卫星通信链路设计工程应用研究

崔磊

摘要

卫星通信链路设计是卫星通信系统建设论证阶段必不可少的步骤，链路计算可为地球站设备配置、技术参数确定和空间段资源分配等提供支撑，合理的链路设计不仅可以提高卫星通信系统的可靠性，还能够节省建设成本。从工程建设的角度考虑链路设计问题，分析影响卫星通信链路设计的关键因素，提出卫星通信链路设计的步骤，结合实际案例进行链路设计与计算，并对降雨时的链路性能进行了分析计算，经实际应用验证此设计方案可行。

关键词：卫星通信；链路设计；链路预算；传播损失；雨衰

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。

一、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。

二、卫星通信链路性能分析

2.1典型卫星通信链路

卫星通信链路是指在发射站和接收站之间经通信卫星转发的卫星信号链路。其中从发射站到卫星方向传输的链路称为上行链路，从卫星到接收站方向传输的链路称为下行链路。

卫星通信链路由发端地球站、上行链路、卫星转发器、下行链路和收端地球站组成，典型的单向卫星通信链路如图1所示。

转发器是通信卫星的关键，常用的转发器有处理转发器（对接收信号进行信号重新解调调制和转发）和透明转发器（有的文献称弯管转发器），透明转发器只对接收信号进行频率变换和信号放大，实现简单、成本低、应用广泛。这里讨论的都是基于透明转发器的通信链路。由于没有进行星上信号处理，上行链路信号经过传播衰减，并引入一定噪声，这些衰减和噪声也会影响下行链路，因此整个通信链路的性能取决于上行链路和下行链路质量。

从通信系统的可靠性角度考虑，通常用通信接收机接收信号的信噪比来衡量。对于数字通信系统，一般用误码率来评估，但起决定性因素的还是接收信号信噪比。现代卫星通信系统，大多采用数字相位调制方式，如常用的QPSK、8PSK等，信号的幅度由载波决定，其功率可以用载波的功率来表示。因此，卫星通信链路的质量一般用载波功率与噪声功率的比值（载噪比）来衡量。可以通过计算上下行链路载噪比来分析卫星通信质量，确定影响链路性能的关键因素。

2.2影响通信链路质量的因素

（1）传播损失

电磁波在上下行链路的传播损失，主要包含在自由空间由于能量扩散而产生的损失，以及大气中氧分子、水蒸气吸收而产生大气衰减。

（2）噪声

上下行链路各关键节点的噪声来源不一样，通信卫星接收端的主要噪声包含大气噪声、接收天线噪声以及卫星接收机系统噪声；地球站接收端噪声包含地球站天线噪声、上行链路噪声、接收机内部噪声以及其它通信系统产生的噪声。对于TDMA系统，地球站接收端总噪声为上行线路热噪声和下行线路热噪声之和。而对于FDMA系统，由于需要同时放大多个载波，转发器行波管非线性，会产生互调噪声，此时接收系统总噪声为上行链路噪声、下行链路噪声和卫星转发器互调噪声。虽然这三部分噪声到达接收站接收机输入端时，已混合在一起，但因各部分噪声之间彼此独立，所以计算噪声功率时，可以将三部分相加。

（3）干扰

工程链路计算中，还需要考虑各种干扰对载波的影响，主要有：

a）来自相邻卫星系统的上行干扰和下行干扰。

b）来自同一卫星交叉极化转发器的上行干扰和下行干扰。

这些干扰都会在载波接收端形成噪声，影响到卫星通信系统的链路性能。

其它可能产生的干扰还有：地球站互调干扰、卫星上相邻转发器的干扰、相邻载波之间的干扰、来自地面环境的干扰等，这些干扰通常可以通过系统设计、站址选择来减轻或消除，在链路计算中可不予考虑。

（4）雨衰

在雨天，降雨会导致电磁波在空中传播时产生衰减，衰减量与雨量大小和信号频率等因素有关。这种影响主要体现在：一是引起信号衰减，二是导致接收系统噪声温度升高。Ku频段卫星通信受雨衰影响较大，而且与地理位置有很大的关系，具体计算可参考ITU-R564-4中建议的方法。

（5）输入输出补偿

为避免或降低FDMA系统的互调干扰，可以进行输入补偿，尽量使行波管工作在线性状态。通常，输入补偿越大，互调噪声越小甚至消失，转发器的输出功率也会减小，但会导致上下行链路载噪比降低，转发器能力得不到充分发挥。因此，为使卫星链路工作在最佳传输状态，选择适当的补偿值至关重要，这个值一般需要经过多次试验才能得到。

（6）其它损耗

在进行下行链路计算时，通常引用的是卫星的等效全向辐射功率EIRP或饱和功率通量密度Ws，这些都是卫星下行波束轴向上的量值，实际地球站在对星时，由于星体漂移、天线跟踪误差等，导致实际对星角度偏离理论对星角度，引起天线跟踪误差损耗。

对于同一转发器，由于转发器波束指向的原因，处于不同地理位置的地球站收到的信号大小不一样，这样会导致不同位置的EIRP值不同。工程上，通常以卫星信号等高线边缘区域（最坏情况）或轴向（最好情况）为参考点进行计算，其它位置会产生一个相对地理增益。另，线极化电磁波在通过电离层时由于法拉第旋转效应，产生极化偏转，导致极化损耗。

三、卫星通信链路设计的步骤与方法

卫星通信链路设计一个复杂的过程，需要折中许多因素，以求达到最好的性能和用户可以接受的成本，这里给出一般通信链路设计步骤：

（1）确定卫星系统的工作频带，进行比较性设计以便做出设计选择。

（2）查明卫星的通信参数，估计某些未知的参数。

（3）查询确定地球站发射和接收参数。

（4）计算基带信噪比BER或Eb/N0，确定链路余量。

（5）建立上行链路功率预算和转发器噪声功率预算，计算转发器的载噪比。

（6）基于转发器增益或输出补偿，计算转发器输出功率。

（7）为接收地球站建立下行链路功率和噪声预算，以处于卫星波束覆盖边缘的站（最坏的情况）为例，计算下行链路载噪比和链路总载噪比。

（8）评估计算结果，并与具体需求参数比较。如不符合要求，更改系统参数以获得可接受的联合载噪比或信噪比，这步可能会重复多次，直到获得可以接受的链路参数为止。

（9）查询卫星通信链路工作的传播条件，确定上行链路和下行链路雨衰，分析计算链路可靠性。

（10）如果链路余量不够，可通过改变某些参数重新设计系统。核查这些参数是否合理，这样的设计是否可以实现，并且达到期望的链路预算。

四、总结

卫星通信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。

参考文献：

[1]王丽娜.卫星通信系统[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]李志国，卫颖.卫星通信链路计算[J].指挥信息系统与技术,2014,5(1):73-76.