信自20世纪40年代提出，经过半个多世纪的发展，已逐渐成为区域与跨洋通信、国家基础干线通信、国际军事通信、行业及企业专网通信乃至个人通信的重要手段［1］。由于可用带宽窄，加上车载、便携式和手持终端的天线波束宽，L波段(1GHz/2GHz)卫星通信的频率资源和轨道资源极为紧缺，因此，相应的业务范围局限于向常规的卫星通信、移动通信以及有线通信服务区外的用户提供话音和低速数据通信，例如军事通信、个人业务通信等比较特殊的通信服务。因此，L波段卫星通信对信号传输效率、质量要求较高。如何更好地提高卫星通信的效率、减小卫星信号长距离传输损耗、保证通信质量成了卫星通信发展的首要目标；影响卫星通信链路预算的主要指标包括有效全向辐射功率（EIRP）、系统载噪比（C/N0）［1］。目前，国内外设计一个完整的卫星通信网络，必须要进行一系列工作，首先分析用户需求，确定系统技术指标、网络拓扑结构，进而确定总体方案。在系统方案确定之后，就要进行整个系统链路预算，这要涉及到大量的数学计算和收集各个设备商的产品技术指标和价格。通过一系列的分析、计算和比较，才能最终确定一套切实可行的方案，所以一套好的卫星通信系统链路预算方案，是优化系统、节约成本、综合考虑产品性能的关键问题。到目前为止，常用到的链路预算方法主要是正推法。这种方法是在已知系统部分固定参数的基础上，通过计算系统链路余量来减小系统载噪比，可以提前预算整个系统参数、成本，达到节约资源的目的［2］。这种链路预算方法是在固定了系统参数的情况下进行链路计算，但在实际信号传输过程中衰减程度不一定相同，如果继续使用固定信噪比传输信号，就有可能出现载噪比过小，影响信号传输质量［3］。正推法主要用于民用、大众化的通信系统，而本文研究L波段卫星通信系统应用于私人、军事卫星通信系统中，所以在现有研究基础上做出一些改进，使得系统可以根据实际情况对参数进行有效调节以保证信号传输质量。本文分析常用正推法中存在的问题，结合卫星通信特性，提出一种卫星通信链路特性的模型以及一种新的链路预算方法倒推法（BackwardPassAlgorithm），该方法也可叫做链路自适应功率控制方法，通过计算链路衰减余量来得到发送功率可优化范围。根据各地区的不同衰减余量对发送功率进行控制，以达到保证系统误码率的同时提高功率利用率的目的，并通过仿真验证了该方法具有可行性。2传统链路余量计算方法一个性能稳定的卫星系统必须要能满足用户所期望的服务质量，为了保证系统服务的质量以使用户所使用业务具有可靠的效果，则该卫星系统必须要有一个最低的链路传输指标，也叫卫星通信链路性能指标。对数字链路而言，该系统指标通常是指基带信道上要达到的比特误码率（BER），其表现在卫星信道中为模拟卫星信号的链路信噪比C/N0值。在实际的链路计算中通常采用正推法，该方法通过输入载波上行（EIRP）和卫星下行（EIRP）值来计算接收的C/N0余量［4］。假设通信信号发送功率为（EIRP），天线增益为G，系统等效噪声温度为T，信号传播过程中的损耗为L。通常采用的链路预算方程为：式（1）的所有参数单位均为dB，波尔兹曼常量K=228.6BJ/K，发射设备损耗和接收设备损耗根据经验值设定，大气损耗与工作频率、信号波长有关，品质因素G/T与系统配置有关。在已知系统各性能参数的条件下可以根据式（1）计算出系统载噪比C/N0，进而得出系统误码率BER。3L波段卫星通信模型与链路预算方法3.1卫星通信链路传输模型在卫星（陆地）移动通信系统中，由于移动用户的流动性和所处环境的复杂性，卫星信道具有多样性，移动用户与卫星链路间存在多径传播，而且〃直视”路径可能受到遮挡，使信号电平产生衰落。移动用户可能处的地面环境有：乡村开阔地、郊区和市区，对应两种不同的传播信道。其中市区环境最为复杂，其特点是：市区内建筑物多，在室内信号几乎不存在〃直视”情况，都被折射或者反射；开阔地环境几乎不存在遮挡。