卫星通信链路设计方法与实例研究

    张婉丽

    

    

    

    摘要：卫星通信链路设计是指根据卫星通信系统网络结构和业务需求所提出的卫星网络的可用度和误比特率等性能要求，对卫星链路进行设计和计算，以确定卫星地面站的天线口径、发射功率，以及载波特性的方法。文章对卫星链路设计基本概念和方法进行了介绍，并通过一个实例介绍了一款链路设计的软件，对卫星通信网络规划设计工作具有较强的实际指导意义。

    关键词：卫星通信；链路设计；Satmaster

    对于卫星通信系统来说，空间段的成本是系统运营过程中的主要开销。如何更加有效地使用卫星转发器，降低设备成本和系统运营成本，提高系统工作的可靠性，使系统简单易用，是卫星通信系统设计中最重要的工作。合理化的卫星链路设计，可以使卫星通信系统的有效性、可靠性和经济性达到最优。

    1.卫星链路设计的任务

    卫星通信链路设计包括两方面的任务：一是对线路进行评估，即根据已确定的卫星转发器及地面站的参数，计算地球站能得到的载噪比以及相应的发射EIRP：二是对设备配置进行估算，即根据已确定的卫星转发器及接收机的基本参数，确定地球站的天线尺寸、发射功率等。实际工程中，这两方面的任务是相互交汇的。

    在设计一个通信系统时，最主要的工作是根据链路参数确定系统的通信体制和设备配置，所以，卫星链路设计的工作也就是确定编码方式、调制方式、功放输出功率和天线口径。这4个要素会有多种满足要求的组合，链路设计的任务就是要根据系统设计要求和原则等筛选出最优的组合。

    2.卫星链路设计的常用术语和基本概念

    2.1调制方式

    调制的目的是对信息进行压缩，使传输速率增大，提高信道的利用率。

    尽管新的调制方式不断出现，但目前卫星地球站的数字通信设备中使用的调制方式仍主要是数字调相，其中主要包括以下几种：BPSK，QPSK，MSK，0QPSK，16QAM等。

    调制因子=log2（相位）

    高阶调制方式比低阶调制方式有更高的效率，能够节省频带资源，但付出的代价是需要增加射频的功率。

    2.2信道编码

    信道编码的目的是对信息进行纠错，以提高信道传输的有效率，但增加了冗余信息，使传输速率降低。

    常用的编码技术有：卷积码维特比译码（常用FEC方式1/2，2/3，3/4，5/6，7/8）。

    Reed-Solomon编码（简称RS编码）与卷积码（维特比译码）构成双层级联码（如DVB业务）。

    Turbo编码（Turbo Product Coding）：一种新型FEC技术，可得到更高的编码增益或占用更少的带宽。

    高效率的编码方式可以更节省功率，但付出的代价是增加了编码开销，需要更大的频带。因此必须将调制方式和编码方式合理地结合起来，才能达到最佳的频带利用率和合理的射频功率要求。

    2.3卫星通信中的3种速率和两种带宽

    一般的数字卫星传输链路如图1所示。

    由图1可见，卫星通信传输链路中涉及3种速率和两种带宽，分别为：

    （1）信息速率（Rb）：原始的二进制信息比特流，单位为bps。信息速率Rb是原始的模拟信号经过信源编码，完成模/数转换和数字压缩后，得到的二進制信息比特流速率。

    （2）传输速率（Ri）：信道中实际传输的比特流，单位为bps。传输速率Ri是二进制信息比特流经过信道编码，加入了纠错码后，得到的在数字信道中传输的比特流。

    传输速率=信息速率/（FEC码率×Rs码率）

    （3）符号速率（Rs）：信道中实际传输的码元流，单位为symbol/s或sps。符号速率Rs是经过调制器对信息进行数字调制，提高信道的传输效率。

    符号速率=信息速率/（FEC码率×Rs码率×调制因子）

    （4）噪声带宽。考虑了信道滤波器的升余弦滚降特性系数，信号的有效传输带宽，即噪声带宽。

    噪声带宽=符号速率×滚降因子（一般为1.2）

    （5）分配带宽。对于一个频分多址（FDMA）的卫星通信系统，为了防止和减少相邻信道之间的干扰，各载波之间要留出一定的频率间隔余量，因此，计算载波占用转发器带宽时，必须将理论带宽乘以带宽分配因子，才能得到实际的分配带宽。

