李斌成，李 影

一種FDMA-DAMA衛(wèi)星通信網(wǎng)功率控制方案

李斌成1，李 影2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050031）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中對系統(tǒng)功率的控制非常重要，這直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性程度，并且隨著系統(tǒng)工作頻率的提高尤為顯著。針對資源按需分配頻分多址 （FDMA-DAMA）體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率控制問題，分析了傳統(tǒng)方案的局限性和不足，在工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)提出了一種新的功率控制方案，并給出了具體的功率參考值測試方法。通過與實(shí)際系統(tǒng)鏈路發(fā)射功率參考值測試數(shù)據(jù)比對，驗(yàn)證了新功率控制方案的發(fā)射功率參考值測試以及計(jì)算方法的正確性。

頻分多址；按需分配；功率控制；衛(wèi)星通信；比特信噪比

引用格式：李斌成，李 影.一種FDMA-DAMA衛(wèi)星通信網(wǎng)功率控制方案［J］.無線電工程，2016，46（5）：75-79.

0 引言

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對系統(tǒng)功率的控制是關(guān)系到整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用性的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)功率控制主要是指各站發(fā)射功率的設(shè)置，系統(tǒng)發(fā)射功率應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的地域覆蓋特性、通信雙方所處地理位置、站型大小、天氣情況和載波速率等因素進(jìn)行合理的設(shè)置。在FDMA-DAMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，全網(wǎng)狀網(wǎng)、多載波和資源按需動(dòng)態(tài)分配等特點(diǎn)使系統(tǒng)的功率控制更加復(fù)雜。某系統(tǒng)中采用了站到站型功率參考值功率控制方案，考慮了雨衰補(bǔ)償，但對不同目的站的地理衰減補(bǔ)償不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)對個(gè)別站功率控制效果不佳。

為了完善上述功率控制方案中對地理衰減補(bǔ)償?shù)牟蛔?，需要尋找基于站到站功率參考值的系統(tǒng)功率控制方案。通過研究分析網(wǎng)狀網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路功率信號(hào)的傳輸規(guī)律，將站到站的功率關(guān)系轉(zhuǎn)換到各站相對基準(zhǔn)站的功率關(guān)系，以此為基礎(chǔ)提出了相對基準(zhǔn)站功率參考值的系統(tǒng)功率控制改進(jìn)方案。

1 功率控制技術(shù)

大氣傳輸損傷，包含降雨產(chǎn)生的衰耗和去極化的影響會(huì)引起系統(tǒng)性能下降，增加了系統(tǒng)的不可用度。在10 GHz以上頻段，雨的衰減是衛(wèi)星鏈路衰減的主要因素［1］，需要增加額外的功率補(bǔ)償（采用功率控制）才能保證通信信道的正常工作［2］。

上行鏈路開環(huán)功率控制是衛(wèi)星通信最常使用的抗衰技術(shù)之一，其主要作用是在降雨期間對上行鏈路衰減進(jìn)行估算，然后根據(jù)衰減量相應(yīng)增大發(fā)射功率，使衛(wèi)星接收的信號(hào)功率保持在一定的范圍之內(nèi)，其目的是補(bǔ)償慢變化的衰減量和幅度閃爍。其他因素，如溫度等所引起的慢變化衰減，在補(bǔ)償過程中都當(dāng)作降雨衰減來處理［2］。

功率控制技術(shù)從不同的角度來考慮可以有不同的分類方法［3］，從通信的上下行鏈路來考慮，可分為反向功率控制與前向功率控制；從實(shí)現(xiàn)功率控制的方式來考慮，則可劃分為集中式功率控制與分布式功率控制；從功率控制環(huán)路的類型來劃分，可分為開環(huán)功率控制與閉環(huán)功率控制等。