根据卫星通信信道的多样性，本文采用两种典型信道来进行仿真讨论，一种是理想情况下，也就是在乡村开阔地，信号不受到遮挡的高斯信道；一种是在城市建筑物密集地方，信号受到各种折射和反射的衰减瑞利信道。根据这两种不同信道提出一种卫星链路传播特性仿真模型，该模型在普通的通信系统仿真模型［4］基础上加入了卫星通信的衰减信道，模拟卫星通信信号传输过程，如图1。图1卫星通信传输模型图1中的模块主要包括信源、编译码、调制解调、高功放、低噪声放大、卫星通信衰减信道、高斯信道、卫星转发器，编码方式采用卷积码，调制解调方式采用QPSK，高功放的作用是在发射频率上，将低电平信号放大到远距离传输所要求的高功率电平，低噪声放大器保证在输出端获得最大可能的信噪比而设计的放大器，卫星转发器用于转发卫星信号。3.2一种新的链路预算方法一倒推法常用的正推法考虑的是在已知转发器、用户终端参数的情况下，通过计算链路余量，尽可能减小系统载噪比C/N0，以节约整个卫星通信系统的成本，这种方法是在固定了系统参数的情况下进行链路计算［5］。但是这种方法存在弊端，信号在实际传输中，由于各种夕卜界因素的影响，受到的衰减程度是不同的，如果还是用理论载噪比传输信号，就可能会出现载噪比过小、系统误码率增大，严重影响了信号传输质量。由于L波段卫星通信主要用于军事通信、个人通信等比较特殊的环境，对信号传输质量要求很高，首先应保证系统误码率达到信号传输要求［6］。本文对新一代GEO卫星移动通信标准GMR-1（Geostationaryearthorbit-MobileRadio）中EIRP的建议范围进行讨论研究，认为在实际的卫星链路传播中，对发射端EIRP进行有效优化、控制，可以在不同情况下满足系统误码率门限，保证系统传输效率、提高服务质量。针对传统正推法中存在的问题，提出了一种新的链路计算方法一一倒推法，该方法根据不同环境下信号传输损耗差异，通过链路预算损耗来适当增大上行链路的有效全向辐射功率（EIRP）来满足系统误码率门限，链路可靠性得到较大提高，同时可以根据具体情况对功率进行控制，达到功率最大化利用的目的。由式（1）得到倒推法的计算方程：倒推法的总体思想是通过计算载噪比C/N0、品质因素G/T、传播损耗L的余量来确定满足误码率门限需要提高的有效全向辐射功率值。首先确定影响EIRP值的几个参数，其中K是波尔兹曼常数，EIRP卫星系统品质因素G/T=-20dB；根据GMR-1标准建议，调制方式采用QPSK，发送接收采用根升余弦滚降滤波器，滚降系数a=0.35,T作频率1.525GHz,L波段语音传输系统误码率要求Pe<10-4，根据QPSK的平均误比特率公式，可得出信噪比Eb/N0=13.8dB，系统载噪比C/N0=13.8dB。本文使用的倒推法中，影响EIRP最关键的参数是信号传播过程中的损耗1。仅考虑L波段，信号传播过程中受到的损耗包括Lf:自由空间传播损耗，La:气体吸收，Lr:降雨衰减；其中自由空间传播损耗Lf通过以下公式得到：式（3）中R为通信距离，入为通信时所采用的波长，一般使用通信带宽的中心频点的波长。气体吸收损耗La:式（4）中y、h为不同地区气体常数，La主要受到天线仰角0的影响。降雨衰减损耗Lr:式（5）中，R0.01是年平均降雨率，K和a是因变量，随频率、用户终端纬度、仰角而变化［6］。由以上三个式子可以看出，用户终端全向辐射功率EIRP主要受到衰减L影响；如果采用波长选定，通信距离R为地球站到卫星距离，自由空间损耗Lf可以确定；气体吸收La和降雨衰减Lr是影响L最主要因素，其中气体吸收La与用户终端天线仰角有关，降雨衰减与用户终端仰角、地球站纬度有关。根据以上公式就可以得出其中任意一个因素对于信号衰减量的影响，假设选定用户终端位置（即用户终端纬度确定），可以分别计算天线仰角对气体吸收损耗和降雨衰减损耗的影响；同理可以固定天线仰角计算纬度对降雨衰减损耗的影响，因此，根据式（2）可以计算出满足系统误码率门限的EIRP值变化范围［7］。