    分配带宽=符号速率×分配因子（一般为1.4）

    2.4载波噪声比（C/N）

    平均的载波信号功率（c）与同一参考点处接收系统的噪声功率（N）的比值，表示空间链路的传输性能。

    2.5EhNo。

    EdNo表示每比特能量对噪声谱密度的比值，其值越高，系统的传输性能越好。

    2.7有效全向辐射功率

    有效全向辐射功率（Effective Isotropic RadiatedPower，EIRP），是综合了发射天线定向辐射作用和发射机射频输出功率后的等效发射功率。EIRP=PTGT。

    地球站EIRP是高功放的输出功率与天线增益的乘积，而且要考虑高功放输出口到天线馈源口连接波导的损耗，用分贝数表示：[EIRP]E=10LgPT+10LgGT-10LgLF

    卫星ENEIRP是指经卫星发射天线后输出的卫星功率，用[EIRP]s示。饱和[EIRP]s的大小与卫星上行波管放大器的功率有关，用卫星EIRP等值线图来表示，位于同一等值线上的地球站所对应的饱和[EIRP]s相同。

    2.8接收系统的品质因数（G/T）

    接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度的比值称为接收系统的G/T值，也称性能因数或品质因数（Figure ofMerit，FoM）。用来表征接收系统的接收灵敏度。

    用分贝数表示：[G/T]-10LgG-IOLgT

    3.卫星链路设计的步骤与方法

    3.1卫星链路设计的一般步骤

    进行卫星链路设计时，一般按照以下的步骤：

    （1）首先要根据实际的卫星通信系统需求，建立卫星链路的通信模型，明确链路计算的目的，是对新建系统进行设备估算，还是已有系统进行线路评估。

    （2）确定己知条件及所需计算的参数，包括：

    卫星参数：卫星的轨道位置、工作频率、频率计划、EIRP，G/T，SFD、转发器的载波输入功率回退（IBO）和输出功率回退（OBO）等，卫星参数可从相关卫星公司处获取。

    地球站参数：发射站和接收站的经纬度、海拔高度、雨区系数等。

    载波参数：同时发送载波的个数，每一个载波的调制特性、纠错方式、调制系数及Eh/Nn门限值。

    设备配置：发射、接收天线的口径，发送端功放功率，接收端LNA的噪声系数等。

    （3）明确需计算的参数。选择链路计算的方法（正推法和倒推法）及原则进行计算。

    3.2卫星链路设计的基本方法

    卫星链路设计可以采用两种设计思路：正推法和倒推法。

    正推法首先拟定地面站上行载波EIRP值，计算出上行链路载噪比。根据卫星转发器增益以及输入输出回退，计算出卫星下行EIRP值及下行链路载噪比，从而得出全链路的载噪比。将干扰因素引入计算，得到总的载噪比，与门限载噪比作比较，得出系统及Eh/No余量，若余量大于0，则符合设计要求，否则需重新进行数值拟定。

    倒推法则是正推法的逆运算。首先设定地面站门限载噪比，根据链路可用度确定降雨备余量，由下行链路载噪比计算出卫星下行EIRP值，根据卫星转发器增益及输入输出回退，计算出上行链路载噪比及地面站发射载波EIRP值。

    在实际工程應用中，一般采用倒推法进行链路设计，提高了针对性和可行性。

    3.3用Satmaster软件进行卫星链路设计

    3.3.1 Satmaster软件介绍

    由y-z星链路在设计时，涉及大量的数学运算，且变量较多，因此大多数工程师多选用计算机辅助的方式进行计算。Satmaster是Arrowe公司开发的一款卫星链路设计软件，它将复杂的数学运算软件化，使用Windows界面，操作方便。

    Satmaster软件有点对点和广播链路两种计算模式可选，.界面略有不同，适用于不同的业务类型，可在新建文件时进行选择。

    点对点链路（文件名：udp）：适用于双向点对点业务，点击linkN以互换上下行链路参数。

    广播链路（文件名：brd）：适用于单向广播业务，可预设每转发器的载波个数，并据此分配转发器功率（如1个转发器转发1+MCPC电视载波，将占用100%的转发器功率），有链路自动优化功能。

    使用Satmaster软件进行卫星链路设计和优化时应遵循以下的基本原则：

    功带平衡的原则：使用转发器功率与转发器总功率的比值等于租用带宽与卫星转发器带宽的比值，即：

    使用转发器功率 租用带宽

    转发器的总功率 转发器的总带宽

    卫星公司是按用户租用的占卫星带宽百分比与用户使用的占卫星功率百分比的较高者来收取转发器租金，因此为了使用户最大限度地利用带宽，应尽量将链路优化至这两个百分比基本相同。