現(xiàn)在，一般在系統(tǒng)中采用自適應(yīng)功率控制技術(shù)控制發(fā)射功率。自適應(yīng)功率控制技術(shù)通過改變發(fā)送端信號(hào)的發(fā)送功率來補(bǔ)償信號(hào)在信道傳輸過程中的功率衰減［4］。功率控制算法按照控制準(zhǔn)則一般包括基于功率平衡準(zhǔn)則和基于信噪比平衡準(zhǔn)則兩大類?；诠β势胶鉁?zhǔn)則是指通過發(fā)送端功率的自適應(yīng)從而保證接收端接收信號(hào)的功率保持在一定的范圍內(nèi)。基于信噪比平衡準(zhǔn)則是指通過發(fā)送端功率的自適應(yīng)使接收端的信噪比保持在一定的范圍內(nèi)，從而保證整個(gè)通信系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。文獻(xiàn)［5-17］中從不同角度對功率控制方法進(jìn)行了研究。

2 傳統(tǒng)方案及其局限性

2.1 工作過程

閉環(huán)功率控制和開環(huán)功率控制2種控制方式，閉環(huán)功率控制穩(wěn)態(tài)性能好，但收斂時(shí)間較長，開環(huán)功率控制響應(yīng)快，但誤差較大。對于工作于DAMA方式的系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)建立雙向單路單載波（SCPC）衛(wèi)通鏈路，要求建鏈時(shí)間短，建鏈可靠性高，因此在基于FDMA-DAMA系統(tǒng)中，一般傳統(tǒng)功率控制方案采用開環(huán)+閉環(huán)的混合功率控制方案，以兼顧響應(yīng)時(shí)間、調(diào)整誤差和建鏈可靠性，即在進(jìn)行業(yè)務(wù)信道DAMA分配時(shí)，由網(wǎng)管中心為通信雙方站分配一個(gè)初始功率值，鏈路建立后由通信雙方自動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)功率控制。混合功率控制方案流程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)功率控制流程

混合功率控制方案工作過程如下：

①測試晴天情況下地球站到某站型通信時(shí)的參考發(fā)射功率，即按基準(zhǔn)速率（如IR=128 kbps）發(fā)射載波使接收信噪比為基準(zhǔn)Eb/N0（如7.0 dB）時(shí)的發(fā)送站發(fā)射功率，并將該參考值保存在網(wǎng)管中心數(shù)據(jù)庫中；

②根據(jù)站點(diǎn)所在雨區(qū)分配合適的固定雨衰補(bǔ)償，保證其在下雨情況下能夠正常通信，將該補(bǔ)償值保存在網(wǎng)管中心數(shù)據(jù)庫中；

③中心站在分配信道時(shí)，根據(jù)通信雙方所處地理位置、站型大小、雨衰情況、載波速率和允許最大發(fā)射功率等因素計(jì)算分配給通信雙方的發(fā)射功率；

④各站根據(jù)中心站分配的發(fā)射功率值對本站調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射功率進(jìn)行配置；

⑤通信過程中調(diào)制解調(diào)器監(jiān)視通信對端信號(hào)接收情況，自動(dòng)閉環(huán)調(diào)整本站發(fā)射功率；

⑥轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)發(fā)生變化或轉(zhuǎn)星后，重新測試各站功率參考值并更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

2.2 功率參考值

功率參考值指DAMA系統(tǒng)中衛(wèi)通地球站在鏈路建立時(shí)使用的初始發(fā)送功率值（含固定雨衰補(bǔ)償）。該值應(yīng)能保證鏈路通信雙方初始能夠獲得良好的接收Eb/N0，建立起良好通信，通信過程中由雙方通信終端根據(jù)規(guī)則自動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)功率調(diào)整。

功率參考值體現(xiàn)了一個(gè)衛(wèi)通地球站與其他站通信的功率特性，是FDMA-DAMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)自動(dòng)功率控制機(jī)制中的主要參數(shù)。

功率參考值的常規(guī)測試方法：衛(wèi)星通信系統(tǒng)開通時(shí)，各站在晴天情況下測試與不同站點(diǎn)（或站型）之間采用基準(zhǔn)信息速率通信時(shí)所需的最小發(fā)射功率（接收Eb/N0等于基準(zhǔn)值時(shí)），然后將該數(shù)值保存到網(wǎng)管中心數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)各地球站能力、地理位置和雨衰等因素在最小發(fā)射功率的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加補(bǔ)償（主要是補(bǔ)償雨衰），作為地球站通信功率參考值。