这种方法还可以对EIRP值进行动态调整，假设用户终端地理位置或天线仰角无法达到最理想的角度，或者某段时间用户终端所处地区大气、降雨衰减增大，都可以根据实际情况适当调整EIRP值以达到减小误码率的目的。本文利用3.1节中提出的卫星链路传播特性模型，利用倒推法（BPA），计算满足系统误码率的载噪比C/N0，然后分析卫星信号传播过程中受到的衰减L对用户终端有效全向辐射功率EIRP的影响，反向推导出在不同用户终端天线仰角、纬度情况下EIRP的可变化范围，在满足系统误码率要求下与GMR-1标准进行比较，提出实际EIRP可优化的范围；同时可以根据不同的实际情况，对用户终端发射功率进行调整，提高系统功率利用率。4仿真验证4.1仿真结果本仿真选取卫星系统工作中心频率1.525GHz，调制方式采用QPSK，解调采用相干解调，发送接收采用根升余弦滚降滤波器，滚降系数a=0.35。由于是采用平均统计，不具有实时性，因此仿真预测值更体现整体性。仿真分析采用Matlab软件；图2为经过倒推法（BPA）优化后用户终端不同天线仰角情况下大气吸收损耗对EIRP值的影响；图3为不同地球站纬度下大气损耗对EIRP值的影响；图4为不同天线仰角情况下降雨衰减损耗对EIRP值的影响；图5为用户终端不同纬度下降雨衰减对EIRP值的影响；图6为验证经过优化后的EIRP值是否满足系统误码率门限。图2不同天线仰角下大气损耗对EIRP影响曲线图3不同纬度下大气损耗对EIRP影响图4不同天线仰角下降雨衰减对EIRP影响图5不同纬度下降雨衰减对EIRP值影响曲线图6正推法与反推法性能比较对于天线仰角小于等于10°的情况，考虑实际地球移动站与地球同步卫星的位置关系，仰角不会小于10°，所以仅考虑大于10°的情况［8］。从图2可以看出，天线仰角大于10°时，大气衰减对链路性能存在影响，其中红色曲线是系统标准下EIRP；蓝色曲线是利用倒推法计算出大气损耗后EIRP变化。两条曲线之间的差值表示在保证系统误码率前提下，应该提升EIRP的数值，由图2可以得出天线仰角越大两条曲线之间的差值越小。因此，应尽量保证天线仰角足够大，这样可以少量增大EIRP值达到系统要求。由图2可以得出仅考虑大气损耗时，为达到系统误码率门限，发射端发射功率提升范围在1.9~3dB。由图3，对于不同地球站纬度对EIRP值影响的分析，在相同天线仰角的情况下，由于大气衰减是高空的，所以理论上不同地方上空的大气衰减应该是差不多的。由图3可以看出，在地球站纬度不同的情况下，大气衰减对于EIRP值影响很小，可以忽略。降雨衰减Lr受天线仰角与用户终端纬度共同影响，本文采用ITU-R降雨衰减模型，在给定频率、降雨率、极化角和用户终端位置的情况下，根据年平均降雨统计分布预测年雨衰减统计分布的方法。由图4可见，随着天线仰角增大，两条线之间的差值减小，降雨衰减量随着天线仰角增大逐渐减少，仰角越小减少趋势越明显；可以计算出在用户终端位置固定时，天线仰角变化，降雨衰减对EIRP影响在0.4-1.3dB;图5中，用户终端纬度较小时对EIRP影响很小，随着纬度增大，降雨衰减对EIRP影响逐渐增大，变化范围0~0.8dB。综合考虑不同天线仰角与纬度情况下，得出卫星信号传播过程中的总衰减L的变化范围在2.3~3.9dB;根据式（2）得出传播总损耗L对EIRP影响范围在7.98~14.9dBW，相比于GMR-1标准建议的5~11dBW有2.98~3.9dB的增大。根据卫星通信系统链路的特性，传统的通信链路余量计算时一般采用最坏情况估计，这样可保证卫星在所有状态下均保有足够的通信链路余量［9］。卫星通信系统设计时应兼顾传输链路的性能、成本和可靠性等因素，一般取值3~6dB,前面倒推法中提出的适当增大有效全向辐射功率来保证系统误码率门限，EIRP增大2.98~3.9dB是在链路预算范围内的，所以通过倒推法适当增大EIRP值来保证系统误码率是可行的。