    在系统余grin时，可对以下参数进行调整，以达到最优的频带利用率和合理的设备配置：（1）提高链路可用度（Ku波段）；（2）减小接收天线尺寸，占卫星功率会增加；（3）使用效率更高的FEC方式，从而节省占卫星带宽。Satmaster的界面有Uplink，Downlink，Satelitte，Carriers and Modulation 4个输入模块，使用者总共需输入包括地面站（发射站、接收站）参数、卫星及转发器参数、业务载波参数、干扰参数这4类共几十个参数。下面结合工程实例分别介绍这些参数的意义和典型值。

    3.3.2卫星链路设计实例

    （1）工程实例。北京6米站发射，广州1.8米站接收，使用亚洲3s卫星Ku转发器，信息速率2Mbps，信道编码方式为3/4FEC，调制方式QPSK，误比特率10-7，链路可用度大于99.5%。

    亚洲3S卫星Ku转发器参数如表1所示。

    3.3.3Satmaster参数设置

    选用点对点链路模块，将以上己知条件填入Satmaster的对应参数中，4个模块的输入如图2所示，方框圈住的参数是在计算过程中可适当调整的参数。

    上行链路可用度：直接影响上行链路降雨时的雨衰。

    发射天线口径：对链路计算无影响，但影响发射功率，天线口径越小，HPA功率要求越高。

    上行功率控制（UPC）：与所在雨区、上行可用度要求和功放容量有关，一般只在Ku波段设置，UPC的设置应略低于雨衰值。

    下行链路可用度：直接影响链路计算过程中的下线链路降雨备余量的大小。

    接收天线口径：影响[G/T]R，小口径天线接收将使得卫星转发器需要发送大功率载波，直接影响链路计算结果。

    卫星接收G/T和SFD-对应于上行站，查卫星公司资料得到。

    卫星EIRP值：对应于下行站，查卫星公司资料得到。

    门限Eb/No：通常与使用的调制方式、FEC码、误比特率有关，直接影响门限c/N。

    信息速率：由用户需求决定，是原始的未经编码调制的信息传输速率。

    FEC码率：直接影响占用带宽，并与门限Eh/No相关联。

    3.4链路计算结果分析

    Satmaster自动生成一个链路设计结果报告，重点关注结论性的数据包括：

    （1）Total HPA power required/Required HPA powercapability：反映了地面站HPA的设备配置要求。

    Total HPA power required

    -3.68 dBW

    Required HPA power capability 0.43W

    由此可見，北京发射站的HPA高功放可选择1W规格的。

    （2）Allocated transponder bandwidth：占用的转发器带宽及其占总带宽的百分比（频带分配因子）

    Allocated transponder bandwi&h 1.8000dBW

    Allocated transponder bandwi&h 3.33%

    （3）Used transponder power：占用转发MEIRP值及其占当前工作点总EIRP的百分比（功率分配因子）

    Used transponder power 37.23dBW

    Used transponder power 3.33%

    该载波使用了37.23dB/W的卫星转发器功率，占卫星转发器总功率的3.33%。分析一个链路设计是否合理满足要求，可以从以下几，个方面来考量：

    Excess margin：分为Clear晴空、Rain Up上行降雨、RainDnT行降雨3个值。成功的链路设计，必须使这3个值全为正或0。对于Ku波段，应尽量使上行降雨余量和下行降雨余量接近于0，同时晴空余量尽可能小；对于c波段，因不考虑降雨备余量，因此必须做到这3个值相等。

    以上链路计算结果如下：

    Excess margin 2.22 0.00 0.00dB

    Rain Up和Rain Dn降雨余量为0，晴空余量为2.22dB，该链路设计合理。

    功带平衡：好的链路设计，应尽可能做到频带分配因子与功率分配因子相等，如果相差较大，则应该重新调整链路参数。

    该链路的频带分配因子和功率分配因子相等，为3.33%，做到了功带平衡。

    链路可用度：是否达到了用户的链路可用度要求。

    总链路可用度=1-[（1-上行链路可用度）+（1-下行链路可用度）]

    该链路设计的上行链路可用度为99.713%，下行链路可用度为99.849%。

    总链路可用度=1-[（1-99.713%）+（1-99.849%）1=99.562%>99.5%。

    因此，链路设计满足用户要求。

    4.结语

    卫星链路设计是一个比较复杂的过程，虽然可以借助一些辅助软件简化工作量，但工程设计人员必须在深入理解卫星通信技术的基础上，根据不同的网络规划和业务需求，选择适合的卫星通信体制，进行合理的链路设计，提高系统的可用度和经济性。