2.3 局限性

傳統(tǒng)方案雖然能夠完成自動(dòng)功率控制的初始參考值測試、分配，但存在以下不足：

①測試過程復(fù)雜，針對一個(gè)站到一個(gè)站型的功率參考值測試，需建立到該站型多個(gè)站的多條鏈路多次測試獲得到該站型的功率參考值，并且需測試該站到每個(gè)站型的功率參考值，當(dāng)站較多時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的測試量較大；

②誤差較大，當(dāng)采用站到站型的功率參考值方案時(shí)，由于同型地球站所處地理位置不同，該參考值實(shí)際是由對多個(gè)同型地球站測試值平均后得到的，有時(shí)與實(shí)際參考值差別較大；

③系統(tǒng)建成或換星進(jìn)行功率參考值測試時(shí)工作量較大。

通過分析及理論推導(dǎo)，提出一種相對基準(zhǔn)站的功率參考值方法，可以減少功率參考值測試工作量，同時(shí)提高功率參考值的精度。

3 相對功率參考值方案

3.1 依據(jù)的導(dǎo)出

傳統(tǒng)功率控制方案由于直接針對站到站進(jìn)行功率參考值測試造成了測試工作量較大。雖然為減少測試工作量優(yōu)化為按站到站型進(jìn)行測試，一定程度減少了測試量，卻又引入了同型站地理位置不同造成的誤差。

新方法嘗試通過將所有站收發(fā)能力與中心站收發(fā)能力建立歸一化關(guān)系，經(jīng)由中心站為媒介，間接估計(jì)2個(gè)遠(yuǎn)程站之間的通信功率參考值，即采用新的方法測試、計(jì)算參考值。

由發(fā)站A、基準(zhǔn)站O（中心站）和收站B這3個(gè)站組成的衛(wèi)通網(wǎng)（如圖2所示），在相同的通信信息速率、調(diào)制編碼方式及相同的基準(zhǔn)Eb/N0前提下，考察它們構(gòu)成的 4個(gè)鏈路：A→O、O→O、O→B 和A→B。

圖2 新的功率控制方案原理

圖2中，PAB、PAO、POB和POO分別表示發(fā)送站（A或O）以基準(zhǔn)信息速率IR（記為IRRef）與接收站（O或B）通信時(shí)，為使接收站接收達(dá)到基準(zhǔn)Eb/N0（記為Eb/N0Ref），需發(fā)送站發(fā)射的功率；GOu、GOd分別表示基準(zhǔn)站的上下行鏈路總增益；GA、GB分別表示A和B站的上、下行鏈路總增益；GX表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器總增益，NONB分別表示O和B站接收端噪聲，4個(gè)鏈路的特征如下：

①鏈路A→O，特征：PAO、GA、GX、GOd、NO和Eb/N0Ref；

②鏈路O→O，特征：POO、GOu、GX、GOd、NO和Eb/N0Ref；

③鏈路O→B，特征：POB、GOu、GX、GB、NB和Eb/N0Ref；

④鏈路A→B，特征：PAO、GA、GX、GB、NB和Eb/N0Ref。

一般O站選擇為中心站。相對參考功率方案的思路是，通過測試鏈路A→O、O→O和O→B的發(fā)站發(fā)送功率，采用等效代替法，尋求鏈路A→B功率參考值與鏈路A→O、O→O和O→B的功率參考值的關(guān)系，從而將鏈路A→B功率參考值問題轉(zhuǎn)換為A、B站到基準(zhǔn)站（中心站）功率參考值的問題。

根據(jù)文獻(xiàn)［15］全鏈路質(zhì)量公式：

式中，T為接收端系統(tǒng)噪聲溫度包含了上行鏈路、轉(zhuǎn)發(fā)器和下行鏈路噪聲溫度，對確定的站確定環(huán)境下是一定的。認(rèn)為鏈路傳輸過程是對原始信號(hào)功率P在傳輸中進(jìn)行放大、衰減后到達(dá)接收端，在接收端引入噪聲N形成Eb/N0，可將傳輸（含上行、下行）鏈路質(zhì)量描述為：

在固定調(diào)制編碼方式、IRRef和晴空環(huán)境條件下為達(dá)到基準(zhǔn)Eb/N0，因Gu、GX、Gd、N、BN均為定值，所以需要發(fā)射的P值是一定的。采用基準(zhǔn)IR、Eb/N0基準(zhǔn)值對P進(jìn)行測量，有