4.2反推法与传统正推法进行比较在相同的地理环境、天线仰角条件下，基于误码率门限，根据不同系统载噪比仿真出两种方法的链路预算性能比较图，如图6。由图6，作横向比较，在满足相同误码率门限的情况下，反推法比正推法需要更小的载噪比，可以节约更多的系统预算成本，比如，当需要满足10-3误码率时，正推法预算载噪比需要10dB，而反推法只需要7dB，很好地提高了系统的有效性，避免资源浪费。作纵向比较，假如系统载噪比10dB，正推法预算只能达到10-3的系统误码率，而反推法可以达到10-5，很好地提高了信号传输质量。4.3对结果进行验证为了判断以上计算的准确性，仿真得出系统误码率曲线，来验证用户终端有效全向辐射功率调整后误码率是否达到系统要求。根据3.1节中提出的卫星链路传播特性仿真模型对整个系统误码率进行仿真。在高斯信道和瑞利衰落信道下得出接收误码率曲线，如图7。图7Eb/N0与误码率变化曲线从图7可以看出卫星信号在两种信道中传输时在相同信噪比下实际误码率比理论值稍大一些，在高斯信道中传输误码率曲线下降得比较快，在信噪比不到10dB的时候就可以达到10-4误码率，而在瑞利衰落信道中传输时信噪比要达到至少35dB才能保证误码率小于10-4。由仿真结果可知，当信噪比大于等于8dB最佳接收可以保证系统误码率Pe<10-4;由此可知，如果发射功率EIRP按标准规定范围在5~11dB的时候就有可能达不到误码率门限，误码率Pe<10-4,影响信号传输质量；而在3.2节中得出的结论，信号发射功率7.98~14.9dB能够保证信号接收满足误码率门限。当信号在瑞利衰落信道中传输时，卫星与移动用户之间的“直视”传播路径被阻挡时，信号电平衰落最为严重、电平下跌［10］。与无阻挡和多径传播衰落时的电平相比较达20-40dB，在这种情况下只有链路预算中留有足够的裕量，才能保证有效的通信［11］。由上图可以看出，裕量达到27dB时也是能够满足误码率门限的，因此，经过验证，在两种信道条件下适当增大有效全向辐射功率是可以有效提高信号传输质量的。5结束语本文在分析影响L频段卫星通信链路性能参数的基础上，得出L频段卫星通信在传播中受到的主要衰减因素；并采用倒推法(BPA)，通过计算(C/N0)、链路损耗余量等来求得用户终端的EIRP值，保证信号接收误码率的前提下提出了一个功率优化方法。针对卫星通信传输信道不同做了理想高斯信道跟瑞利衰减信道下的误码率分析，验证了有效的控制信号发射功率来保证传输质量的可行性。后续研究仍需根据卫星链路以及信道特性，通过其他更有效途径降低误码率，不仅仅限于控制发射功率。【相关文献】ZhuM,ZhangC,MinS.Researchoncarriernoiseratiocalculationmethodinsatellitecommunicationlink[C]//InternationalConferenceonSpaceInformationTechnology.[S.l.]:InternationalSocietyforOpticsandPhotonics，2009.陈道明.VSAT卫星通信链路的计算[J].中国空间科学技术，1996(4).OzlemK，DangV,ZaghloulAI.Communicationlinkimprovementthroughantennaoptimizationforsatellite,space,andradioastronomysystems[C]//20115thInternationalConferenceonRecentAdvancesinSpaceTechnologies(RAST),2011.张乃通，张中兆，李英涛，等.卫星移动通信系统[M].2版.北京：电子工业出版社，2000.李国军，霍德聪.利用STK计算卫星通信链路余量[J].空间电子技术，2012.MandeepJS,HuiOW,AbdullahM,etal.Mod