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)
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(lái),人們發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星通信仍然不可替代,特別是在光纖無(wú)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。
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(chēng)為上行鏈路,從衛(wèi)星到接收站方向傳輸?shù)逆溌贩Q(chēng)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(chēng)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(méi)有進(jìn)行星上信號(hào)處理,上行鏈路信號(hào)經(jīng)過(guò)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(lái)衡量。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng),一般用誤碼率來(lái)評(píng)估,但起決定性因素的還是接收信號(hào)信噪比。現(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(lái)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(lái)衡量??梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算上下行鏈路載噪比來(lái)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)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(lái)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(lái)自相鄰衛(wèi)星系統(tǒng)的上行干擾和下行干擾。b)來(lái)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(lái)自地面環(huán)境的干擾等,這些干擾通??梢酝ㄟ^(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、站址選擇來(lái)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(guò)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(guò)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。
衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,需要折中許多因素,以求達(dá)到最好的性能和用戶(hù)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(xún)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(xún)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(guò)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。
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(hù)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)
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(mén)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(wú)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(mén)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:
(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。
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(mǎn)足用戶(hù)需求,但是雨天鏈路不能滿(mǎn)足要求。采用8 W 功放時(shí),剛好能夠滿(mǎn)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(mǎn)足要求。
本文通過(guò)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(wèn)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。