式（4）+式（5）-式（3）得：

式（6）-式（7）得到：

式（8）即相對功率參考值方案的理論基礎(chǔ)，表示A→B鏈路發(fā)功率參考值可等效為A→O、O→B鏈路發(fā)功率參考值之和與O→O自環(huán)鏈路發(fā)功率參考值的差值。

3.2 基準(zhǔn)站選擇

FDMA-DAMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一般網(wǎng)管中心部署在較大的固定中心站，通常情況下也是衛(wèi)通網(wǎng)管理部門的所在地。

基于以下因素，一般選擇中心站作為功率參考值測試的基準(zhǔn)站。

①各站與中心站的通信較多；

②一般中心站運(yùn)行維護(hù)情況較好，衛(wèi)通站電特性穩(wěn)定；

③系統(tǒng)更換所用衛(wèi)星時(shí)在中心站方便對功率參考值重新測試。

3.3 功率參考值測試

通過將序號(hào)為i=0，1，2，...的一系列站與基準(zhǔn)站建立歸一化關(guān)系，間接計(jì)算2個(gè)遠(yuǎn)端站之間的功率參考值，約定：

①站發(fā)射能力：保證基準(zhǔn)站接收 Eb/N0= Eb/N0Ref，遠(yuǎn)端站i需發(fā)射功率電平，記為Pui；

②站接收能力：保證遠(yuǎn)端站i接收 Eb/N0= Eb/N0Ref，基準(zhǔn)站需發(fā)射的功率電平，記為Pdi；

③基準(zhǔn)站發(fā)射/接收能力：為保證基準(zhǔn)站接收Eb/N0=Eb/N0Ref時(shí)，基準(zhǔn)站需發(fā)射的功率電平值，記為Pu0、Pd0，Pu0=Pd0；

④站相對發(fā)射能力：遠(yuǎn)端站i相對基準(zhǔn)站的發(fā)射能力差：Dui=Pui-Pu0；

⑤站相對接收能力：遠(yuǎn)端站i相對基準(zhǔn)站的接收能力差：Ddi=Pdi-Pd0。

在以下約束下進(jìn)行各站發(fā)射功率參考值的測試：

①衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)內(nèi)；

②地球站高功放工作在線性區(qū)內(nèi)；

③ 確定調(diào)制編碼方式、IRRef、Eb/N0Ref。

測試得到基準(zhǔn)站0到各站i、以及各站i到基準(zhǔn)站0的發(fā)射功率參考值，即星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率參考值，記錄到表1中形成基本的發(fā)射功率參考庫。

表1　功率參考值測試表

3.4 任意站間功率參考值計(jì)算

發(fā)射功率參考值測試工作完成后，形成如表1所示得基本數(shù)據(jù)庫表，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)式（8）可得到任意2個(gè)站 i、j之間的功率參考值，計(jì)算公式如下：

式（9）是式（8）的通用形式，以式（9）為依據(jù)，在以上發(fā)射功率測試表結(jié)果基礎(chǔ)上，可實(shí)時(shí)計(jì)算全網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)鏈路請求的Pij。

3.5 功率分配計(jì)算流程

實(shí)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，常需要支持不同調(diào)制編碼方式和信息速率等，以上發(fā)射功率參考值表是在確定的調(diào)制編碼方式、IRRef和Eb/N0Ref等約束下測試得到的，測試數(shù)據(jù)需經(jīng)過校正才可使用。

依據(jù)發(fā)射功率參考值測試數(shù)據(jù)和式（9），中心站（基準(zhǔn)站）網(wǎng)管中心功率分配計(jì)算流程如圖3所示。其中，IRijIRji、MijMji分別表示站i、j雙向通信信息速率、調(diào)制編碼方式；DIRDM分別表示因通信信息速率、調(diào)制編碼方式不同對功率分配值進(jìn)行的調(diào)整；Pth表示允許的最大發(fā)射功率值。

圖3　站發(fā)射功率初始值計(jì)算流程

3.6 DIR校正

DIR校正是指當(dāng)通信使用的信息速率和測試功率參考值使用的基準(zhǔn)信息速率IRRef不同時(shí)（調(diào)制編碼方式不變），需要對分配給站的發(fā)射電平值進(jìn)行校正。

按照比特信噪比定義和公式：

因?yàn)檎{(diào)制編碼不變時(shí)N0不變，同一鏈路Gu、GX、Gd不變，當(dāng)IR不同時(shí)為保證Eb/N0Ref相同，則

功率分配計(jì)算時(shí)按式（12）進(jìn)行DIR的校正。

3.7 DM校正

DM校正是指當(dāng)通信使用的調(diào)制編碼方式不同時(shí)（信息速率不變），需要對分配給站的發(fā)射電平值進(jìn)行校正。

不同調(diào)制編碼方式對應(yīng)的鏈路基準(zhǔn)Eb/N0不同，記基準(zhǔn)調(diào)制編碼方式和實(shí)際調(diào)制編碼方式對應(yīng)功率參考值分別為P0、P1，對應(yīng)的基準(zhǔn)比特信噪比分別為Eb/N0Ref0和Eb/N0Ref1，依據(jù)式（10）在信息速率不變時(shí)有以下關(guān)系：

功率分配計(jì)算時(shí)按式（13）進(jìn)行DM的校正。

4 方案數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在QPSK 1/2調(diào)制編譯碼方式下以IRRef=128 kbps，Eb/N0Ref=7.0 dB為標(biāo)準(zhǔn)對某衛(wèi)星通信網(wǎng)地球站的調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射電平參考值進(jìn)行了實(shí)際測試。測得基準(zhǔn)站（中心站）射頻自環(huán)參考功率電平為Pu0=Pd0=-29.5 dBm。依據(jù)Pu0、各站實(shí)測Pui、Pdi和式（9）計(jì)算了各地球站間的發(fā)射功率參考值Pij，并實(shí)際測試了站到站間的發(fā)射功率參考值，站到站發(fā)射功率參考值的計(jì)算值和實(shí)測值如表2所示。分析顯示Pij計(jì)算值與實(shí)測值的平均誤差為0.11 dBm，排除測試過程人為誤差、天氣因素等，計(jì)算值與實(shí)測值基本一致（在1 dB之內(nèi)），驗(yàn)證了該方案的正確性。

表2　實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證表（Pu0=-29.5 dBm）

5 結(jié)束語

功率控制是衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制中一個(gè)必須處理的問題，本文闡述了功率控制的基本原理，分析了傳統(tǒng)FDMA-DAMA系統(tǒng)功率控制方案的不足，通過理論推導(dǎo)分析提出了一種相對功率參考值功率控制方法，并給出了其測試方法和功率分配計(jì)算流程。通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的正確性。

與傳統(tǒng)方案相比，相對發(fā)射功率參考值方案，系統(tǒng)發(fā)射功率參考值測試更方便、測試量更少，適應(yīng)范圍更廣。在新建系統(tǒng)或更換衛(wèi)星功率參考值測試時(shí)，僅需進(jìn)行各站到中心站（基準(zhǔn)站）的鏈路測試，且不區(qū)分站型，測試量比傳統(tǒng)方案大大減少。

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Research on Power Control Scheme in FDMA-DAMA Satellite Communication Systems

LI Bin-cheng1，LI Ying2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Shijiazhuang Posts and Telecommunications Technical College，Shijiazhuang Hebei 050031，China）

The system power control is very important in satellite communication systems，directly related to system availability，and its importance is remarkable with the increasing of working frequency.Aiming at the system power control problem in FDMA-DAMA satellite communication systems，a new power control scheme is proposed after analyzing the limitations and shortage of the traditional program by theoretical derivation.And the test method for specific reference value of power is designed in this paper.By comparing the test data of link transmitting power reference value of actual system，the test and computation methods of transmitting power reference value of this scheme are proved to be correct.

FDMA；DAMA；power control；satellite communication；Eb/N0

TN927.2

A

1003-3106（2016）05-0075-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.20

2016-02-04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（2014AA7011017）。

李斌成 男，（1974—），高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術(shù)。

李 影 女，（1977—），副教授。主要研究方向：移動(dòng)通信技術(shù)。